Установка замедленного коксования: проект, принцип работы, расчет мощности и сырье

Установки замедленного коксования являются наиболее распространенным аппаратным решением для переработки тяжелой нефти. Их устройство включает в себя 2 основных модуля – реакторный, где происходит нагрев сырья и его коксование, и механической обработки. Проектирование установок производится поэтапно и включает в себя расчет и выбор технологического оборудования, определение технико-экономических показателей.

Назначение

Технологический процесс коксования является одним из способов переработки нефти. Его основной целью служит получение крупнокускового нефтяного кокса. В промышленности применяют 3 метода коксования:

1. Периодический, в кубах. Сырье загружается в горизонтальный аппарат, нагревается с помощью топки под ним, затем в течение 2-3 ч. прокаливается. После чего печь охлаждают и выгружают готовый продукт. Этот способ является наиболее простым и малопроизводительным.
2. Непрерывный. Данный способ еще находится на стадии промышленного освоения.
3. Полунепрерывный, получивший в настоящее время наибольшее распространение.

Установки замедленного коксования УЗК относятся к последнему типу технологического оборудования. В них сырье предварительно подогревают в печи, а затем передают в необогреваемые реакционные камеры, имеющие слой теплоизоляции для сохранения необходимой температуры. Количество и размер реакторов, мощность печей влияют на производительность всей установки.

Эксплуатация первой УЗК в России была начата в 1965 г. в «Уфанефтехиме». Установка замедленного коксования этого предприятия работает и по сей день. После реконструкции в 2007 г. ее производительность составляет порядка 700-750 тыс. т/год по массе перерабатываемого сырья.

Конечные продукты

На УЗК, кроме кокса, получают следующие вещества:

• газы коксования (применяют как технологическое топливо или перерабатывают для получения пропан-бутановой фракции);
• бензин;
• коксовые дистилляты (топливо, сырье для крекинга).

На отечественных УЗК выход кокса составляет 20-30% по массе. Этот показатель зависит в первую очередь от качества сырья. Наибольшую потребность в данном продукте испытывает металлургическая промышленность (производство анодов и электродов, алюминия, абразивов, карбидов, углеграфитовых материалов, ферросплавов). Кроме первой уфимской УЗК, в России построены и другие установки замедленного коксования: на Омском НПЗ, Новокуйбышевском НПЗ, в ООО «ЛУКОЙЛ-Волгограднефтепереработка», «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез», «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез», в «Ангарской нефтехимической компании», ОАО «НОВОЙЛ» (Уфа), ПАО «ТАНЕКО» (Нижнекамск).

Сырье

Исходные материалы для коксования разделяют на 2 группы: продукты первичной и вторичной переработки. В качестве сырья в установках замедленного коксования применяют следующие вещества:

• мазут;
• полугудрон;
• гудрон;
• пек каменноугольный;
• асфальты и другие продукты производства технических масел;
• жидкие угольные остатки;
• тяжелая пиролизная и сланцевая смола;
• остатки термического крекинга;
• нефтяные битумы и тяжелые нефти.

Наиболее распространенным сырьем в настоящее время являются высокоароматизированные нефтяные остатки.

Влияние на технологические параметры

От свойств исходных материалов зависят следующие параметры установки коксования:

• эффективность работы реакционной камеры;
• качество получаемых продуктов;
• выход кокса;
• условия проведения процесса.

Наиболее важными параметрами сырья являются:

• Коксуемость, зависящая от содержания асфальтосмолистых веществ. Значение коксуемости должно находиться в пределах 10-20%. При меньшей величине снижается выход кокса, а при большей – скапливаются отложения внутри змеевиков в печах. Коксуемость определяют по массе твердого остатка в тигле после нагрева в нем образца нефтепродукта.
• Плотность.
• Химический состав. Из вредных примесей, оказывающих наибольшее влияние на качество кокса, выделяют серу (ее должно быть не более 1,5% по массе). В зависимости от назначения кокса в технологическом процессе предпочтительнее использовать разные виды сырья. Так, для получения волокнистой структуры конечного продукта применяют материалы с парафиновым основанием.

Выход кокса пропорционален плотности сырья и содержанию в нем асфальтенов.

Этапы коксования

Технологический процесс в установках замедленного коксования является длительным и непрерывным, от подачи сырья до выгрузки готового продукта. Условно его разделяют на 3 стадии:

1. Реакции распада, образование дистиллятных фракций, промежуточных соединений, конденсация.
2. Значительное уменьшение содержания в газах непредельных углеводородов, увеличение молекулярного веса компонентов остатка, реакции циклизации.
3. Рост содержания асфальтенов в остатке до 26%, уменьшение количества смол и масел. Превращение жидкого остатка в твердый кокс.

Классификация

Различают 2 основных вида установок замедленного коксования по их компоновке: одноблочные и двухблочные.

Среди двухблочных установок выделяют 4 типа, для которых характерны следующие конструктивные и технологические особенности:

1. Внутренний диаметр камер коксования – 4,6 м. Шатровые нагревательные печи, четыре попарно работающие камеры. Полученные в процессе коксования керосин и газойль используют для нагрева.
2. Коксовые камеры Ø 5,5 м. Исходное сырье – прямогонные мазуты с введением высокоароматизированных углеводородов, которые способствуют увеличению выхода качественного продукта.
3. Реакторы из легированной стали Ø 5,5 м, высотой 27,6 м, трубчатые печи с объемно-настильным факелом, проходные краны увеличенного сечения, радиоактивные уровнемеры, позволяющие регистрировать расположение раздела фаз «кокс – пена». Последнее новшество помогает лучше использовать полезный объем реактора. Подача турбулизаторов с моющими присадками для снижения коксования змеевиков, охлажденного газойля в шлемовые трубы.
4. Реакционные камеры Ø 7 м, высотой 29,3 м. Аксиальный ввод сырьевого материала в реакторы, гидравлическая система для выгрузки кокса с дистанционным управлением, электроприводные краны, склады с напольным типом хранения.

Применяемое оборудование

Оборудование, которым укомплектовываются установки данного типа, разделяют на следующие группы в зависимости от назначения:

1. Технологическое, участвующее непосредственно в процессе коксования (печи, аппаратура колонн, теплообменники, камеры-реакторы, кубы, холодильники, насосы, трубопроводы, КИП, краны и другая запорная и переключающая арматура).
2. Очистное – сбор и очистка воды для возврата в рабочий цикл (операции охлаждения и извлечения кокса).
3. Оборудование для выгрузки кокса из камер (кубов). В современных механизированных установках оно может быть механического и гидравлического типа (штропы, лебедки, гребенки, резаки, штанги, вышки, резиновые рукава).
4. Приспособления для транспортировки и обработки готового продукта (приемные желоба и рампы, грузоподъемные краны, конвейеры, питатели, дробилки, склады).
5. Машины и оборудование для механизации работ.

Особенно тщательно при проектировании установок замедленного коксования необходимо рассчитывать конструкции реакционных камер и печей, так как от надежности их работы зависит продолжительность рабочего цикла.

Параметры процесса

Основными параметрами технологии коксования являются:

• Коэффициент рециркуляции, определяемый как отношение суммарной загрузки реакционных змеевиков печей к загрузке всей установки по сырью. При увеличении его значения растет выход качественного кокса, газа и бензина, но уменьшается количество тяжелого газойля.
• Давление в реакционной камере. Его снижение приводит к повышению выхода газойля, уменьшению выхода кокса и газа, росту пенообразования.
• Температура технологического процесса. Чем она больше, тем выше качество кокса по количеству летучих веществ, его прочности и плотности. Максимальное значение ограничивается опасностью закоксовывания печи и трубопроводов, уменьшением долговечности змеевиков. Для каждого типа сырья выбирается своя оптимальная температура.

Строительство установок замедленного коксования сопряжено с большими капитальными затратами. Поэтому чаще всего проводится реконструкция уже функционирующего комплекса оборудования. Это достигается за счет уменьшения цикла коксования, введения в действие новых реакционных камер или снижения коэффициента рециркуляции.

Принцип действия

Установки замедленного коксования состоят из одной или нескольких попарных групп камер, в которых одна камера работает на стадии получения кокса, а другая – на выгрузке или в промежуточном состоянии. Процесс разложения исходного материала начинается в трубчатой печи, где он разогревается до 470-510 °С. После этого сырье поступает в необогреваемые камеры, где происходит его глубокое коксование за счет тепла, пришедшего вместе с ним.

Газообразные и жидкие углеводороды отводятся на фракционное разделение в ректификационную колонну. Кокс поступает в отделение по механической обработке, где производится его выгрузка, сортирование и транспортировка. В слое готового продукта бурят скважину, а в нее помещают гидравлический резак. Его сопла работают под давлением до 20 МПа. Куски разделенного кокса падают на дренажную площадку, где происходит слив воды. Затем продукт дробят на более мелкие части и разделяют на фракции. Далее кокс перемещается на склад.

Принципиальная схема УЗК показана на рисунке ниже.

Коксовые камеры

Камеры представляют собой реактор, являющийся основой всей установки. Цикл работы камеры обычно составляет 48 часов, однако в последние годы проектируются УЗК, работающие в 18- и 36-часовом режиме.

Один цикл работы реактора состоит из следующих операций:

• загрузка сырья, процесс коксования (1 сутки);
• отключение (1/2 ч);
• гидротермальная обработка (2,5 ч.);
• водяное охлаждение продукта, удаление воды (4 ч.);
• выгрузка продукта (5 ч.);
• герметизация люков, опрессовка горячим паром (2 ч.);
• нагрев парами нефтепродуктов, переключение в рабочий цикл (3 ч.).

Проектирование

Проект установки замедленного коксования разрабатывают в следующем порядке:

• определение потребной производительности, т/год;
• анализ сырьевой базы;
• составление теоретического материального баланса процесса коксования для различных видов сырья;
• определение основных материальных потоков;
• проработка принципиальной схемы установки;
• обоснование размеров и числа реакторов;
• определение продолжительности заполнения коксом одной камеры и ее гидравлический расчет, составление графика работы реактора;
• расчеты температурной нагрузки на камеру;
• расчет камер конвекции и радиации;
• разработка компоновки производственной линии;
• технологические расчеты другого основного оборудования (ректификационная колонна, печи, холодильники и другие);
• разработка системы контроля и управления, выбор средств автоматизации;
• описание схем противоаварийной защиты;
• проработка экологических аспектов и мероприятий по безопасности;
• определение экономических показателей (капитальные затраты, численность обслуживающего персонала, фонд заработной платы, производственные затраты на сырье и вспомогательные материалы, годовой экономический эффект, калькуляция себестоимости продукции).

Расчет мощности установки замедленного коксования по годовому показателю производится по формуле:

N = P х t,

где P – производительность установки, т/сут.;

t – количество дней работы в году.

Выпуск продукции в натуральном выражении по базовому и проектному варианту определяется на основании материального баланса установки.