книги / Технология глубокой переработки нефти и газа

Таблица 11.4

-процесс парокислородной газификации тяжелых нефтяных ос­ татков «Покс», в котором из газов газификации получают водород для гидрогенизационных процессов НПЗ или смесь водорода и окси­ да углерода для синтеза метанола или искусственных жидких топлив;

-комбинированный процесс термоконтактного коксования (ТКК)

ипарокислородовоздушной газификации (ПКВГ) образующегося

631

порошкообразного кокса (процесс «Флексикокинг»), в котором кро­ ме газов газификации, используемых в тех же направлениях, что и в «Покс», получают значительное количество топливных дистиллятов, которые после соответствующего каталитического облагораживания Являются высококачественными компонентами моторных топлив.

Из вышеперечисленных двух процессов предпочтителен второй, в котором газификации подвергается исключительно концентриро­ ванный (по углероду) остаток - кокс, выход которого в процессе ТКК почти на порядок меньше, чем количество газифицируемого сырья процесса «Покс» - сложного многоступенчатого и капиталоемкого процесса. К тому же имеется отечественная разработка (технологи­ ческий проект) процесса ТКК с блоком газификации, выполненная во ВНИИНП более 30 лет назад.

Предпочтительная поточная схема перспективного НПЗ безостаточной переработки нефти (топливного профиля) приведена на рис. 11.8. В состав перспективного НПЗ рекомендованы преимущественно оте­ чественные процессы, освоенные в промышленном или опытно-про­ мышленном масштабе и требующие существенно меньших капиталь­ ных затрат по сравнению с зарубежными процессами, такими как «Хайвал», «Покс», «АРТ» и др.

Из рассмотрения технологической структуры Н П З различных типов (табл. 11.4) следует, что для глубокой и безостаточной перера­ ботки нефти требуется более высокая степень насыщенности вторич­ ными процессами как углубления нефтепереработки, так и облагора­ живания нефтяных фракций. Разумеется, что по мере увеличения ГПН будут возрастать удельные капитальные и эксплуатационные затраты. Однако завышенные затраты на глубокую или безостаточную перера­ ботку нефтяного сырья должны окупиться за счет выпуска дополни­ тельного количества более ценных, чем нефтяной остаток нефтепро­ дуктов, прежде всего моторных топлив.

11.4. Зачем и как перерабатывать нефтяные остатки в моторные топлива

В наступивш ем XXI в. актуальнейш ей проблемой мировой экономики будет исчерпание запасов нефти. Извлекаемых ее за-

632

пасов в мире (~140 млрд т) при сохранении нынешнего уровня до­ бычи (~3,2 млрд т) хватит примерно на 40 лет. А запасов нефти в России (< 7 млрд т) при нынешнем уровне добычи - 300 млн т/год - хватит лишь на 22 года. Запасы ее в последнее десятилетие прак­ тически не восполнялись новыми геологическими открытиями ме­ сторождений типа Самотлора и к тому же они истощались в ре­ зультате неэффективной разработки и неглубокой переработки. Так, за период с 1991 по 1999 год темпы прироста извлекаемых запасов нефти по отношению к объему ее добычи уменьшились с 1,81 до 0,42. К тому же в ближайшие два-три десятилетия мы об­ речены работать с трудно извлекаемыми низко рентабельными запасами, малодебитными месторождениями с высокой степенью выработанности начальных запасов нефти. Так, степень вырабо­ танности начальных запасов нефти по разрабатываемым место­ рождениям Западной Сибири составляет ныне 38,7 %, по ВолгоУральскому региону - 68,8 %, Северному Кавказу - 82 %. (Выра­ ботанность наиболее крупных месторождений превысила: Самотлорского - 68 %, Федоровского - 63, Мамонтовсого - 74, Ромашкинского - 86 и Арланского - 84 %). С ростом выработаннос­ ти естественно растет обводненность добываемой нефти, снижа­ ются дебиты скважин и темпы отбора запасов. Обводненность из­ влекаемой нефти в среднем по России в настоящее время состав­ ляет 82 %. Дебиты добывающих нефтяных скважин снизились за последние 20 лет более чем в 5 раз, при этом в некоторых регио­ нах (Татнефть, Баш нефть, Пермьнефть) их уровень составляет около 5 т/сутки.

Таким образом, проблема дефицита дешевой нефти для России становится исключительно актуальной. Но тем не менее Россия, как

ив годы «нефтяного бума», продолжает экспортировать нефти в боль­ ших объемах (около половины добычи). Не исключено, что если сво­ евременно не покончить с ошибочными представлениями о «неисся­ каемости, неисчерпаемости и дешевизне нашей нефти», то через не­ сколько десятилетий придется внести ее в «Красную книгу» природ­ ных ресурсов, и последующее поколение россиян будет вынуждено синтезировать ее из твердых горючих ископаемых.

Эффективность переработки добываемой нефти в России, США

истранах Западной Европы в 1999 г. показана в табл. 11.5.

633

Таблица 11.5

Показатели нефтеперерабатывающего комплекса мира, США, Западной Европы и России (за 1999 г.)

Из нее следует, что нефтепереработка России существенно от­ стает не только по объему и глубине переработки нефти, но и по пре­ вращению ее в моторные виды топлива.

В условиях реально наступающ его дефицита нефти и возра­ стающих сложностей по ее извлечению из недр земли, а такж е при наличии в достаточных количествах газового и угольного топлива для сжигания в топках котлов сущ ествующая практика нерационального расходования нефтяных ресурсов не может быть оправдана. Нефть должна полностью и без остатка перера­ батываться с получением только высококачественных и эколо­ гически чистых продуктов, прежде всего моторных топлив, вы­ сокоиндексных смазочных масел и сырья для нефтехимического синтеза. Стратегическим направлением развития нефтеперера­ ботки следует считать (узаконить) глубокую и безостаточную пе­ реработку нефти и значительное сокращение объемов экспорта. При этом тепло- и электроэнергетику России, обладающей боль­ шими запасами газа (более трети мировых) целесообразно пере­ вести на более экологически чистые и ресурсообеспеченные «го­ лубое» и ядерное топлива.

Глубина отечественной переработки нефти за последние 30 лет, несмотря на многократное принятие государственных программ по

634

этой проблеме, практически не повышалась и «застыла» на уровне 64-65 %. Остальная ее треть в виде сернистого и высокосернистого котельных топлив сжигалась и продолжает сжигаться на тепло- и электростанциях, выбрасывая в воздушный бассейн россиян огром­ ные количества токсичных оксидов серы и азота. В настоящее вре­ мя и в перспективе нет альтернативы рациональному и комплекс­ ному использованию нефти и глубокой «безостаточной» ее перера­ ботке.

При нынешнем состоянии техники и технологии нефтеперера­ ботки отечественные НПЗ способны превратить в моторное топливо лишь дистиллятные фракции нефти, выкипающие до 500 °С (~ 2/3 ее части) Остальная треть нефти в виде гудрона традиционно ис­ пользуется как котельное топливо, битум, нефтяные пеки, сырье кок­ сования и т.д.

Непреодолимым до сих пор техническим барьером для глубокой и безостаточной ее переработки являлись проблемы, связанные, вопервых, с избытком углерода и, во-вторых, с повышенным содержа­ нием в нефтяных остатках металлов, являющихся необратимыми яда­ ми для катализаторов.

Известно, что нефть, особенно тяжелая типа арланской, содер­ жит меньше водорода (и больше углерода), чем моторные топлива. Усредненная нефть (как товарная западно-сибирская) содержит 86 % углерода, 12,7 % водорода и 1,3 % гетероатомов (преимуще­ ственно серы). Содержание водорода в бензине (с суммарным содер­ жанием ароматики 25%) и дизельном топливе составляет соответ­ ственно 14 и 13,3 % масс. При соотношении бензин:дизельное топли­ во 1:1,5 (характерном для России) содержание Н 2в усредненном мо­ торном топливе составит 13,6 %. Следовательно, для превращения нефти в моторные топлива и удаления гетероатомов теоретически потребуется введение Н2извне в количестве 1 % масс, на исходную нефть. При этом теоретический выход моторных топлив можно до­ вести до 98-99 %. Однако гидрирование высокомолекулярных состав­ ляющих нефти (типа мазутов и гудронов) с низким содержанием водорода (в гудроне его ~ 10 -11 %) потребует проведения гидроката­ литических процессов при температурах ~450 °С и чрезвычайно высоких давлениях (20-30 МПа) и с исключительно большими рас­ ходами дорогих катализаторов из-за быстрого их отравления метал-

635

лами, сконцентрированными в нефтяных остатках. Следовательно, гидрокаталитические варианты глубокой переработки нефтяных ос* татков экономически и технически бесперспективны для отечествен­ ной нефтепереработки. Гидрокаталитические процессы (например, гидрокрекинг) могут быть использованы лишь для углубленной пе­ реработки деасфальтизированных и деметаллизированных нефтя­ ных остатков или высококипящих дистиллятных фракций нефти типа вакуумных и глубоковакуумных газойлей

В мировой нефтепереработке преобладают технологические про­ цессы, основанные на удалении из нефтяных остатков избытка уг­ лерода и перераспределении содержащегося в исходной нефти водо­ рода. Расчеты по балансам водорода показывают, что для производ­ ства моторных топлив теоретически потребуется удалить из усред­ ненной нефти 5,3% стопроцентного углерода или 5,5% углерода в виде нефтяного кокса, кокса на катализаторе, адсорбенте или кон­ такте. Таким образом, предельный выход моторных топлив из ус­ редненной нефти составит ~93 %.

Ф актический выход моторных топлив будет обусловливать­ ся качеством перерабатываемой нефти, прежде всего элемент­ ным, фракционным и химическим ее составом. Разумеется, при переработке легких нефтей или газоконденсатов этот показатель будет выше 93 %, а из тяжелых сернистых и высокосернистых нефтей (типа арланской) выход моторных топлив составит не более 90 %

Наибольшую трудность в нефтепереработке представляет ква­ лифицированная переработка гудронов (остатков вакуумной, а в последние годы - глубоковакуумной перегонки) с высоким содер­ жанием асфальтосмолистых веществ, металлов и гетеросоединений, требующая значительных капитальных и эксплуатационных зат­ рат. В этой связи на ряде НПЗ страны и за рубежом часто ограни­ чиваются неглубокой переработкой гудронов с получением таких нетопливных нефтепродуктов, как битум, нефтяной пек и котель­ ное топливо.

Из процессов глубокой химической переработки гудронов, осно­ ванных на удалении избытка углерода, в мировой практике наиболь­ шее распространение получили следующие:

1) замедленное коксование (ЗК), предназначенное для производ­ ства кускового нефтяного кокса, используемого как углеродистое

636

сырье для последующего изготовления анодов, графитированных электродов для черной и цветной металлургии, а также низкокаче­ ственных дистиллятных фракций моторных топлив и углеводород­ ных газов;

2)термоконтактное коксование (ТКК), так называемый непре­ рывный процесс коксования в кипящем слое (за рубежом - флюидкрекинг, целевым назначением которого является получение дистил­ лятных фракций, газов и побочного порошкообразного кокса, исполь­ зуемого как малоценное энергетическое топливо;

3)комбинированный процесс ТКК с последующей парокисло­ родной (воздушной) газификацией порошкообразного кокса (про­ цесс «Флексикокинг» с получением кроме дистиллятов синтез-га­ зов;

4)процессы каталитического крекинга или гидрокрекинга нефтя­ ных остатков после их предварительной деасфальтизации и деме­ таллизации (ДА и ДМ) посредством следующих некаталитических процессов:

- сольвентной ДА и ДМ (процесс «Демекс» фирмы «ЮОП», «Розе» фирмы «Керр-Макги» и д р ) с получением деасфальтизатов с низкой коксуемостью и пониженным содержанием металлов и трудноутилизируемого остатка - асфальтита; они характеризуются высокой энер­ гоемкостью, повышенными капитальными и эксплуатационными зат­ ратами; - процессы термоадсорбционной ДА и ДМ (процессы «АРТ» США, в Японии «НОТ» и «ККИ» и др.) с получением облагороженно­ го сырья для последующей каталитической переработки;

- высокотемпературные процессы парокислородной газифика­ ции тяжелых нефтяных остатков с получением энергетических или технологических газов, пригодных для синтеза моторных топлив, производства водорода, аммиака, метанола и др. Эти процессы ха­ рактеризуются исключительно высокими капитальными и эксплуа­ тационными затратами.

Перечисленные выше процессы, за исключением замедленного коксования, не предусматриваются в государственных программах строительства и развития нефтепереработки России на ближайшую перспективу. В то же время на многих Н П З страны осуществляется строительство бесперспективного процесса висбрекинг. Надо отме­ тить, что в этом процессе не происходит удаление избыточного угле­ рода гудрона, осуществляется лишь незначительное снижение вяз­

637

кости остатка, что позволяет несколько уменьшить расход дистил­ лятного разбавителя при получении котельного топлива.

Для безостаточной переработки тяжелых нефтяных остатков в моторные топлива наиболее приемлемы, по мнению автора кни­ ги, термоконтактные процессы, осуществляемые при повышен­ ных температурах крекинга и малом времени контакта на по­ верхности дешевого природного адсорбента в реакторах нового поколения и регенераторах-котлах с получением дистиллятных полупродуктов, направляемых на облагораживание и каталити­ ческую переработку.

11.5.Проблемы экологизации технологии

внефтепереработке

Промышленные предприятия топливно-энергетического комп­ лекса, в том числе химической, нефтеперерабатывающей и нефте­ химической промышленности, а также автомобильный транспорт в настоящее время являются одними из наиболее крупных источни-

йков загрязнения природы: атмосферы, почвы, водоемов и морей.

*По характеру влияния на природу все загрязнители можно разделить на химические, механические, тепловые, биологичес­ кие, акустические (шумовые), электромагнитные и радиоактив­ ные; по физическому состоянию - на газообразные, жидкие, твер­ дые; по происхождению - на естественные (природные) и антро­ погенные.

Загрязнения атмосферы. По своим источникам антропогенные

атмосферные загрязнения разделяются на следующие группы:

1) транспортные, связанные прежде всего с выхлопными газами автомобилей. Они содержат оксиды углерода, серы, азота, углеводо­ роды, канцерогенные полициклические углеводороды и наиболее активный из них 3,4-бензпирен, сажу, а также сильно токсичные продукты, содержащие свинец, хлор, бром. Оксиды углерода, серы и азота в свою очередь в результате взаимодействия с влагой воздуха образуют вторичные загрязнения, так называемые «кислотные дож­ ди». Сажевые частицы канцерогенны по той причине, что являются хорошим адсорбентом для бензпирена. Вредное воздействие выхлоп­ ных газов усиливается в связи с тем, что, поступая в приземные слои

638

атмосферы и оседая на почве и концентрируясь на растениях (на­ пример, свинец в количестве 50 мг на 1 кг сухой биомассы), они за­ тем попадают в организм животных, человека и становятся возбуди­ телями канцерогенных заболеваний. Количество выделяемых в ат­ мосферу транспортных загрязнений зависит от численности и струк­ туры автомобильного парка, технического состояния автомобиля и двигателя, типа двигателя и вида применяемого топлива, а также условий его эксплуатации.

Ниже приведены показатели для различных типов двигателей по относительным удельным выбросам основных токсичных компонентов:

Мировой автомобильный парк в настоящее время составил око­ ло 700 млн единиц. Если учесть, что один грузовой автомобиль в сред­ нем выбрасывает в год около 3 т вредных веществ, то нетрудно под­ считать, что ежегодные выбросы транспортных загрязнений в атмос­ феру составят более 2,5 млрд т и что роль автомобильного транспор­ та как главного источника загрязнения природы непрерывно возра­ стает.

В настоящее время доля автомобильного транспорта в загрязне­ нии окружающей среды в ряде городов составляет 30 - 40 %, в круп­ ных - до 60 %, а в крупнейших городах мира по оксиду углерода превышает 90 %;

2) газовые выбросы ТЭС и котельных. Они содержат примерно те же примеси, что и транспортные загрязнения, а также частички угля, золы и т.д. Природа этих загрязнений изменяется в зависи­ мости от вида топлива, типа сжигания, режима работы и регули­ ровки горелок. Из всех атмосферных загрязнений ТЭС наиболее опасны оксиды серы и азота, наносящие сильный вред раститель­ ности и вызывающие коррозию оборудования и зданий. При оди­ наковой мощности ТЭС количество выбрасываемого сернистого газа при работе на газе, мазуте и угле находится в соотношениях 1:4,5:11,5. Наиболее экологически чистым топливом ТЭС является природный газ.

639

Не менее опасное воздействие на природу, чем оксиды углерода, азота и серы, оказывают выбросы ТЭС в виде диоксида углерода, вызывая так называемый парниковый эффект. В настоящее время в результате сжигания органических горючих ископаемых на ТЭС в атмосферу Земли ежегодно поступает около 20 млрд т углекислого газа. Содержание его в атмосфере уже сегодня превышает уровень 40-х гг. на 15 -20 %. В результате усиливается процесс поглощения биосферой инфракрасного излучения Солнца и тем самым потепле­ ния климата Земли. Парниковый эффект может привести к значи­ тельному изменению атмосферной циркуляции, таянию льдов, за­ топлению материков и другим глобальным социальным и экономи­ ческим потрясениям;

3) газовые выбросы промышленных предприятий. Больше всег загрязняют окружающую среду металлургическая, топливно-энер­ гетическая, нефтехимическая и химическая промышленности. Эти загрязнения весьма разнообразны, и их состав зависит от качества сырья и технологии переработки.

Загрязнения в атмосфере (как и в гидро- и литосфере) распреде­ ляются неравномерно и имеют локальный характер. Так, загрязне­ ния в воздушной среде распределены: над промышленными комп­ лексами - 80%, над городами - 12,9 и над сельской местностью - 1 %. Такой характер распределения выбросов в атмосферу обусловлен излишней концентрацией производственных объектов в некоторых городах, плохой техникой и технологией. В качестве примера при­ ведены данные о количестве выбросов вредных газов в атмосферу (в тысячах т в год) в некоторых городах в 1988 г.:

В местах сильного очагового загрязнения атмосферы при небла­ гоприятных погодных условиях в результате взаимодействия загряз­ нений и кислорода воздуха под действием ультрафиолетовых лучей может образоваться токсичный туман - «фотохимический смог». При

640