Введение
С распадом Советского Союза и образованием отдельных государств Россия столкнулась с необходимостью перехода на новую форму ведения хозяйства в рыночных условиях. В нефтяной отрасли, как и в других секторах экономики страны, произошел переход от централизованного руководства и планового хозяйства с распределением нефтепродуктов в соответствии с выделенными фондами и лимитами к новым экономическим отношениям.
Были созданы крупные вертикально-интегрированные нефтяные компании, управляющие всей цепочкой нефтяной технологии - от добычи и транспортировки до переработки нефти и реализации готовой продукции.
Россия - одна из крупнейших нефтедобывающих стран мира. Годовая добыча нефти и газоконденсата достигла в 2003г. 400 млн. т. При этом объем переработки нефти — около 200 млн. т/год. Большинство российских НПЗ были построены 40-50 лет назад и имеют в основном старое оборудование и низкую, по сравнению с экономически развитыми странами, долю вторичных процессов переработки тяжелого нефтяного сырья. Все это не позволяет существенно углубить переработку нефти и повысить выпуск качественных нефтепродуктов, соответствующих международным стандартам.
Одним из основных продуктов нефтепереработки являются моторные топлива: в структуре мирового потребления нефти с 1998г. по 2015г. объем их производства должен вырасти с 51 до 56% от мощности первичной переработки [1,2].
В последние годы в большинстве регионов и стран мира нефтеперерабатывающая промышленность продолжала развиваться в сторону углубления переработки сырья и повышения качества продуктов в связи с новыми требованиями развивающейся техники, а также под давлением экологического фактора. В связи с этим происходили структурные изменения в составе мировой нефтепереработки, что выразилось в возрастании объемов переработки сырья деструктивными процессами, прежде всего углубляющими перера-
ботку за счет крекирования тяжелых остатков (коксование), а также повышающих качество целевой продукции (гидрокрекинг, алкилирование, производство оксигенатов)
Количественные и качественные показатели развития вторичных процессов российской и зарубежной нефтепереработке (табл.1) [1] свидетельствует о том, что значительно меньший объем производства моторных топлив в России и худшее качество отечественных нефтепродуктов по сравнению с западными странами объясняется низкой долей деструктивных процессов в общем объеме нефтепереработки. Сопоставляемый по набору процессов качественный (отнесенный к мощности по первичной переработке соответствующих регионов и стран) уровень развития вторичных процессов российской нефтепереработки (Кразв.) более чем в 2 раза отстает от такового для США и Японии, и в 1,8 раза - Западно-Европейского региона [3-5].
Таблица 1
Современный состав технологических процессов российской и зарубежной нефтепереработки (на начало 2001г.) в % к переработке нефти
Основные вторичные процессы Регион Западной Европы США Россия Япония Бывший СССР (без России)
Каталитический крекинг 15,7 35,9 5,9 17,1 7,3
Гидрокрекинг 6,3 9,3 0,4 3,5 1,0
Термокрекинг + висбрекинг 12,3 0,4 5,3 - 3,1
Коксование 2,6 14,7 1,9 2,1 4,7
Риформинг, всего 12,6 18,6 11,3 12,9 11,5
в т.ч. с непрерывной регенерацией 3,7 5,6 0,7 5,5 1,9
Гидроочистка и гидрооблагораживание топлив, всего 43,5 47,2 24,5 74,6 21,6
в том числе: бензинов дистиллятов остатков и тяжелого газойля
10,7 4,6 - 3,3 -
27,1 38,5 24,5 48,2 21,6
5,7 4,1 - 23,1 -
Гидроочистка базовых масел 0,6 0,9 0,4 0,6 -
Алкилирование 1,3 5,8 0,1 0,7 0,1
Изомеризация 2,2 2,7 0,4 0,3 -
Производство: МТБЭ и других оксигенатов ароматики
0,4 0,7 0,1 0,1 0,0
1,3 2,3 0,9 2,5 0,5
масел кокса битума 1,0 Ы 1,5 0,9 1,2
0,5 4,3 0,5 0,3 1,0
3,0 3,7 3,7 2,9 2,0
Процессы, углубляющие нефтепереработку 42,7 71,7 20,1 29,3 20,8
в том числе деструктивные 36,9 60,3 13,5 22,7 16,1
Процессы, повышающие качество нефтепродуктов 60,0 75,0 36,4 88,6 33,2
Уровень развития вторичных процессов (Кразв) 102,7 146,7 56,5 117,9 54,0
Аналитические расчеты показывают, что российская нефтеперерабатывающая промышленность в ближайшие 10 лет не сможет удовлетворить растущий внутренний рынок моторных топлив, дефицит которых по прогнозам уже в 2005 году составит 4,0 — 5,5 млн. т и может возрасти к 2010 году до 10 млн. т. [5]
Технологическая структура большинства НПЗ России в настоящее время не удовлетворяет требованиям глубокого использования сырья и получения продуктов высокого качества, осуществляется с низкой степенью конверсии мазута. Потребление моторных топлив и продуктов нефтехимии на душу населения в России значительно ниже, чем в развитых странах [6].
Между тем обеспеченность населения автотехникой, транспортными услугами и соответствующий объем потребления продуктов нефтепереработки и нефтехимии в расчете на каждого жителя страны относят к важнейшим характеристикам уровня жизни населения.
Именно это и должно быть главным критерием, на который необходимо ориентироваться нефтеперерабатывающей промышленности России в первом десятилетии нового века.
Однако для настоящего момента уровень развития отечественных НПЗ не соответствует требованиям XXI века, количественные и качественные показатели производства моторных топлив и других продуктов отстают от уровня развитых стран.
Требуется значительная реконструкция существующих установок и строительство новых. Многие установки наших НПЗ морально и физически устарели - их возраст превышает 15-20 лет (табл.2) [13].
Таблица 2 Возрастной состав технологических установок НПЗ России
Установка % от общей мощности процесса
до 5 5-10 10-15 15-20 более 20
Первичной переработки нефти 8,90 19,10 18,10 14,00 39,90
Каталитического крекинга 20,20 - 12,30 17,60 49,90
Висбрекинга - 4,70 11,00 - 84,30
Каталитического риформинга 16,00 32,10 20,60 25,60 5,70
Гидроочистки топлив 17,60 17,30 22,20 36,70 6,20
Коксования 18,50 9,40 23,00 33,00 16,10
Производства смазочных масел - 4,33 3,2 - 16,7 5-50 64-95
Сложившееся положение требует коренного переоснащения НПЗ России новым оборудованием, совершенствования существующих и создания новых технологий, строительства новых установок. Относительно низкая загрузка большинства НПЗ (в среднем около 70%) от имеющихся мощностей в течение ряда лет привела к снижению рентабельности производства, что заставило вывести из эксплуатации часть действующих мощностей по первичной переработке нефти. Опыт эксплуатации зарубежных НПЗ показывает, что эффективная работа предприятия обеспечивается при загрузке мощностей около 90% (в США - более 95%) [5,8].
Значительный потенциал модернизации российской нефтепереработки в первую очередь заключен в катализаторных технологиях - возможности производства новых каталитических систем на существующем оборудовании катализаторных фабрик.
Для организации производства высококачественных бензинов необходимо строительство новых и совершенствование существующих установок изомеризации легких бензиновых фракций, строительство установок серно-
9
кислотного алкилирования, в первую очередь на заводах, уже эксплуатирующих установки каталитического крекинга.
Для получения дизельных топлив с перспективными показателями качества нужны новые катализаторы для процессов облагораживания, обеспечивающих снижение содержания серы и ароматических углеводородов в дизельных топливах, а также температуры их застывания, и других низкотемпературных свойств.
Процессы гидрооблагораживания тяжелых газойлей, коксовых дистиллятов, мазутов и других нефтяных остатков в последние годы начали применять и развивать в странах Запада. В России они отсутствуют, что затрудняет серийное производство нефтепродуктов с улучшенным экологическими свойствами.
Программа модернизации разработана для многих нефтеперерабатывающих предприятий России [8,10]. Решение проблемы углубления переработки нефти до 75% к 2010г. и 85% - к 2020г. по расчетам специалистов потребует строительство семи установок каталитического крекинга с предварительной гидроочисткой сырья общей мощностью 13 млн. т/год и восьми установок гидрокрекинга общей мощностью около 11 млн. т/год, а также расширения мощности термических процессов (висбрекинг, коксование) [8]. Потребуется также реконструкция действующих мощностей, расширения производства водорода, разработка рациональной схемы переработки нефтяных остатков, создание инфраструктуры предприятий, обеспечивающих производство продукции требуемого качества.
В числе основных 26-ти российских НПЗ Рязанский НПЗ топливно-масляного профиля Тюменской нефтяной компании занимает одно из ведущих мест.
Согласно выработанной ТНК стратегии осуществляется реконструкция завода, [9,10] предусматривающая повышение выработки бензина с 16 до 27,5%, дизельного топлива - с 23 до 30% на нефть при сокращении выхода мазута с 41 до 18%.
10
За счет кредита, представленного Exim-Bank (США) и собственных средств на Рязанском НПЗ реконструируется комплекс, включающий установки каталитического крекинга, сернокислотного алкилирования, получения высокооктановых добавок, каталитической дистилляции бензина каталитического крекинга по технологии компании «CDTech» и производства серной кислоты. Проводится оснащение вакуумных колонн установок АВТ-1 и АВТ-4 насадками фирмы «Koch-Glitch», что позволит повысить отбор светлых от потенциала до 98%.
В данной работе приводятся результаты многолетней работы автора, по инициативе и с участием которого проведена реконструкция установок, совершенствования существующих и создание новых промышленных схем производства высококачественных топлив, в первую очередь моторных. Приведены результаты работ по расширению ресурсов топлив, повышения качества — снижение содержания серы, улучшение моторных характеристик, низкотемпературных свойств дизельных топлив, создание топливных композиций, подготовка сырья с оптимизацией его химического и фракционного состава применительно к решению задачи снижения содержания серы в процессе гидроочистки на отечественных катализаторах, а также повышение выработки топлив за счет вовлечения газоконденсатных фракций и продуктов глубокой переработки нефти.
Научная основа разработки автора — оптимизация технологических и поточных схем, состава сырья, катализаторов, параметров процессов, а также использование принципов компаундирования и воздействия добавок и присадок для обеспечения выпуска продукции заданного качества, прежде всего моторных топлив, отвечающих возросшим химмотологическим и экологическим требованиям.
Поставленные задачи решались на предприятиях ТНК-ЯР с участием сотрудников Компании и нефтеперерабатывающих заводов. Экспериментальные исследования проводились под руководством автора сотрудниками лабораторий, цехов, аспирантами и соискателями. Отдельные этапы работы
11
по реконструкции установок, оптимизации параметров, поточных и технологических схем выполнялись коллективом сотрудников Компании, НПЗ, ОАО "ВНИИ НП" и других организаций, что нашло отражение в виде совместных публикаций, патентов и авторских свидетельств. Работы выполнялись под руководством, по инициативе и при непосредственном участии автора.
Выражаю глубокую благодарность всем коллегам, которые принимали участие в выполнении, обсуждении и практической реализации этих разработок.
12
1. Современные и перспективные требования к моторным топ-ливам. Совершенствование технологии производства (литературный обзор).
1.1. Варианты развития производства моторных топлив.
Россия одна из крупнейших нефтедобывающих стран мира. В последние годы объем добычи нефти (суммарно с газоконденсатом) возрастал [10] и к 2002г. достиг 380 млн. т. В будущем прогнозируется рост добычи нефти до 390 млн. т, а переработки - до 190 млн. т. Особенность топливно-энергетического комплекса России — превышение объемов добычи над объемом переработки нефти в отличие от других стран — производителей и потребителей этого углеводородного сырья (табл. 1.1) [11,12].
Таблица 1.1. Структура нефтяного комплекса различных регионов мира
Структура нефтяного комплекса Объем, млн. т/год
Россия США Зап.Европа
Добыча 380 284 298
Переработка 190(268*) 787 686
Экспорт 170 - -
Импорт - 503 388
* - потенциал мощностей по первичной переработке
Это положение обусловлено двумя основными причинами: возможностью получения значительных валютных поступлений ("живых" денег) в бюджет государства при продаже нефти в дальнем зарубежье; физическим и моральным износом оборудования и технологий на российских нефтеперерабатывающих заводах, способных производить (по западным меркам) только полуфабрикаты. Так, даже экспортные дизельные топлива из России с содержанием серы не более 0,05% использовались в последние годы на одном из заводов Западной Европы в качестве сырья для получения и последующего экспорта с Северную Европу специального дизельного топлива «Ситиди-
13
зель» с цетановым числом 53, содержанием серы 0,005% и ароматических углеводородов менее 20% .[11]
В общем объеме добычи нефти в России Тюменская нефтяная компания обеспечивает около 10%. Доля ТНК на предприятиях РФ — 8,4% [11].
На Рязанском НПЗ входящем в состав ТНК. Загрузка мощностей с 1996-1997г. выросла с 35-36% до 92-100% к 1999-2000г [9].
Проводимая реконструкция направлена на создание современного предприятия с углубленной переработкой нефтяного сырья и широким ассортиментом продукции, отвечающим возросшим требованиям к эксплуатационным и экологическим свойствам.
Перспективные моторные топлива и другие нефтепродукты - только такие, которые сочетают высокие потребительские свойства, отвечающие с одной стороны требованиям экологического законодательства, с другой — уровню развивающейся техники.
В мировой практике современного производства и потребления моторных топлив прослеживаются три варианта сочетания развития двигателе-строения и нефтепереработки:
• преимущественно бензиновый, характерный для Северной Америки (прежде всего США). Производство и потребление в этом регионе автобензинов на душу населения более чем в 2 раза превышает выработку и потребление дизельных топлив;
• преимущественно дизельный, характерный для центрального региона Западной Европы, прежде всего Германии, Франции и Испании где потребление дизельного топлива на душу населения в 2 и более раза превышает потребление автобензинов;
• так называемый, равновесный вариант, при котором производство и потребление на душу населения автобензинов равно производству и потреблению дизельного топлива.
14
В последние годы в сложившихся рыночных условиях Россия в сфере потребления тяготеет к равновесному варианту (соотношение 1,1:1), а в сфере производства (с учетом экспорта) — к западноевропейскому (названное соотношение 1,8-1,9:1).
Стратегия развития нефтепереработки требует осуществления в ближайшие десятилетия развития на крупных НПЗ России процессов гидрокрекинга и каталитического крекинга. Вариант совместной эксплуатации этих процессов с взаимосвязанными потоками хотя и капиталоемкий, но способствует не только значительному углублению переработки нефти с увеличением производства моторных топлив из остатков вакуумной перегонки, но и существенному повышению качества целевых продуктов - автобензинов, авиакеросинов, дизельных топлив, мазутов.
1.2. Структура бензинового фонда и ее изменение в связи с ужесточением требований к товарным бензинам.
Как было отмечено ранее (см.табл.1), в России мощности вторичных процессов, которые определяют выход и качество топлив, в частности бензинов, значительно меньше, чем в передовых странах. Сильно различаются как количественные соотношения, так и качественная структура вторичных процессов, а следовательно, компонентный состав товарных бензинов.
Структура суммарного бензинового фонда различных стран мира и средние показатели их качества приведены в табл. 1.2 [6,13,14].
Таблица 1.2.
Структура суммарного бензинового фонда России и западных стран
Показатели Автомобильные бензины
Россия США Зап.Европа
Общий объем бензинового фонда млн. т/год 29 330 130
Компонентный состав, % об.
бутаны 5,7 7 5
риформат (66;0,7) 54,1 34 48,2
бензиновые фракции каталитического крекинга (29;29) 20 35,5 27
изомеризат (0,9;0,4) 1,5 5 5
алкилат (0,4;0,5) 0,3 11,2 5
15
оксигенаты 0,2 3,6 2
бензиновые фракции прямой перегонки, гидрокрекинга и гидроочистки (7,9; 1) 13,3 3,1 7,3
бензиновые фракции термических процессов (4,5;35,2) 4,9 0,6 0,5
Октановое число 82 89 88
Содержание
свинца, г/л 0,25 0,02 0,013
серы, % масс. 0,1 0,03 0,02
ароматических углеводородов (общее), % об. 42 31 39
Согласно приведенным данным, бензиновый фонд России по сравнению с западным отличается большим количеством риформатов и прямогон-ных фракций. Это обуславливает, с одной стороны, большое содержание ароматических углеводородов, с другой - более низкое октановое число, большее содержание серы.
Октановое число бензина по исследовательскому методу (ИОЧ) нужно повышать без использования тетраэтилсвинца, применение которого в мировой практике практически полностью прекращено.
Нормативные требования к современным и перспективным автобензинам в США более жесткие, чем в Европе [15], например, содержание суммы ароматических углеводородов (в % об.) по федеральным нормативным актам США не более 25% (по калифорнийским - не более 22%), а по европейским -не более 35% (к 2003г. - не более 30%); суммарное содержание олефинов соответственно не более 4-6 и не более 10% об.; по содержанию серы нормы сопоставимы - не выше ЗОррт (не выше Юррт к 2005г.) [12].
Современные бензины улучшенного качества (так называемые рефор-мулированные, т.е. измененного состава) могут считаться условно "экологически чистыми" бензинами XXI века. Изменение компонентного состава ре-формулированого бензина по сравнению с сегодняшним бензиновым фондом США приведен в табл. 1.3 [16,17].
16
Таблица 1.3.
Компонентный состав бензинов по нормам США
Показатели США
бензиновый фонд сегодня реформулированный бензин в 2005г. изменение показателей
Компонентный состав, % об.
бутаны 7 - -7
риформат 34 27,6 -6,4
фракции каталитического крекинга 35,5 19,4 -16,1
изомеризат 5 14,8 +9,8
алкилат 11,2 24,5 +13,3
оксигенаты 3,6 9,1 +5,5
фракции термических процессов и гидрокрекинга 3,7 4,6 +0,9
Октановое число 89 89,9 +0,9
Содержание ароматических углеводородов, % об. 31 25 -6
В реформатированном бензине значительно снижена доля бензина каталитического крекинга и риформинга (на 16 и 6,4% соответственно), при этом количество алкилата выше на 13,3%, а изомеризата - почти на 10%. Высокие октановые числа при снижении содержания ароматических обеспечивается значительной долей оксигенатов — 9,1% (против 3,6% для обычного бензина).
В табл. 1.4. приведена эволюция требований к автомобильным бензинам Европейского Союза, а также требования российского ГОСТ и стандартов США [18,19,20].
Таблица 1.4.
Сравнительная характеристика требований к автобензинам Европейского Союза, России, США
Содержание в бензинах Европейский союз ГОСТР 51105-97 (01.01.99) США 2000-2003гг.
1999г. Евро-2 2003г. Евро-3 2005г. Евро-4
Бензола, % об., не более 5 1 1 5 1
Ароматич. у/в, %об., не более Не норм. 42 30 Не норм. 30
17
Серы, % масс, (ppm) 0,05 (500) 0,015(150) 0,003(30) 0,05(500) 0,015(150)
Олефиновых у/в, % масс, не более Не норм. 18 14 Не норм. Не норм.
Кислорода, % масс, не более Не норм. 2,3 2,7 Не норм. 1,8-2,2
Применение моющих присадок Не норм. Обязательно Обязательно Не норм. Не норм.
Из приведенных данных видно, что для российских бензинов не нормируются основные показатели, которые строго регламентируются нормами развитых промышленных стран (общее содержание ароматических, олефиновых углеводородов, кислорода). А ограничения по содержанию серы и бензола уже отсталый от современного уровня.
Политика налоговых льгот, применяемая во многих развитых странах, привела к более раннему, чем было намечено, внедрению сверхнизкосерни-стых топлив. В Европейской политике налоговых льгот лидирует Германия. Европейский союз завершает принятие законодательства, которое ограничивает с 2009г. содержание серы в Юррт. К 2005г. большинство западноевропейских НПЗ смогут производить бензин с содержанием серы Юррт, т.е. значительно раньше требуемых сроков. Компания Axens предлагает решения по производству сверхнизкосернистого бензина [24]. Одним из основных источников серы в товарном бензине является сера бензина каталитического крекинга (до ЮООррт, при содержании этого компонента 35% в товарном бензине). Промышленная технология селективного гидрообессеривания -Prime-G+ с предварительным разделением бензина. В легком (ЛБКК) концентрируются олефины, в тяжелом (ТББК) сера (рис.1.1.). Полный процесс Prime-G+ состоит из первой стадии гидрирования бензина каталитического крекинга (БКК) с последующей селективной очисткой ТБКК. Упрощенная схема процесса приведена на рис. 1.2. Вместе с бензином каталитического крекинга можно перерабатывать легкий бензин коксования с большим содержанием олефинов и меркаптанов.

Получить работу