از نفت تا گرفتالکترود گرافیتیکک سازی تاخیریکک نفتی

کک نفتی گرافیتی چگونه تولید می‌شود؟

کک نفتی گرافیتی با انجام عملیات سولفورزدایی بر روی کک نفتی کلسینه تولید می‌شود.

کک نفتی مهمترین ماده خام برای ساخت الکترود بوده و با ساختارهای متفاوتی از کک‌سوزنی گرفته تا کک مایع، شکل گرفته است. کک سوزنی با توجه به ساختارش برای ساخت الکترود، ضروری است و در کوره‌­های قوس الکتریکی که درجه تحمل بالایی در برابر الکتریسیته، تنش­‌های مکانیکی و حرارتی نیاز است، استفاده می‌شود. کک نفتی منحصرا با فرایند پخت، تولید می­‌شود که فرایند آرامی برای کربورایزینگ پسماند تقطیر نفت خام است. کک سوزنی معمولا به نوع خاصی از کک گفته می­‌شود که قابلیت بالایی در گرافیته شدن دارد.

 از نفت تا قیر

ایران بر روی دریایی از نفت قرار دارد. سازند آسماری و سازندهای نفتی دیگر ممکن است مستعد نفت­‌های شیرین و سنگینی باشند که می­‌تواند مستقیما برای ساخت کک‌سوزنی استفاده شود. این تحلیل از سمت فعالان این صنعت در کشور روسیه که قبلا روی نفت ایران کار کرده­‌اند، پیشنهاد شده و باید با همکاری صنعت نفت تطبیق داده شود.

حتی در حال حاضر هم پس از بررسی بیش از 20 خوراک داوطلب به این نتیجه می­‌توان رسید که با خوراک­‌های نفتی کشور می­‌توان کک سوزنی تولید کرد؛ اما فناوری تولید کک‌سوزنی از خوراک­‌های موجود نیازمند پالایش برش­‌های سنگین و حذف گوگرد است که هزینه­‌های سنگینی خواهد داشت. همچنین امکان همکاری بین دو بخش فولاد و پتروشیمی یا پالایشگاهی برای تولید کک‌سوزنی یا حتی کک اسفنجی تقریبا در کوتاه مدت ناممکن است.

قیر، زیرساخت اصلی تولید کک با کیفیت است. از قیرهای فعلی می‌توان کک تهیه کرد؛ اما گوگرد بالای آن جذابیت صنعت کک‌سازی را در سطح معمولی و حدود ٪40 نگه خواهد داشت. در حالی که تولید قیر با کیفیت می‌تواند منجر به تولید کک سوزنی با افزایش چند برابری ارزش سبد محصول شود.

حذف گوگرد از نفت خام به دلايل ذيل انجام می‌شود:

  1. حذف گوگرد باعث کاهش يا محدود شدن خوردگی در طول عمليات پالايش، حمل و نقل و دستگاه­های مصرف کننده از قبيل وسايل نقليه می‌شود.
  2. حذف گوگرد باعث حذف بوی بد محصولات نفتی خواهد شد.
  3. حذف گوگرد از ســوخت‌های سنگين باعث جلوگيری از آلودگی هوا و جلوگيری از انتشــار دی اکسيد -گوگرد در محيط زيست در زمان سوختن می­‌شود.

کک نفتی گرافیتی (گرافیت پترولیوم کک)

کک نفتی گرافیتی با انجام عملیات سولفورزدایی بر روی کک نفتی کلسینه تولید می‌­شود. می‌­توان گفت یکی از مهمترین فاکتورها در این محصول، میزان سولفور یا گوگورد موجود در آن است که باید به مقدار کمین‌ه­ای برسد. در کک نفتی گرافیتی مقدار سولفور از %03/0  تا % 05/0  متغیر است. به این نوع کک در اصطلاح پترولیوم کک کم سولفور نیز گفته می‌­شود. عمده مصرف کک نفتی گرافیته در صنایع ریخته گری چدنی، افزودنی به عنوان کربن‌ ده، صنایع لاستیک و پلاستیک است.به طور کلی، ميزان گوگرد موجود در نفت خام، بسته به نوع منبع آن بين 025/0 بعضا حدود 89/7 درصد وزنی متغير است.

نفت خام­‌های با گرانروی و چگالی بالاتر، دارای مقادير زيادی ترکيبات گوگرددار پيچيده هستند. روش‌­های مختلفی برای گوگردزدايی از نفت خام و سيال پالايش شده، پيشنهاد شده است. اين استراتژی‌­ها شامل گوگردزدايی هيدرو، گوگردزدايی استخراجی، گوگردزدايی اکسيداسيونی، گوگردزدايی بيو، گوگردزدايی مبتنی بر آلکيلاسيون، گوگردزدايی مبتنی برکلرينوليزيز و گوگردزدايی با استفاده از آب فوق بحرانی اسـت. بهترين روش با بهترين کارايی برای گوگردزدايی از نفت سنگين، اکسيداسيون خودبه­‌خودی با تجزيه حرارتی است.

از قیر تا کک

تولید کک از چند روش ممکن است که بهترین و رایج‌­ترین آن کک سازی تاخیری است که تنها با این روش و در شرایط دمایی و فشاری مناسب و نحوه درست تزریق قیر به همراه آب می‌­توان فضای مناسب تشکیل لایه‌­های گرافیتی را پشت سر هم و در آرامش مطلق تامین کرد. این فرایند به ظاهر ساده به اندازه‌­ای از نظر فنی و تجهیزی پیچیده است که نمی‌­توان آن را در کوتاه مدت با تکیه بر دانش بومی در مقیاس‌­های بزرگ صنعتی با اعتماد و اطمینان اجرا کرد.

خصوصا آنکه محصول ناشی از خوراک نفتی با کیفیت‌­تر ولی به مراتب دشوارتر خواهد بود. پروژه­‌های ملی تعریف شده نیز در مرحله نیمه صنعتی متوقف مانده‌­اند. با این حال تفاهم نام­ه‌ای بین ایمیدرو و صنعت نفت منعقد شده که در حجم يك میلیارد دلار سرمایه‌­گذاری با تکیه بر جواز فنی بومی را هدف قرار داده و به نظر واقع بینانه نیست.

راه حل پیشنهادی استفاده از قیر قطران است که می­‌توان به صورت بلند مدت از بازار بزرگ منطقه شمال ایران تهیه کرد که ده برابر ظرفیت مورد نیاز توان عرضه دارد و حداقل­‌های مورد نیاز کک سوزنی را تامین مي­‌كند. دانش فنی این خط و تجهیزات آن به نسبت ارزان قیمت‌­تر بوده و امکان تامین آن به صورت کلید در دست، مقدور است. در گام بعدی می‌توان در صورت همکاری صنعت نفت خط تولید کک‌سوزنی از نفت را طراحی و در کشور اجرا کرد. در صورت بهره­‌برداری از این خط، انتقال دانش زیادی صورت خواهد گرفت که در مراحل بعدی قابل استفاده و بهره‌­برداری خواهد بود.

معرفی کک

كك ماده‌­ای سیاه‌ ­رنگ است كه به طور عمده از كربن تشکیل شده و از تجزيه حرارتی هيدروكربن­‌هاي سنگين نفت خام و منابع قیری به دست می­‌آيد. طی آن ته‌­مانده‌­های سنگین نفتی و قیر قطران زغال سنگ به انواع گازها، مایعات و کک تبدیل می­‌شود. کک به دست آمده از منابع نفتی در مقایسه با کک­‌های منابع زغال سنگ به دلیل خاکستر کم مورد توجه است.

کک بر اساس مواد اولیه و عوامل فرایندی تولید، به کک دانه‌­ای، اسفنجی و سوزنی تقسیم می‌­شود. هر کدام از انواع کک خصوصیات و ترکیبات شیمیایی منحصر به خود را دارند که طبق آن کاربردهای گوناگونی در صنایع پیدا می­‌كنند.

کلسیناسیون

کلسیناسیون، فرایندی است که به موجب آن، کک نفتی تحت دمای زیاد (حدود 1300 درجه سانتی‌گراد) برای تجزیه گروه‌­های متیل و هیدروژنی که به حلقه­‌های آروماتیک چسبیده­‌اند، قرار می‌­گیرد. کک کلسینه شده، از کربن تقریبا خالص و مقدار بسیار کم هیدروژن تولید می‌­شود. این کک چگال، خواص مطلوبی برای کاربردهای صنعتی دارد. کلسیناسیون، رطوبت و مواد فرار کک را کاهش داده و خواص فیزیکی کک را بهبود می‌­بخشد.

کک اگر به صورت مناسب کلسینه شده باشد، مقاومت فیزیکی و رسانایی الکتریکی بالایی خواهد داشت. این دو خاصیت فیزیکی، برای استفاده در صنایع آلومینیوم و فولاد بسیار مهم هستند.

کک سازی

فرایند کک سازی تبدیل باقیمانده­‌های سنگین به کک و مواد دیگر را ممکن می‌­سازد. این فرآیند بیشتر در مناطقی مطرح می­‌شود که از سوخت­‌های سنگین استفاده چندانی نمی‌­کنند و در نتیجه باقیمانده‌­های سنگین بی­‌مصرف می­‌مانند. در این حالت می‌توان از فرآیند کک­‌سازی استفاده کرد که در واقع یک شکست حرارتی شدید است و فرآورده‌­های آن عبارتند از: کک، گاز، بنزین و گازوئیل که معمولا به عنوان خوراک شکست کاتالیستی و نیز هیدروکرکینگ به کار می‌­رود.

۱.کک سازی تاخیری:

از نظر آماری، امروزه برای فرآوری مواد باقیمانده، بیشتر از روش کک‌­سازی تأخیری استفاده می‌­شود. با وجود مقبولیت این واحد، تعداد کمی سازنده و پالایشگر دانش طراحی کک‌سازی تأخیری را دارند. کک‌سازی تأخیری یک فرآیند شکست گرمایی شدید است که در پالایشگاه­‌های نفتی برای بهبود و تبدیل ته­‌مانده­‌های نفتی به مایعات، گازها و کک نفتی به کار می­‌رود.

۲.فلکسی کک:

خوراک این فرایند می­‌تواند هر نوع نفت سنگینی باشد. خوراک ابتدا در حدود 315 تا 370 درجه سانتی‌گراد پیش گرم شده و به درون راکتور اسپری می‌شود تا با بستر داغ و سیالی کک در تماس قرار بگيرد. این کک داغ از گرمکن کک (با نرخ جریانی که راکتور را به صورت سیالی نگه دارد) بین 510 تا 540 درجه سانتی‌گراد به راکتور بازگردانده می­‌شود.

کک بازگشتی از گرمکن کک، حرارت کافی برای تبخیر خوراک و واکنش شکست را فراهم می­‌كند. بخار شکسته شده از سیکلون عبور می­‌كند و سپس در اسکرابر بالای راکتور خنک می­‌شود. برخی از بخارات سنگین در اسکرابر میعان یافته و به راکتور باز می­‌گردند.

کک تولید شده در شکست به صورت فیلم نازک بر روی سطح کک­‌های موجود می­‌نشیند. در پایین راکتور، کک با بخار جدا می­‌شود تا محصولات واکنش، با کک خروجی از راکتور ترکیب نشوند. کک از راکتور به سمت گرمکن در دمای حدودا 593 درجه سانتی‌گراد جریان می‌­یابد. گرمکن کک نیز یک تجهیز بستر سیال است.

در ادامه جریان کک وارد سومین بستر سیال می‌­شود و در آنجا با هوا و بخار برای تولید یک گاز شامل کربن مونوکسید، هیدروژن، کربن دی‌اکسید و نیتروژن، واکنش می­‌دهد. سیستم به گونه‌­ای طراحی شده که محصول کک در این راکتور بین 60 تا 97 درصد گازی سازی می‌­شود. ارزش حرارتی گاز کک تولیدی، از گاز طبیعی نیز کمتر است. در ادامه از این گاز گوگردزدایی می­‌شود.

۳.کک‌سازی سیال:

کک‌سازی سیال روشی ساده از نسخه فلکسی کک‌سازی است. در این روش کک گازی سازی نمی­‌شود؛ بنابراین تنها دو بستر سیالی شده وجود دارند. کک‌سازی سیال روش جدیدتری است ولی عیب آن تولید کک پودری شکل است که کاربرد آن توأم با اشکال است.

از کک تا گرافیت

تولید الکترودگرافیتی از کک‌سوزنی فناوری پیچیده‌­ای نیست؛ اما بهره‌­برداری آن تا کنون در کشور رخ نداده است. بر همین اساس است که تنها پروژه تولید الکترود گرافیتی با ظرفیت یک سوم کشور با بودجه 350 میلیون دلاری (حدود ده برابر بودجه مورد نیاز برای ساخت این پلنت) تعریف شده و با هزینه نیمی از آن هنوز پیشرفتی بالاتر از 20 درصد نداشته است. به نظر می‌­رسد هیچ بازیگر فعالی انگیزه ورود به این بخش را ندارد.

فولادسازها و پالایشگاه‌­ها هیچ کدام بازیگران این صنعت نیستند و در دنیا نیز این صنعت مستقلا متولیان خود را دارد. بر همین اساس برای ایجاد این صنعت باید حاکمیت تلاش کند که به عنوان یک محرک صنعتی آن را در محور اصلی توسعه زنجیره الکترودگرافیتی قرار داده و خط تولید الکترودگرافیتی را تاسیس کند.

نرخ بازگشت سرمایه ۴۱درصدی، این صنعت را در شرایط سخت بازار هم جذاب کرده است. تاسیس این کارخانه در استان­‌های جنوبی منطقی­‌تر به نظر می­‌رسد. محصول این کارخانه می‌­تواند در فولادسازی­‌ها گرافیته شود تا از ظرفیت معطل برق کشور در فولادسازی­‌ها استفاده شده و فرایند بسته‌­بندی نیز در مناطق مرکزی ایران با هدف کاهش هزینه­‌های حمل و نقل صورت گیرد. در نهایت پیشنهاد می‌‌شود که این موضوع به یک سازمان تحت نظارت حاکمیت به عنوان ماموریت سپرده شده و در چهار سال اجرا گردد.

الکترود گرافیتی

برای تولید الکترود گرافیتی به کک سوزنی نیاز است. این واحدها کوچک هستند و ظرفیتی در حدود سالانه چند ده هزار تن دارند؛ اما با آوردن فناوری کک‌سازی تاخیری که در مورد سوزنی از پیچیدگی بالاتری برخوردار است، می­‌توان فناوری کک‌سازی را در کشور آغاز کرد. این صنعت از جهات زیادی دارای اهمیت است که مهمترین آن تامین کک اسفنجی مورد نیاز صنایع مختلف از جمله فولاد، آلومینیوم و .. است. این تامین هم­ز­مان با افزایش عملکرد پالایشگاه‌­ها و کاهش تولید محصولات کم ارزش خواهد بود.

مهمترین عامل در تولید الکترودهای‌گرافیتی، درجه کک نفتی مورد استفاده است زیرا درجه­‌های بالاتر کک نفتی الکترودهایی با کیفیت بالاتر تولید می‌کنند. علاوه بر عیار کک‌نفتی، چندین عامل دیگر مانند طول، قطر، چگالی بالک، مقاومت و تخلخل می‌توانند بر کیفیت الکترودگرافیتی و توانایی آن در انتقال جریان تأثیر بگذارند. به عنوان مثال، درجه­‌های پایین­‌تر کک اجازه عبور جریان الکتریکی به همین راحتی را نمی‌­دهد.

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

 

نمایش بیشتر

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *