Установка земельного коксования

I. УСТАНОВКА ЗАМЕДЛЕННОГО КОКСОВАНИЯ

1.1Выбор и обоснование метода производства

Основной целью процесса коксования является получение нефтяного кокса. Нефтяной кокс получают при коксовании нефтяного сырья в горизонтальных обогреваемых кубах, в необогреваемых камерах и в аппаратах с движущимся теплоносителем. Исходным сырьем для коксования являются обычно нефтяные остатки: гудрон, мазут, крекинг-остаток. В меньшем количестве используют тяжелые ароматизированные дистилляты пиролиза, каталитического крекинга. В зависимости от технологии получения нефтяной кокс содержит от 90 до 95% углерода, 2-5% водорода,  2-3% кислорода и азота. Важнейшими показателями качества кокса являются:

1) содержание серы ( не более 1,5 % вес.для высококачественного кокса);                             

2) зольность ( не более 0,3-0,6 % вес.);

3) содержание влаги ( не более 3,0 % вес.);

4) выход летучих веществ  ( не более 5,0-7,0 % вес.).

большое значение имеет также структура кокса.

Промышленный процесс коксование осуществляется на установках трех типов: периодических (коксование в горизонтальных обогреваемых кубах), непрерывных (термоконтактное коксование), полунепрерывных (замедленное коксование в необогреваемых камерах).

Периодический процесс – наиболее старый из существующих процессов коксования.  Коксование проводится в нескольких обогреваемых камерах, работающих самостоятельно. Кубы представляют собой горизонтальные аппараты диаметром 2-4,5 м и длиной 10-13 м.

          Сырье загружают в куб и  постепенно подогревают его снизу  открытым огнем. При температуре 300° С начинаются выделения дистиллятных паров, которое усиливается по мере разогревания куба. После того как температура  в паровой фазе куба достигнет 445-460°С начинается ее снижение.

Понижение температуры говорит о том, что выделение погонов прекратилось и процесс образования коксового «пирога» в основном закончился. Дальнейший подогрев куба необходим для завершения процесса коксования, прокалки и просушки кокса. Прокалку кокса ведут при температуре 700-720 °С.

После прокалки, которая продолжается 2-3 часа, температуру в топке под кубом постепенно снижают, выключают форсунку и охлаждают куб. Для охлаждения куба подается сначала водяной пар, а затем воздух. Когда температура кокса понизится до 150-250 °С, приступают к его выгрузке. Выгрузка кокса из кубов почти не механизирована и представляет собой очень тяжелую, трудоемкую операцию. Кокс выгружают через люк. Для этого перед шуровкой в куб закладывают цепь или щиты, которые лебедкой вытягиваются из люка, взламывая коксовый «пирог». Оставшаяся часть кокса извлекается вручную. Коксование в кубах – малопроизводительный процесс, требующий значительных затрат ручного труда, связанный с большим расходом металла и топлива. Особенно много металла требуется для замены нижних листов куба, которые часто прогорают. Общий цикл работы куба колеблется от 20 до 35 ч., а максимальный выход одного куба не превышает 5 тн. кокса. Следовательно, даже батарея из 10-12 кубов производит не более 250-300 тн. кокса в сутки. Несмотря на то что по своему техническому уровню периодические коксовые установки давно устарели, и в нашей стране и за рубежом еще эксплуатируется значительное количество коксовых кубов и батарей. На кубовых установках благодаря хорошей прокалке в кубах удается получить крупнокусковой кокс с малым содержанием летучих (2-5 %) компонентов, что позволяет выпускать качественный электродный кокс.

 

Рис.1.  Технологическая схема коксования в кубах

1 - куб; 2 - разгрузочный  люк; 3 - шлемовая труба; 4 - конденсатор-холодильник;                5 - сепаратор; 6 - приемник дистиллята  коксования; 7 - труба для хвостовых погонов;               8 - аварийный бачок.                                                                       

При непрерывном (термоконтактном) коксовании нагретое сырье вступает в контакт с подвижным, нагретым до более высокой температуры инертным теплоносителем и коксуется на поверхности этого  теплоносителя.  Кокс, отложившийся на поверхности теплоносителя, вместе с ним выводится из зоны реакции. В освоенных промышленностью процесса теплоносителем служат частицы кокса.После вывода из зоны реакции теплоноситель и отложившийся на нем кокс поступает в регенератор, где часть кокса выжигается. За счет тепла, выделившегося при сгорании, происходит подогрев теплоносителя до требуемой температуры. Нагретый теплоноситель возвращается в зону реакции. Поскольку основное количество тепла, необходимое для коксования, сообщается за счет контакта сырья с нагретым теплоносителем, сырье перед подачей в реактор можно подогревать до более низкой температуры, чем требуется при замедленном коксовании. Это облегчает переработку наиболее высоковязких, смолистых продуктов, например асфальтов масляного производства, которое быстро коксуется при подогреве в трубчатых печах.

Существует два типа установок непрерывного коксования, которые различаются по типу применяемого теплоносителя и способу вывода его из зоны реакции. Первый тип – установки контактного коксования с применением крупногранулированного кокса (размер частиц 3-18 мм.), второй – установки, где теплоносителем является порошкообразный кокс с размером частиц до 0,3 мм., а коксование происходит в кипящем слое теплоносителя. Используется принцип пневмотранспорта. Движущей силой является поток газа или пара, захватывающий коксовые частицы и несущий их.

Высокая температура коксового теплоносителя способствует испарению продуктов разложения и удалению их с поверхности коксовых частиц. Возможность образования продуктов вторичного происхождения уменьшается. Поэтому выход кокса при термоконтактном коксовании меньше, чем при замедленном коксовании.

При непрерывном коксовании в кипящем слое происходит одновременно   три   процесса:   коксование,   сопровождающееся образованием продуктов разложения и уплотнения, прокалки кокса, и вторичные реакции распада и уплотнения продуктов коксования, находящихся в паровой фазе.

 Получаемый на этой  установке кокс представляет  собой мелкие и плотные шарики  с блестящей поверхностью и  с выходом летучих 1-4%. Максимальный  размер шариков 2 мм, минимальный - 0,07 мм; из них 90% - мельче 0,4 мм.

Процесс непрерывного коксования испытан в масштабе опытно промышленной установки.

 

 

Рис.2. Схема установки непрерывного коксования в псевдоожиженном слое кокса.

1 - парциальный  конденсатор (скруббер); 2 - реактор; 3 - коксонагреватель; 4 - топка;        5 - холодильник-классификатор  кокса; 6 - ректификационная колонна; 7 - конденсатор;     8 - компрессор; 9 - холодильник; 10 - газосепаратор; 11 - стабилизатор; 12 - отпарная колонна; 13 - котел-утилизатор.

Полунепрерывный процесс коксования пришел на смену кубовым установкам. Он проводится в необогреваемых коксовых камерах (замедленное коксование). Этот процесс известен с начало 30-х годов. В настоящее время замедленным коксованием получают наибольшее количество нефтяного кокса во многих странах мира.

Сырье замедленного коксования нагревается в трубчатой печи       до 500°С и направляется в полный необогреваемый вертикальный цилиндрический аппарат – коксовую камеру (реактор). В камере сырье находится длительное время и за счет аккумулированного им тепла коксуется. С верха работающей камеры удаляются потоки легких дистиллятов. После заполнения реакторов коксом на 70-90% поток сырья переключается на другую камеру, а из отключенной камеры выгружается кокс.

Процесс замедленного коксования имеет периодический характер по выгрузке кокса и непрерывный – по подаче сырья и выделению дистиллятных продуктов.

 

Рис.3 Схема установки замедленного коксования в необогреваемых камерах

1,6,12,15 - насосы; 2,3 - трубчатые печи; 4- приемник; 5,5' - камеры  замедленного коксования; 8,19,21 - аппараты  воздушного охлаждения; 9- ректификационная  колонна; 10,11 - отпарные колонны; 16 - холодильник; 17 -газоотделитель; 18-20-теплообменник

 

Из трех способов получения кокса замедленное коксование самый практичный. На установке замедленного коксования мы можем получить максимум обеспечения заданной производительности установки по сырью, выходу и качеству целевых продуктов. Сырье нагревается в печи до 490-510 °С, но так как оно представляет собой тяжелый остаток богатый смолами, асфальтами, имеется большая опасность, что при такой высокой температуре оно будет коксоваться в самой печи,

 

Вызывая закоксовывание змеевика. Поэтому для обеспечения нормальной работы, процесс коксования должен быть «задержан» до тех пор, пока сырье, нагревшись до требуемой температуры, не поступает в коксовые камеры. Это достигается благодаря длительности нагрева сырья в печи (за счет высокой удельной теплонапряженностирадиатных труб), высокой скорости движения сырья по трубам печи (для этого в сырье подают турбулизатор – воду, пар).

Затем нагретое сырье подается в необогреваемые, изолированные снаружи, коксовые камеры, где происходит коксование за счет тепла приходящего с сырьем. Пары и газы, поступившие из камер, разделяются  в ректификационной колонне на газ, бензин и газойль.

Ректификационные камеры установки замедленного коксования работают по циклическому графику. В них последовательно чередуются реакции: разогрева камеры, охлаждения кокса и выгрузки. Размеры камер определяются производительностью установки, чаще всего принимают такие размеры, чтобы рабочий цикл каждой камеры составлял 48 часов. При этом одну из камер каждой пары освобождают от кокса ежедневно в одно и тоже время. По достижению определенного уровня кокса в одной камере поток сырья переключают по второму. Таким образом, практически достигается непрерывный процесс. Заполненную коксом камеру вначале пропаривают и охлаждают водой, а затем загружают кокс гидравлической резкой водяными струями высокого давления. Требуемый напор создают специальными многоступенчатыми насосами. После освобождения от кокса камеру закрывают, опрессовывают паром, прогревают парами коксования из работающей камеры до максимально возможной температуры и включают на поток.

Кокс из камер выгружают на открытую площадку или в промежуточный бункер, где воду отделяют от кокса отстоем. Затем кокс транспортируют на склад конвейерами. По другой схеме кокс, выгружаемый из камер, подают на дробилку и далее конвейерами отправляют на склад. Откуда от может отправиться к потребителю. Воду после гидровыгрузки кокса очищают от коксовой мелочи и используют повторно.

 

1.2 Физико-химические основы процесса.

Основную массу нефтяного кокса составляют карбоиды - продукты глубокого уплотнения нефтяных остатков (гудронов, крекинг-остатков, асфальтов деасфальтизации, экстрактов масляного производства), образующихся в результате действия на эти углеводороды высокой температуры - до 510 °С. Карбоиды - сложные соединения, богатые углеродом   и   бедные   водородом,   характеризуются   полной нерастворимостью в бензоле .

При нагреве сырья коксования до температуры 460-510 °С происходят реакции распада и конденсации молекул с образованием свободных радикалов. Под свободными радикалами подразумеваются осколки молекул, имеющие неспареный электрон, в силу этого обладающий повышенной реакционной способностью.

Коксообразующими компонентами в нефтяных остатках являются смолы.

Выход кокса из асфальтенов, смол и масел составляет соответственно: 60 - 75 % , 25 - 30 % и 1%. При совместном присутствии всех указанных выше компонентов, суммарный экспериментальный выход кокса заметно выше, чем рассчитанный по содержанию в сырье масел, смол и асфальтенов по правилу смешения. Это объясняется тем, что в реакции коксообразования углеводородов совместно с аналогичными осколками молекул смол и асфальтенов. Изменяя  условия  процесса,  можно  влиять  превращение компонентов сырья и, следовательно, регулировать материальный баланс в сторону меньшего или большего выхода тех или иных продуктов. Влияние температуры на ход и результаты коксования многообразно. В частности, при повышении температуры в камере количество продуктов, остающихся в жидкой фазе и подвергающихся полному разложению, уменьшается и выход кокса снижается. Начиная с некоторой температуры, тем более низкой, чем менее ароматизировано сырье, и обычно большей 500°С, наиболее ароматизированные асфальтены выделяются из раствора в смолах и маслах в виде капель второй жидкой фазы и наблюдается образование сферических

колец кокса. Чрезмерная глубина разложения сырья в печи, растущая с повышением температуры, может приводить для относительно малоароматизированного сырья, например для гудронов высокопарафинистых нефтей, к закоксовывания змеевика печи. Одной из наибольших трудностей при эксплуатации установок замедленного коксования является вспенивание (вспучивание) продукта в коксовой камере и переброс его вследствие этого в ректификационную колонну. Продукт в коксовой камере, концентрация асфальтенов в котором достигает пороговой, является студнем, т.е. обладает высокой вязкостью.

При прохождении паров и газов слой жидкого высоковязкого продукта вспенивается; высота пенного слоя тем выше, чем больше поток газовой фазы.  Конденсация асфальтенов до  кокса, начинающаяся при застудневании раствора асфальтенов, происходит с большим газовыделением; происходит интенсивное вспенивание пластичной массы студня, высота его слоя увеличивается в 3-8 раз. Повышение температуры в камере снижает вязкость коксующегося продукта, и вспучивание уменьшается. Кроме того при этом снижается срок заполнения камеры коксом и увеличивается деструкция первично образующегося кокса (прокалка), что уменьшает содержание в коксе продуктов, выделяющихся при его прокаливании («летучих») повышение температуры в камере ограничено закоксовыванием труб печи, для различных видов сырья температура на выходе из печи не может быть выше 505-515 оС, что сильно снижает гибкость процесса замедленного коксования. Температура в камере ниже вследствие затрат тепла главным образом на крекинг и испарение продуктов крекинга и обычно составляет 420-450 °С. Первичные относительно легкие продукты распада переходят в газовую фазу. В результате бензиновые фракции процесса коксования содержат много олефиновых углеводородов. Давление в камере обычно порядка 0,2-0,3 МПа (2-3 кгс/см2), и изменение его несущественно. Качество сырья влияет на выход продуктов, качество и ход технологического процесса. Выход кокса тем выше, чем больше в сырье асфальтенов и выше его ароматизированность.    Под ароматизированностью понимают долю углеродных атомов сырья, содержащихся в ароматических кольцах. Чем выше ароматизированность жидкого продукта в коксовой камере, тем выше пороговая концентрация асфальтенов, при которой раствор

застудневает и начинается коксообразование, и меньше газовыделение при поликонденсации асфальтенов (благодаря большей ароматизированности

последних); в результате пористость кокса снижается. При меньшем газовыделение высота вспененного слоя в коксовой камере снижается, и предельная высота, до которой может быть заполнена коксом камера без опасности переброса в колонну, повышается. Содержание в сырье