Недостаточное производство нефтяных битумов в России - следствие целого ряда объективных и субъективных причин.
К объективным причинам относится сезонность потребления, и следовательно производства, дорожных марок битумов, а также резко возросшая в последние 10-15 лет степень «парафинистости» (повышенное содержание парафиновых углеводородов нормального строения) нефтей.
Последнее обстоятельство не позволяет обеспечить весь необходимый комплекс эксплуатационных свойств дорожных битумов без использования современных технологий.
Вместе с тем необходимо отметить, что мировой опыт подсказывает вполне конкретные пути решения этих проблем.
Так, влияние сезонности потребления дорожных битумов во многих случаях можно демпфировать производством битумных материалов, имеющих определенную всесезонность применения или длительный срок хранения (например, битумные эмульсии или полимерно-битумные материалы).
Зависимость же качества дорожных битумов от качества сырья в большинстве стран Европы устранена целевым применением специальных тяжелых, смолистых нефтей.
К сожалению, в России это затруднено как из-за существующего централизованного трубопроводного снабжения сырьем большинства крупных НПЗ, так и отсутствия на них технологических возможностей раздельной переработки 2х и более типов нефти.
Важнейшая же из субъективных причин - неадекватная система ценообразования, при которой отпускная цена битума составляет лишь 60-70% от стоимости исходной нефти.
При этом технологическая схема производства нефтяного битума включает, как известно, минимум 5 сложнейших процессов, требующих соответствующих материальных, эксплуатационных, энергетических и прочих затрат.
Такая «рентабельность» битумного производства на большинстве предприятий России (см. таблицу) возникает вследствие:
• низкой загруженности существующих производственных мощностей (менее 40% при среднемировом уровне 90-96%);
• применения устаревших технологий и оборудования;
• несоответствия качества сырья;
• отсутствия современных систем налива и затаривания;
• низкой степени автоматизации управления всеми стадиями процесса.
Перечисленные выше причины объясняют не только низкую инвестиционную активность крупнейших российских нефтяных компаний по созданию современных битумных производств, но и практически парадоксальную ситуацию, при которой компаниям экономически выгодно не только не повышать качество производимых дорожных битумов, но и полностью прекратить их выпуск.
При этом альтернативные технологические способы переработки и утилизации гудронов (производство смазочных масел или кокса, газификация, вовлечение в котельные топлива или в сырье крекинга и др.) на НПЗ имеют достаточно высокую степень экономической привлекательности.
Усугубляет ситуацию развитие «дикого российского бизнеса», направленного на извлечение прибыли любым путем, даже за счет качества продукции, и непредсказуемость годовой и сезонной ценовой политики крупнейших российских нефтяных компаний.
Это приводит как к нецивилизованному коммерческому хранению битумов и извлечению прибыли за счет практически удвоения цен на них в строительный сезон, так и к строительству малотоннажных региональных установок (вакуумный и битумный блоки) с неконтролируемым качеством сырья и продуктов.
В любом случае говорить о долговечности дорожных покрытий на основе таких материалов не приходится.
Выход из создавшегося непростого положения - организация серьезной государственной поддержки как на всех стадиях базового ценообразования (примеры - страны ЕЭС, Кувейт и др.), так и в виде стимулирования производства высококачественных дорожных битумов и строительства частных автодорог.
По оценке специалистов дорожного хозяйства, в настоящее время до 25-28% дорожных битумов, используемых для приготовления асфальтобетонных смесей, являются некондиционными, т.е. не соответствуют требованиям ГОСТ 22245-90 по одному или нескольким показателям.
Результаты обследований ряда асфальтобетонных заводов (АБЗ) в различных регионах страны подтвердили, что примерно в 3 случаях из 4 причина брака - несоблюдение технологий транспортирования, перевалки и хранения битумов, использование битумов с непрогнозируемым химическим составом, а именно: с малотоннажных локальных установок; неопределяемого происхождения, после коммерческого хранения, перегретые при перевалке, загрязненные и подвергнутые пересортице при транспортировке и т.п.
Таким образом, «вклад» основных крупных российских производителей дорожных битумов в общий объем битумного брака не превышает 25%.
Тем не менее это недопустимо высокий процент для такой высокотехнологичной отрасли промышленности, как нефтепереработка.
К основным причинам производства некондиции на НПЗ относится использование устаревших (опять же, очевидно, в силу вышеупомянутых экономических предпосылок) технологий производства.
Современная технология должна обеспечивать стабильный выпуск товарных битумов из гудронов и других полупродуктов различного состава и качества, а также предоставлять возможность выпуска не только продукции, превосходящей по качеству требования общероссийского стандарта (например, по соответствующему стандарту организации), но и перспективных материалов.
Это достигается за счет оснащения установок системами автоматизации всех технологических операций, поточными анализаторами качества, герметичными эстакадами налива и затаривания продукции.
Товарные и сырьевые резервуарные парки современных битумных производств должны быть оборудованы системами обогрева и компаундирования.
При проектировании и эксплуатации битумных производств экологические проблемы безусловно должны учитываться.
Понятно, что создание такого современного битумного производства требует серьезных финансовых инвестиций.
Нестабильность качества перерабатываемого сырья (сначала товарной смеси нефтей, а затем и гудронов) и обеспечение при этом качества продукции и стабильности ее эксплуатационных свойств - основная проблема технологических окислительных битумных установок колонного типа, составляющих сейчас основу производства.
Отрицательный «вклад» в нестабильность качества гудрона вносят и технологические особенности эксплуатации вакуумных колонн: эффективность контактных устройств, колебания температурного режима, глубины вакуума, расходов, количества «проваливаемого» циркуляционного орошения.
Следовательно, в схему современного битумного производства должен быть включен специальный блок подготовки сырья для оптимизации фракционного и группового химического состава гудрона.
Решения обеих поставленных задач во многом взаимосвязаны: утяжеление гудрона - это одновременно и способ снижения степени его парафинистости, а повышение степени его ароматизированности (например, компаундированием) позволяет одновременно регулировать и фракционный состав подготовленного гудрона.
Подготовка сырья - повышение содержания в нем смолистых соединений и одновременное снижение степени его «парафинистости».
К наиболее современным в этом плане относятся битумные производства в ОАО «Новокуйбышевский НПЗ», выпускающем битумы марки «Новобит» (рис. 1), в ОАО «Ярославнефтеоргсинтез», «Пермнефтеоргсинтез», «Нижегороднефтеоргсинтез».
Процесс производства окисленных битумов на большинстве российских НПЗ достаточно хорошо технологически отработан и не вызывает каких-либо серьезных проблем.
В последние годы на некоторых НПЗ проведена модернизация и переобвязка действующих окислительных колонн с целью повышения степени использования кислорода воздуха при получении в основном высокоплавких битумов. К ним прежде всего следует отнести разработку схемы окисления мазутов (ОАО «Московский НПЗ»), создание колонн с внутренним или наружным разделением зон реакции и сепарации (ОАО «Рязанская НПК») и колонн с квенчинг-секцией.
Такие решения позволяют повысить эффективность работы окислительной колонны за счет снижения нагрузок по воздуху и повышения температуры окисления в зоне реакции.
Для этой же цели достаточно эффективно механическое перемешивание фаз в колоннах (ОАО «Ярославнефтеоргсинтез», «ТАИФ#НК»), применение газожидкостных кавитационно-вихревых или ультразвуковых диспергаторов (ОАО «Пермнефтеоргсинтез», «Новокуйбышевский НПЗ").
Вместе с тем имеются публикации о разработке специальных конструкций стационарных воздушных маточников, позволяющих сократить нагрузку по воздуху и существенно снизить содержание кислорода в отходящих газах окисления (ОАО Киришинефтеоргсинтез», «Московский НПЗ», «Новокуйбышевский НПЗ»).
Таким образом, наличие блока подготовки сырья, позволяющего минимизировать влияние колебаний качества смеси товарных нефтей и режима предшествующих технологических установок на свойства окисленных битумов дорожных марок, и современного автоматизированного блока окисления - достаточная гарантия стабильного производства дорожных битумов, соответствующих ГОСТ 22245-90.
Производство же дорожных битумов более высокого качества (так называемых «брендовых») должно базироваться на применении современного блока компаундирования продукции, имеющего в своем составе необходимые резервуарные мощности и оснащенного системами дозированного смешения, поточными анализаторами и др.
При его наличии и применении необходимых полупродуктов и добавок можно значительно улучшить те или иные эксплуатационные характеристики дорожных битумных материалов.
Оценка экономических аспектов битумного производства в России заставляет специалистов-нефтепереработчиков рассматривать битум не только как товарный продукт, но и как полуфабрикат.
Например, организация производства полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) материалов и битумных эмульсий позволяет решить ряд важнейших проблем:
• повышение рентабельности битумного производства в целом;
• круглогодичная занятость персонала на производстве;
• стабильность обеспечения дорожной отрасли высококачественными битумными материалами.
Цель создания ПБВ для дорожного полотна - улучшение их эксплуатационных свойств за счет понижения чувствительности прочности вяжущего материала к изменениям температуры и времени нагрузки, а также обеспечения высокой прочности сцепления с минеральными материалами при повышенных температурах в сочетании с высокой упругостью при низких температурах.
Применяемые в настоящее время в дорожном строительстве органические вяжущие материалы - битумы - уже не в полной мере отвечают современным требованиям.
К необходимым мероприятиям по улучшению качества дорожных покрытий относятся:
• значительное повышение трещиностойкости вплоть до температур минус 50-60оС;
• значительное повышение эластичности вяжущих материалов и придание им свойств, присущих эластомерам;
• улучшение адгезионных свойств ПБВ, особенно по отношению к поверхности материалов кислых пород;
• расширение и совершенствование имеющихся возможностей, а также поиск новых способов применения вяжущих материалов и смесей на их основе в холодном виде без ухудшения их эксплуатационных параметров и токсикологических характеристик.
Перспектива применения ПБВ материалов на основе блоксополимеров типа СБС по ГОСТ - Р 52056-2003 не вызывает сомнения в силу отсутствия на российском рынке других органических вяжущих материалов, способных обеспечивать одновременно необходимую температурную трещиностойкость, высокую коррозионную стойкость, теплостойкость, сдвигоустойчивость и долговременную прочность дорожных покрытий.
Эти материалы разработаны специально для дорожной отрасли и в зависимости от соотношения в нем битума, полимера, пластификатора и поверхностно-активного вещества может характеризоваться одновременно высокой эластичностью (более 70%), температурой хрупкости до минус 60°С, температурой размягчения до 75°С, хорошим сцеплением с минеральными материалами как кислых, так и основных пород (щебнем, песком, минеральным порошком).
Использование ПБВ вместо битумов в составе асфальтобетонных дорожных покрытий более чем в 2 раза увеличивает срок их службы, который в настоящее время не превышает 5-6 лет.
По расчетам специалистов ФГУП «СоюздорНИИ», организация государственного заказа на ПБВ только в системе «Росавтодора» позволила бы увеличить поступления в госбюджет на 2,24 млрд руб/год.
Эффективный способ подготовки битума к работе - эмульгирование, исключающее высокотемпературные процессы на стадиях производства асфальтобетонных смесей.
Битумные эмульсии характеризуются совместимостью с холодным и даже влажным наполнителем асфальтового покрытия.
Кроме того, применение битумных эмульсий в составе асфальтобетонных смесей имеет преимущества по сравнению с традиционными «горячими» технологиями:
• сокращение расхода битума на 20-40% за счет более равномерного распределения по поверхности минерального материала тонким слоем;
• продление сезона строительных работ;
• экономия более 40% топлива при производстве «холодных» эмульсионно-минеральных смесей за счет исключения стадии нагрева каменных материалов;
• исключение стадии высокотемпературной обработки вяжущего материала, поскольку эмульсии характеризуются вязкостью, сопоставимой с вязкостью дисперсионной среды (воды);
• исключение вредных выбросов в атмосферу, возникающих в случае «горячей» укладки покрытий.
К наиболее важным преимуществам битумных эмульсий относятся их заметно меньшая вязкость (при 20оС) по сравнению с вязкими и разжиженными битумами и более высокая адгезионная способность к поверхностям различной структуры и природы (кислые и щелочные минералы, металлы).
Пониженная вязкость битума позволяет обеспечить точность его дозирования при приготовлении асфальтобетонных смесей, распределение последних более тонкими слоями при укладке дорог, что, в свою очередь, исключает вероятность «потения» слоев (выделение битума на поверхность из объема слоя) и приводит к сокращению расхода вяжущего материала.
Повышенная адгезия способствует созданию высокопрочных и долговечных дорожных конструкций.
Эмульсии достаточно устойчивы в объеме (т.е. в условиях хранения и транспортирования).
В то же время при соприкосновении с поверхностью различных материалов или при смешении с каменными материалами эмульсия распадается на составные части - битум и воду.
Битумные эмульсии различного назначения должны характеризоваться различной скоростью распада.
Последняя зависит от свойств эмульгатора, его количества и степени дисперсности эмульсии.
Необходимая скорость распада эмульсий определяется технологией применения.
По скорости распада при взаимодействии с каменным материалом битумные эмульсии разделяют в соответствии с ГОСТ 18659-81 на 3 класса:
• ЭБК-1 - быстрораспадающиеся;
• ЭБК-2 - среднераспадающиеся;
• ЭБК-3 - медленнораспадающиеся.
В зависимости от типа эмульгатора эмульсии делят на 4 вида;
• анионные (эмульгатор - анионоактивный);
• катионные (эмульгатор - катионоактивный);
• неионные (эмульгатор - неионогенный);
• пасты (эмульгатор - минеральные порошковые материалы).
На современном этапе важным направлением являются разработка и производство следующих битумных эмульсий:
• высококонцентрированные эмульсии, содержащие 70% масс. и более битума, для применения в качестве вяжущего и нанесения толстослойных покрытий за 1 рабочую операцию;
• эмульсии из разжиженных битумов для приготовления смесей пролонгированного срока хранения, что в значительной степени способствует снижению зависимости дорожных ремонтно-строительных работ от погодных условий;
• эмульсии с контролируемой скоростью (временем) распада;
• полимерно-битумные эмульсии.
Следует также обратить внимание на разработку экономичных высокоэффективных катионных эмульгаторов.
Качество битума относится к одному из факторов, определяющих эффективность производства и применения битумных эмульсий.
Исследования показали возможность оценки пригодности битумов к эмульгированию через некий критерий «К»:
К = МЦА + БЦА + ПЦА + БС + СБС - 0,5А - 3,5ПН,
где МЦА, БЦА, ПЦА - моно-, би- и полициклоароматические соединения соответственно;
БС, СБС - бензольные и спиртобензольные смолы соответственно;
А - асфальтены;
ПН - парафино-нафтеновые соединения.
Экспериментально было установлено, что наиболее благоприятны для эмульгирования битумы с критерием К > 0, причем если для 2х образцов битума (1 и 2) выполняется условие К1 > К2, то предпочтительнее битум 1.
На основе анализа существующих битумных производств и потребностей федерального и региональных рынков в высококачественных битумных материалах предлагается создание комплексного производства по выпуску основного ассортимента современных и перспективных битумных материалов: дорожных, кровельных и строительных битумов, ПБВ материалов, рулонных кровельных материалов, битумных эмульсий и др. (рис. 2).
Своевременность и необходимость создания комплексного производства связана с возникшим в настоящее время резким разрывом между ассортиментом и качеством выпускаемой нефтеперерабатывающими предприятиями продукции и возросшим спросом на современные битумные материалы в народном хозяйстве.
Строительство подобного производства, технологически привязанного к действующему нефтеперерабатывающему предприятию, должно быть обусловлено:
• наличием на НПЗ необходимого сырья и компонентов для производства подавляющего большинства битумных материалов требуемого качества;
• возможностью четкого контроля качества сырья и продукции на всех стадиях производства: сырье → производство → товарный битум → модифицирование → битумный
материал;
• необходимостью придания гибкости всему производству битумных материалов в зависимости от сезонности спроса на ту или иную продукцию;
• возможностью использования имеющегося на предприятии оборудования, трубопроводов, резервуаров и других материальных ресурсов;
• возможностью рационального использования энергетических ресурсов в рамках НПЗ;
• высоким уровнем технологической дисциплины и опыта инженерно-технического персонала НПЗ.
Рис. 2. Принципиальная схема комплексного производства битумных материалов:
УГ - утяжеленный гудрон, КСС - комплексный стабилизатор состава, ПГ - подготовленный гудрон, РКМ - рулонный кровельный материал, БНК - битум нефтяной кровельный, БН - битум нефтяной, БДД - битум дорожный повышенной долговечности, ПБВ - полимерно-битумные вяжущие, СБВ - серобитумные вяжущие, Э - эмульгатор, ЭБК - эмульсия битумная катионная.
Автор: А. Гуреев, А. Коновалов
