Fuel and Combustion

Fuel and Combustion

Effect of temperature and pressure on oil coke production from refinery tailings

Document Type : Original Article

Authors
Mohammad Arghavanifar
Ramin Karimzadeh
Tarbiat Modares University
10.22034/jfnc.2025.435897.1394
Abstract
In this research, the batch bomb method is used to produce coke with high density and thermal conductivity. The effect of increasing and decreasing temperature and pressure, is investigated in order to synthesize a high-quality and industrial product. The main problem in this research is that the produced coke has low physical resistance which causes high corrosion in systems and high consumption in industry. The main purpose of this research is to enhance the final product by changing the two parameters of temperature and pressure, so that the physical resistance will increase and the coefficient of thermal expansion will decrease. During 42 conducted tests, the range of the temperature was varied from about 200°C to 800°C and pressure range was varied from atmospheric pressure to 4 bar, densities from about 1.28 to 1.9 grams per centimeter cube obtained and in the same way the efficiency was acheived from 15.80 to 41.68%. According to the results, it can be concluded that the most ideal temperature obtained in petroleum coke with high density and high efficiency is 600˚C to 685˚C and the most ideal pressure is also 2.5 bar.
Keywords
Density
Carbonization
Calcination
Coke

Subjects

تأمین انرژی سازگار با محیط‌زیست یکی از بزرگترین نگرانی‌ها است. انرژی فسیلی همچنان نقش مهمی در تأمین انرژی مورد‌نیاز ما برای مدت طولانی ایفا خواهد کرد. با این حال، در اثر سوزاندن ذغال‌سنگ به منظور تولید یک کیلووات بر ساعت[1] برق، به‌طور متوسط 1000 گرم CO2 وارد جو کره زمین می‌شود که منجر به افزایش گرمای زمین می‌شود. یکی از چالش‌ها و هزینه‌های اصلی تولید فولاد به روش کوره‌های قوس الکتریکی که صنایع فولاد ایران نیز با آن مواجه‌اند، مصرف الکترود گرافیتی است. به گونه‌ای که به ازای تولید هر تن فولاد با این روش، به‌طور میانگین 2 الی 5/2 کیلوگرم الکترود گرافیتی مصرف می‌شود[1،2].

سه روش برای تولید کک نفتی خام وجود دارد که شامل کک‌سازی فلکسی، تأخیری و سیال است. هدف کک‌سازی به روش فلکسی به حداکثر رساندن تولید هیدروکربن‌های مایع است. در این روش، گازهای حاصل از فرآیند با هوا ترکیب شده و بخارات و گازهای حاصل به‌عنوان سوخت استفاده می‌شود[3]. کک‌سازی تأخیری رایج‌ترین تکنولوژی در صنعت پالایش برای استفاده از برش‌های سنگین نفتی است که هدف آن تبدیل ته‌ماند سنگین به محصولات سبک بوده و کک حاصل به‌عنوان سوخت استفاده می‌شود. کک تأخیری دارای 15-5 درصد رطوبت، 12-8 درصد مواد سبک و فرار است. این کک به شکل کلوخه‌ای، سیاه رنگ و متخلخل است. اندازه کلوخه‌های آن معمولاً قطری کمتر از 5/1 سانتی‌متر دارد[4]. هدف کک‌سازی به روش سیال، تبدیل ته‌مانده‌های حاصل از برج اتمسفریک برج خلا به مایعات سبک، گاز و کک است. در کک سازی سیال، در حدود 20 درصد کک در واحدهای مربوط به تولید برای تامین حرارت مورد نیاز فرآیند سوخته می‌شود. بنابراین کک کمتری نسبت به کک سازی تأخیری ساخته می‌شود. کک سیال از لحاظ فیزیکی کروی شکل است (در حدود 8/1 اینچ قطر دارد). به دلیل ساختمان خاص فیزیکی این ماده که شامل لایه‌های سخت ازمواد کربنی است، عمل کلسینه کردن آن سخت‌تر از کک تأخیری است[5].

یکی از مواد اولیه در صنعت آلومینیوم کک نفتی است که برای ساخت آند مورد استفاده در سلول‌های احیاء کاربرد دارد. در پالایشگاه‌ها برای بدست آوردن محصولات مایع سبک‌تر و با کیفیت بالاتر‌، اقدام به کاهش کربن مایعات سنگین می‌کنند که این کربن‌ها به کک تبدیل می‌شوند و کاربردهای صنعتی و سوختی دارند. کیفیت کک نفتی مورد استفاده در صنعت تأثیر زیادی در هزینه تمام شده تولید محصولات دارد و کیفیت کک نفتی مورد استفاده برای ساخت آند نیز از اهمیت بالایی برخوردار است[6].

در این پژوهش سعی بر این شده است که در طی چندین آزمایش، دما و فشار افزایش و کاهش داده شود تا اهداف زیر محقق شوند:

1- بدست آوردن دمای بهینه برای تولید ککی با دانسیته بالا و مطلوب از لحاظ اقتصادی و از لحاظ کمیت و کیفیت

2- بدست آوردن فشار بهینه برای تولید ککی با دانسیته بالا و مطلوب از لحاظ اقتصادی، کمیت و کیفیت

3- بدست آوردن میزان بازدهی مطلوب (تولید ککی با دانسیته بالا) در دما و فشار بهینه

در جدول 1، ترکیبات کک نفتی در سه کشور ایالات متحده آمریکا، آلمان و ایران ذکر شده ‌است. به علاوه به محدوده استاندارد هر ترکیب هم اشاره شده ‌است.

جدول1- ترکیب کک نفتی و ویژگی‌های استاندارد آن[3]

Table 1-The composition of petroleum coke and its standard characteristics [3]

Standard range

Iran

Germany

USA

Concentration (wt%)

80-95

87.3

88.2

88.6

Carbon

0.2-6

2.07

0.46

1.02

Sulfur

1.2-1.6

1.21

-

-

Density

0.1-1

0.37

0.26

0.73

Ash

 

از مصارف الکترود گرافیتی می‌توان به فولادسازی کوره قوس الکتریکی، الکترود و برس‌های مختلف الکتریکی، کاربرد در نیمه‌هادی‌ها و در مواد آب‌بندی اشاره کرد. به‌علاوه، کک نه‌تنها به‌عنوان یک ماده رسانا، بلکه به‌عنوان یک ماده خازنی با سطح متخلخل توسعه یافته نیز استفاده می‌شود[7].

مواد، تجهیزات مورد استفاده در آزمایش

قیر عمدتاً از مولکول‌های هیدروکربن تشکیل شده است و حاوی اتم‌های گوگرد، نیتروژن و اکسیژن است[8]. قیر همچنین حاوی مقادیر کمی از فلزات مانند نیکل، وانادیم، آهن، کلسیم و منیزیم است که در جدول 2 قابل مشاهده است.

جدول 2- مواد تشکیل‌دهنده قیر

Table 2- Ingredients of bitumen

ITEM

%

Carbon

82-88

Hydrogen

8-11

Oxygen

0-1.5

Sulfur

0-6

Nitrogen

0-1

 

[1] kW/h

[1] Y. Zhu, C. Zhao, Y. Xu, C. Hu, and X. Zhao, “Preparation and Characterization of Coal Pitch-Based Needle Coke (Part I): The Effects of Aromatic Index (fa) in Refined Coal Pitch,” Energy and Fuels, vol. 33, no. 4, pp. 3456–3464, 2019.
[2] S. J. Chalk, IUPAC Gold Book.  IUPAC Committee on Publications and Cheminformatics Data Standards (CPCDS), 2022
[3] I. Lee, K. Saito, S. H. Yoon, Y. Korai, and I. Mochida, “Activation of coal tar derived needle coke with K2CO3 into an active carbon of low surface area and its performance as unique electrode of electric double-layer capacitor,” Carbon N Y, vol. 43, no. 14, pp. 2960–2967, 2005.
[4] S. R. Kelemen, M. Siskin, M. L. Gorbaty, D. T. Ferrughelli, P. J. Kwiatek, L. D. Brown, C. P. Eppig, and R. J. Kennedy, “Delayed coker coke morphology fundamentals: Mechanistic implications based on XPS analysis of the composition of vanadium- and nickel-containing additives during coke formation,” Energy and Fuels, vol. 21, no. 2, pp. 927–940, 2007.
[5] L. Edwards, “The History and Future Challenges of Calcined Petroleum Coke Production and Use in Aluminum Smelting,” J. of Minerals, Metals and Materials Society, vol. 67, no. 2, pp. 308–321, 2015.
[6] R. R. Gabdulkhakov, V. A. Rudko, and I. N. Pyagay, “Methods for modifying needle coke raw materials by introducing additives of various origin (review),” Fuel, vol. 310. Elsevier Ltd, Feb. 15, 2021
[7] D. K. Özdemir, “Temperature Susceptibility and Rheological Aging Characteristics of the Bitumen Having Different Penetration Grades,” Black Sea Journal of Engineering and Science, vol. 4, no. 4, pp. 209–213, Oct. 2021.
[8] R. N. Hunter, J. Read, and D. Whiteoak, The Shell bitumen handbook. Thomas Telford Publishing, 2003.
[9] A.G. Gungor, F. Orhan, S. Kasak, “The determination of performance of wearing course mixture using advanced asphalt tests,” 5th Eurasphalt & Eurobitume Congress, 13-15th June 2012, Istanbul, Turkey.
[10] R. J. Tyler and I. W. Smith, “Reactivity of petroleum coke to carbon dioxide between 1030 and 1180 K.” Fuel, Vol. 54, Issue 2, pp. 99-104, April 1975.
[11] H. Zhang, U. K. Ibrahim, W. Y. Xue, H. Liu, and A. Guo, “The quantitative assessment of coke morphology based on the Raman spectroscopic characterization of serial petroleum cokes,” Fuel, vol. 246, pp. 60–68, Jun. 2019.
[12] M. Mohadesi and H. S. Mousavi, “Kinetic Investigation of Catalyst Deactivation in Catalytic Reforming of Naphtha,” Chemical Product and Process Modeling, vol. 7, no. 1, Jun. 2012.