کک نفتی

کک نفتی (به انگلیسی: Petroleum coke) ماده جامد نهایی غنی از کربن است که از فرایند پالایش نفت حاصل می‌شود و گروهی از سوخت‌ها بشمار می‌آید که به عنوان کک‌ها شناخته می‌شوند. کک نفتی به‌طور خاص از یک فرایند نهایی کراکینگ حاصل می‌شود که از فرایندهای مهندسی شیمی بشمار می‌آید و هیدروکربن‌های زنجیره‌ای نفت را در بخشی بنام واحد کوکر، به زنجیره‌های کوتاه‌تر تقسیم می‌کند. عبارت دیگر، کک نفتی محصول کربونازیسیون برش‌های سنگین هیدروکربنی نفت با دمای جوش بالا است. همچنین در فرایند تولید نفت خام مصنوعی از بیتومن استخراج شده از ماسه‌های نفتی کانادا و میدان نفتی اورینوکوی ونزوئلا نیز کک نفتی تولید می‌شود. [۱]

کک نفتی میزان ارزش حرارتی بالاتری نسبت به کک متالورژی دارد. میزان خاکستر آن کمتر است. به علت شرایط بسیار شدید حرارتی که کک نفتی در آن تولید می شود، میزان بسیار کمی ماده فرار سوختنی دارد، در نتیجه این کک به علت میزان کم ماده فرار، بسیار سخت در حالت سوختن قرار می گیرد. کک نفتی به دست آمده که تکلیس نشده باشد، کک سبز نیز نامیده می­شود و بیشتر به عنوان سوخت مورد استفاده قرار می گیرد. در نهایت کک خام به کک کلسینه شده تبدیل می شود که دارای میزان کربن تثبیت شده بالا، خاکستر کم و گوگرد بسیار کم است. [۲]

کک نفتی به همراه الکترود گرافیتی از مواد مورد نیاز برای صنعت فولاد است. در جدول زیر کاربرد انواع کک‌ها در صنایع گوناگون آمده است:

درصد کاربردهای کک‌ها در صنایع گوناگون [۳]
درصد نوع کک انواع کاربردها
30% کک نفتی کلسینه شده Aluminum Anods

Tio2 pigment

Carbon Raiser

Shynthetic Grafite

Electrodes

25% کک متالورژی Blast furnaces

Foundries

Gas coke ovens

silicone

45% سوخت و دیگر کاربردها Cement

Utilities

Refineries

Paper Manufacturing

ترکیبویرایش

بسته به خوراک نفتی استفاده شده، ترکیب کک نفتی ممکن است تغییر کند ولی درصد عمده‌ی آن از کربن است. در کک نفتی خالص درصد کربن به 98-99 % جرمی نیز می‌رسد که ترکیبی پایه کربن است که هیدوژن آن را پر کرده است. درحالی‌که در کک خام هیدروژن می‌تواند 3 تا 4 درصد جرمی کک را نیز تشکیل دهد. همچنین 0.1 تا 0.5 درصد نیتروژن و 0.2 تا 6 درصد گوگرد نیز در کک خام وجود دارد که در فرایند تکلیس حذف می‌شوند.

ترکیب کک سبز و ویژگی‌های استاندارد آن
ترکیب درصد (درصد وزنی) آمریکا آلمان داخلی محدوده استاندارد
خاکستر 0.73 0.26 0.37 1 - 0.1
سولفور 1.02 0.46 2.07 6 - 0.2
دانسیته توده - - 1.21 1.6 - 1.2
کربن ثابت 88.6 88.2 87.3 80-95

در جدول زیر ترکیب مواد موجود در کک خام و کک کلسینه شده مقایسه شده است:

تفاوت کک کلسینه نشده و کلسینه شده
ترکیب درصد (درصد وزنی) کک سبز کک کلسینه شده
کربن ثابت 80 - 90 98-99.5
هیدروژن 3-4.5 0.1
نیتروژن 0.1-0.5 -
سولفور 0.2-6 -
مواد فرار 5-15 0.2-0.9
رطوبت 0.5-10 0.1
خاکستر 0.1-1 0.02-0.7
دانسیته توده 1.2-1.6 1.2-1.9
فلزات (ppm) 254-7800 254-7800

انواعویرایش

بر اساس نوع خوراك واحد و جزئیات فرایند کک سازي، کک­‌هاي متفاوتی به دست می‌­آیند که شامل:

1- کک دانه‌ایویرایش

 
کک دانه‌ای و ساختار میکروسکوپی آن

نیاز به خوراکی با غلظت­هاي زیاد آسفالتین و گوگرد، فشار پایین محفظه تاخیر و دماي زیاد محفظه است. خوراکی که محتوي اکسیژن زیادي باشد نیز می­تواند سبب تولید کک دانه‌­اي شود. هنگامی که محتوي آسفالتین خوراك در مقایسه با کربن کنرادسون آن بالا باشد، کک دانه اي تولید می‌­شود. عموما خوراك­‌هایی که از باقی مانده‌­هاي تحت خلأ و ضایعات قسمت­‌هاي مختلف پالایش به دست می­‌آید، می­‌تواند سبب تولید کک دانه‌­اي شود. [۲]

هنگامی که هیدروکربن­‌های سبک در ظرف فلش می­‌شوند، گلوله­‌های کوچکی از قیر در جریان گاز معلق می­‌شوند که این ذرات در اثر حرارت تولیدی از پلیمریزاسیون آسفالیتن سریعا تبدیل به کک دانه­‌ای شده و ته نشین می‌­شود؛ ابعاد آن­ها نیز حدود 2 تا 5 میلی‌متر بوده و در برخی موارد که به هم بچسبند تا 25 سانتی‌متر می‌­شوند. [۳]

2- کک اسفنجیویرایش

 
کک اسفنجی و ساختار میکروسکوپی آن

کک اسفنجی به خاطر ظاهر شبیه اسفنج به این نام خوانده می­‌شود و از VRC دارای محتوی آسفالیتن، گوگرد و فلزات کم تا متوسط است، تولید می‌­گردد. وجود فلزات سبب ایجاد آلودگی در محصول آلومینیوم بدست آمده می­شود. اگر کک اسفنجی سفت و سخت باشد به عنوان کک اسفنجی ایده‌­آل براي تولید آند در نظر گرفته می‌­شود و براي تولید آند کربنی جهت استفاده در صنایع آلومینیوم سازي تکلیس می­‌گردد. در غیر این صورت، از کک اسفنجی به دست آمده می‌­توان به عنوان سوخت استفاده نمود. [۲]

بزرگترین مشکل برای تولید آند کربنی، کاهش مواد فرار در محصول است که باید میزان آن را به کمتر از 0.5 درصد برسانند. میزان فلزات و گوگرد در هنگام فرایند تصفیه نفت خام به خوبی قابل کنترل است اما کنترل مواد فرار در مرحله کک سازی انجام می­‌شود. برای این منظور کنترل دمای محفظه کک سازی بسیار مهم است. هرچه زمان ماند در محفظه بیشتر باشد باعث کاهش بیشتر مواد فرار می­‌شود. عایق کردن محفظه‌­ها و لوله­‌های انتقال به خصوص در قسمت بالای محفظه، عامل مهمی در کاهش مواد فرار است. [۳]

 
کک سوزنی و ساختار میکروسکوپی آن

3- کک سوزنیویرایش

کک سوزنی از خوراکی که داراي آسفالتین نیست به دست می‌­آید که براي ساخت الکترودهاي گرافیتی برای کوره قوس الکتریکی ساخت فولادبه کار می­‌رود و قیمت بالایی دارد. روغن Decant، با خاصیت آروماتیکی بالا که از فرایند FCC بدست آمده و ته مانده بدست آمده فرایند تجزیه حرارتی جزء خوراک‌­های تولید این کک است. این کک نیاز به خوراک مناسب، عملیات کک‌سازی مخصوص و روش تکلیس خاصی است. به‌طور مثال میزان گوگرد بایستی کمتر از 0.6 درصد بوده و نیتروژن موجود در خوراک نیز بایستی کم باشد تا از پدیده تورم puffing (انبساط برگشت ناپذیر الکترود در هنگام گرافیت سازی) در دمای بالا جلوگیری شود. یک خصوصیت مهم کک سوزنی ضریب انبساط حرارتی پایین است که باید تا 2800 درجه سانتی گراد را تحمل کنند. [۳]

اهمیت کک سوزنی [۴]ویرایش

کک نفتی تولید شده توسط روش کک سازی تاخیری (این روش در ادامه توضیح داده خواهد شد) سالانه 91 میلیون تن است که 68 میلیون تن از این مقدار به عنوان سوخت به صورت کک سبز فروخته می شود و 23 میلیون تن باقی مانده وارد فرایند تکلیس یا کلسیناسیون میشود . این فرایند باعث تولید سالانه 18 میلیون تن کک کلسینه میشود. 14 میلیون تن کک کلسینه برای آند کک ، 3 میلیون تن در صنایع ریخته گری و تنها 1 میلیون تن به صورت کک سوزنی در ساخت گرافیت استفاده می شود.

دلایل زیر را میتوان برای اهمیت کک سوزنی بیان کرد:

  1. کک سوزنی بهترین فروش بازار را بر واحد تن دارد.
  2. تنها منابع محدودی از منابع نفتی دارای مشخصات مولکولی و شیمیایی مناسب برای تولید کک سوزنی هستند.
  3. بیشترین هزینه فرایند تولید کک مربوط به تولید کک سوزنی است.
  4. الکترود هایی که از کک سوزنی به عنوان ماده اولیه ساخته می شوند می توانند دمای 3000 درجه سانتیگراد را تحمل کنند ولی الکترودهای تولید شده از کک اسفنجی تنها تا 960 درجه سانتیگراد مناسب هستند.
  5. کک سوزنی دارای ضریب انبساط حرارتی (CTE) پایینی است.

کاربردهای کک نفتی [۲]ویرایش

در ابتدا صرفا به دید یک سوخت مانند زغال سنگ به آن نگاه می­‌شد. امروزه در دو نوع خام (سبز) و تکلیس شده به فروش می­‌رسد که خام آن به عنوان سوخت مورد استفاده قرار می­‌گیرد زیرا مقدار گوگرد و خاکستر آن زیاد است و کاربرد دیگری نمی­‌توان برای آن متصور شد. از این کک در صنایع سیمان، واحد آب و برق، پالایشگاه‌­ها و صنایع کاغذ مصرف می­‌شود. به دلیل این‌که این سوخت به تنهایی مواد فرار کافی برای ایجاد شعله ندارد به نسبت 70 درصد زغال 30 درصد کک استفاده می­‌شود. در صنایع سیمان نیز به دلیل وجود گوگرد فراوان در کک، باعث عدم نیاز به افزودن گوگرد جداگانه به سیمان را دارد که سوخت مناسبی محسوب می­‌شود.

از کک نفتی با کیفیت متوسط نیز به عنوان منبع کربن در صنایع تولید آلیاژ­های مختلف استفاده می­شود که به عنوان یک افزودنی محسوب می­‌شود. مصرف دیگر آن به صورت تکلیس شده است که در صنایع آلومینیوم، الکترود کوره ذوب قوس الکتریکی، الکترود گرافیتی و تولید پیگمنت تیتانیوم دی اکسید کاربرد دارد. نکته مهم و راهبردی در این قسمت این است که وجود گوگرد سبب خوردگی سریع الکترود و تورم شده که باعث شکستگی سریع الکترود می­‌شود. همچنین وجود فلزات نظیر نیکل و وانادیوم در کک سبب اکسید شدن سریع آند در صنعت است.

مزایا و معایب استفاده از کک نفتی به عنوان سوخت
پارامتر تأثیر
مزایا ارزش حرارتی بالا بهبود احتراق زغال در نتیجه اختلاط با کک نفتی

کاهش هزینه به ازای واحد تولید انرژی

مواد فرار کم کاهش هزینه کنترل خاکستر
پایین بودن اندیس خرد شدن سبب کاهش هزینه های نگهداری و هزینه پودر نمودن محصول می‌شود
معایب میزان بالای گوگرد تولید مقادیر زیاد جامدات که هزینه مصرف و کنترل آن را بالا می‌برد

سبب ایجاد مشکل باران های اسیدی می‌شود

بالابودن میزان وانادیم سبب ایجاد رسوب و مشکلات خوردگی می‌شود


جستارهای وابستهویرایش

منابعویرایش

  1. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version:  (2006–) "petroleum coke". doi:10.1351/goldbook.P04522
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ ۲٫۲ ۲٫۳ حدیث عسکري ، سعید سلطانعلی ، شکوفه طیبی, “بررسی اثر شرایط عملیاتی و نوع خوراك بر محصولات فرآیند ککسازي تأخیري، ” فصلنامه تخصصی علمی ترویجی فرآیند نو, vol. 11, pp. 144–154, 1396.
  3. ۳٫۰ ۳٫۱ ۳٫۲ ۳٫۳ م. م. ع. حسن برگزین, جعفرصادق مقدس, انور خودیف, “کک نفتی، روش های تولید و کاربردهای آن، ” مجله مهندسی شیمی ایران, pp. 29–36, 1384.
  4. J. G. Clark, “The modification of Waxy Oil for preparing a potential feedstock for needle coke production,” University of Pretoria, 2011.


پیوند به بیرونویرایش