Коксозамещение

Коксозамещение

Перспективы освоения производства игольчатого кокса



Фото: Николай Кривич / GETTY IMAGES
Нефтяной игольчатый кокс

Кокс, получаемый на установках замедленного коксования из малосернистых ароматизированных дистиллятных остатков термического крекинга, газойлей каталитического крекинга, экстрактов масляного производства или тяжелой смолы пиролиза углеводородов. Свое название он получил благодаря особенным вытянутым структурам, напоминающим толстые иглы или спекшиеся волокна. В сталелитейной промышленности он используется для изготовления графитированных электродов, которые затем применяются для выплавки стали в электродуговых печах (ЭДП). Загруженные в печи железосодержащие материалы расплавляются под действием электрического тока, пропущенного между двумя электродами. Эти электроды изготовляются путем дробления игольчатого прокаленного нефтяного кокса и его смешивания с каменноугольной смолой. Эта смесь затем обжигается при температуре 2500-3000°С, чтобы полностью графитизировать углерод.
Омский НПЗ осваивает производство игольчатого кокса

«Газпром нефть» выпустила на Омском НПЗ опытную партию нефтяного игольчатого кокса — первой на российском рынке. Это высоколиквидный продукт, спрос на который на отечественном и мировом рынках непрерывно растет. По оценке специалистов компании «Газпромнефть — Битумные материалы»*, проект организации промышленного производства игольчатого кокса в Омске не только имеет хорошие рыночные перспективы, но и в сегодняшней ситуации становится важным вопросом обеспечения промышленной безопасности страны

Текст: Денис Банников

Вместе с металлургией

Главный рынок потребления игольчатого кокса — металлургия. Это связано с уникальными свойствами продукта — высокоструктурированного, с низким коэффициентом термического расширения, высокой удельной плотностью, механической прочностью, высоким содержанием графита и низким уровнем содержания серы, азота и золы. То есть обладающего оптимальным набором характеристик для производства сверхмощных графитированных электродов (марки UHP/ЭГСП), которые работают при повышенных плотностях тока. Они применяются при производстве спецстали методом EAF (electric arc furnace) — в электродуговых печах и печах-ковшах для внепечной обработки стали. По сравнению с обычным электродным коксом игольчатый обладает более высокой термостойкостью и существенно снижает расход электродов на тонну выплавляемой стали. Равноценной замены игольчатому коксу в настоящее время не существует.

Соответственно, объемы потребления игольчатого кокса напрямую связаны с уровнем спроса на высококачественные стали и распространением метода EAF. А значит, рынок игольчатого кокса ожидает только рост. За первое десятилетие XXI века объем выпуска электросталей в мире удвоился, и ожидается, что во втором динамика будет практически такой же: рост с 443 млн тонн электросталей в 2011 году до 903 млн тонн в 2020-м.

Производство игольчатого кокса развивается вместе с изменениями на металлургическом рынке. На данный момент предприятия США, Великобритании и Японии выпускают 880 тыс. тонн продукции ежегодно. К 2025 году эта цифра может вырасти до 1,2 млн тонн.

В России прогнозируемый рост производства электросталей не так высок (с 21 млн тонн в 2011-м до 27 млн тонн в 2020-м), однако тенденция также позитивная. Увеличение объемов выплавки электростали российскими предприятиями к 2020 году приведет к росту потребности в графитированных электродах отдельных марок на 60%. Сегодня в России ежегодно используется около 30 тыс. тонн сырья. По экспертным оценкам, к 2025 году эта цифра должна вырасти до 150 тыс. тонн. При этом уже на протяжении 40 с лишним лет отечественные производители электродов, а значит, и российская металлургия находятся в полной зависимости от поставок игольчатого кокса из-за рубежа.

Впрочем, в зависимости этой находятся не только металлурги: игольчатый кокс используется в том числе для изготовления углеродных изделий в оборонной, электронной и атомной промышленности. И это уже выводит проблемуна уровень национальной промышленной безопасности.

Единственная возможность

Идея попробовать на мощностях Омского НПЗ выпустить принципиально новый продукт с более высокими качественными характеристиками появилась в 2011 году. По заказу «Газпром нефти» Уфимский государственный нефтяной технический университет выполнил научно-исследовательскую работу «Анализ вариантов технологического развития коксового производства ОАО „Газпромнефть — ОНПЗ“ с целью выпуска игольчатого и/или других специальных нефтяных коксов для углеграфитовой промышленности». В исследовании была обоснована техническая возможность производства игольчатого кокса на существующих сырьевых ресурсах Омского НПЗ.

Как показал анализ, при коксовании 380 тыс. тонн тяжелого газойля в год (максимальное количество сырья, которое могут в совокупности выдать две установки ОНПЗ — каталитического крекинга и комбинированный комплекс глубокой переработки мазута) можно получить около 75 тыс. тонн качественного сырого игольчатого кокса. При этом проектная мощность установки замедленного коксования омского предприятия — 150 тыс. тонн коксовой продукции. И сравнительный анализ мощностей российских НПЗ по сырьевым компонентам показывает, что только на омском заводе «Газпром нефти» есть возможность выпускать игольчатый кокс в достаточном для российского рынка количестве с перспективой увеличения мощности по сырью. «Производство нефтяного кокса игольчатой структуры на Омском НПЗ позволит нам также выйти и на международный рынок с высококачественным продуктом, который пользуется спросом в Индии, Китае, странах ЕС и других регионах», — уверен генеральный директор компании «Газпромнефть — Битумные материалы» Дмитрий Орлов.

Предварительный экономический расчет показывает, что при мировых ценах на игольчатый кокс в диапазоне от $650 до 1 тыс. за тонну цена российского игольчатого кокса производства Омского НПЗ оказывается вполне конкурентоспособной. Но прежде чем что-то продать, необходимо что-то произвести. А игольчатый кокс — продукт с характером.

«Освоение выпуска кокса игольчатой структуры требует не только вовлечения в производство специального сырья — тяжелого газойля. Для получения этого продукта необходимы более высокие по сравнению с коксованием нефтяных остатков температура на входе в коксовые камеры, давление, коэффициент рециркуляции, — пояснил начальник установки замедленного коксования ОНПЗ Андрей Альт. — Был проведен поверочный расчет основной ректификационной колонны, который показал, что существующее на Омском НПЗ технологическое оборудование в принципе позволяет обеспечить возможность переработки тяжелого газойля каталитического крекинга в чистом виде без существенных изменений технологических параметров. Расчеты оказались верными, и в этом году наша установка выдала первую тысячу тонн продукции».

Однако на пути к промышленному производству, которое предполагается организовать в ближайшие годы, предстоит решить ряд проблем. Если речь идет об экспансии на внешние рынки, то возникает вопрос обеспечения необходимого количества и качества сырьевых ресурсов. Начавшаяся реконструкция комплекса глубокой переработки КТ-1/1 («СН» писала об этом в прошлом номере) позволит расширить сырьевую базу. Еще одна сложность в неготовности существующего оборудования по кальцинированию (прокалке) — имеющаяся на заводе установка не рассчитана на высокие температуры, необходимые для получения конечной продукции. Поэтому в будущем возможна модернизация установки прокалки, включая замену футеровки внутренней поверхности печи на более прочную и совершенную.

Сравнительная характеристика видов кокса

Кокс электродный

Кокс игольчатый

Действительная плотность, г/см3

2,02-2,12

2,14-2,15

Массовая доля серы, %

1,5-2

0,38-0,46

Зольность, %

0,6

0,01-0,06

Массовая доля общей влаги, %

0,5

0,02-0,1

Коэффициент термического расширения, 10-7/°С

1,0-1,6

Характеристики электродов, произведенных из нефтяных НИЗКОСЕРНИСТЫХ коксов и коксов с анизотропной структурой

Кокс электродный

Кокс игольчатый

Удельное электросопротивление, мкОм-м

7,0-11,0

4,0-6,0

Предел прочности при изгибе, МПа

6,5-9,5

8,0-13,0

Объемная плотность, г/см3

1,54-1,64

1,65-1,75

Крупные потребители игольчатого нефтяного кокса в мире

GrafTech

США, Мексика, Бразилия,

Испания, ЮАР, Франция

SGL Carbon

Германия, США, Испания, Италия, Австрия, Малайзия

Showa Denko

Япония

Tokai Carbon

Япония, Германия

Graphite India

Индия

HEG

Индия, Германия

Энергопром

Россия

Nippon Carbon

Япония

SEC Carbon

Япония

Укрграфит

Украина

Sinosteel

Китай

Fangda Carbon New Material

Китай

* Оператор бизнеса «Газпром нефти» по реализации коксовой продукции

Игольчатый неосвоенный
Освоение промышленного производства игольчатого кокса в Европе, США и Японии в конце 60-х годов прошлого века стало основой для настоящего прорыва в технологии производства графитированных электродов. В СССР первые лабораторные опыты по созданию технологии производства кокса игольчатой структуры были предприняты в Уфимском нефтяном институте еще в 1968 году. В 1969-м на базе малосернистой туркменской нефти получена первая опытная партия на Красноводском НПЗ (Туркмения). Здесь же наладили производство опытно-промышленных партий, прекращенное в 1991 году. Параллельно велись разработки технологии получения игольчатого кокса из нефти с повышенным содержанием серы. В середине 90-х по этой технологии было наработано 16,5 тыс. тонн продукции. Но к 1996 году все исследовательские и промышленные работы были остановлены.

Как отмечают эксперты, неудачные попытки наладить в стране промышленное производство обусловлены целым комплексом объективных и субъективных причин. Среди них отсутствие на большинстве советских и постсоветских НПЗ необходимых ресурсов потенциально пригодного для получения игольчатого кокса нефтяного сырья и соответствующих мощностей по квалифицированной подготовке и переработке исходного сырья. При этом при организации производства игольчатого кокса на действующих установках замедленного коксования взамен переработки тяжелых нефтяных остатков снижалась глубина переработки нефти и, соответственно, прибыль нефтяных компаний.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ