Кокс с водой реакция

Установка замедленного коксования

Назначение

Коксование — процесс переработки жидкого или твёрдого топлива нагреванием без доступа кислорода. При разложении топлива образуется твёрдый продукт —нефтяной или каменноугольный кокс и летучие продукты.

Общий вид установки замедленного коксования

Типы коксования по аппаратурному оформлению:

1. замедленное коксование в необогреваемых камерах (для получения малозольного кокса)
2. обогреваемых кубах (для получения электродного и специальных видов кокса)
3. коксование в «кипящем слое» порошкообразного кокса (так называемый «термоконтактный крекинг»)

Наиболее часто в современной нефтепереработке и нефтехимии применяется технология замедленного коксования.

Процесс замедленного коксования представляет собой процесс термического крекинга для переработки тяжелых фракций нефти в более легкие газообразные и жидкие продукты и твердый (сырой) кокс.

Сырье и продукты

Сырье коксования может представлять собой смесь одного или нескольких видов сырья, таких как вакуумные остатки, атмосферные остатки или смолы. Эта смесь поступает на установку через резервуарный парк или напрямую с других технологических установок.

Установка замедленного коксования предназначена для производства следующей продукции:

• отходящие газы коксования,
• пропан-пропилен,
• бутан-бутилен,
• нафта коксования,
• легкий газойль коксования (ЛГК),
• тяжелый газойль коксования (ТГК),
• топливный кокс.

Нефтяной кокс привлекает внимание специалистов как перспективное технологическое топливо в производстве вяжущих материалов — цемента, извести и гипса.

Кокс широко используется в качестве исходного сырья в производстве электродов для дуговых электропечей. Его применение в указанном качестве и в других производствах ограничивается содержанием серы.

Нефтяной кокс используется в качестве топлива при сжигании которого на ТЭЦ вырабатывается электроэнергия.

Потребление нефтяного кокса в промышленности

Технологическая схема

Установка состоит из следующих секций:

• буферная емкость сырья и предварительный подогрев сырья,
• коксование
• секция первичного фракционирования
• секция разделения газов
• секция аминовой очистки
• пропарка/продувка коксовой камеры
• раскоксовывание
• система выгрузки кокса.

Принцип работы

Блок предварительного подогрева

Свежее сырье совместно с рециркулирующими дистиллятами направляется через линию теплообменника предварительного нагрева подачи, чтобы максимизировать рекуперацию тепла из потоков циркулирующих орошений (ЦО) и продуктовых газойлей. Через цепь теплообменников предварительного нагрева сырье обычно нагревается до 280-300 °С. Точная температура на выходе из теплообменника оценивается с помощью пинч-анализа для оптимального проектирования схемы теплообмена. Предварительно нагретый вакуумный остаток направляется в нижнюю часть фракционирующей колонны, которая выполняет роль буферной емкости и обеспечивает равномерную подачу для печных насосов.

Печь

Печь коксования работает на топливном газе. Каждая печь оборудована независимой системой подогрева воздуха (включающей в себя вытяжной вентилятор, нагнетательные вентиляторы, подогреватель пара и подогреватель воздуха) и дымовой трубой, установленной в верхней части каждой печи.

Поток рециркуляции дистиллята способствует испарению в процессе коксования. В печи повышенное испарение также увеличивает скорость в трубах, что, в свою очередь, уменьшает общее время пребывания сырья внутри печи. Цель состоит в том, чтобы уменьшить общее время в печи выше этой температуры, чтобы ограничить отложения кокса внутри труб, тем самым увеличивая длину межремонтного пробега.

Сырье выходит из печи с приблизительной температурой 500 °C и давлением 3,5 кг/см2 (изб.)

Коксовые камеры

Нагретое в печи сырье поступает в коксовые камеры, где происходит его крекинг с образованием кокса и продуктов крекинга. В результате протекания реакций крекинга, циклизации, ароматизации, дегидрирования, поликонденсации и уплотнения образуется сплошной слой кокса. Заполнение каждой коксовой камеры коксом до безопасного эксплуатационного уровня производится в течение 18 часов.

Продукты крекинга выходят из верхней части коксовых камер в виде потока пара с приблизительной температурой 449 °C и давлением 1,05 кг/см 2 (изб.).

Рабочее давление в коксовой камере поддерживается как можно более низким для снижения количества образующегося кокса и увеличения выхода дистиллята. Горячий поток паров из коксовой камеры немедленно охлаждается до температуры 429 °C или менее при теплообмене с ТГК для прекращения реакций крекинга и полимеризации, вследствие чего коксообразование в линии паров с верха коксовой камеры к фракционирующей колонне установки коксования сводится к минимуму.

Фракционирование

Во фракционирующей колонне установки коксования происходит разделение потока паров из коксовой камеры на:

• жирный газ коксования
• нафту коксования
• легкий газойль коксования
• тяжелый газойль коксования
• внутренний рецикловый продукт

Колонна разделена на две основные секции тарелкой для отвода ТГК. В верхней части установлены ректификационные тарелки клапанного типа; в нижней части размещены два уровня распылительных распределителей для повышения качества ТГК. Охлажденные пары из коксовой камеры поступают вверх через распределительное устройство паров и через зону распыления, при этом пары охлаждаются при соприкосновении со стекающим вниз жидким ТГК, который распыляется в верхней части зоны распыления.

Тяжелая рецикловая жидкость образуется в нижней части распылительной камеры. После охлаждения этот поток используется в качестве орошения для поддержания температур в кубе колонны ниже температур начала коксования.

Пары из верхней части фракционирующей колонны установки коксования охлаждаются и конденсируются в воздушном конденсаторе и концевом холодильнике верхнего продукта фракционирующей колонны. Часть жидких углеводородов из приемника подается на верхнюю тарелку в качестве флегмы. Сконденсированная кислая вода перекачивается насосом на границу технологической установки.

Блок разделения газов

Несконденсированные пары из приемника верхнего продукта направляются на прием газового компрессора и далее на блок разделения.

Секция разделения паров предназначена для разделения паров и жидких верхних продуктов, поступающих из фракционирующей колонны, на осушенный газ коксования, пропан-пропилен, бутан-бутилен и нафту коксования.

После компримирования жирного газа он вместе с нестабильной нафтой поступает на блок абсорбции, где из него удаляются легкие углеводороды С₁-С₂.

Смесь нафты и СУГ поступает на блок стабилизации, где из нафты выделяются углеводороды С₃-С_4.

Аминовая очистка

Углеводороды С₁-С₂ и С₃-С₄ отдельными потоками отправляются на блок аминовой очистки, где из них в результате процесса абсорбции с помощью МДЭА удаляется H₂S.

Очищенный топливный газ С₁-С₂ частично отправляется в топливную сеть предприятия, а также используется в качестве топлива для печи коксования.

Очищенный СУГ С₃-С₄ направляется на дальнейшее фракционирование на пропан-пропиленовую и бутан-бутиленовую фракции.

Пропарка/продувка коксовой камеры

Коксование представляет собой полунепрерывный процесс с 18-часовым циклом коксования в коксовых камерах при эксплуатации. Каждая камера должна быть включена в процесс в течение 18 часов для заполнения и исключена из процесса на 18 часов для декоксования. Таким образом, суммарная продолжительность цикла между последовательными подачами нефтепродуктов в камеру составляет 36 часов.

По завершении цикла заполнения одной камеры поток из печи коксования переводится в другую (пустую) камеру посредством входного клапана переключения. Затем в нижнюю часть заполненной коксом камеры в течение 30 минут подается пар, а летучие легкие углеводороды отводятся во фракционирующую колонну установки коксования.

На протяжении следующих 60 минут расход пара увеличивается, а полученные пары (в основном водяной пар) направляются в нижнюю часть колонны продувки.

Раскоксовывание

Кокс удаляется их коксовых камер путем гидравлического декоксования за два этапа. Сначала в слое кокса проделывают отверстие диаметром около 915 мм. На втором этапе кокс разрезается на слои по мере опускания инструмента оператором. Гидравлические режущие инструменты монтируются на конце полой ударной штанги, которая подвешена на поворотном соединении. Ударная штанга вращается посредством электродвигателя. Лебедка на площадке поднимает и опускает ударную штангу в пределах конструкции вышки, построенной над коксовыми камерами.

Вода для резки подается насосом для резки кокса под давлением приблизительно 270 кг/см 2 (изб.). Чтобы избежать частых пусков и остановов насоса, применяется специальный гидравлический байпасный регулирующий клапан.

После удаления кокса обеспечивается повторная установка крышки на неработающую камеру, продувка паром для удаления воздуха и опрессовка паром. После этого в сборник подаются пары из работающей коксовой камеры, которая заполняется в данный момент.

Парожидкостная смесь, образовавшаяся в результате конденсации пара в неработающем сборнике, поступает в колонну продувки. После достаточного прогрева коксовой камеры она готова к работе в целях ее заполнения.

Система выгрузки кокса

Система выгрузки кокса (СВК) предназначена для переработки кокса, образовавшегося в установке замедленного коксования (УЗК) и является надежной и безопасной системой с отсутствием выбросов.

СВК способна дробить кокс и затем направлять его в виде суспензии (смеси частиц раздробленного кокса с водой) из коксовых камер в бункер обезвоживания и затем на участок хранения. Система обеспечивает высокоэффективное отделение кокса от воды и производит чистую воду для повторного использования в процессе декоксования.

СВК состоит из следующих технологических стадий:

• охлаждение сточной воды из коксовых камер
• дробление кокса и транспортировка суспензии
• обезвоживание
• выгрузка сухого кокса.

Достоинства и недостатки

Недостатки

• высокая вероятность коксования змеевиков печи и куба фракционирующей колонны
• сложность очистки сточных вод после гидравлической резки кокса водой
• возможные проблемы при выгрузке и транспортировке кокса, связанные с большим количеством движущихся механизмов
• несоответствие кокса заявленным требованиям при смене качества нефтяного сырья, неверного выполнения технологических стадий
• контакт персонала с сыпучими/пыльными материалами, выбросы в атмосферу.

Достоинства

• низкие капиталовложения по сравнению с величиной достижения глубины переработки (90-95%) и выхода светлых нефтепродуктов (70-75%)
• широкая степень изучения и внедрения процесса коксования в мировой нефтепереработке
• относительная простота технологического процесса
• отсутствие катализатора для проведения процесса

Материальный баланс

Один из вариантов материального баланса установки замедленного коксования.

Сырье	%
Гудрон	45
Остатки масляного производства	13
Остатки висбрекинга	42
ИТОГО	100
Получено
Сухой газ	4,1
H2S+NH3	0,9
ППФ	0,9
ББФ	1,5
Нафта (30-150°C)	10,0
Легкий газойль коксования	37,5
Тяжелый газойль коксования	18,6
Кокс	26,5
ИТОГО	100

Существующие установки

Наиболее крупными установками замедленного коксования на НПЗ России по данным на 2017 год являются установки на «Газпромнефть-ОНПЗ» (Омск) и ПАО «ТАНЕКО» (Нижнекамск). В период 2017-2020 были запущены УЗК на «ЛУКОЙЛ-Нижегороднефтеоргсинтез», Антипинском НПЗ, Уфимском НПЗ.

Источник

Инструменты пользователя

Инструменты сайта

Содержание

Уменьшение количества остатка (коксование)

Коксование — это термический крекинг тяжелого нефтяного сырья в более жестких условиях, при котором в качестве одного из продуктов получается твердый остаток — кокс. 1)

Среди термических процессов наиболее широкое распространение получил процесс замедленного коксования. Другие разновидности процессов коксования — периодическое коксование в кубах и коксование в псевдоожиженном слое порошкообразного кокса — нашли ограниченное применение.

Установка замедленного коксования КНПЗ

Основное целевое назначение установок замедленного коксования — производство крупно-кускового нефтяного кокса. Наиболее массовыми потребителями нефтяного кокса в мире и в нашей стране являются производства анодной массы и обожженных анодов для алюминиевой промышленности и графитированных электродов для электросталеплавления. Широкое применение находит нефтяной кокс при изготовлении конструкционных материалов, в производстве цветных металлов, кремния, абразивных (карбидных) материалов, в химической и электротехнической промышленностях, космонавтике, ядерной энергетике и др.

Кроме кокса на УЗК получают газы, бензиновую фракцию и коксовые (газойлевые) дистилляты. Газы коксования используют в качестве технологического топлива или направляют на ГФУ для извлечения пропан-бутановой фракции — ценного сырья для нефтехимического синтеза. Получающиеся в процессе коксования бензиновые фракции (5…16 % мас.) характеризуются невысокими октановыми числами (≈ 60 по ММ) и низкой химической стабильностью, повышенным содержанием серы (до 0,5 % мас.), и требуется их дополнительное гидрогенизационное и каталитическое облагораживание. Коксовые дистилляты могут быть использованы без или после гидрооблагораживания как компоненты дизельного, газотурбинного и судового топлив или в качестве сырья каталитического или гидрокрекинга, для производства малозольного электродного кокса, термогазойля и т. д.

Сырьем установок коксования являются остатки перегонки нефти — мазуты, гудроны; производства масел — асфальты, экстракты; термокаталитических процессов — крекинг-остатки, тяжелая смола пиролиза, тяжелый газойль каталитического крекинга и др. Кроме того, за рубежом используют каменноугольные пеки, сланцевую смолу, тяжелые нефти из битуминозных песков и др. 2)

После многих лет накопления информации о термическом крекинге стало достаточно ясно, что благодаря высоким температурам и очень высоким скоростям подачи сырья, коксообразования не происходит, пока сырье не выходит из узких змеевиков в печах в большой уравнительный резервуар. Если углеводородную смесь задержать в этой изолированной емкости, которая называется коксовый барабан, то можно провести управляемые процессы глубокого крекинга и коксования.

Была разработана технология, которая позволяет эффективно проводить этот процесс, включив его в непрерывный режим крекинга. Хотя идея коксования проще, чем идея крекинга, в первом случае требуется более сложное оборудование, так как приходится иметь дело с коксом. Поскольку кокс — твердое вещество, то возникают дополнительные проблемы.

Сырье для коксования нагревают приблизительно до 540°С (

1000°F) и подают в нижнюю часть коксового барабана (иначе называется реактором или камерой коксования). 3)

Поскольку сырье представляет собой тяжелый остаток, богатый смолами и асфальтенами (т. е. коксогенными компонентами), имеется большая опасность, что при такой высокой температуре оно закоксуется в змеевиках самой печи. Поэтому для обеспечения нормальной работы реакционной печи процесс коксования должен быть «задержан» до тех пор, пока сырье, нагревшись до требуемой температуры, не поступит в коксовые камеры (отсюда термин «замедленное коксование»). Это достигается благодаря обеспечению небольшой длительности нагрева сырья в печи (за счет высокой удельной теплонапряженности радиантных труб), высокой скорости движения по трубам печи, специальной ее конструкции, подачи турбулизатора и т. д. 4)

Легкокипящие продукты крекинга поднимаются вверх и откачиваются из верхней части барабана. Высококипящие продукты остаются и, поскольку нагревание продолжается, разлагаются до кокса, который представляет собой твердое вещество, похожее на уголь. Пары из верхней части барабана направляют на ректификацию, так же, как и продукты термического крекинга.

Коксование

Удаление кокса из барабана — отдельная проблема, так как он представляет собой твердую лепешку. В прежние времена реактор термического крекинга иногда закоксовывался в результате какого-либо нарушения технологического режима или аварии. Единственным способом вычистить кокс из реактора было послать туда рабочих в кислородных масках с отбойными молотками. Несомненно, что именно это сдерживало разработку производства кокса на нефтеперерабатывающих заводах.

В настоящее время удаление кокса — это ежедневная рутинная процедура, которая осуществляется подачей струи воды под давлением (около 2000 psi или 140 атм).

Сначала в коксовой лепешке, находящейся в барабане, просверливается отверстие сверху вниз. Затем в отверстие опускают вращающийся стержень, в результате чего струя воды направляется в разные стороны. За счет высокого давления лепешка кокса разбивается на куски, которые вываливаются из нижней части колонны и попадают в тележки или вагонетки для подвозки к месту хранения.

Последовательность операций при выгрузке кокса:
а — высверливание скважины; б — образование скважины; в — резка кокса. 5)

Обычно барабаны работают в режиме 48-часового цикла: 24 часа барабан заполняется коксом, а переключение, охлаждение и удаление кокса занимают около 22 часов, в течение которых заполняется коксом соседний барабан.

Выходы. В целом при термическом крекинге количество остатка уменьшается на 80%. В случае коксования остатка вообще нет, но образуется около 30% кокса, для которого нужен рынок сбыта. В обоих процессах образуются также бензин, нафта и газойль, но они низкого качества. Нафту часто перерабатывают на установке каталитического риформинга, а газойль — на установке гидрокрекинга. 6)

Оборудование установок замедленного коксования разделяют на три группы.

Оборудование первой группы широко применяется на нефтеперерабатывающих заводах, оборудование второй и третьей групп является специальным, характерным для установок замедленного коксования.

Подробно рассмотрим основной реакционный агрегат установок замедленного коксования — коксовые камеры (или коксовые барабаны, как они назывались ранее в статье).

Монтаж коксовой камеры

Конструктивно коксовая камера представляет собой сварной цилиндрический вертикально установленный пустотелый сосуд с верхним и нижним днищами. На следующем рисунке показана типовая камера установки замедленного коксования.

Верхняя горловина 2 предназначена для ввода гидрорезака, а нижняя 5 — для выхода кокса и воды при гидровыгрузке. Опора 9 представляет собой коническую обечайку высотой 2 м, приваренную по периметру горизонтальным швом к нижнему днищу. Снизу к обечайке приварено опорное кольцо 7, которое, в свою очередь, опирается на фундаментное кольцо. Снаружи камера покрыта слоем изоляции толщиной 250 мм.
На действующих установках замедленного коксования реакторный блок включает от двух до четырех камер. Для предотвращения выноса пены из реакционной камеры предусмотрен контроль за максимальной высотой заполнения камер коксом с помощью радиоактивных сигнализаторов уровня. По этой же причине высота заполнения камер равна 14-17 м, что составляет 55-65% от реакционного объема камеры. 7)

Кокс. О коксе полезно сказать несколько слов. Большая часть кокса, который выпускается нефтеперерабатывающим заводом, выглядит как губка и потому называется губчатый кокс. Основные области применения такого кокса — это производство электродов, получение карбида кальция и графита. Прочность губчатого кокса недостаточна для его использования в доменных печах для выплавки чугуна или в литейном производстве.

Вторая форма кокса — игольчатый кокс, который так называется из-за своих удлиненных микрокристаллов. Чтобы получить такой кокс, требуется особое сырье и более жесткие условия работы. По своему качеству такой вид кокса предпочтительнее в производстве электродов, чем губчатый кокс. В результате, игольчатый кокс значительно дороже, чем губчатый.

Кокс содержит некоторые количества воды и жидких углеводородов, поэтому перед использованием он должен быть высушен. Измельчение кокса с последующим нагреванием с целью удаления этих примесей называется кальцинированием.

Кроме того, кокс можно применять в качестве топлива на нефтеперерабатывающем заводе — точно таким же образом, как используется любое другое твердое топливо, например, каменный уголь. 8)

Принципиальная технологическая схема установки замедленного коксования (дополнительная информация)

На рисунке ниже представлена принципиальная технологическая схема нагревательно-реакционно-фракционирующей секции двухблочной установки замедленного коксования. Сырье — гудрон или крекинг-остаток (или их смесь) нагревают в теплообменниках и конвекционных змеевиках печи и направляют на верхнюю каскадную тарелку колонны К-1. Часть сырья подают на нижнюю каскадную тарелку для регулирования коэффициента рисайкла 9) , под нижнюю каскадную тарелку этой колонны — горячие газы и пары продуктов коксования из коксовых камер. В результате контакта сырья с восходящим потоком газов и паров продуктов коксования сырье нагревается (до температуры 390…405 °С), при этом низкокипящие его фракции испаряются, а тяжелые фракции паров конденсируются и смешиваются с сырьем, образуя так называемое вторичное сырье.

Принципиальная технологическая схема двухблочной установки замедленного коксования:
I — сырье; II — стабильный бензин; III — легкий газойль; IV — тяжелый газойль; V — головка стабилизации; VI — сухой газ; VII — кокс; VIII — пары отпарки камер; IX — водяной пар

Вторичное сырье с низа колонны К-1 забирают печным насосом и направляют в реакционные змеевики печей (их две, работают параллельно), расположенные в радиантной их части. В печах вторичное сырье нагревается до 490…510 °С и поступает через четырехходовые краны двумя параллельными потоками в две работающие камеры; две другие камеры в это время находятся в цикле подготовки. Входя в низ камер, горячее сырье постепенно заполняет их; так как объем камер большой, время пребывания сырья в них также значительно и там происходит крекинг сырья. Пары продуктов коксования непрерывно уходят из камер в колонну К-1, а утяжеленный остаток задерживается в камере. Жидкий остаток постепенно превращается в кокс.

Фракционирующая часть УЗК включает основную ректификационную колонну К-1, отпарные колонны К-2 и К-3, фракционирущий абсорбер К-4 для деэтанизации газов коксования и колонну стабилизации бензина К-5.

Колонну К-1 разделяют полуглухой тарелкой на две части: нижнюю, которая является как бы конденсатором смешения, а не отгонной секцией колонны; и верхнюю, выполняющую функцию концентрационной секции ректификационных колонн. В верхней части К-1 осуществляют разделение продуктов коксования на газ, бензин, легкий и тяжелые газойли. В колонне К-1 температурный режим регулируется верхним острым 10) и промежуточным циркуляционными орошениями. Легкий и тяжелый газойли выводят через отпарные колонны соответственно К-2 и К-3.

Газы и нестабильный бензин из сепаратора С-1 направляют в фракционирующий абсорбер К-4. В верхнюю часть К-4 подают охлажденный стабильный бензин, в нижнюю часть подводят тепло посредством кипятильника с паровым пространством. С верха К-4 выводят сухой газ, а снизу — насыщенный нестабильный бензин, который подвергают стабилизации в колонне К-5, где от него отгоняют головку, состоящую из пропан-бутановой фракции. Стабильный бензин охлаждают, очищают от сернистых соединений щелочной промывкой и выводят с установки.

Коксовые камеры работают по циклическому графику. В них последовательно чередуются циклы: коксование, охлаждение кокса, выгрузка его и разогрев камер. Когда камера заполнится примерно на 70…80 % по высоте, поток сырья с помощью переключающих кранов переводят в другую камеру. Заполненную коксом камеру продувают водяным паром для удаления жидких продуктов и нефтяных паров. Удаляемые продукты поступают вначале в колонну К-1. После того как температура кокса понизится до 400…405 °С, поток паров отключают от колонны и направляют в скруббер (на рисунке не показан). Водяным паром кокс охлаждают до 200 °С, после чего в камеру подают воду.

После охлаждения кокс из камер выгружают. Для этой операции применяют гидравлический метод. Пласты кокса разрушают струей воды давлением 10…15 МПа. Над каждой камерой устанавливают буровые вышки высотой 40 м, предназначенные для подвешивания бурового оборудования. На вышке закрепляют гидродолото, с помощью которого в слое кокса пробуривают центральное отверстие. Затем гидродолото заменяют гидрорезаком, снабженным соплами, из которых подают сильные струи воды, направляемые к стенкам камеры. Гидрорезак перемещается по камере, полностью удаляя со стенок кокс.

Далее кокс поступает в отделение внутриустановочной обработки и транспортировки, где осуществляется дробление, сортировка на три фракции и транспортировка в склады.

Коксовую камеру, из которой выгружен кокс, спрессовывают и прогревают сначала острым водяным паром 11) , затем горячими парами продуктов коксования из работающей камеры до температуры 360…370 °С и после этого переключают в рабочий цикл коксования. 12)

Источник