Нефтяной кокс: получение и применение¶

Нефтяной кокс — это твёрдый углеродистый продукт, получаемый в процессе вторичной переработки нефти при термическом разложении тяжёлых нефтяных остатков (гудрона, крекинг-остатков, смол пиролиза) без доступа воздуха. Относится к классу технического углерода и представляет собой пористый материал с высоким содержанием углерода (90–97 %) и малым количеством примесей.

¶Получение

Основным промышленным методом производства нефтяного кокса является замедленное коксование — процесс, проводимый при температуре 480–550 °C и давлении 0,2–0,5 МПа в специальных камерах. Сырьё (тяжёлые нефтяные остатки) нагревается до температуры крекинга и подаётся в коксовые камеры, где происходит его разложение с образованием кокса, лёгких углеводородных газов и дистиллятных фракций. Процесс называется замедленным, поскольку скорость подачи сырья и теплопередачи регулируются так, чтобы коксообразование проходило постепенно, в течение 12–24 часов.

После заполнения камеры кокс выгружается гидравлическим способом (резаками высокого давления) и подвергается прокалке. Прокалка проводится при температуре 1200–1400 °C в трубчатых или вращающихся печах и необходима для удаления летучих веществ, снижения удельного электрического сопротивления и повышения механической прочности материала.

Существуют также альтернативные методы, включая:

• жидкостное коксование — процесс с кипящим слоем кокса;
• флексикокинг — разновидность жидкостного коксования с газификацией части кокса;
• пиролиз — термическое разложение при более высоких температурах.

Выход кокса составляет 20–30 % от массы исходного сырья и зависит от его группового химического состава: чем выше содержание асфальтенов и смол, тем больше выход продукта.

¶Классификация и виды

Нефтяной кокс классифицируется по нескольким признакам:

• По содержанию серы: малосернистый (менее 1 %), средне-сернистый (1–3 %), высокосернистый (более 3 %). Российские заводы преимущественно выпускают высокосернистый кокс из-за переработки высокосернистой нефти.
• По структуре: игольчатый (графитируемый), губчатый, порошкообразный и чешуйчатый. Наиболее ценным является игольчатый кокс с ярко выраженной фибриллярной структурой, применяемый для производства высококачественных графитовых электродов.
• По назначению: анодный (для алюминиевой промышленности), электродный, графитируемый и топливный.

¶Применение

Основные области использования нефтяного кокса связаны с его свойствами — высокой теплотворной способностью (около 33–35 МДж/кг), электропроводностью и химической стойкостью.

¶Алюминиевая промышленность

Крупнейший потребитель нефтяного кокса — производство алюминия. Прокалённый кокс используется для изготовления анодной массы и обожжённых анодов в электролизёрах. При этом к коксу предъявляются жёсткие требования по содержанию примесей (ванадия, никеля, кремния, железа), поскольку они ухудшают качество металла и увеличивают расход электроэнергии.

¶Электродная и графитовая промышленность

Игольчатый кокс применяется для производства графитированных электродов, используемых в дуговых сталеплавильных печах. Графитированный кокс также идёт на изготовление конструкционных графитов, тиглей, ядерных графитовых замедлителей и других изделий.

¶Химическая промышленность

Нефтяной кокс служит сырьём для получения карбида кальция, сероуглерода, цианамида кальция и других химических продуктов. В металлургии он используется как науглероживатель при выплавке стали и чугуна.

¶Топливное использование

Высокозольный и высокосернистый кокс, непригодный для электродной промышленности, применяется как твёрдое топливо в цементных печах, энергетических установках и для газификации. В России значительная часть кокса с высоким содержанием серы используется именно в энергетических целях, что ограничивает его экспортный потенциал.

¶Производители и рынок

Крупнейшими производителями нефтяного кокса в мире являются компании США (ConocoPhillips, Oxbow), Саудовской Аравии (Saudi Aramco), Китая (Sinopec, CNPC) и Индии. В России основными производителями выступают нефтеперерабатывающие заводы «Газпром нефти», «Роснефти» и «Лукойла», а также Омский и Волгоградский НПЗ. Российский кокс преимущественно отличается повышенным содержанием серы, что ограничивает его использование в алюминиевой промышленности и ориентирует на экспорт в страны Азиатско-Тихоокеанского региона.

Мировой спрос на нефтяной кокс стабильно растёт, что связано с расширением алюминиевой отрасли и развитием производства графитированных электродов для электросталеплавильного производства.

¶Экологические аспекты

Производство и использование нефтяного кокса сопряжено с экологическими рисками. При коксовании выделяются сернистые соединения, оксиды углерода и полициклические ароматические углеводороды. Сжигание высокосернистого кокса приводит к выбросам диоксида серы, требующим установки систем газоочистки. Хранение и транспортировка кокса сопровождается пылением, поэтому на предприятиях применяются системы пылеподавления и закрытые склады.