«Разработка основ технологии утилизации тяжелых нефтяных отходов химическими методами с получением экспериментальных образцов товарных продуктов»

охрана окружающей среды, нефтяные отходы, шламы, тяжелые остатки, тяжелое нефтяное сырье, водород, продукция нефтепереработки, гидроконверсия, наночастицы катализатора

1. Добыча, транспортировка и переработка нефтяного сырья неизменно сопряжена с проблемой появления нефтяных отходов различного типа и ведет к существенному загрязнению окружающей среды и потере ценного углеродсодержащего сырья, содержащегося в накапливаемых в значительном количестве тяжелых отходах, таких как нефтяные шламы различного типа, гудроны, тяжелые остаточные фракции, кубовые остатки, остатки в резервуарах для хранения нефти и т.п. Нефтяные отходы, как правило, представляют собой тяжелые нефтяные остатки. Наличие в них воды и твердых примесей, преобладание тяжелых углеводородов асфальтенового и смолистого типа, продуктов физико-химического взаимодействие нефти или нефтепродуктов с кислородом, влагой и механическими примесями существенно затрудняют их квалифицированное использование. В настоящее время Российская Федерация существенно отстает от США, Канады, и других стран как в развитии фундаментальных разработок в области утилизации и переработки нефтяных отходов, так и в реализации эффективных, экологически безопасных технологий их переработки. В России нет эффективных технологий переработки нефтяных отходов обеспечивающих необходимый уровень защиты окружающей среды от вторичных выбросов и позволяющий эффективно использовать указанный вид ресурсов. Это негативно влияет на экологическую безопасность одной из головных отраслей России и не позволяет эффективно решить проблему нефтяных отходов, как в нефтедобывающих, так и в нефтеперерабатывающих регионах. Существенно, что создание новых технологий по переработке нефтяных отходов различного типа в готовую продукцию сформирует условия для роста глубины переработки нефти в РФ, которая согласно Энергетической стратегии России до 2030 года, утвержденной распоряжением Правительства РФ от 13 ноября 2009 г. № 1715, должна достигнуть 92% к 2030 году. Сама эта величина может быть достигнута лишь при условии создания и внедрения новых технологий переработки нефтяного сырья различных видов, в том числе и нефтяных отходов. Проведение исследований по данному направлению обеспечит создание задела для достижения одной из задач ФЦП «Ликвидация накопленного экологического ущерба» на 2014 – 2025 годы - экологической реабилитация территорий, подверженных негативному воздействию объектов накопленного экологического ущерба с нефтесодержащими загрязнениями и предотвращение появления таких объектов в будущем. 2. Целями проекта являются разработка технологических решений для получения товарных продуктов нефтехимии и нефтепереработки из тяжелых нефтяных отходов с использованием процесса гидроконверсии, а также разработка технических решений в области предварительной подготовки тяжелых нефтяных отходов для последующей их переработки в товарные нефтепродукты.

1. В ходе выполнения работ будут получены следующие научно-технические результаты:
- выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ;
- проведены патентные исследования;
- разработаны варианты возможных решений задачи, выбран и обоснован оптимальный вариант решения задачи;
- разработана принципиальная схема комплексного экспериментального стенда процесса переработки тяжелых нефтяных отходов на базе процесса гидроконверсии с получением экспериментальных образцов товарных продуктов;
- изучены физико-химические свойства исходного сырья;
- разработан и создан лабораторный стенд предварительной подготовки тяжелых нефтяных отходов;
- проведены экспериментальные исследования по предварительной подготовке тяжелых нефтяных отходов на указанном лабораторном стенде;
- разработаны методики аналитического контроля сырья и продуктов переработки тяжелых нефтяных отходов;
- разработана эскизная конструкторская документация на модернизацию комплексного экспериментального стенда для проведения экспериментов по переработке тяжелых нефтяных отходов методом каталитической гидроконверсии с получением товарных продуктов;
- проведены экспериментальные исследования по переработке тяжелых нефтяных отходов на базе процесса гидроконверсии с получением экспериментальных образцов товарных продуктов;
- разработана методика предварительной подготовки исходного сырья;
- разработана лабораторная методика синтеза катализаторов;
- разработан лабораторный технологический регламент переработки тяжелых нефтяных отходов на комбинированном экспериментальном стенде;
- наработаны экспериментальные образцы товарных продуктов переработки тяжелых нефтяных отходов, полученные на комплексном экспериментальном стенде;
- разработана концепция создания полупромышленной установки по утилизации тяжелых нефтяных отходов на базе процесса гидроконверсии;
- разработаны рекомендации по внедрению разработанных технических решений переработки тяжелых нефтяных отходов с получением товарных продуктов и снижению образующихся на нефтебазах отходов;
- разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Создание полупромышленной установки каталитической гидроконверсии тяжелых нефтяных отходов»;
- разработана Программа и бюджет создания полупромышленной установки каталитической гидроконверсии тяжелых нефтяных отходов (шламы и тяжелые отходы нефтепереработки) с блоками подготовки сырья и каталитической гидроконверсии.
2. В рамках работы предполагается впервые разработать технологические основы процесса получения товарных продуктов из нефтяных отходов, обеспечивающего выход товарных продуктов для нефтепереработки не менее 50% (не менее 90% на углеводородную часть) и снижения выбросов в окружающую среду вредных веществ на 50 – 80% за счет использования современных методов каталитической гидроконверсии на высокоэффективных ультрадисперсных катализаторах.

1. В результате проведенных исследований будут разработаны основы новой технологии утилизации тяжелых нефтяных отходов на базе процесса гидроконверсии. Данная технология будет включать стадию предварительной подготовки тяжелых нефтяных отходов с выделением углеводородной части и последующую переработку полученного тяжелого углеводородного остатка с использованием процесса гидроконверсии в присутствии высокоэффективных ультрадисперсных катализаторов, обеспечивающих высокий выход дистиллятных фракций.
2. При выполнении работ используется новый подход для переработки тяжелых нефтяных отходов, основанный на применении процесса гидроконверсии с использованием высокоэффективных ультрадисперсных катализаторов, формирующихся в реакционной среде.
3. Показатели процесса гидроконверсии в присутствии наночастиц катализатора превосходят показатели лучших из известных в мире в настоящее время процессов. Используемый тип каталитической системы не накладывает ограничений на качество сырья – технология позволяет перерабатывать самое тяжелое нефтяное сырье, с высоким содержанием нежелательных компонентов – смолисто-асфальтеновых веществ, гетероатомных и металлсодержащих соединений. При сравнительно мягких условиях (давление 7-10 МПа, температура 440-450°С) в процессе гидроконверсии достигается высокая конверсия углеводородного сырья (90-95%) и обеспечивается высокий выход дистиллятных фракций. Для сравнения, например, гидрогенизационные процессы переработки тяжелых видов сырья H-oil Axens и LC- fining СLG протекают при давлениях 15-25 МПа и обеспечивают конверсию на уровне 65-75%.
4. Для достижения поставленных задач будут созданы лабораторный стенд предварительной подготовки тяжелых нефтяных отходов и комплексный экспериментальный стенд процесса переработки тяжелых нефтяных отходов на базе процесса гидроконверсии с целью получения экспериментальных данных и разработку на их основе технологических решений по утилизации тяжелых нефтяных отходов с применением процесса каталитической гидроконверсии. Процесс будет отработан с использованием указанных стендов. Ограничения и риски могут быть обусловлены несвоевременным поступлением финансов и срывов сроков закупки оборудования, материалов для обеспечения выполнения ПНИЭР.

1. Потенциальными потребителями результатов ПНИЭР являются компании, занимающиеся переработкой нефти и внедрением технологий переработки нефти: ОАО НК Роснефть, ОАО Газпромнефть, ОАО Татнефть, ОАО Руснефть. Потребителями могут выступать нефтяные компании зарубежных стран, в частности США, Венесуэлы, Италии др. Кроме того, в результатах работ будут заинтересованы предприятия, занимающиеся перевозкой, хранением и перевалкой нефти и продуктов нефтепереработки, в частности нефтебазы.
2. Результаты исследований будут использованы при разработке проекта технического задания на проведение ОКР «Создание полупромышленной установки каталитической гидроконверсии тяжелых нефтяных отходов».
3. Результаты проводимых исследований могут быть использованы для внедрения процесса гидроконверсии, как наиболее перспективной технологии переработки различных видов тяжелых видов нефтяного сырья. Развитие данного процесса приведет к изменению структуры потребления тяжелых нефтяных отходов и остатков: переходу от «топливных» процессов, предполагающих непосредственное сжигание указанных отходов с высокими затратами на очистку отходящих газов и захоронение остатков к их переработке в качественные топливные фракции.
4. Полученные результаты могут быть использованы для проведения совместных исследований с иностранными компаниями. Созданные стенды могут быть далее использованы для исследования переработки других видов тяжелого и нестандартного нефтяного сырья.

Изучены физико-химические свойства исходного сырья. В качестве образцов тяжелых нефтяных отходов были взяты резервуарные нефтешламы нефтеловушек №1, №2 и №5 очистных каскадных сооружений, а также приемной камеры насосной очистных сооружений индустриального партнера ООО «Петрозаводская нефтебаза», нефтешламы предотстойника Куйбышевского НПЗ и нефтеловушки Новокуйбышевского НПЗ, а также резервуарный шлам Ачинского НПЗ. В качестве вакуумного остатка нефтепереработки исследовали гудрон западно-сибирской нефти. В результате проведенных исследований физико-химических свойств образцов нефтешламов установлено, что они характеризуются типичными свойствами резервуарных нефтешламов, а именно представляют собой жидкости с высокой плотностью, с высоким процентом содержания углеводородов, кислород- и серосодержащих соединений и воды, а также небольшим процентом механических примесей. Индивидуальные свойства каждого образца зависят, вероятно, от свойств исходного нефтепродукта и условий образования и хранения, указанных образцов. Исследование гудрона западно-сибирской нефти показало, что он характеризуется высоким содержанием серы 2,98%, невысоким содержанием фракций, выкипающих до 520°С (около 9,25 % масс.), обуславливающее высокую вязкость гудрона. Высокая коксуемость 15,1% подтверждается наличием в гудроне значительного количества коксогенных компонентов – полиароматических углеводородов (19,5%) и асфальто-смолистых веществ (29%). Суммарное содержание металлов ванадия и никеля составляет 211 мг/кг. Осуществлен выбор тяжелых нефтяных отходов для дальнейших экспериментальных исследований. В качестве сырья экспериментальных исследований будут использоваться вакуумный остаток нефтепереработки западно-сибирской нефти, а также резервуарный нефтешлам нефтеловушки №1 очистных каскадных сооружений Индустриального партнера - ООО «Петрозаводская нефтебаза». Данные образцы полностью удовлетворяют требования Технического задания к Соглашению о предоставлении субсидии на выполнение ПНИ.
Разработана методика предварительной подготовки сырья для проведения исследований по утилизации тяжелых нефтяных отходов. Приведены методики пуска и остановки лабораторного стенда, безопасности и охрана труда при работе на стенде, рассмотрены возможные аварийные ситуации и способы их устранения. Описана процедура аналитического контроля при проведении экспериментальных исследований.
Проведены экспериментальные исследования по предварительной подготовке тяжелых нефтяных отходов на лабораторном стенде предварительной подготовки тяжелых нефтяных отходов с получением данных для модернизации комплексного экспериментального стенда. Предварительная подготовка включает в себя процедуру удаления воды азеотропной отгонкой, удаление низкокипящих фракций и отделение механических примесей. Установлено, что оптимальным растворителем для проведения экстракции является толуол. С помощью универсальной системы моделирования HYSYS проведены теоретические расчеты фазового состояния компонентов нефтяного шлама и растворителя. Определены параметры, являющиеся исходными для проведения экспериментальных исследований. Определены оптимальные параметры экстракции органической части из исследуемого образца нефтешлама. Установлено, что оптимальными условиями дистилляции воды из экстрагируемого раствора являются температура 100°С при вращении мешалки 500 оборотов/мин, с протоком инертного газа 30 нл/ч. При соотношении вода нефтешлама: толуол не менее 1:5. Отделение минеральной части нефтешлама осуществляется при температуре 45-50°С при небольшом избыточном давлении. При установленных оптимальных параметрах экстракции получен образец остатка органической части нефтешлама, пригодный для проведения исследований по гидроконверсии.
В оптимальных условиях предварительной подготовки ТНО из выбранного резервуарного нефтешлама наработана органическая часть нефтешлама для проведения дальнейших исследований на комплексном экспериментальном стенде по переработке тяжелых нефтяных отходов методом каталитической гидроконверсии. Фракция характеризуется следующими свойствами: плотность - 968,9 кг/см3, коксуемость – 12,25 %, содержание серы – 2,0 %, содержание нерастворимых в толуоле соединений 0,032 %, содержание фракции н.к. (400°С)-520°С – 27,8%, фракции >520°С – 72,2%.
Разработаны методики аналитического контроля сырья и продуктов переработки тяжелых нефтяных отходов. В состав разработанных методик исследования свойств тяжелых нефтяных отходов и продуктов их переработки вошли методы: определения содержания воды, определение механических примесей весовым методом, определение элементного (CHNS) состава, определение группового состава, определение фракционного состава, определение йодных чисел дистиллятных фракций, определение содержания серы, дисперсионный анализ, определение плотности, зольности, определение коксуемости.
Разработаны рекомендации по технологической схеме и материальному оформлению аппаратов комплексного экспериментального стенда переработки тяжелых нефтяных отходов. Предложена технологическая схема экспериментального стенда переработки тяжелых нефтяных отходов с описанием характеристик и назначения основного оборудования, входящего в его состав. Стенд состоит из блока предварительной подготовки ТНО, блока атмосферно-вакуумной дистилляции, блока гидроконверсии, блока разделения целевых продуктов, блока подачи и циркуляции газов, блока контроля и управления технологическим процессом, блока оперативного аналитического контроля.
На основе разработанных рекомендаций разработаны технические решения и эскизная конструкторская документация на модернизацию комплексного экспериментального стенда для проведения экспериментов по переработке тяжелых нефтяных отходов методом каталитической гидроконверсии с получением товарных продуктов.
На основании разработанной технической документации проведены работы по модернизации и пуску комплексного экспериментального стенда для проведения экспериментов по переработке тяжелых нефтяных отходов методом каталитической гидроконверсии с получением товарных продуктов.
Результаты прикладных научных исследований получены при финансовой поддержке Российской Федерации в лице Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках реализации федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы", уникальный идентификатор прикладного научного исследования RFMEFI57914X0052.