Совершенствование производства печного техуглерода при неполном горении природного газа

Совершенствование производства печного техуглерода  при неполном горении природного газа

С.В. Шурупов, Т.А. Кретова, С.В. Семёнова, Б.И. Колобков

ООО «ВНИИГАЗ»

    В настоящее время на Сосногорском газоперерабатывающем заводе (ГПЗ, Республика Коми) производится от 20 до 25 тыс. т/год малодисперсного техуглерода марки П701 (N772 по классификации ASTM), на что расходуется от 130 до  
160 млн нм³/год природного газа. (получается 6400-6500нм3/т или в месяц при 20т ТУ получается для типографии 130 000нм3 в мес)

    Недостатком существующей технологии производства техуглерода при неполном горении природного газа является невысокий выход дисперсного продукта (25 масс. %) в расчете на потенциальное количество углерода в исходном сырье. Ведущие мировые фирмы производят малодисперсные марки техуглерода из жидкого углеводородного сырья с выходом продукта 50-60 масс. % [1].

    Отходящие газы, содержащие водород  и моноокись углерода (синтез-газ!!!), просто дожигаются перед выбросом в атмосферу, их химический и тепловой потенциал не используется.

    На  рис. 1 представлены фактические результаты работы действующих установок печного  производства техуглерода П701 (N772) при  неполном горении природного газа (смесь  сухого товарного газа Вуктыльского месторождения и газа стабилизации с установки стабилизации конденсата (УСК-1)) при различных значениях коэффициента избытка воздуха, который определяет температуру в печи-реакторе, степень разложения углеводородного сырья и, соответственно, выход дисперсного продукта.

    При снижении значения коэффициента избытка  воздуха до 0,4 происходит резкое падение  температуры С)°в реакторе (до 1130 и, соответственно, резко снижается выход техуглерода. Поэтому исследования в области значений коэффициента воздуха менее 0,4 не проводились.

    Полученные  результаты наглядно демонстрируют, что  получить выход техуглерода более 25 масс. % в расчете на потенциальное  количество углерода, содержащегося  в исходном углеводородном сырье, при неполном горении природного газа в условиях действующего промышленного реактора невозможно.

    На  рис. 2 представлена динамика изменения  цены на природный газ и себестоимости  печного техуглерода N772 на заводе в  период 2002-2007 гг.

     
Анализ результатов показывает, что себестоимость производства техуглерода N772 неуклонно приближается к цене реализации продукта. При цене на газ более 50 долл. США/1000 м³ производство техуглерода N772 из природного газа становится нерентабельным.

    Следует отметить, что техуглерод N772 применяется в производстве каркасов, резинотехнических изделий, печатных красок, в качестве пигмента для пластмасс. Продукт пользуется устойчивым экспортным спросом.

    На  рис. 3 приведена структура потребления  техуглерода мировыми компаниями - изготовителями автомобильных шин, которая показывает, что принципиальным отличием зарубежных компаний от российских является высокий уровень применения в шинах техуглерода 300-х марок с удельной поверхностью 80-90 м²/г (46-49% против 8%) и использование техуглерода 600 и 900-х марок с удельной поверхностью 35-45 м²/г (15-22% против 11%).

     
Существующая на Сосногорском ГПЗ  технология производства техуглерода N772 может быть модернизирована, в  частности, повышен выход и, соответственно, объем производства дисперсного продукта в результате перехода на газожидкостный процесс (использование в качестве сырья смеси природного газа и остаточных фракций переработки газового конденсата, содержащих до 80 масс. % тугоплавких парафиновых углеводородов), а также за счет рекуперации тепла технологических потоков и использования энергетического потенциала отходящих газов, просто дожигаемых в настоящее время перед выбросом в атмосферу [2, 3].

    В период 2002-2007 гг. резко изменилась сырьевая база завода, а именно произошло  вовлечение в переработку углеводородного  сырья нефтяных месторождений.

    В настоящее время на заводе проводится комплексная реконструкция установок  переработки жидкого углеводородного  сырья, планируется реконструкция  УСК-1 для производства светлых дистиллятов (бензиновая и дизельная фракция) и остаточных высокопарафинистых фракций, суммарное количество которых может составить до 60-70 тыс. т/год. Сравнительно небольшое количество этих фракций и необходимость их реализации обуславливает целесообразность использования данных фракций в качестве сырья для производства техуглерода.

     В настоящее время  на заводе только на одной линии из 14 работающих получают печной техуглерод N772 из газожидкостного  сырья (смесь природного газа и остаточных фракций газового конденсата).

     Применение  в качестве сырья смеси природного газа и остаточных фракций газового конденсата позволит увеличить объем производства печного техуглерода с 20-25 до 37-40 тыс. т/год на семи технологических линиях за счет повышения выхода дисперсного продукта.

     Промышленные  испытания продемонстрировали возможность производства техуглерода N772 при неполном горении газа и остаточных фракций газового конденсата с выходом продукта 45-50 масс. % в расчете на потенциальное содержание углерода в углеводородном сырье. Качество техуглерода, образующегося при газожидкостном процессе, полностью соответствует требованиям ASTM, предъявляемым к техуглероду N772.

     Предлагаемая  модернизация печного производства техуглерода включает в себя:

• остановку и консервацию одного участка производства печного техуглерода;
• переобвязку участка на прием газожидкостного сырья, включая блок подготовки жидкого сырья (подогрев сырья, дозатор для введения присадок с целью улучшения технологических свойств);
• организацию рекуперативного подогрева воздуха и подогрева газового сырья, идущего на печной процесс, с целью дополнительной экономии сырьевого газа при сохранении выхода техуглерода. Рекуперативный подогрев воздуха позволит снизить расход воды на охлаждение сажегазового аэрозоля и повысить калорийность отходящих газов, которые предполагается использовать в качестве топлива для энергогенерирующей установки. В качестве подогревателей газообразного сырья и воздуха предлагается использовать активатор существующего реакторного блока;
• замену морально и физически устаревших электрофильтров на современные рукавные фильтры (создание мобильных линий, позволяющих одновременно производить и улавливать различные марки печного техуглерода);
• утилизацию энергетического потенциала отходящих газов - использование их в качестве топлива для производства тепловой и электрической энергии.

      Участок производства печного техуглерода  из газожидкостного сырья включает в себя семь технологических линий (одна в резерве), каждая из которых состоит из печи-реактора, рекуператора тепла и подогревателя природного газа, скруббера-холодильника и рукавного фильтра для улавливания дисперсного продукта. Предусматривается наличие двух отделений обработки (гранулирования и упаковки) техуглерода (по три линии на участок), что позволит одновременно производить и обрабатывать две марки печного техуглерода (N772 или N662) [4].

     Жидкое  сырье представляет собой высококипящие  остаточные фракции, образующиеся в  результате переработки нефтегазоконденсатной смеси на реконструированной установке стабилизации конденсата и поступающие из парка темных нефтепродуктов по единому трубопроводу в сырьевую емкость, где жидкое сырье подогревается водяным С.°паром до температуры ~100-120

     Энергетический потенциал отходящих газов при производстве 38 тыс. т/год печного техуглерода N772 в зависимости от состава углеводородного сырья составляет ~70 МВт. Применение современного котельного и паротурбинного оборудования на базе отходящих газов позволяет достигнуть электрической мощности энергоблока 10-12 МВт. В связи с трудностями реализации излишков электрической мощности на розничном рынке, а также из-за отсутствия возможности сбыта тепловой энергии предлагается не использовать весь потенциал отходящих газов производства печного техуглерода, а ограничиться только покрытием электрических и тепловых нагрузок завода.

     Создание  собственного энергоблока на заводе для покрытия собственных нужд оправдано  необходимостью производства высокоэнергетического  пара, для чего ежегодно потребляется в качестве топлива 30-35 млн нм³ природного газа.

     Создание  собственного источника  тепло- и энергоснабжения  позволит решить следующие  задачи:

     - круглогодично обеспечивать предприятие электрической мощностью в пределах 6-9 МВт от собственного источника, что покрывает электрические нагрузки в любой период, а также реализовывать избыток электрической мощности на розничном рынке;

     - обеспечивать всю тепловую нагрузку производственного и хозяйственно-бытового теплоснабжения теплотой пара из отбора с устанавливаемых паровых турбин.

     Для технологических нужд установки  производства автобензина по процессу цеоформинг, применяемому на заводе, необходим  пар с абсолютным давлением 30 кгс/см² С°и температурой 325 в количестве 2,52 т/ч круглогодично. Требуемое давление может быть обеспечено котлами типа ПКК-45.

     Пар на прочие технологические и хозяйственно-бытовые  нужды с учетом потерь в паропроводах на выходе из котельной должен иметь  С°температуру не менее 205-210 и давление не менее 6 кгс/см². Такие параметры пара в отборе имеют несколько блочных турбогенераторов различных типов производства Калужского турбинного завода. Мощность турбогенераторов колеблется от 600 кВт до 3,5 МВт.

    Объем производства продукции и основные показатели экономической эффективности предлагаемого к реализации проекта реконструкции в сравнении с базовым вариантом представлен в таблице.

Таблица

Объем производства продукции  и показатели экономической  эффективности  
реализации проекта