Основные тенденции и современные проблемы производства высококачественных моторных топлив

В настоящее время возможности нефтепереработки многих стран мира для удовлетворения растущих потребностей в мотор­ных топливах за счет увеличения объемов добычи нефти практи­чески исчерпаны. Для решения этой актуальнейшей проблемы представляют интерес следующие направления сбалансированно­го развития нефтепереработки, двигателестроения и потребления моторных топлив:

1) углубление и химизация переработки нефти;

2) оптимизация качества моторных топлив с целью расширения ресурсов и снижения фактического их расхода при эксплуатации ДВС;

3) дизелизация автомобильного парка;

4) применение альтернативных топлив — газообразных, кисло­родсодержащих и топлив из твердых горючих ископаемых.

Первое из перечисленных выше направлений является генераль­ной линией развития современной мировой нефтепереработки и свя­зано с разработкой и внедрением гибких технологических схем и совершенных высокоинтенсивных экологически безвредных термо­каталитических и гидрогенизационных процессов глубокой перера­ботки нефтяных остатков с получением высококачественных мотор­ных топлив и других нефтепродуктов.

Второе направление обусловлено необходимостью разработки экономически и технически обоснованных требований потребителей моторных топлив к уровням качества, обеспечивающим минималь­ные народнохозяйственные затраты на их производство и примене­ние. При этом учитывается и экологическая эффективность приме­нения топлив, актуальность которой возрастает в связи с непрерыв­ным ужесточением требований по охране окружающей среды. Так, за последние годы во многих странах мира, особенно экономически развитых, принят ряд законодательных решений, направленных на снижение содержания свинца в автобензине и переход на производ­ство и применение неэтилированных бензинов. Отказ от этилирова-ния, с точки зрения нефтепереработчиков, являющегося наиболее дешевым и энергетически эффективным способом повышения окта­новых чисел карбюраторных топлив, ставит нелегкую задачу уве­личения октановых чисел суммарного бензинового фонда. При от­казе от этилирования необходимое приращение октановых чисел должно быть обеспечено за счет развития и совершенствования тех­нологических процессов производства высокооктановых компонен­тов и применения альтернативных высокооктановых добавок, что потребует значительных капитальных вложений. Следовательно, производство высокооктановых неэтилированных карбюраторных топлив может сопровождаться некоторым снижением октановых чисел товарных бензинов и, как следствие, снижением требований к топливной экономичности автомобилей.

Трудности возникают и при оптимизации качества средних дис­тиллятов - реактивного и дизельного топлив. Топлива для реактив­ных двигателей получают преимущественно из прямогонных фрак­ций нефти. Увеличение ресурсов их производства связано с оптими­зацией (расширением) фракционного состава, температуры начала

кристаллизации и содержания ароматических углеводородов, вязкос­ти и других показателей качества. Установлено, что каждый процент увеличения отбора реактивного топлива сопровождается уменьшением выхода дизельного топлива на 0,9 %, а суммы светлых - на 0,5 %.

Значительным резервом экономии моторного топлива является дизелизация автомобильного транспорта, позволяющая снизить удельный расход топлива на 25 - 30 %. Следует, однако, отметить, что проведенные в последние годы усовершенствования карбюра­торных двигателей свели эту разницу к 15 - 20 %, что обусловило некоторое снижение темпов дизелизации транспорта. Тем не менее мировое производство дизелей за последние два десятилетия непре­рывно возрастало в среднем примерно на 8 млн шт. в год. Так, его потребление в мобильной энергетике США возросло за период с 1980 по 1990 г. с 72 до 100 млн т, а в Западной Европе - с 60 до 80 млн т.

Основные тенденции производства автобензинов. Мировое произ­водство автобензина по состоянию на 2000 г. составило 953 млн т/год. Предполагается, что несмотря на высокие темпы роста автомобиль­ного парка в мире (ежегодно на 10 млн шт.), потребление автобензи­на в ближайшие годы сохранится на нынешнем уровне за счет суще­ственного повышения топливной экономичности автомобилей, пе­ревода части автотранспорта на альтернативные источники топли­ва и ускорения дизелизации. Так, в США средний удельный расход автобензина на личном легковом транспорте уменьшился за период с 1975 по 1985 год с 14,9 до 8,65 л/100 км, то есть на одну треть. Пре­дусматривается этот показатель довести к 2000 г. до 6 л/100 км. Та­кое значительное повышение топливной экономичности автотранс­порта в США, а также в Японии и странах Западной Европы было достигнуто благодаря снижению собственной массы автомобиля (за счет применения легких конструкционных материалов и преимуще­ственного выпуска легковых автомобилей малого и особо малого классов), повышению эффективного к.п.д. двигателя и трансмиссии, снижению аэродинамического сопротивления кузова, применению электронных систем контроля, улучшению качества автодорог и т.д.

Главенствующей до последнего времени тенденцией в развитии производства автобензинов являлось непрерывное повышение их ДС (а в двигателестроении - увеличение степени сжатия), что способ­ствовало существенному улучшению технико-экономических пока­зателей эксплуатации транспортных средств. В то время, когда уро­вень ОЧ выпускаемых автобензинов был не столь высок, как в на-

стоящее время, повышение ДС достигалось относительно легко за счет использования сравнительно дешевых термодеструктивных процессов и каталитического крекинга. Однако для последующего повышения ДС до современного высокого уровня потребовалось раз­вивать в нефтепереработке более дорогие энергоемкие каталитичес­кие процессы, такие, как каталитический риформинг, алкилирова-ние, изомеризация и т.д., в которых, кроме того, происходит сниже­ние ресурсов автобензинов. Естественно, затраты на такие процес­сы в нефтепереработке должны окупаться экономией средств потре­бителей за счет применения высокооктановых бензинов. Следова­тельно, оптимальные значения ДС автобензинов будут определять­ся уровнем химизации и технологии процессов нефтепереработки, а также мировыми ценами на нефть.

Наиболее массовым в России в настоящее время является авто­бензин А- 76. В ближайшие годы выпуск А- 72 будет полностью пре­кращен, и в перспективе будет преимущественно развиваться про­изводство АИ -93 (или АИ -92).

С целью улучшения транспортной обеспеченности населения страны предусматривается значительное увеличение выпуска авто­мобилей преимущественно повышенной топливной экономичности: грузовых спецмашин меньшей грузоподъемности, легковых средне­го (ВАЗ-21-08, ВАЗ-21-09), малого и особо малого классов («Таврия», «Ока» и др.) и ряд других мероприятий по оптимизации структуры автопарка.

В связи с ужесточением экологических требований во многих странах мира приняты законодательные акты по существенному снижению на первом этапе содержания свинца с последующим зап­рещением применения свинцовых антидетонаторов в автобензинах (табл. 11.6).

Отказ от применения свинцовых антидетонаторов связан не толь­ко с токсичностью их и продуктов их сгорания. Современные авто­мобили оборудуются специальными дожигателями выхлопных газов на основе драгоценных металлов - катализаторов, которые быстро отравляются продуктами сгорания антидетонаторов.

В Японии с 1986 г. выпускают только неэтилированные бензи­ны, причем около 96 % от общего их выпуска составляют регуляр­ные. В капиталистических странах Западной Европы, а также в США принята и уже реализуется программа по переходу на производство только неэтилированных бензинов. В Швейцарии, Австрии и Шве-

Таблица 11.6

Современные и перспективные экологические требования к качеству моторных топлив

*В числителе - действующие сейчас нормы; в знаменателе - нормы, предложенные в 1999 г. Ассоциацией нефтепереработчиков России для утверждения Правительством Российской Федерации.

ции продажа этилированного регулярного бензина полностью зап­рещена. В России доля неэтилированных автобензинов от общего объема их производства также непрерывно увеличивается и в 2000 г. составила 82 %.

Характерной особенностью перспективных зарубежных бензи­нов (табл. 11.6) является низкое содержание в них ароматических углеводородов (<30 %, в том числе бензола <1 %), что считается при­знаком высокого качества по таким показателям, как склонность к нагарообразованию, калильное зажигание, коэффициент равномер­ного распределения ДС по фракциям, октановое число смешения и прежде всего по экологичности. Низкое содержание ароматических углеводородов при высокой ДС бензинов достигается значительно большим, чем в бывшем СССР, вовлечением в их компонентный со­став алкилата и бензинов каталитического крекинга, характеризу­ющихся значительным содержанием высокооктановых изопарафи-новых углеводородов (табл. 11.7).

Таблица 11.7

Компонентный состав автобензинов России, США и Западной Европы

Примечания: 1. В скобках - содержание ароматических и непредельных углеводородов.

2. В России доля компонентов гидрокрекинга и гидроочистки в общем бензиновом
фонде незначительна.

3. ОЧИМ и ОЧММ - значения октанового числа по исследовательскому и
моторному методам.

В составе отечественных высокооктановых бензинов преоблада­ет риформат, что и обусловливает повышенное содержание в них ароматических углеводородов. Пока в современных ГОСТах нашей страны не предусмотрены ограничения ни по содержанию аромати­ческих углеводородов, ни по требованию равномерности распреде­ления ДС по фракциям бензинов. Установлено, что эксплуатация автобензинов с ограниченным содержанием ароматических углево-

дородов (менее 30%) и с равномерным распределением ДЗ по фрак­циям позволяет несколько понизить уровень ДС и тем самым рас­ширить ресурсы бензинов, а также существенно улучшить их эколо­гическое качество.

Решение проблемы снижения содержания ароматики, бензола и олефинов в товарных автобензинах до западно-европейских стан­дартов для нефтеперерабатывающего комплекса России потребует ускоренного внедрения процессов производств неароматизирован-ных высокооктановых компонентов, прежде всего процессов изоме­ризации головных фракций бензинов, гидрокрекинга, селективного гидрокрекинга, а также производств оксигенатов.

Некоторые тенденции производства дизельных топлив. Мировое производство дизельных топлив в 2000 г. составило более 1 млрд т/год.

По объему производства дизельных топлив бывший СССР зани­мал первое место в мире. По качеству отечественные дизельные топ­лива соответствуют лучшим зарубежным образцам.

Необходимо, однако, указать, что удельный расход дизельного топлива на автотранспорте страны в 2 раза выше, чем в США, и в 3 раза выше, чем во Франции, что свидетельствует о исключительно нерациональном его использовании у потребителей.

Основу отечественных дизельных топлив составляют прямогон-ные дистилляты, причем около половины из них приходится на долю гидроочищенных фракций. Дистилляты вторичного происхождения используются в незначительных количествах (в частности, около 3 % приходится на долю легкого газойля каталитического крекинга). Необходимо отметить, что производство малосернистых сортов топ­лив с содержанием серы менее 0,2 % масс, сопряжено с потерями их ресурсов и значительными энергозатратами на глубокую гидроочи­стку. При гидроочистке одновременно с неуглеводородными гетеро-соединениями удаляются из топлива имеющиеся в исходной нефти природные антиокислительные, противоизносные, антикоррозион­ные и другие присадки. Поэтому при производстве товарных гидро­очищенных дизельных топлив возникает необходимость примене­ния большого ассортимента и в достаточно больших количествах синтетических присадок.

В США с 1993 г. введено более жесткое ограничение на содержа­ние серы в дизельных топливах, которое составляет 0,03 % вместо 0,25 % по ранее действующим нормативам. Агентством по охране окружающей среды США приняты законодательные акты по суще-

ственному снижению содержания в них также ароматических угле­водородов (до 10%). Введение новых экологических норм (табл. 11.6) повлечет за собой дальнейшее усложнение технологии и соответствен­но повышение себестоимости производства дизельного топлива.

Структура производства отдельных марок (в %) дизельных топлив в России в 1999 г. составила: летнее - 86,5, зимнее и арктическое - 13,5.

Как видно из представленных данных, наиболее массовым в стра­не является летний сорт топлива. Доля зимнего и арктического сор­тов в общем дизельном фонде составляет всего 13,5 %, что примерно только на половину удовлетворяет растущие потребности страны в низкозастывающем виде топлива, связанные с необходимостью ин­тенсивного освоения природных богатств Сибири, Дальнего Восто­ка и Крайнего Севера. В настоящее время основным способом полу­чения низкозастывающих дизельных топлив является облегчение их фракционного состава путем снижения температуры конца кипения до 300 - 320 °С (против 360 °С для летнего сорта), что связано с суще­ственным ограничением их ресурсов. Относительно небольшая часть таких топлив вырабатывается на основе цеолитной и карбамидной депарафинизации. Денормализаты цеолитной депарафинизации имеют хорошие низкотемпературные свойства (температура засты­вания - 45-5- -50 °С, температура помутнения - 35-5-50 °С), поэтому они преимущественно используются в качестве зимних и арктичес­ких топлив. При карбамидной депарафинизации не полностью уда­ляются высокоплавкие парафины, поэтому денормализаты этого процесса имеют при температуре застывания -35°С и ниже темпе­ратуру помутнения лишь -11 °С вместо требуемых -25 или -35 °С. Необходимо обратить внимание на нерациональное вовлечение де­нормализатов в летнее дизельное топливо, что обусловлено геогра­фией размещения установок «Парекс» и отсутствием резервуаров необходимых объемов для хранения и последующего использования денормализатов для производства зимних сортов топлив. Для более полного удовлетворения потребностей в зимних и арктических сор­тах дизельных топлив и одновременно в жидких парафинах - цен­ном дефицитном сырье для нефтехимии и микробиологического син­теза - в 80-е гг. в нашей стране ускоренными темпами строились установки депарафинизации, особенно типа «Парекс». Однако поз­же в связи с принятием во многих странах мира, в том числе в быв­шем СССР, законодательных актов, запрещающих использование жидких нефтяных парафинов для производства белково-витамин-

ных концентратов (БВК), и переводом установок на растительные виды сырья темпы дальнейшего расширения процессов адсорбцион­ной депарафинизаци типа «Парекс» значительно снизились.

Проблема получения низкозастывающих моторных топлив (а также масел) может быть решена включением в схемы НПЗ нового эффективного и весьма универсального процесса - каталитической гидродепарафинизации (КГД) нефтяных фракций. Процессы КГД находят в последние годы все более широкое применение за рубе­жом при получении низкозастывающих реактивных и дизельных топ­лив, смазочных масел и в сочетании с процессом каталитического риформинга (селектоформинга) - высокооктановых автобензинов. В зависимости от целевого назначения в качестве сырья КГД могут использоваться бензиновые, керосино-газойлевые или масляные фракции прямой перегонки нефти. Процесс КГД основан на удале­нии из нефтяных фракций //-алкановых углеводородов селективным гидрокрекингом в присутствии металлоцеолитных катализаторов на основе некоторых типов узкопористых цеолитов (эрионита, морде-нита, SZM -5 и др.). Селективность их действия обусловлена специ­фической пористой структурой: через входные окна могут прони­кать и контактировать с активными центрами (обладающими бифун­кциональными свойствами) только молекулы н- алкановых углево­дородов определенных размеров. В результате проведения процесса КГД (в условиях, сходных с режимами процессов гидрообессерива-ния газойля) достигается значительное (на 25 - 60 °С) снижение тем­пературы застывания и температуры помутнения и улучшение фильтруемое™ денормализатов КГД при выходах 70 -90 % и одно­временном образовании высокооктановых бензинов. Процесс КГД наиболее эффективен при облагораживании сырья, содержащего от­носительно невысокое количество я-алканов (менее 10 %), переработ­ка которого традиционными процессами депарафинизации по эконо­мическим и технологическим причинам нецелесообразна. Использо­вание процесса КГД позволяет значительно расширить сырьевую базу производств дизельных топлив зимних и арктических сортов.

Наиболее дешевым способом получения зимнего дизельного топ­лива за рубежом является введение (в сотых долях процента) деп-рессорных присадок в летнее топливо. Однако подавляющее боль­шинство присадок, достаточно эффективно понижая температуру застывания топлива, практически не влияют на температуру его помутнения, что в значительной степени ограничивает область его

применения. Такое топливо возможно применять в районах с темпе­ратурой воздуха зимой не ниже - 15 °С. Такие климатические усло­вия соответствуют большинству стран Западной Европы, Прибал­тике, Белоруссии, Молдавии и Украине. Однако промышленное про­изводство отечественных депрессорных присадок до сих пор не орга­низовано.

Дальнейшее увеличение ресурсов дизельных топлив возможно за счет расширения их фракционного состава и использования дис­тиллятов вторичных процессов. Так, повышением температуры кон­ца кипения на 25-30 °С можно увеличить ресурсы летнего топлива на 3 - 4 % от общего его производства. Такая температура конца кипения соответствует примерно t,_0% = 360 °С. В настоящее время на ряде НПЗ страны начат выпуск по ТУ в достаточно больших масш­табах летнего дизельного топлива утяжеленного фракционного со­става (с t_HK =60-80 °С, 19,,%=360 °С), представляющего собой по суще­ству смесь бензиновой и дизельной фракций. Топлива такого вида* уже получают из некоторых газоконденсаторов и используют в от­даленных северных и северо-восточных районах страны, куда зат­руднительна доставка стандартного дизельного топлива.

Производство дизельных топлив можно значительно увеличить за счет использования в их составе вторичных газойлей (каталити­ческого крекинга и коксования), хотя это и приводит к ухудшению химической стабильности топлив. Наибольшее применение за рубе­жом находит легкий газойль каталитического крекинга с псевдоожи-женным слоем. В США, например, доля такого газойля в составе дизельного топлива весьма значительна. Поэтому в нем возросло содержание ароматических углеводородов, а цетановое число умень­шилось в среднем дизельном фонде до 40 - 42 против 45-50 в Запад­ной Европе и бывшем СССР.

Представляется возможным расширить ресурсы дизельных топ­лив также за счет высвобождения значительных количеств газойле­вых фракций, оставляемых ныне в мазуте или добавляемых в ко­тельное топливо как разбавителя с целью обеспечения требуемой вязкости. По мере уменьшения объемов производства котельных топлив и увеличения мощностей висбрекинга или других процессов глубокой переработки нефтяных остатков количество газойлевых

♦Например, газоконденсатное широкофракционное зимнее (ГШЗ).

фракций будет непрерывно возрастать, что позволит дополнитель­но расширить ресурсы дизельных топлив.

Нефтеперерабатывающему комплексу России предстоит в бли­жайшие годы решить технологически и экономически нелегкие про­блемы организации выпуска экологически чистых марок дизельно­го топлива (см. табл. 11.6) со сверхнизким содержанием серы (менее 0,05%), что потребует внедрения новых более активных и селектив­ных катализаторов гидроочистки (или строительства дополнитель­ных реакторов), а также увеличения доли зимних и арктических марок путем внедрения эффективного процесса каталитической гид-родепарафинизации.

Альтернативные моторные топлива. Непрерывный рост потреб­ности в жидких моторных топливах и ограниченность ресурсов не­фти обусловливают необходимость поисков новых видов топлив, получаемых из ненефтяного сырья. Одним из перспективных направ­лений является получение моторных топлив из таких альтернатив­ных источников сырья, как уголь, сланец, тяжелые нефти и природ­ные битумы, торф, биомасса и природный газ. С помощью той или иной технологии они могут быть переработаны в синтетические мо­торные топлива типа бензина, керосина, дизельного топлива или в кислородсодержащие углеводороды - спирты, эфиры, кетоны, аль­дегиды, которые могут стать заменителем нефтяного топлива или служить в качестве добавок, улучшающих основные эксплуатаци­онные свойства топлив, например, антидетонационные. К настояще­му времени разработаны (или ведутся интенсивные исследовательс­кие работы) многие технологии производства синтетических мотор­ных топлив. В нашей стране ведутся исследования по получению мо­торных топлив из угля (прямым его ожижением или путем предва­рительной газификации в синтез-газе) в рамках специальной комп­лексной программы.

Исключительно перспективным является прямое использование природного газа в транспортных и энергетических установках. По­является все больше автомобилей, рассчитанных на использование газового топлива в сжатом или сжиженном состоянии.

Мировой парк автомобилей, эксплуатируемых в настоящее вре­мя на газовых топливах, оценивается в = 5,0 млн шт. На автомоби­лях сжатый природный газ, состоящий преимущественно из метана, хранят и эксплуатируют в баллонах при давлении до 20 МПа. При­родный газ обладает высокими антидетонационными свойствами

(ОЧ(И.М.) около 110), что позволяет существенно повысить степень сжатия двигателя и тем самым литровую мощность двигателя, сни­зить удельный расход топлива.

При работе двигателя на сжатом природном газе (СПГ) межре­монтный пробег в два раза выше, чем на бензине, и существенно меньше расход масла. Недостатком СПГ является необходимость использования специальных толстостенных баллонов. Сжиженные нефтяные газы (СНГ), содержащие преимущественно пропан и бу­тан, в качестве автомобильных топлив имеют ряд преимуществ пе­ред сжатыми газами и поэтому в настоящее время находят более ши­рокое применение. СНГ - качественное углеводородное топливо с высокими антидетонационными свойствами (ОЧ(И.М.) около ПО), широкими пределами воспламенения, хорошо перемешивается с воз­духом и практически полностью сгорает в цилиндрах. В результате автомобиль на СНГ имеет в 4 -5 раз меньшую токсичность в сравне­нии с бензиновым. При работе на СНГ полностью исключается кон­денсация паров топлива в цилиндрах двигателя, в результате не про­исходит сжижения картерной смазки. Образование нагара крайне незначительно. К недостаткам СНГ следует отнести высокую их летучесть и большую взрывоопасность.

В связи с удорожанием нефти и ограничением применения ТЭС в последние годы во многих странах мира наметилась тенденция к воз­растающему использованию кислородсодержащих соединений в то­варных высокооктановых автобензинах. Среди них достаточно широ­кое применение находят метиловый (МС), этиловый (ЭС) и третбути-ловый (ТБС) спирты, и особенно метилтретбутиловый эфир (МТБЭ), обладающие (табл. 11.8) высокими октановыми числами, низкими тем­пературами кипения, что позволяет повысить 04 головных фракций и тем самым улучшить коэффициент распределения ДС, а также дос­таточно высокой теплотой сгорания. Из спиртов наиболее широкими сырьевыми ресурсами обладает метанол. Его можно производить из газа, угля, древесины, биомассы и различного рода отходов. Безвод­ный метанол хорошо смешивается с бензином в любых соотношени­ях, однако малейшее попадание воды вызывает расслаивание смеси. У метанола ниже теплота сгорания, чем у бонзина, он более токсичен. Тем не менее метанол рассматривают как топливо будущего. Ведутся также исследования по непрямому использованию метанола в каче­стве моторных топлив. Так, разработаны процессы получения бензи­на из метанола на цеолитах типа ZSM.

Таблица 11.8

Характеристика кислородсодержащих соединений и высокооктановых бензинов (В)

Среди кислородсодержащих высокооктановых компонентов наи­более перспективными и ныне широко применяемыми оксигената-ми в составе зарубежных автобензинов являются эфиры. Обладая высокими антидетонационными свойствами, они хорошо смешива­ются с бензинами, практически не вызывают коррозии и не требуют переделок в системах питания автомобилей. Они имеют меньшую плотность, соизмеримую с углеводородами теплоту испарения, пре­имущественно повышают детонационную стойкость головных фрак­ций автобензинов.

Среди эфиров по ресурсам производства наиболее перспектив­ным является метилтретбутиловый эфир (МТБЭ). На основании по­ложительных государственных испытаний в России разрешено про­изводство и применение автобензинов с содержанием МТБЭ до 11% масс. Установки по производству МТБЭ построены на ряде НПЗ в составе комбинированных установок Г-43-107 на базе газов катали­тического крекинга. Добавление МТБЭ в бензины снижает содер­жание оксида углерода, углеводородов и полициклических арома­тических соединений в выхлопных газах автомобилей. Некоторым недостатком МТБЭ является его повышенное давление насыщенных паров, что иногда препятствует его применению в летний период в связи с требованиями по испаряемости (табл. 11.9).

По антидетонационным свойствам МТБЭ уступает этилтретбу-тиловому эфиру (ЭТБЭ), а по экологическому воздействию - ЭТБЭ и третамилметиловому эфиру (ТАМЭ). Проблема производства ЭТБЭ связана с ресурсами этанола, что дороже метанола.

Таблица 11.9

Характеристика простых эфиров Су-Св» пригодных в качестве компонентов бензинов

ТАМЭ можно получать на базе продуктов каталитического кре­кинга по технологии синтеза МТБЭ. Во фракции С₅ содержится око­ло 20-30% изоамиленов. Введение ТАМЭ в бензин способствует вы­полнению требований по испаряемости товарных автобензинов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: