Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.579.21.0061

Руководитель: Гуляева Людмила Алексеевна

Должность: зав. лабораторией 24

Организация: Акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт по переработке нефти"
Организация докладчика: Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт по переработке нефти"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
биотопливо, газификация, синтез-газ, синтетическая нефть, метод фишера-тропша, пиролиз, дизельное топливо, авиационный керосин, низкотемпературные свойства, древесные отходы

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). 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%. В программе «Энергоэффективность и развитие энергетики на 2013-2020 годы» предусматривается снижение энергоемкости российского ВВП на 40%, а также увеличение доли использования возобновляемых источников энергии до 4,5 % от объема произведенной энергии к 2020 году. Особое внимание уделяется использованию биологических видов топлива (биомасса, биотопливо, биогаз) в связи с их широкой распространенностью, доступностью и экологической безопасностью. Применение биологических видов топлива в сфере транспорта является важным способом сокращения выбросов вредных веществ в атмосферу, в т.ч. сокращение выбросов парниковых газов на 6%. Биологические виды топлива 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 безопасные 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 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. Краткое описание основных результатов (основные практические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности)

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 должна обеспечивать получение низкозастывающих моторных топлив требуемого качества с выходом не менее 92% масс. на исходное сырье;
• 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.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Описание конечного продукта, создаваемого с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта, места и роли проекта и его результатов в решении задачи/проблемы
• Разрабатываемая комплексная технология 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 технология 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».
• 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
Разработанные основы комплексной технологии переработки нефтяного и растительного сырья позволят расширить сырьевую базу производства низкозастывающих моторных топлив.
2. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик и решений:
• 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.

3. 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.

4. 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.

Во избежание конъюктурных рисков по организации производства низкозастывающих моторных топлив из сырья нефтяного и растительного происхождения на нефтеперерабатывающих предприятиях, что является принципиально новой продукцией для отечественной промышленности, необходимы инвестиции в апробирование разработанной комплексной технологии на опытно-промышленной пилотной установке в кратчайшие сроки.

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 результат 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, разработку новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы
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.
4. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развития системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры.
Популяризация полученных результатов на международных конференциях, семинарах, а также публикация в журналах SCOPUS и WEB OF SCIENCE.

Текущие результаты проекта:
1. На основании проведенных исследований физико-химических характеристик приобретённых жидких продуктов пиролиза и синтетической нефти, полученных из растительного сырья, и выделенных из них среднедистиллятных фракций установлено следующее:
-Нецелесообразность переработки смолы пиролиза термической конверсии древесной биомассы в компоненты моторных топлив в связи со склонностью её к полимеризации и стеклованию и, следовательно, невозможностью выделения среднедистиллятной фракции.
- Пиролиз древесной биомассы совместно с нефтяным остатком (мазутом) повышает выход жидких продуктов пиролиза, снижает содержание кислородсодержащих соединений и позволяет фракционировать жидкие продукты пиролиза с выделением среднедистиллятной фракции. Оптимальное соотношение растительного (опилки) и нефтяного (мазут) сырья для пиролиза составляет 1/3.
- Среднедистиллятная фракция пиролиза смеси опилки-мазут характеризуется наличием сернистых соединений, непредельных и ароматических углеводородов, а среднедистиллятная фракция синтетической нефти не содержит сернистых и ароматических углеводородов, имеет высокое цетановое число, но характеризуется высокой концентрацией кислородсодержащих и непредельных соединений, что требует их гидрооблагораживания для получения компонентов моторных топлив.
2. На основании анализа результатов исследования качества среднедистиллятных фракций, выделенных из продуктов пиролиза смеси опилки-мазут и из синтетической нефти, разработаны и осуществлены следующие схемы гидрооблагораживания данных фракций с целью получения сырья для производства низкозастывающих моторных топлив:
- Гидрооблагораживание фракции пиролиза проведено в смеси с прямогонным дизельным дистиллятом в соотношениях 10/90, 20/80, 30/70 % (по объёму) с использованием традиционного АКМ катализатора гидроочистки. Смешение с нефтяной фракцией позволило скорректировать показатели «плотность», «кислотность» и «йодное число», исходя из нормативных требований, предъявляемых к дизельному топливу. Определены оптимальные условия процесса, обеспечивающие получение компонента летнего дизельного топлива требуемого качества.
- Гидрооблагораживание фракции синтетической нефти проведено в смеси с прямогонным дизельным дистиллятом в соотношениях 15/85, 30/70, 50/50 % (по объёму). Смешение с нефтяной фракцией позволило провести процесс гидроконверсии с использованием традиционного АКМ катализатора гидроочистки в сульфидной форме и скорректировать показатель «плотность», исходя из нормативных требований, предъявляемых к дизельному топливу. Определены оптимальные условия процесса, обеспечивающие получение компонента летнего дизельного топлива требуемого качества.
- В качестве оптимального сырья для производства низкозастывающих моторных топлив выбран продукт гидрооблагораживания смеси среднедистиллятной фракции синтетической нефти с прямогонным дизельным дистиллятом (30/70% об.), поскольку процесс гидроконверсии протекает при более мягких условиях с получением продукта более высокого качества, при фракционировании которого можно получить компоненты дизельного топлива и авиационного керосина.
3. Разработаны композиции основных активных компонентов (кислотный, гидрирующий, модифицирующийу и связующее) и синтезированы образцы катализаторов процесса гидроизодепарафинизации гидрооблагороженной смеси среднедистиллятного продукта синтеза Фишера-Тропша и дизельной фракции нефтяного происхождения.
4. Проведена отработка технологии процесса гидроизодепарафинизации гидрооблагороженной смеси среднедистиллятного продукта синтеза Фишера-Тропша и прямогонного дизельного дистиллята на существующей лабораторной установке, выбран оптимальный состав катализатора и оптимальные технологические параметры процесса.
5. Разработана Методика изготовления экспериментального образца катализатора гидроизодепарафинизации оптимального состава.
6. Выполнены работы по выбору и приобретению комплектующих приборов и оборудования для создания экспериментальной установки.
7. Разработана эскизно-конструкторская документация и инструкция по эксплуатации для экспериментальной установки по процессу гидроизодепарафинизации.
8. Проведён монтаж экспериментальной установки по процессу гидроизодепарафинизации с получением низкозастывающих моторных топлив производительностью не менее 0,1 кг/час по конечному продукту.
9. Разработана Программа и методики испытания экспериментальной установки по процессу гидроизодепарафинизации с получением низкозастывающих моторных топлив.
10. Проведены дополнительные патентные исследования на патентную чистоту разработанного катализатора гидроизодепарафинизации и подготовлен Отчёт о дополнительных патентных исследованиях.