Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка комплексной технологии переработки нефтяного и растительного сырья с получением дизельных топлив для арктических условий и авиационных керосинов.

Докладчик: Гуляева Людмила Алексеевна

Должность: зав. лаборатории, Заведующий лаборатории ОАО "ВНИИ НП"

Цель проекта:
1. Формулировка задачи/проблемы, на решение которой направлен реализуемый проект С целью обеспечения глобальной энергетической и экологической безопасности мировое сообщество предпринимает активные попытки снизить зависимость энергетики от ископаемого топлива. Развитие мировой энергетики в настоящее время направлено на максимально возможное замещение ископаемого топлива альтернативными возобновляемыми источниками энергии (ВЭИ). Особое внимание уделяется использованию биологических видов топлива (биомасса, биотопливо, биогаз) в связи с их широкой распространенностью, доступностью и экологической безопасностью. В 2002 году одобрена Экологическая доктрина Российской Федерации (распоряжение Правительства РФ от 31 августа 2002 г. № 1225-р), в которой отмечается, что одной из основных причин экологической деградации, является преобладание сырьевых отраслей в структуре российской экономики, а сохранение природы и улучшение качества жизни населения посредством развития использования ВИЭ является приоритетным направлением деятельности государства и общества. В соответствии с принятой в 2009 году Европейским союзом Директивой по возобновляемым источникам энергии (ВИЭ), их доля к 2020 году в общем конечном энергопотреблении ЕС должна составить 20%. Для моторных топлив повышение доли ВИЭ должно составить 10%. Применение биотоплива в сфере транспорта является важным способом сокращения выбросов вредных веществ в атмосферу наряду с повышением ее эффективности. Выбросы парниковых газов при использовании биотоплива должны сократиться на 6%. Биоиотоплива для транспорта в России практически не используются, тогда как в Европе этот показатель составляет в среднем 6-8%. В настоящее время моторные топлива в РФ в основном представлены компонентами, получаемыми из нефтяного сырья. Внедрение технологий использования возобновляемых источников энергии в практику энергосбережения особенно актуально на ближайшую перспективу, поскольку Россия по запасам возобновляемого сырья занимает одно из ведущих мест в мире. Среди современных технологий энергетического использования растительной биомассы термохимическая конверсия - пиролиз позволяет получать качественные, экологически безопасное жидкие продукты, характеризующиеся высокой энергетической плотностью и потенциальной возможностью использования их в качестве жидкого топлива. В свете поиска путей получения новых жидких топлив для транспортного сектора одним из наиболее перспективных процессов, в виду наличия обширной сырьевой базы для реализации, является синтез углеводородов по методу Фишера-Тропша через стадию получения синтез - газа из биомассы. При этом в качестве целевого продукта образуется синтетическая нефть - смесь жидких и твердых углеводородов, из которой затем выделяют отдельные фракции углеводородов, в частности «синтетические средние дистилляты» - дизельное топливо и керосин. Синтетические средние дистилляты отличаются улучшенными экологическими характеристиками вследствие отсутствия в них серы и ароматических углеводородов. Однако, вследствие наличия большого количества линейных алканов, их низкотемпературные свойства не обеспечивают эксплуатацию двигателей в условиях арктического климата. Улучшение низкотемпературных свойств синтетических дизельного топлива и авиационного керосина возможно посредством их дальнейшей изодепарафинизации 2. Формулировка цели реализуемого проекта, конечного продукта, создаваемого с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта, места и роли проекта и его результатов в решении задачи/проблемы Разработка основ технологии и создание экспериментальной установки переработки среднедистиллятных фракций нефтяного и растительного происхождения в жидкие энергоносители с помощью гидрогенизационных процессов, обеспечивающих получение авиационных керосинов и дизельных топлив с пониженной температурой застывания, предназначенных для эксплуатации в арктических условиях, для расширения сырьевой базы производства моторных топлив. Разработка ресурсоэффективных катализаторов гидроизодепарафинизации среднедистиллятных фракций нефтяного и растительного происхождения, обеспечивающих получение дизельных топлив для арктических условий и авиационных керосинов заданного качества с высоким выходом.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие научно-технические результаты:
• Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ, содержащие:
- аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по технологиям переработки нефтяного и растительного сырья в низкозастывающие дизельные топлива и авиакеросины
- разработку принципиальной схемы создаваемой экспериментальной установки по переработке среднедистиллятных фракций растительного и нефтяного происхождения с получением низкозастывающих моторных топлив;
- результаты исследований физико-химических характеристик жидких продуктов пиролиза и синтетической нефти, полученных из растительного сырья, и выделяемых из них среднедистиллятных фракций с целью выбора фракции для последующей переработки;
- результаты подготовки отобранной среднедистиллятной фракции методом гидроконверсии и смешением с нефтяной фракцией с целью получения оптимального сырья для производства низкозастывающих моторных топлив;
- результаты разработки композиции катализатора процесса гидроизодепарафинизации среднедистиллятной фракции растительного и нефтяного происхождения для получения низкозастывающих моторных топлив;
- результаты отработки технологии гидроизодепарафинизации на существующей лабораторной установке с целью выбора оптимального состава катализатора и технологических параметров процесса для получения низкозастывающих моторных топлив заданного качества на экспериментальной установке;
- наработку экспериментального образца катализатора гидроизодепарафинизации в соответствии с разработанной Методикой в объеме не менее 100см3 и результаты его исследования;
- проведение апробации и испытания смонтированной экспериментальной установки в соответствии с разработанной Программой и методиками, наработку на экспериментальной установке экспериментальных образцов дизельного топлива для арктических условий и авиационного керосина в объеме не менее 10 л (суммарно);
- результаты дополнительных исследований наработанных экспериментальных образцов дизельного топлива для арктических условий по ГОСТ Р 55475-2013 и авиационного керосина по ГОСТ 10227-86/ГОСТ Р52050-2006 и их углеводородного состава;
- результаты технико-экономической оценки рыночного потенциала разработанной технологии.
• Отчёт о патентных исследованиях в области технологий переработки нефтяного и растительного сырья в низкозастывающие дизельные топлива и авиакеросины за период 2004-2014 годы и дополнительные патентные исследования на патентную чистоту разработанного катализатора гидроизодепарафинизации и технологии комплексной переработки нефтяного и растительного сырья с получением низкозастывающих моторных топлив, оформленный в соответствии.
• Лабораторный технологический регламент на процесс гидроизодепарафинизации, методика изготовления экспериментального образца катализатора гидроизодепарафинизации, программа и методики испытаний экспериментальной установки по процессу гидроизодепарафинизации среднедистиллятной фракции растительного и нефтяного происхождения с получением дизельного топлива для арктических условий и авиационного керосина.
• Эскизная и конструкторская документации, инструкция по эксплуатации и экспериментальная установка по переработке среднедистиллятных фракций растительного и нефтяного происхождения с получением низкозастывающих моторных топлив производительностью не менее 0,1 кг/ч по конечному продукту.
• Экспериментальные образцы катализатора гидроизодепарафинизации в объеме не менее 100 см3 и дизельного топлива для арктических условий и авиационного керосина в объеме не менее 10 л (суммарно).
• Отчет о маркетинговых исследованиях по эффективности полученных результатов ПНИ; рекомендации и предложения по использованию разработанной технологии в реальном секторе экономики.
• Проект технических требований по внедрению разработанной экспериментальной установки с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера – организации реального сектора экономики.
• Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка и создание опытной установки комплексной переработки нефтяного и растительного сырья с получением дизельных топлив для арктических условий и авиационных керосинов».
2.Основные характеристики планируемых результатов (в целом и /или отдельных элементов, планируемой научной (научно-технической, инновационной) продукции:
• Разрабатываемые основы технологии позволят расширить сырьевую базу для получения дизельных топлив для арктических условий и авиационных керосинов за счёт вовлечения в переработку возобновляемого растительного сырья, в том числе отходов растительного происхождения;
• Разрабатываемый катализатор гидроизодепарафинизации среднедистиллятных фракций, полученных из нефтяного и растительного сырья, обеспечит получение дизельных топлив, пригодных для использования в арктических условиях, и авиационных керосинов с максимальным выходом при снижении энергетических затрат;
• Изготовленная экспериментальная установка переработки нефтяного и растительного сырья должна предназначаться для получения низкозастывающих топлив – дизельного топлива для арктических условий и авиационного керосина;
• разрабатываемая комплексная технологии переработки нефтяного и растительного сырья обеспечит получение авиационных керосинов, удовлетворяющих следующим требованиям:
- содержание общей серы – не более 0,001% масс.;
- высота некоптящего пламени – не менее 20-25 мм;
- температура начала кристаллизации – не выше минус 60 °С;
- соответствие требованиям ГОСТ 10227-86 «Топлива для реактивных двигателей» / ГОСТ Р 52050-2006 «Топливо авиационное для газотурбинных двигателей ДЖЕТ А-1 (JET A-1). Технические условия;
• Разрабатываемая комплексная технологии переработки нефтяного и растительного сырья обеспечит получение дизельных топлив для арктических условий, удовлетворяющих следующим требованиям:
- содержание полициклических ароматических соединений – не более 5,0 % масс.;
- содержание общей серы – не более 0,001% масс.;
- температура помутнения – не выше минус 42°С
- температура вспышки – не ниже 30 °С;
- цетановое число – не менее 50;
- соответствие требованиям ГОСТ Р 55475-2013 «Топливо дизельное зимнее и арктическое депарафинированное. Технические условия».
• Разрабатываемая комплексная технологии переработки нефтяного и растительного должна обеспечивать получение низкозастывающих моторных топлив требуемого качества с выходом не менее 92% масс. на исходное сырье;
разрабатываемый катализатор гидроизодепарафинизации среднедистиллятных фракций, полученных из нефтяного и растительного сырья, должен иметь следующие показатели качества:
- содержание нежелательных примесей, % масс., не более:
оксида натрия – не более 0,1% масс.;
оксида железа – не более 0,1% масс.;
- коэффициент прочности – не менее 1,0 кг/мм;
- насыпная плотность – 0,70-0,80 г/см3.
• Условия процесса изодепарафинизации среднедистиллятных фракций, полученных из нефтяного и растительного сырья, должны соответствовать следующим требованиям:
- температура – не выше 330-350°C;
- объемная скорость подачи сырья – не менее 1,5 ч-1;
- соотношение водород/сырья – не выше 1000 нм3/м3.
3. • В объекте разработки предлагается возможность использования продуктов пиролиза растительного сырья и синтетической нефти Фишера-Тропша из синтез-газа, получаемого газификацией нефтяных и растительных отходов, для получения низкозастывающих дизельных и керосиновых фракций с помощью процессов гидроконверсии и гидроизодепарафинизации;
• Выполнение поставленной задачи позволит комплексно исследовать научно-технические аспекты получения дизельного топлива для арктического климата и авиационных керосинов из нефтяного сырья и продуктов переработки растительной биомассы;
• Результаты, полученные в ходе выполнения ПНИ будут представлять научную новизну проекта, которые позволят осуществить организацию производства низкозастывающих моторных топлив из сырья нефтяного и растительного происхождения на нефтеперерабатывающих предприятиях, что является принципиально новой продукцией для отечественной промышленности. Будет создан рынок сбыта экологически чистых видов углеводородного сырья для переработки на предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.
4. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
Одним из способов производства биодизельного топлива из растительных масел является процесс трансэтерификации с получением метиловых или этиловых эфиров карбоновых кислот, обладающих лучшими характеристиками по сравнению с исходным сырьем (более высокое цетановое число, низкую вязкость, более низкую температуру застывания). Однако такие эфиры обладают пониженной смешиваемостью с минеральным дизельным топливом и недостаточно хорошие температурные характеристики, что не позволяет использовать получаемое биодизельное топливо в суровых климатических условиях. Кроме того, в состав сложных эфиров входят непредельные кислоты, что уменьшает термо- и окислительную стабильность этих продуктов. Присутствие кислорода в составе сложных эфиров приводит к повышенному образованию коксовых отложений в двигателе, а также к выбросам оксидов азота (NOx) при сгорании такого топлива. Побочным продуктом производства такого биодизельного топлива является глицерин, утилизация которого становится дополнительной проблемой при больших объемах производства. Влияние всех указанных факторов не позволяет биодизельному топливу конкурировать с обычным дизельным топливом, получаемым из нефти.
Каталитическая гидрообработка растительных масел природного происхождения позволяет устранить указанные выше недостатки биодизельных смесей. Гидрогенизированные растительные масла характеризуются высокими значениями цетановых чисел (более 70), но плохими низкотемпературными свойствами, что ограничивают их использование в качестве добавок к дизельным топливам, особенно в суровых климатических условиях. Выделяющаяся в ходе реакции вода вызывает снижение активности катализатора, что приводит к неполной конверсии сырья, остаточному содержанию кислорода в продуктах реакции и образованию тяжелых соединений, являясь причиной дальнейшего падения активности используемого катализатора.
Доступным и возобновляемым сырьём для производства синтетических моторных топлив является биомасса. В свете поиска путей получения новых жидких топлив для транспортного сектора одним из наиболее перспективных процессов, в виду наличия обширной сырьевой базы для реализации, является синтез углеводородов по методу Фишера-Тропша через стадию получения синтез-газа из биомассы газификацией с последующей гидрогенизационной обработкой синтетической нефти в высококачественные низкозастывающие дизельные топлива и авиакеросины.
5. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
Для достижения поставленных целей необходимо решить ряд научно-технических задач:
• Разработать комплекс научно-технических рекомендаций и энергоэффективную технологию переработки нефтяного и растительного сырья с получением дизельных топлив для арктических условий и авиационных керосинов.
• Разработать предложения и рекомендации по реализации результатов ПНИ в реальном секторе экономики.



Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться или планируемая на их основе инновационная продукция):
• Результаты, полученные в ходе выполнения ПНИ, позволят осуществить организацию производства низкозастывающих моторных топлив из сырья нефтяного и растительного происхождения на нефтеперерабатывающих предприятиях, что является принципиально новой продукцией для отечественной промышленности.
• В результате организации производства будут созданы новые и сохранены высокотехнологические места на предприятиях нефтеперерабатывающей и топливной промышленности; рынок сбыта экологически чистых видов углеводородного сырья для переработки на предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.
2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования:
• Разработанные в ходе ПНИ технологические основы производства низкозастывающих моторных топлив из нефтяного и растительного сырья могут быть успешно внедрены на существующих и строящихся нефтеперерабатывающих предприятиях.
3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений
Экономические решения по коммерциализации разработанного процесса производства дизельного топлива для арктических условий и авиационных керосинов с использованием нефтяного и растительного сырья возможны, если они будут проверены на пилотной установке в опытно-промышленном масштабе. Разработка проектов ТЗ на ОКР будет одним из результатов ПНИ.

Текущие результаты проекта:
1. На основе анализа современной научно-технической литературы и патентного исследования по проблеме производства низкозастывающих моторных топлив при комплексной переработке сырья нефтяного и растительного происхождения выбраны направления исследований и способы решения задач ПНИ.
При переработке растительного сырья различного происхождения (биомассы) в биодизельное топливо наиболее широко распространены:
• Процессы переэтерификации со спиртами (метанол, этанол) растительных или животных масел с получением моноалкиловых эфиров жирных кислот. Однако биодизельное топливо имеет повышенную кислотность и худшие низкотемпературные свойства, чем минеральное, и поэтому обычно используется в дизельных двигателях в смеси с дизельным топливом нефтяного происхождения. Развитие процесса переэтерификации заключается, в основном, в разработке каталитических систем, совершенствовании оформления и условий процесса путем использования ультразвука и колебательных систем при подаче сырья
• Процессы термической переработки биомассы (пиролиз, каталитический пиролиз, торрефекация, карбонизация). С точки зрения эффективности, экономичности и удобства переработки получаемых жидких продуктов в компоненты углеводородных топлив наиболее оптимальным является процесс пиролиза. При этом особый интерес вызывают технологии, позволяющие проводить термическую переработку возобновляемых и невозобновляемых источников энергии одновременно.
• Процессы гидродеоксигенации растительных масел на нанесенных металлических катализаторах с получением низкозастывающих экологически чистых дизельных фракций, в которых доля изокомпонентов достигает 80%. Наиболее эффективно подвергать гидропереработке смеси биокомпонентов с вакуумным газойлем или с дизельной фракцией.
• Процессы газификации биомассы с получением синтез-газа с последующим его превращением в синтетическую нефть являются наиболее экологичными и позволяют перерабатывать отходы в товарные продукты с высокой надбавленной стоимостью.
При переработке нефтяного сырья с получением дизельных топлив для арктических условий и авиационных керосинов наиболее эффективными являются:
• Процессы гидрокрекинга вакуумных газойлей
• Процессы депарафинизации и изодепарафинизации летнего дизельного топлива
• Процессы газификации нефтяных остатков тяжелых нефтей с последующим получением синтетической нефти по метолду Фишера-Тропша. Современные модификации данного процесса позволяют получать высококачественные продукты при минимальных капитальных затратах, Синтетическое дизельное топливо по своим экологическим характеристикам превосходит ДТ, получаемое из нефти. Получение продуктов с улучшенными низкотемпературными характеристиками достигается при гидрооблагораживании среднедистиллятных фракций синтетической нефти в процессе изодепарафинизации или депарафинизации.
По результатам проведенного анализа для дальнейших исследований выбрано два направления:
-возможность использования жидких продуктов пиролиза биомассы для получения низкозастывающих моторных топлив;
- возможность использования синтетической нефти, полученной из биогаза процесса газификации биомассы.
2. Выполнены работы по выбору и приобретению жидких продуктов пиролиза и синтетической нефти, полученных из растительного сырья, для исследования их физико-химических свойств.
3. Разработаны научные основы процесса гидроизодепарафинизации среднедистиллятной фракции растительного и нефтяного происхождения с получением дизельного топлива для арктических условий и авиационного керосина.
4. Ведутся разработки принципиальной схемы создаваемой экспериментальной установки по переработке среднедистиллятных фракций растительного и нефтяного происхождения с получением низкозастывающих моторных топлив.