وضع السوق وصعوبات تكنولوجيا الإنتاج لفحم الكوك الإبري في نظام البترول

شركة مركز أبحاث تكنولوجيا هندسة معالجة النفط الثقيل التابعة لشركة سينوك (تشينغداو) المحدودة

تكنولوجيا صيانة المعدات، العدد 32، 2021

ملخص: ساهم التطور المستمر للعلوم والتكنولوجيا في الصين في تعزيز نمو مختلف قطاعات المجتمع، كما عزز بشكل فعال قوتنا الاقتصادية وقوتنا الوطنية الشاملة. يُعد فحم الكوك الإبري، باعتباره جزءًا هامًا من عملية صناعة الصلب، عنصرًا أساسيًا في إنتاج أقطاب الجرافيت. ويلعب دورًا هامًا في إنتاج منتجات بطاريات الليثيوم، فضلًا عن دوره في صناعة الطاقة النووية وقطاع الطيران. ومع التقدم العلمي والتكنولوجي، تم تعزيز التحسين والتطوير المستمر لتكنولوجيا صناعة الصلب في الأفران الكهربائية، وجرى تحديث المعايير والمتطلبات الخاصة بفحم الكوك الإبري في عمليات البحث والتطوير والإنتاج بشكل دائم، وذلك لمواكبة متطلبات التنمية الإنتاجية المجتمعية. ونظرًا لاختلاف المواد الخام المستخدمة في عملية الإنتاج، يُصنف فحم الكوك الإبري إلى نوعين: فحم الكوك البترولي وفحم الكوك الفحمي. ووفقًا لنتائج التطبيقات العملية، يتضح أن فحم الكوك الإبري البترولي يتمتع بنشاط كيميائي أقوى من فحم الكوك الفحمي. في هذه الورقة، ندرس الوضع الحالي لسوق تركيز إبرة البترول والمشاكل في عملية البحث والإنتاج للتكنولوجيا ذات الصلة، ونحلل الصعوبات في تطوير الإنتاج والصعوبات التقنية ذات الصلة بتركيز إبرة البترول.

مقدمة

يلعب فحم الكوك الإبري دورًا هامًا في إنتاج أقطاب الجرافيت. وبالنظر إلى الوضع الحالي، نجد أن الدول المتقدمة، كالولايات المتحدة واليابان، قد بدأت مبكرًا في البحث والتطوير وإنتاج فحم الكوك الإبري، ووصلت تطبيقات التقنيات ذات الصلة إلى مرحلة النضج، حيث أتقنت هذه الدول تقنيات التصنيع الأساسية لفحم الكوك الإبري البترولي. في المقابل، بدأ البحث والإنتاج المستقل لفحم الكوك الإبري في قطاع النفط متأخرًا. ومع ذلك، ومع التطور المستمر لاقتصاد السوق لدينا، وتعزيز التوسع الشامل لمختلف القطاعات الصناعية، حقق البحث والتطوير في مجال فحم الكوك الإبري في قطاع النفط تقدمًا ملحوظًا في السنوات الأخيرة، وصولًا إلى الإنتاج الصناعي. إلا أنه لا تزال هناك بعض الفجوات في الجودة وكفاءة الاستخدام مقارنةً بالمنتجات المستوردة. لذا، من الضروري توضيح الوضع الحالي لتطور السوق والصعوبات التقنية التي تواجه قطاع النفط.

ثانيًا: مقدمة وتحليل لتطبيق تكنولوجيا فحم الكوك الإبري البترولي

(1) تحليل الوضع الحالي لتطوير فحم الكوك الإبري البترولي محلياً ودولياً

نشأت تقنية فحم الكوك الإبري البترولي في الولايات المتحدة في خمسينيات القرن الماضي. لكن بلدنا مفتوح رسميًا

بدأ البحث في تكنولوجيا وتصنيع فحم الكوك المُصنّع بتقنية الإبر البترولية في أوائل ثمانينيات القرن الماضي. وبدعم من السياسة الوطنية للبحث والتطوير التكنولوجي، شرعت معاهد البحوث الصينية في إجراء اختبارات متنوعة على هذا النوع من الفحم، وواصلت استكشاف وبحث طرق اختبار مختلفة. إضافةً إلى ذلك، أنجزت الصين في تسعينيات القرن الماضي العديد من البحوث التجريبية حول إعداد نظام فحم الكوك المُصنّع بتقنية الإبر البترولية، وقدّمت طلبات للحصول على براءات اختراع في هذا المجال. وفي السنوات الأخيرة، وبدعم من السياسات الوطنية ذات الصلة، استثمرت العديد من الأكاديميات العلمية والشركات المحلية في البحث والتطوير، وعززت تطوير الإنتاج والتصنيع في هذا القطاع. كما يشهد مستوى البحث والتطوير في تكنولوجيا فحم الكوك المُصنّع بتقنية الإبر البترولية تحسناً مستمراً. ويعود السبب الرئيسي في ذلك إلى وجود طلب محلي كبير على هذا النوع من الفحم. ومع ذلك، لا تستطيع الجهود المحلية في البحث والتطوير والتصنيع تلبية احتياجات السوق، حيث تستحوذ المنتجات المستوردة على جزء كبير من السوق المحلية. بالنظر إلى الوضع التنموي الحالي، وعلى الرغم من تزايد التركيز والاهتمام الحاليين بأبحاث وتطوير وتصنيع تكنولوجيا إبرة البترول، إلا أن هناك بعض الصعوبات التي تعيق البحث والتطوير التكنولوجي ذي الصلة، مما يؤدي إلى فجوة كبيرة بين بلدنا والدول المتقدمة.

(2) تحليل التطبيقات التقنية لمؤسسات فحم الكوك الإبري البترولي المحلية

بناءً على تحليل جودة المنتجات المحلية والأجنبية وتأثيرها التطبيقي، يتضح أن الاختلاف بينهما في جودة فحم الكوك الإبري البترولي يعود أساسًا إلى اختلاف مؤشري معامل التمدد الحراري وتوزيع حجم الجسيمات، مما يعكس التباين في جودة المنتج [1]. ويعود هذا التفاوت في الجودة بشكل رئيسي إلى صعوبات الإنتاج في عملية التصنيع. وبالنظر إلى عملية الإنتاج المحددة وطريقة تصنيع فحم الكوك الإبري البترولي، فإن جوهر تقنية إنتاجه يكمن في مستوى المعالجة الأولية للمواد الخام. حاليًا، لم تحقق سوى شركات شانشي هونغتي الكيميائية المحدودة، وسينوستيل (آنشان)، وجينتشو للبتروكيماويات الإنتاج الكمي. في المقابل، يتميز نظام إنتاج وتصنيع فحم الكوك الإبري البترولي في شركة جينتشو للبتروكيماويات بنضجه النسبي، حيث يجري تحسين قدرة معالجة الجهاز باستمرار، ويمكن للمنتجات ذات الصلة أن تصل إلى مستويات متوسطة وعالية في السوق، ما يجعلها مناسبة للاستخدام في صناعة أقطاب كهربائية عالية أو فائقة القدرة في صناعة الصلب.

ثالثاً: تحليل سوق فحم الكوك الإبري البترولي المحلي

(1) مع تسارع وتيرة التصنيع، يتزايد الطلب على فحم الكوك الإبري يوميًا

بلدنا هو أكبر دولة إنتاج صناعي في العالم، وهذا يتحدد بشكل أساسي بنمط هيكلنا الصناعي.

يُعدّ إنتاج الحديد والصلب من الصناعات الهامة التي تُسهم في تعزيز التنمية الاقتصادية. وفي هذا السياق، يتزايد الطلب على الإبر يوميًا. إلا أن مستوى البحث والتطوير التقني لدينا، إلى جانب طاقتنا الإنتاجية، لا يُلبي متطلبات السوق حاليًا. ويعود السبب الرئيسي إلى قلة الشركات المتخصصة في إنتاج إبر البترول القادرة على تحقيق معايير الجودة المطلوبة، فضلًا عن عدم استقرار الطاقة الإنتاجية. ورغم التقدم المُحرز في مجال البحث والتطوير التقني، إلا أن هناك فجوة كبيرة في تلبية متطلبات أقطاب الجرافيت عالية الطاقة أو فائقة الطاقة، مما يُعيق مراقبة جودة منتجات إبر البترول. وينقسم سوق فحم الكوك المُصنّع بالإبر حاليًا إلى نوعين: فحم الكوك المُصنّع بإبر البترول، وفحم الكوك المُصنّع بإبر الفحم. ويُلاحظ أن فحم الكوك المُصنّع بإبر البترول أقل حجمًا من فحم الكوك المُصنّع بإبر الفحم، سواءً من حيث حجم المشاريع أو مستوى التطوير، وهو ما يُعدّ أحد الأسباب الرئيسية التي تُعيق التوسع الفعال لهذا النوع من الفحم في الصين. لكن مع التحسن المستمر في مستوى تكنولوجيا إنتاج صناعة الصلب، يتزايد الطلب على إنتاج وتصنيع أقطاب الجرافيت فائقة القدرة. وهذا يُبرز أيضاً أنه مع التحسن المستمر في مستوى التنمية الصناعية وتسارع وتيرة التصنيع، سيزداد الطلب على فحم الكوك الإبري بشكل متزايد.

(2) تحليل سعر سوق فحم الكوك المتغير

وفقًا لمستوى التطور الصناعي الحالي وتعديل الهيكل الصناعي والمحتوى الصناعي في بلادنا، تبين أن سلسلة إنتاج فحم الكوك الإبري من البترول أكثر ملاءمةً لبلادنا من سلسلة إنتاج فحم الكوك الإبري من الفحم، مما سيزيد من تفاقم اختلال التوازن بين العرض والطلب على فحم الكوك الإبري محليًا. ولحل هذه المشكلة، لا بد من الاعتماد على الاستيراد. ومن خلال تحليل خصائص تقلبات أسعار المنتجات المستوردة في السنوات الأخيرة، يتضح أن أسعار منتجات فحم الكوك الإبري البترولي المستورد تشهد ارتفاعًا منذ عام 2014. لذا، بالنسبة للصناعة المحلية، ومع اتساع فجوة العرض وارتفاع أسعار الاستيراد، سيصبح فحم الكوك الإبري البترولي وجهة استثمارية جاذبة في صناعة فحم الكوك الإبري في الصين [2].

رابعًا، يركز بحثنا وتطويرنا على إبرة النفط وتحليل صعوبات تكنولوجيا الإنتاج

(1) تحليل صعوبات المعالجة المسبقة للمواد الخام

من خلال تحليل عملية إنتاج وتصنيع فحم الكوك الإبري البترولي، يتضح أن البترول هو المادة الخام الرئيسية في المعالجة الأولية للمواد الخام. ونظرًا لخصوصية موارد البترول، يُستخرج النفط الخام من باطن الأرض، ويُستخدم في استخراجه ومعالجته محفزات مختلفة، مما يؤدي إلى وجود شوائب في المنتجات البترولية. وتؤثر هذه المعالجة الأولية سلبًا على إنتاج فحم الكوك الإبري البترولي. إضافةً إلى ذلك، يتكون البترول في معظمه من هيدروكربونات أليفاتية، بينما يكون محتواه من الهيدروكربونات العطرية منخفضًا، وهو ما يعود إلى خصائص موارد البترول الموجودة. تجدر الإشارة إلى أن إنتاج فحم الكوك الإبري البترولي عالي الجودة يتطلب معايير صارمة للمواد الخام، حيث يُشترط أن تكون المواد الخام ذات محتوى عالٍ من الهيدروكربونات العطرية، وأن تكون منخفضة الكبريت والأكسجين والأسفلتين، بحيث لا تتجاوز نسبة الكبريت 0.3%، ونسبة الأسفلتين 1.0%. مع ذلك، وبناءً على الكشف عن التركيب الأصلي وتحليله، تبيّن أن معظم النفط الخام المُعالَج في بلادنا ينتمي إلى فئة النفط الخام عالي الكبريت، وأن هناك نقصًا في النفط المناسب لإنتاج فحم الكوك الإبري ذي المحتوى العالي من الهيدروكربونات العطرية. ويُعدّ إزالة الشوائب من النفط صعوبة تقنية كبيرة. في الوقت نفسه، تحتاج شركة جينتشو للبتروكيماويات، الأكثر نضجًا في مجال البحث والتطوير والتصنيع حاليًا، إلى مواد خام مناسبة لإنتاج فحم الكوك الإبري الموجه في عملية إنتاج ومعالجة فحم الكوك الإبري الموجه للبترول. ويُعدّ نقص المواد الخام وعدم استقرار الجودة من العوامل الرئيسية التي تُقيّد استقرار جودة فحم الكوك الإبري الموجه [3]. وقد قامت شركة شاندونغ ييدا للمواد الجديدة المحدودة بتصميم واعتماد معالجة أولية للمواد الخام لوحدة إنتاج فحم الكوك الإبري الموجه للبترول.

في الوقت نفسه، تم اعتماد طرق متنوعة لإزالة المواد الصلبة العالقة. فبالإضافة إلى اختيار الزيت الثقيل المناسب لإنتاج فحم الكوك الإبري، تمت إزالة المواد الضارة من المواد الخام قبل عملية التكويك.

(2) تحليل الصعوبات التقنية في عملية التكويك المتأخر لفحم الكوك الإبري البترولي

تُعدّ عملية إنتاج فحم الكوك الإبري عملية معقدة نسبيًا، وتتطلب دقة عالية في التحكم بتغيرات درجة حرارة البيئة وضغط التشغيل خلال عملية المعالجة. ومن أبرز التحديات في هذه العملية هو ضمان التحكم العلمي والعلمي في الضغط والوقت ودرجة حرارة فحم الكوك، بما يضمن توافق زمن التفاعل مع المعايير المطلوبة. في الوقت نفسه، يُمكن أن يُسهم تحسين معايير عملية التكويك وضبطها، بالإضافة إلى معايير التشغيل المحددة، بدورٍ هام في تحسين جودة إنتاج فحم الكوك الإبري ككل.

يتمثل الهدف الرئيسي من استخدام فرن التسخين لتغيير درجة الحرارة في ضمان سير عملية إنتاج فحم الكوك الإبري وفقًا للمعايير المعتمدة، بحيث تصل درجة الحرارة المحيطة إلى المعايير المطلوبة. في الواقع، تهدف عملية تغيير درجة الحرارة إلى تعزيز تفاعل التكويك، بحيث يتم في بيئة بطيئة ومنخفضة الحرارة، مع تأخير هذا التفاعل، وذلك لتحقيق تكثيف المركبات العطرية، وضمان الترتيب المنتظم للجزيئات، وتوجيهها وتصلبها تحت تأثير الضغط، وتعزيز استقرار الحالة. يُعد فرن التسخين عملية أساسية في عملية إنتاج فحم الكوك الإبري البترولي، وتخضع درجة حرارته لمعايير ومتطلبات محددة، بحيث لا تقل عن 476 درجة مئوية ولا تزيد عن 500 درجة مئوية. في الوقت نفسه، تجدر الإشارة إلى أن فرن درجة الحرارة المتغيرة يُعدّ من المعدات والمنشآت الكبيرة، لذا يجب الانتباه إلى تجانس جودة كل برج من فحم الكوك الإبري: ففي كل برج، تتغير درجة الحرارة والضغط وسرعة الهواء وغيرها من العوامل أثناء عملية التغذية، مما يؤدي إلى تفاوت جودة فحم الكوك الناتج، حيث تكون الجودة متوسطة أو منخفضة. لذا، يُعدّ إيجاد حل فعّال لمشكلة تجانس جودة فحم الكوك الإبري من أهمّ التحديات التي يجب مراعاتها في إنتاجه.

5. تحليل اتجاه التطوير المستقبلي لفحم الكوك الإبري البترولي

(أ) تعزيز التحسين المستمر لجودة فحم الكوك الإبري لنظام البترول المحلي

هيمنت الولايات المتحدة واليابان على تكنولوجيا وسوق فحم الكوك الإبري. وفي الوقت الراهن، لا تزال هناك بعض المشاكل في الإنتاج الفعلي لفحم الكوك الإبري في الصين، مثل عدم استقرار الجودة، وانخفاض قوة الكوك، وكثرة مسحوق الكوك. وعلى الرغم من استخدام فحم الكوك الإبري المنتج بكميات كبيرة في إنتاج أقطاب الجرافيت عالية الطاقة وفائقة الطاقة، إلا أنه لا يُستخدم بكميات كبيرة في إنتاج أقطاب الجرافيت فائقة الطاقة ذات الأقطار الكبيرة. وفي السنوات الأخيرة، لم تتوقف جهودنا في البحث والتطوير لفحم الكوك الإبري، وسنواصل تحسين جودة المنتج. وقد وصلت وحدات إنتاج فحم الكوك الإبري من سلسلة النفط في شركات شانشي هونغتي للفحم الكيميائي المحدودة، وسينوستيل للفحم، وجينتشو للبتروكيماويات المحدودة، إلى طاقة إنتاجية تتراوح بين 40,000 و50,000 طن/سنة، وهي تعمل بثبات، مع تحسين الجودة باستمرار.

(2) يستمر الطلب المحلي على فحم الكوك الإبري البترولي في النمو

يتطلب تطوير صناعة الحديد والصلب كميات كبيرة من الأقطاب الكهربائية فائقة القدرة والأقطاب الكهربائية عالية القدرة. وفي هذا السياق، يتزايد الطلب على فحم الكوك الإبري لإنتاج هذه الأقطاب بسرعة، ويُقدّر بنحو 250 ألف طن سنويًا. لا تتجاوز نسبة إنتاج الصلب في الأفران الكهربائية في الصين 10% من المتوسط ​​العالمي البالغ 30%. وقد بلغ حجم خردة الصلب لدينا 160 مليون طن. وبناءً على الوضع الراهن، فإن تطوير صناعة الصلب في الأفران الكهربائية أمر لا مفر منه على المدى الطويل، وسيؤدي حتمًا إلى نقص في إمدادات فحم الكوك الإبري. لذا، ينبغي اتخاذ تدابير لزيادة مصادر المواد الخام وتحسين أساليب التصنيع لتلبية احتياجات الإنتاج.

(3) يؤدي توسع الطلب في السوق إلى تحسين مستوى تكنولوجيا البحث والتطوير المحلية

يتطلب التفاوت في الجودة والطلب المتزايد على فحم الكوك الإبري تسريع وتيرة تطويره. وخلال مراحل تطوير وإنتاج هذا الفحم، ازداد وعي الباحثين بالصعوبات التي تواجه عملية إنتاجه، مما دفعهم إلى تكثيف جهودهم البحثية، وإنشاء مرافق اختبار تجريبية صغيرة وصغيرة للحصول على بيانات عملية تُوجّه عملية الإنتاج. ويجري باستمرار تحسين تقنية معالجة فحم الكوك الإبري لتلبية الطلب المتزايد. ومن منظور المواد الخام وأساليب التصنيع، يُعيق نقص النفط العالمي وارتفاع نسبة الكبريت تطوير فحم الكوك الإبري المُصنّع من النفط. وقد تم إنشاء وتشغيل منشأة إنتاج صناعية جديدة لمعالجة المواد الخام الأولية لفحم الكوك الإبري المُصنّع من النفط في شركة شاندونغ ييدا للمواد الجديدة المحدودة، حيث تم إنتاج مواد خام ممتازة لهذا النوع من الفحم، مما سيُحسّن بشكل فعّال من جودته وإنتاجيته.