Лекция №4 Описание установки коксования и основная аппаратура

Назначение – получение нефтяного кокса, выработка дополнительных количеств светлых нефтепродуктов из тяжелых остатков. Существуют три модификации процесса: периодическое коксование в кубах, замедленное коксование в необогреваемых камерах, коксообразование в псевдоожиженном слое порошкообразного кокса.

Технологический режим:

Температура, ⁰С

сырья на входе в К-1 370-375

смеси сырья и рециркулята на выходе из К-1 380-400

сырья на входе в Р-1 – Р-4 480-520

продуктов коксования на выходе из Р-1-Р-4 420-430

Давление, кгс/см²

в коксовых камерах 1,7-6,1

воды, подаваемой на резку кокса 150

Технологическая схема.

Нагретое в печах П-1, П-2 сырье поступает в нижнюю часть ректификационной колонны К-1 на верхнюю каскадную тарелку. Под нижнюю каскадную тарелку подаются пары продуктов коксования из коксовых камер. Обогащенное рециркулятом и дополнительно нагретое сырье с низа К-1 поступает в реакционные змеевики печей, а затем в камеры на коксование. На установке имеются четыре камеры, работающие попарно: сырье изП-2 подается в коксовую камеру Р-1 или Р-2, а из П-1 – в Р-3 или Р-4. Пары продуктов из камер, работающих в режиме коксования, направляются в К-1. В верхней части К-1 происходит разделение продуктов коксования на фракции. С верха К-1 уходят газ и пары бензина, в виде боковых погонов отбираются газойлевые фракции. Верхний продукт К-1 в газосепараторе Е-1 разделяется на газ и бензин, которые самостоятельными потоками направляются в газовый блок. Боковые погоны К-1 поступают в секции отпарной колонны К-2, где из них удаляются легкие фракции, а затем выводятся с установки.

Реакционные камеры установки работают по циклу: реакция – охлаждение кокса – выгрузка кокса – разогрев камеры. Кокс из камеры удаляется при помощи гидравлической резки – подачей струи воды под высоким давлением. Удаленный из камеры кокс попадает в дробилку, где измельчается на куски размером не более 150 мм. Раздробленный кокс обезвоживается и элеватором подается на двухситовый грохот, с помощью которого сортируется на три фракции: 150 – 25, 25 – 6, 6 – 0 мм.

Камеру, из которой выгружен кокс, опрессовывают и прогревают острым водяным паром и горячими продуктами коксования из работающей камеры. Затем камера переключается на режим реакции.

С хема установки замедленного коксования: I-сырье; II-сухой газ; III -головка стабилизации; IV-стабильный бензин;

V-керосино-газойлевая фракция; VI-легкий газойль; VII-тяжелый газойль; VIII-водяной пар; IX-вода.

Реактор коксования представляет собой аппарат сложной конфигурации и переменного сечения. Псевдоожиженный слой кокса размещен в конической и цилиндрической частях аппарата. Коническая форма нижней части аппарата способствует уменьшению расхода пара на псевдоожижение. Внизу имеется отпарная секция, в нее подают снизу водяной пар для отпаривания порошкообразного кокса – теплоносителя от углеводородных продуктов коксования. В отпарной секции имеются полки для увеличения пути прохождения коксом отпарной секции. Форсунки для подачи сырья распылением его в слое кокса размещают обычно по высоте слоя в несколько ярусов. На крупных установках число форсунок достигает 100. Верхняя часть реактора имеет суженное сечение; уровень слоя может колебаться от низа до верха переходного конуса. Верхняя часть заполнена парами продуктов коксования, содержащими некоторое количество коксовых частиц. Для удаления этих частиц служит система циклонов; отделенные частицы возвращают по стоякам в слой. Сужение верхней части реактора обусловливает увеличение скорости паров над слоем; это позволяет, во-первых, свести к минимуму вторичное разложение, и, во-вторых, повысить концентрацию частиц в парах: частицы механически воздействуя на устья циклонов, предотвращают закоксовывание. Это происходит также подачей горячей «струи» частиц кокса из коксонагревателя к устьям циклонов. В нижнюю часть отпарной секции предусмотрена подача пара высокого давления. При расширении пара, проходящего через сопло, укрупнившиеся частицы кокса дробятся; тем самым регулируется гранулометрический состав циркулирующего теплоносителя. Корпус реактора изготавливают из простой углеродистой стали и футеруют торкрет – бетоном. Футеровка толщиной 200 мм состоит, из двух слоев – изоляционного слоя, который наносят на внутреннюю стенку корпуса и укрепляют затем сеткой, и из огнеупорного слоя толщиной 50 мм, заполняющего ячейки армирующей решетки.

Коксонагреватель – имеет более простую конструкцию. Псевдоожижение коксовых частиц осуществляют воздухом, подаваемым через распределительную решетку. Как и в реакторе, корпус коксонагревателя футерован. Уровень горячего слоя кокса поддерживают постоянным с помощью сливного колодца, через край которого избыток кокса непрерывно уходит из аппарата. Для улавливания коксовой пыли в верхней части коксонагревателя имеются двухступенчатые циклоны; дымовые газы из циклонов поступают в котел – утилизатор. Для разогрева системы при пуске служит топка под давлением, расположенная вблизи коксонагревателя; в ней сжигают жидкое или газообразное топливо. После предварительного разогрева системы при помощи топки зажигают форсунки, вмонтированные в стенки коксонагревателя, и продолжают разогрев до тех пор, пока не будет достигнута температура самовоспламенения кокса, после этого температура слоя в коксонагревателе начнет быстро возрастать, и форсунки станут не нужны. Кокс циркулирует между реактором и коксонагревателем по U-образным линиям пневмотранспорта. Транспортирующим агентом служит водяной пар; транспортирование осуществляют без регулирующих задвижек, по принципу потока высокой концентрации. Коксопроводы имеют весьма значительный диаметр.

Большим достоинством коксования в псевдоожиженном слое является возможность вести процесс на установках высокой мощности. Установки выдают ежедневно до 1600тонн порошкообразного кокса. При этом габариты аппаратов реакторного блока невелики для такой огромной мощности установки – внутренний диаметр реактора 8,9 м, а нагревателя 13,7; наивысшая точка установки расположена на 76 м от уровня земли. Избыточное тепло продуктов сгорания, уходящих из коксонагревателя, используют в мощном котле- утилизаторе, где образуется до 200т пара высокого давления (4МПа) в час. Установка расходует почти вдвое меньше пара, чем производит, т.е. помимо основного назначения она выполняет роль дополнительной котельной. Значительные ресурсы избыточного тепла на установке коксования позволяют успешно комбинировать этот процесс с прямой перегонкой и другими процессами переработки нефти, требующими затрат тепла.

Материальный баланс и качество продуктов: Выход коса в процессе коксования определяется в основном коксуемостью сырья и практически линейно изменяется в зависимости от этого показателя. Максимально возможный выход кокса из данного сырья достигается в том случае, когда все образующиеся газойлевые фракции возвращают в качестве рециркулята на повторное коксование. Такая форма коксования называется крекингом до кокса; конечные продукты – газ, бензин и кокс. Промышленного применения этот процесс не имеет, т.к. широкую газойлевую фракцию экономичнее использовать для каталитического или гидрокрекинга с получением продуктов более высокого качества. Материальные балансы замедленного коксования различаются. При непрерывном коксовании выход кокса приближается к коксуемости сырья, составляя в среднем 110-115% от этой величины. Разница в выходе кокса обусловлена тем, что при непрерывном коксовании вследствие высокой температуры теплоносителя образующиеся продукты разложения быстро удаляются с его поверхности. Часть тяжелых продуктов первичного распада не успевает ни разложиться на более легкие фракции, ни образовать дополнительные смолисто-коксовые отложения на частицах теплоносителя и удаляется из зоны реакции в виде паров вместе с другими продуктами разложения. Поэтому по фракционному составу жидкие продукты непрерывного коксования, тяжелее, чем продукты периодического и замедленного коксования. Материальный и тепловые балансы блока коксования показывают, что при переработке гудрона с плотностью 1000 кг/м³ примерно в четыре раза меньше, чем суммарный выход кокса. Таким образом, потенциально установка коксования может работать без выхода кокса – с полным сжиганием всего балансового его количества внутри системы.

Использование порошкообразного кокса: Сернистый порошкообразный кокс употребляют в основном как топливо и не используют для электротермических процессов. На некоторых зарубежных заводах этот кокс размалывают до пылевидного состояния и сжигают в топках печей для прямой перегонки нефти, в котельных и т.д. Учитывая высокое содержание серы в порошкообразном коксе, вызывающее образование значительных количеств SО₂ в продуктах сгорания; было предложено этот кокс газифицировать. Для этой цели кокс из коксонагревателя направляют в реактор газификации, где при высокой температуре кокс обрабатывают воздухом (кислородом) и водяным паром и превращают в так называемый коксовый газ, состоящий из смеси водорода, оксида и диоксида углерода, сероводорода и паров воды. Коксовый газ очищают от Н₂S и используют как топливо, хотя его теплота сгорания невелика – всего 3800-4800 кДж/м³. Гибкость коксования в псевдоожиженном слое позволяет использовать процесс в самых разных вариантах. Возможность подогрева сырья без трубчатых печей позволяет использовать как сырье коксования даже остатки типа битумов с плотностью выше 1000 кг/м³. Коксование в псевдоожиженном слое используют в основном применительно к высокосернистому остаточному сырью. В этом случае в коксе концентрируются тяжелые металлы и до 30-40% серы, содержащейся в сырье. Образующиеся дистилляты можно подвергать каталитической переработке (ГК) с меньшими эксплуатационными затратами, чем при непосредственной переработке нефтяных остатков.

Прокаливание кокса: Некоторые установки замедленного коксования снабжены проколочными агрегатами для удаления из кокса основной части так называемых летучих. Выход летучих определяется количеством паров и газов, выделяющихся при нагревании и выдерживании кокса при определенных стандартных условиях. Максимально допустимое содержание летучих 7% (масс) для кокса 1-сорта и 9% (масс) доля кокса 2-сорта. Так как кокс замедленного коксования откладывается в камерах при относительно низких температурах, то указанное содержание летучих не всегда удается выдержать. Частичного снижения летучих (на 1-1,5%) можно достигнуть, подавая после заполнения камеры коксом горячие (500⁰С и выше) пары газойля, смешанные с водяным паром – турбулизатором. Однако для последующей подготовки кокса к использованию в производстве анодной массы или графитированных электродов его необходимо прокалить при 1200-1300⁰С. В результате прокаливания повышается относительное содержание углерода в коксе, увеличивается его истинная плотность и снижается электрическое сопротивление. Иногда прокаливание проводят на заводе – изготовителе электронной продукции, однако в последние годы все более широко начинают применять прокалочные печи на НПЗ – при установках коксования. При этом можно на 5-10% снизить количество кокса, транспортируемого с НПЗ, и облегчить его дальнейшее использование, т.к. при повышенном содержании летучих приходится сжигать их на месте производства продукции, что усложняет технологию и повышает загазованность прокалочных цехов. Прокалочные агрегаты размещают на НПЗ на открытом воздухе. Наиболее распространены вращающиеся горизонтальные прокалочные печи. Печи имеет небольшой наклон, позволяющий коксу ссыпаться к холодильнику противотоком к продуктам, образующимся при сгорании топлива и к выделяющимся в печи летучим. Сырой кокс из бункеров через дозирующие устройства поступает в прокалочную печь, проходит ее и, охлаждаясь двумя вентиляторами, расположенными по окружности печи, и в оросительном холодильнике, выводится в бункер 2. Оттуда он ленточным конвейером передается в емкость прокаленного кокса. Предусмотрено улавливание коксовой пыли (горячей, захваченной продуктами сгорания и возвращаемой снова в печь, и холодной) после бункера 2 и сборника. Газы из этих емкостей отсасываются вентилятором в дымовую трубу. Продукты сгорания после дожигания пыли в камере уходят в главную дымовую трубу. Печи эти очень громоздки, например печь, дающая 100 тыс. тонн прокаленного кокса в год, имеет длину 60 м и наружный диаметр 4,3 м. Печь футерована огнеупорным материалам и имеет специальные внутренние устройства для регулирования движения кокса и времени прокаливания. Используются также вертикальные печи с наклонным вращающимся подом.