Утилизация отходов и побочных продуктов производства обеспечивает прямую экономию затрат на прирост первичных сырьевых ресурсов, расширение возможности экспорта (уменьшение импорта) природного сырья.
Особенностью современной нефтеперерабатывающей промышленности является тенденция к углублению переработки нефти, что объясняется ограниченностью ее запасов, а также ужесточением экологических требований к нефтепродуктам.
Увеличение глубины переработки нефти с целью получения дополнительного количества светлых фракций по сравнению с потенциалом достигается введением в схему НПЗ вторичных процессов переработки тяжелых нефтяных фракций (термокрекинг, каталитический крекинг, гидрокрекинг и др.).
Традиционная переработка тяжелых нефтяных остатков (ТНО) в котельное топливо стремительно теряет свою актуальность из-за повсеместной газификации энергетических установок.
Другой относительно крупный потребитель ТНО - битумное производство - характеризуется сезонным режимом работы, что также не позволяет в достаточной мере решить обозначенную проблему.
Поэтому увеличение эффективности переработки ТНО в светлые нефтепродукты и сырье основного органического и нефтехимического синтеза является актуальной задачей для стран-производителей и потребителей нефтепродуктов.
Основные направления и особенности переработки тяжелых нефтяных остатков
Современный НПЗ представляет собой сложную химико-технологическую систему, замкнутую по потокам массы и энергии.
Помимо установок первичной переработки нефти (атмосферная, вакуумная, атмосферно-вакуумная ) в состав НПЗ входят установки, реализующие процессы вторичной переработки прямогонных нефтепродуктов.
Среди вторичных процессов выделяют:
- 1 группа. Процессы, углубляющие переработку нефти,
- 2 группа. Процессы, обеспечивающие или повышающие качество нефтепродуктов.
К 1й группе относятся:
- гидрокрекинг, каталитический крекинг, термокрекинг и др, позволяющие за счет деструктивного преобразования тяжелого сырья получать более легкие углеводородные фракции,
- техпроцессы производства нефтебитумов, масел, парафинов и тп, сокращающие выработку топочных мазутов.
2ю группу составляют:
- процессы изомеризации и каталитического риформинга бензиновых фракций, гидроочистки моторных топлив, процессы алкилирования, производства оксигенатов, гидрооблагораживания термогазойля и котельного топлива и др, определяющие качество товарных продуктов,
- некоторые процессы, например каталитический крекинг или гидрокрекинг, которые наряду с углублением переработки сырья обеспечивают и высокое качество продукции, в данном случае бензина или дизтоплива.
В зависимости от ассортимента выпускаемой продукции, который определяется набором технологических установок, находящихся в эксплуатации, различают нефтеперерабатывающие предприятия топливного, топливно-масляного, топливно-нефтехимического и топливно-масляно-нефтехимического профиля.
Тяжелые нефтяные остатки
Значительная доля всей массы отходов приходится на так называемые ТНО - это, как правило, нефтепродукты, которые не находят более квалифицированного применения, чем использование в качестве компонента котельного топлива, либо сырья для его производства.
В зависимости от оснащенности НПЗ вторичными процессами в качестве ТНО могут выступать:
- мазут - остаточная фракция атмосферной перегонки нефти,
- гудрон - кубовый продукт вакуумной перегонки мазута,
- тяжелый газойль каткрекинга,
- асфальт, образующийся при деасфальтизации гудрона, при наличии в структуре НПЗ масляного производства,
- экстракты селективной очистки масляных фракций.
Наличие в номенклатуре товарной продукции топочного мазута, полностью или частично состоящего из остатка атмосферной перегонки нефти, свидетельствует о низком уровне развития НПЗ, слабом использовании потенциала перерабатываемого сырья.
Прямогонный мазут, содержащий ценные газойлевые фракции, гораздо выгоднее перерабатывать на самом НПЗ с получением дорогостоящего моторного топлива и смазочных масел.
Такой подход особенно актуален в связи с тем, что доля тяжелой нефти в мировой нефтепереработке постоянно возрастает.
Задача утилизации тяжелых нефтепродуктов имеет несколько решений:
- производство битума. Гудрон, асфальт, экстракты очистки масел являются хорошим сырьем для производства окисленного и компаундированного битума, использующегося в строительстве дорог, зданий и сооружений. Поэтому большинство НПЗ имеют в своем составе битумные установки. Однако сезонный спрос на битумы (в странах с устойчивым снежным покровом в зимний период), а также образование гудронов в количествах, превышающих потребность в них как в сырье для битумного производства, не позволяют решить проблему утилизации ТНО только этим путем.
- процесс термодеструкции ТНО:
- неглубокое разложение с целью получения котельного топлива пониженной вязкости без применения дистиллятных разбавителей; этим процессом является висбрекинг, который частично способствует углублению переработки нефти.
Процессы коксования
С технологической точки зрения это наиболее простой и дешевый путь практически безостаточной переработки тяжелого сырья.
Помимо газа, дистиллятных фракций и тяжелого газойля, являющихся ценным сырьем производства моторного топлива, продуктом данного процесса является крупнокусковой нефтяной кокс, который в зависимости от качества может находить различное применение.
Высококачественный малосернистый, малозольный игольчатый кокс, получаемый из смол пиролиза, каталитических газойлей и некоторых крекинг-остатков, находит применение в металлургии как восстановитель и материал электродов.
Основная же масса кокса - так называемый губчатый кокс, вырабатываемый из атмосферных и вакуумных остатков с различными характеристиками, тяжелой нефти, сланцевых смол и тд, - не подходит для этих целей.
Поэтому строительство и эксплуатация установок замедленного коксования (УЗК) экономически целесообразна, если налажена система сбыта кокса в качестве топлива для цементных печей, ТЭЦ, как это сделано, например, в США.
Висбрекинг
Типичное сырье висбрекинга - вакуумные гудроны - подвергаются однократному термическому крекингу в относительно мягких условиях.
Такой режим процесса способствует максимальному выходу (до 93% на сырье) так называемого висбрекинг-мазута, в котором присутствуют все жидкие фракции, кроме бензиновых.
Побочными легкими продуктами являются газы и бензиновые фракции, но их выход не превышает 8% мас.
Висбрекинг-мазут реализуется как жидкое котельное топливо, однако в последнее время наметилась тенденция к переработке его на самой установке висбрекинга с целью выделения вакуумного газойля - ценного сырья для процессов гидрокрекинга и каткрекинга.
Так, на НПЗ предусмотрен ввод в эксплуатацию вакуумного блока на установке висбрекинга, что также должно положительно повлиять и на технико- экономические показатели работы УЗК, расположенной следующей в технологической цепочке переработки нефтяных остатков.
В этой связи становятся актуальными разработки, направленные на увеличение выхода дистиллятных фракций в процессе висбрекинга.
Процессы гидрогенизационной переработки ТНО
В настоящее время в мировой практике нефтедобычи все более проявляется тенденция утяжеления добываемой нефти и увеличения содержания в них сернистых соединений при снижении потребности в котельном топливе.
Поскольку выбор технологий переработки нефти и вторичного сырья определяется преимущественно требованиями к качеству нефтепродуктов и законодательными актами по охране окружающей среды, все более важную роль в развитии НПЗ играют процессы гидрогенизационной переработки нефтяных остатков и тяжелых газойлей.
Поставленные перед необходимостью облагораживать нефтяные остатки и тяжелые газойли нефтяные мейджоры переходят от технологии термодеструкции на технологию гидропереработки остатков, в особенности на вновь строящихся НПЗ и в регионах, где затруднен сбыт нефтяного кокса.
Наибольшее распространение в мировой практике нашли следующие процессы гидрореформулирования нефтяных остаточных продуктов:
1. Гидроочистки RCD Unionfining (UOP LLC), RDS/VRDS/OCR (Chevron Lummus Global LLC), Hyvahl (Axens). Процессы предназначены для уменьшения содержания серы, азота, асфальтенов, соединений металлов и снижения коксуемости остаточного сырья с целью получения качественного котельного топлива или для дальнейшей переработки на гидрокрекинге, коксовании, каталитическом крекинге.
2. Гидровисбрекинг-акваконверсия (Intevep SA и UOP) Технология позволяет получать водород из воды в условиях висбрекинга за счет ввода в сырье вместе с водой (паром) композиции из 2х катализаторов на основе неблагородных металлов. В процессе акваконверсии обеспечивается значительно большее снижение вязкости наиболее тяжелых компонентов котельных топлив при более высокой конверсии сырья.
3. Гидрокрекинги (НС)3 (Hydrocarbon Technologies), LC-Fining (Chevron Lummus Global LLC), H-Oil (IFP). Предназначены для каталитического гидрокрекинга и обессеривания остаточного сырья в реакторах со взвешенным катализатором с получением высококачественных дистиллятов и облагороженного малосернистого котельного топлива. Несмотря на очевидные достоинства гидрогенизационной переработки нефтяных остатков, широкое ее внедрение сдерживается сложностью и громоздкостью реакторных устройств, а также сложностью управления технологическим процессом, так как это не способствует его надежности. Кроме того, чрезвычайно велико потребление молекулярного водорода, что обусловливает необходимость параллельного ввода в эксплуатацию дополнительных мощностей по его производству. Это негативно сказывается на экономике процессов и ставит проблему утилизации оксидов углерода.
Газификация нефтяных остатков
Упомянутые проблемы гидрогенизационных процессов сохраняют актуальность термодеструктивных процессов и выводят на передний план такой способ утилизации тяжелого нефтяного сырья, как газификация. Газификация нефтяных остатков - это способ получения синтез-газа, применяемого для производства аммиака, метанола и оксоспиртов. Типичными представителями газификационных технологий являются SGP (Shell Gasification Process), GE (Texaco Gasification Process).
Самые тяжелые остаточные углеводородные фракции с высоким содержанием серы и металлов могут быть превращены в чистый синтез-газ и ценные оксиды металлов. Образующиеся при этом соединения серы могут быть легко выделены обычными способами и превращены в элементарную серу или серную кислоту.
В последнее время газификацию используют также для восполнения дефицита водорода в других процессах нефтепереработки. Кроме того, возможно применение газификации для утилизации остатков деасфальтизации, висбрекинга и тп
Рисунок 1 - Альтернативные схемы переработки тяжелых нефтяных остатков
Проводя анализ существующих способов утилизации остаточных нефтепродуктов, нельзя не упомянуть разработки по использованию гудронов, асфальтитов в качестве связующих, пластификаторов, сырья для получения углеродных адсорбентов, ионитов и каталитических систем на их основе.
Экономически более выгодной на сегодняшний день считается переработка тяжелых нефтяных остатков с максимальным возвратом получаемых продуктов в производство моторных топлив и масел.
В настоящее время в мировой нефтепереработке нет недостатка в технических решениях по переработке тяжелых высокосернистых нефтяных остатков, однако большинство из этих решений требует значительных капитальных вложений.
Поэтому усилия многих исследователей сегодня направлены на поиск методов, позволяющих повысить эффективность процессов, уже находящихся в широкой эксплуатации, таких как коксование и висбрекинг.
Для интенсификации процессов термодеструкции нефтяное сырье подвергают активации, используя арсенал физических и химических методов.
Так, использование различных химических добавок позволяет учитывать особенности сырья с точки зрения межмолекулярных взаимодействий и тем самым влиять на скорость и направленность химических превращений в системе.
Наряду с развитием гидрогенизационных способов переработки тяжелых нефтяных остатков в современной нефтепереработке сохраняют актуальность и термодеструктивные процессы: термокрекинг, висбрекинг, коксование.
Использование в таких процессах добавок химических соединений, выполняющих функции окислителей/восстановителей, инициаторов/ингибиторов свободно-радикальных процессов, компенсаторов парамагнитных центров, регуляторов фазовых переходов в дисперсной системе и тп, позволяет оказывать существенное влияние на режим и результаты термодеструктивной переработки нефтяного сырья, приводя к увеличению выхода светлых дистиллятов и вакуумных газойлей и снижению коксообразования.
При этом для внедрения удачных промотирующих композиций в промышленность не требуется существенного изменения технологической схемы и конструкции оборудования. Поэтому исследования, направленные на разработку эффективных способов химической активации процессов переработки тяжелых нефтяных остатков, являются весьма перспективными.
