چگونگی تولید کک‌سوزنی با قطران

قیر قطران یکی از خوراک­‌های مرسوم برای تولید کک‌سوزنی است. تولید کک‌سوزنی مورد نیاز با سرمایه ۳ میلیون دلاری با همکاری پالایشگاه‌های قطران طی چهار سال قابل اجراست. رایزنی­‌هایی با برخی کشورهای دارای قطران انجام شده است. نتایج حاصل حاکی از آن است که امکان واردات این ماده به داخل کشور وجود دارد.

استفاده از قطران موجود در کشور برای تولید کک‌ سوزنی

دو شرکت پالایش قطران اصفهان و زرند به منظور تولید فرآورده‌­های حاصل از زغال سنگ ساخته شده‌­اند. در حال حاضر شرکت پالایش قطران اصفهان 100 هزار تن در سال تولید دارد؛ اما بیشتر حجم تولید آن دارای مشتری است و مقدار کمی قابلیت خرید دارد به صورتی‌ که حدود 3 تا 5 هزار تن کک‌سوزنی می‌­توان تولید کرد.

شرکت قطران زرند به دلیل نداشتن زغال سنگ مطلوب، تعطیل است. این شرکت که متعلق به هلدینگ میدکو است دارای تجهیزات و امکانات زیادی برای تولید کک بوده و می‌توان از ظرفیت این واحد استفاده کرد. با توجه به مسیر توسعه فناوری که در کشورهای صاحب فناوری بررسی شده است، ابتدا این کشورها، در آزمایشگاه کک‌ سوزنی تولید کرده‌­اند. پس از بررسی و تأیید کک تولید شده توسط مراجع ذی‌صلاح (انسیتو کربن سوئیس) خوراک شناسایی شده در پایلوت کک‌سازی تأخیری تست شده و در پایلوت کک ساخته می‌شود. بعد از تأیید این مرحله، طراحی و مهندسی با استفاده از اطلاعات استخراج شده از پایلوت انجام می‌­گیرد.

قیر قطران زغال­‌سنگ

یک فرآورده سنگین که از سوزاندن ناقص زغال­‌سنگ در کوره‌های کک‌سازی بدست می­‌آیدقیر قطران زغال­‌سنگ است. این محصول در مقایسه با ته‌مانده‌های نفتی، چگالی و نیتروژن بالاتر و گوگرد پایین‌­تری دارد. میزان اکسیژن، بسته به شرایط کوره تغییر می­‌کند ولی به طور معمول بین 1 تا 2 درصد است. میزان کربن آروماتیک باید بین 93-96 درصد باشد و میانگین وزن مولکولی 200-2000 واحد جرم اتمی است.

این ماده از ترکیبات شیمیایی پیچیده‌­ای تشکیل شده است. برای سهولت شناسایی، آن‌ها را به سه گروه اصلی β ،α و ϒتقسیم می­‌کنند. اهمیت این گروه‌­ها به این دلیل است که هر یک نقش عمده‌­ای در ایجاد ساختار کربنی در فرآیند کربنی کردن قیر دارند. هم‌چنین نقش این گروه­‌ها در خواص فیزیکی و شیمیایی قیر و در نهایت خواص گرافیت، مورد توجه قرار می­‌گیرد زیرا اثر ناشی از این ترکیبات به گرافیت منتقل می­‌شوند.

گروه‌­های اصلی ترکیبات موجود در قیر به شرح زیر است:

• α: به مواد نامحلول در کینولین، آلفا رزین گفته می‌شود. ساختار کینولین در شکل زیر (الف) ساختار کینولین، (ب) ساختار تولوئن آمده است.
• β: به موادی گفته می‌شود که در کینولین محلول هستند؛ اما در تولوئن حل نمی‌شوند.
• ϒ: موادی که هم در کینولین و هم در تولوئن محلول هستند، گاما رزین نامیده می­‌شوند.

همچنین هرکدام از موارد فوق گستره وسیعی از مواد را شامل می‌­شوند و به چند ماده محدود نیستند.

به دلیل اینکه آلفا-رزین‌­ها در کینولین نامحلول هستند، به آن‌ها quinoline Insolubles نیز گفته می­‌شود و به طور کوتاه شده QI نوشته می­‌شود. یکی از چالش‌­های مهم که در مواجهه با تولید کک‌سوزنی از قیر قطران زغال­‌سنگ وجود دارد، حضور QI است. مواد غیر محلول در کینولین با ایجاد یک انسداد سه بعدی به موازات مولکول­‌های مزوژن کک‌های با CTE بالاتر تولید می­‌کند.

زغال­‌های با کیفیت پایین در دماهای پایین‌­تر می­‌توانند قیرهایی با تعداد زیادی از آلکیل­‌ها تولید کنند. این آلکیل­‌ها در پیوند با حلقه آروماتیکی این طور عمل می­‌کنند که همراه با میزان اکسیژن بالاتر و سرعت واکنش‌­پذیری بالاتر در حین کربونیزاسیون، کک­‌هایی با کیفیت پایین‌­تر تولید می‌­شود. در مقابل، قیرهای تولید شده در دماهای بالاتر می‌­تواند مولکول‌­های آروماتیک با پایداری بالا تولید کند که منجر به گازهای کمتر حین کربونیزاسیون می‌­شود و بر میزان تخلخل در مورفولوژی تأثیر می­‌گذارد.

چالش دیگر در تولید کک‌سوزنی پایداری نیتروژن­‌های ساختاری در زمینه کک است. در حین گرافیته شدن برای تولید الکترود، نیتروژن آزاد می­‌شود و باعث پف کردن الکترودها می­‌گردد. ممانعت کننده­‌های به کار برده شده برای کاهش این اتفاق آهن سولفات، ترکیبات بور و نمک­‌های سدیم است.

از منظر بازار، قطران زغال­‌سنگ هم به عنوان بایندر و هم به عنوان تلقیح کننده به الکترود که تنها ماده مناسب برای این کار است، استفاده می‌­شود. به علاوه در فرآیند شکستن به دلیل پایداری آروماتیک، کمتر مورد نظر قرار گرفته است. همچنین استفاده گسترده قیر قطران و اندازه بازار بایندر چالشی برای استفاده از آن به عنوان خوراک کک‌سوزنی به وجود آورده است.

منبع: برگرفته از کتاب جامع از نفت تا گرفت؛ مسئله الکترود گرافیتی