Ахметов А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа

Подождите немного. Документ загружается.

841

кие (шумовые), электромагнитные и радиоактивные; по физическому

состоянию — на газообразные, жидкие, твердые; по происхождению —

на естественные (природные) и антропогенные.

Загрязнение атмосферы. По своим источникам антропогенные

атмосферные загрязнители разделяют на несколько групп:

Транспортные, связанные прежде всего с выхлопными газами авто

мобилей. Они содержат оксиды углерода, серы, азота, углеводороды,

канцерогенные полициклические углеводороды и наиболее активный

из них 3,4-бензпирен, сажу, а также сильно токсичные продукты, содер

жащие свинец, хлор, бром. Оксиды углерода, серы и азота, в свою оче

редь, в результате взаимодействия с влагой воздуха образуют вторич

ные загрязнения, так называемые «кислотные дожди». Сажевые части

цы канцерогенны по той причине, что являются хорошим адсорбентом

для бензпирена. Вредное воздействие выхлопных газов усиливается

в связи с тем, что, поступая в приземные слои атмосферы, оседая на почве

и концентрируясь на растениях (например, свинец в количестве 50 мг

на 1 кг сухой биомассы), они затем попадают в организм животных, че

ловека и становятся возбудителями канцерогенных заболеваний. Коли

чество выделяемых в атмосферу транспортных загрязнителей зависит

от численности и структуры автомобильного парка, технического со

стояния автомобиля и двигателя, типа двигателя и вида применяемого

топлива, а также условий его эксплуатации.

Ниже приведены показатели для различных типов двигателей по

относительным удельным выбросам основных токсичных компонентов:

Двигатель СО [СН] NО Сажа Бензпирен

Карбюраторный 15 6 2 1 2

Дизельный 1 2 1 20 1

Газотурбинный

1 1 6 1 20

Мировой автомобильный парк в настоящее время составил около

700 млн единиц. Если учесть, что один грузовой автомобиль в среднем

выбрасывает в год около 3 т вредных веществ, то нетрудно подсчитать,

что ежегодные выбросы транспортных загрязнителей в атмосферу со

ставят более 2,5 млрд т и что роль автомобильного транспорта как глав

ного источника загрязнения природы непрерывно возрастает.

В настоящее время доля автомобильного транспорта в загрязнении

окружающей среды в ряде городов составляет 30…40 %, в крупных — до

60 %, а в крупнейших городах мира по оксиду углерода превышает 90 %.

842

Газовые выбросы ТЭС и котельных. Они содержат примерно те же

примеси, что и транспортные загрязнители, а также частички угля, золы

и т. д. Природа этих загрязнений изменяется в зависимости от вида топ-

лива, типа сжигания, режима работы и регулировки горелок. Из всех

атмосферных загрязнителей ТЭС наиболее опасны оксиды серы и азо

та, наносящие сильный вред растительности и вызывающие коррозию

оборудования и зданий. При одинаковой мощности ТЭС количество

выбрасываемого сернистого газа при работе на газе, мазуте и угле на

ходится в соотношениях 1 : 4,5 : 11,5. Наиболее экологически чистым

топливом для ТЭС является природный газ.

Не менее опасное воздействие на природу, чем оксиды углерода, азо

та и серы, оказывают выбросы ТЭС в виде диоксида углерода, вызывая

так называемый парниковый эффект. В настоящее время в результате

сжигания органических горючих ископаемых на ТЭС в атмосферу Зем

ли ежегодно поступает около 20 млрд т углекислого газа. Содержание

его в атмосфере уже сегодня превышает уровень 1940-х гг. на 15…20 %.

В результате усиливается процесс поглощения биосферой инфракрас

ного излучения Солнца и тем самым потепления климата Земли. Пар

никовый эффект может привести к значительному изменению атмос

ферной циркуляции, таянию льдов, затоплению материков и другим

глобальным социальным и экономическим потрясениям.

Газовые выбросы промышленных предприятий. Больше всего за

грязняют окружающую среду металлургическая, топливно-энерге

тическая, нефтехимическая и химическая промышленности. Эти за

грязнения весьма разнообразны, и их состав зависит от качества сырья

и технологии переработки.

Загрязнители в атмосфере (как и в гидро- и литосфере) распре

деляются неравномерно и имеют локальный характер. Загрязнения

в воздушной среде распределены: над промышленными комплекса-

ми — 80 %, над городами — 12,9 и над сельской местностью — 1. Характер

распределения выбросов обусловлен излишней концентрацией произ

водственных объектов в некоторых городах, плохой техникой и техно

логией. В качестве примера приведены данные о количестве выбросов

вредных газов в атмосферу (в тыс. т в год) в некоторых городах в 1988 г.:

Город SO

NO CO Всего

Магнитогорск 84 34 548 849

Новокузнецк 90 34 502 833

Мариуполь 54 30 573 773

Уфа

72 25 36 304

Баку 18 16 49 421

843

В местах сильного очагового загрязнения атмосферы при неблаго-

приятных погодных условиях в результате взаимодействия загрязнений

и кислорода воздуха под действием ультрафиолетовых лучей может

образоваться токсичный туман — «фотохимический смог». При этом

наблюдается синергетический эффект — два загрязняющих компонента

в результате реакции образуют более ядовитые вещества, например:

Оксиды азота + углеводороды

пероксиацетилнитрат + озон

Оба полученных вещества (озон — сильный окислитель) вызыва

ют слезотечение и затруднение дыхания у человека, крайне ядовиты

для растений и приводят к их гибели. Так, в декабре 1952 г. за 5 дней

лондонского смога погибло более 4000 человек. В августе 1989 г. над

Омском создалось газовое облако толщиной до 1 км из-за неблагопри

ятных погодных условий (+ 30 °С, безветрие).

Загрязнение гидросферы. Исключительно сильное отрицатель

ное влияние на природу оказывают также жидкие или растворимые

в воде загрязнители, попадающие в виде промышленных, коммунальных

и дождевых стоков в реки, моря и океаны. Объем сточных вод, сбрасывае-

мых в водоемы мира, ежегодно составляет ~ 1500 км

. Как правило, для

нейтрализации стоков требуется их 5…12-кратное разбавление пресной

водой. Следовательно, при современных темпах развития производства

и непрерывно растущем водопотреблении (5…6 % в год) в самом бли

жайшем будущем человечество полностью исчерпает запасы пресных

вод на Земле. К наиболее крупным источникам загрязнения водоемов

относят химическую, нефтехимическую, нефтеперерабатывающую, неф-

тяную, целлюлозно-бумажную, металлургическую и некоторые другие

отрасли промышленности, а также сельское хозяйство (например, для

целей орошения). Со сточными водами НПЗ в водоемы попадают со

леная вода ЭЛОУ, ловушечная нефть, нефтешламы, нефтепродукты,

химические реагенты, кислые гудроны, отработанные щелочные рас

творы и т. д. С талыми и дождевыми стоками в водоемы сбрасывается

в огромных количествах практически вся гамма производимых в мире

неорганических и органических веществ: нефть и нефтепродукты, ми

неральные удобрения, ядохимикаты, тяжелые металлы, радиоактивные,

биологически активные и другие загрязнители. В мировой океан еже

годно попадает в том числе более 15 млн т нефти и нефтепродуктов,

200 тыс. т свинца, 5 тыс. т ртути; 1 т нефти образует на поверхности

воды пленку диаметром около 12 км. Нефтяная пленка существенно

ухудшает газообмен и испарение на границе атмосфера-гидросфера,

844

в результате гибнут планктон, водная флора, рыбы, морские животные

и т. д. В последние годы участились аварии морских транспортных су

дов, газовых и нефтяных скважин, нефте-, газо- и продуктопроводов,

железнодорожных поездов, на промышленных предприятиях. Состоя

ние гидросферы катастрофически ухудшается. Обостряется проблема

водоснабжения населенных пунктов и городов (например, фенольное

загрязнение питьевой воды в количествах, в десятки и сотни раз превы

шающих предельно допустимые концентрации, и массовое отравление

миллионного населения г. Уфы в марте-апреле 1990 г.). Загрязнение

многих рек и водоемов достигает опасного критического состояния.

Ухудшению экологического состояния рек способствует также строи

тельство ГЭС на равнинных реках.

Загрязнение литосферы. В результате хозяйственной деятельности

человека происходит непрерывное сокращение площадей земель, при

годных для сельскохозяйственного использования, а также их загряз

нение промышленными и бытовыми отходами. Годовой объем таких

отходов в мире составляет

≈3,5 млрд т, из них 2 млрд т — в сельском

хозяйстве, 1 млрд т — в промышленности и 0,5 млрд т — коммунальный

мусор. Из извлекаемых ежегодно из недр около 100 млрд т горных по

род 98 % составляют отходы (в виде отвалов, терриконов), занимающие

огромные площади плодородных земель. Вблизи городов образуются

свалки бытовых и промышленных отходов, содержащие весьма ток

сичные загрязнители (соли тяжелых металлов, ртуть, лаки, краски, по

лимеры, резинотехнические отходы, отработанные масла и катализа

торы и т. д.), которые, разлагаясь, отравляют воздух и подземные воды.

В нашей стране такие отходы практически не утилизируются, сжига

ется лишь около 3 % (в Японии — 70 %).

В районах интенсивной добычи нефти в ряде случаев наблюдаются

существенное оседание поверхности земли (например, в Мексике на 7 м),

засоление почвенных вод и другие вредные воздействия. В значи

тельном сокращении земельных ресурсов повинны также индустри

ально-городское и транспортное (автомобильное, железнодорожное,

трубопроводное) строительство, а также строительство водохранилищ,

эрозия, засоление, заболачивание, опустынивание и другие негативные

результаты хозяйственной деятельности человека.

Из вышеприведенного краткого обзора следует вывод о том, что уже

сегодня, а не в далекой перспективе, возникла и продолжает усиливать

ся глобальная экологическая опасность перед всем человечеством. Это

обстоятельство — следствие нашей безответственности, бесхозяйствен

ности, некомпетентности и низкой экологической культуры. Беспечное

845

отношение к окружающей среде приводит к увеличению заболеваемос-

ти, генетическим отклонениям, климатическим изменениям, ухудше

нию плодородия почвы, исчезновению запасов питьевой воды, гибели

животных и материальных ценностей и др.

Экологизация химической технологии. Наиболее традиционно

применяемый сегодня подход при организации борьбы против загряз

нения окружающей среды — строительство очистных сооружений. Од

нако это целесообразно лишь для приспособления существующих про

изводств к новым требованиям экологии, поскольку приводит к значи

тельному увеличению капитальных и эксплуатационных затрат и мало

снижает реальные отходы. Главным направлением решения проблемы

экологической безопасности следует считать экологизацию химических

производств, т. е. создание экологически чистых, безотходных, точнее,

малоотходных технологических производств, в которых наиболее рацио-

нально и комплексно используются все компоненты сырья и энергии

и не нарушаются нормальное функционирование окружающей среды

и природное равновесие.

Можно выделить следующие основные направления в осуществле

нии экологически чистых технологических процессов, в том числе неф-

техимических:

1. Комплексное использование и глубокая переработка сырья. Произ-

водство должно быть как можно менее ресурсоемким (ресурсосбе

регающие технологии), осуществляться с минимумом затрат сырья

и реагентов на единицу продукции. Образующиеся полуфабрика

ты должны передаваться в качестве сырья другим производствам

и полностью перерабатываться. Пример такого подхода — техноло

гия глубокой переработки нефти.

2. Оптимальное использование энергии и топлива. Производство

должно осуществляться при минимальных затратах энергии

и топливана единицу продукции (энергосберегающие техноло

гии) и, следовательно, тепловые загрязнения окружающей среды

также минимальны. Энергосбережению способствуют укрупнение

и энерготехнологическое комбинирование процессов; переход на

непрерывные технологии; совершенствование процессов разделе

ния; применение активных и селективных катализаторов, позволяю

щих проводить процессы при пониженных температуре и давлении;

рациональная организация и оптимизация тепловых схем и схем

рекуперации энергетического потенциала отходящих потоков; сни

жение гидравлического сопротивления в системах и потерь тепла

в окружающую среду и т. д. Нефтеперерабатывающие и нефтехими

846

ческие предприятия являются крупными потребителями топлива

и энергии. В их энергетическом балансе на долю прямого топлива

приходится 43…45 %, тепловой энергии — 40…42 % и электрической —

13…15 %. Полезное использование энергетических ресурсов не пре

вышает 40…42 %, что приводит к перерасходу топлива и образованию

тепловых выбросов в окружающую среду.

3. Создание принципиально новых малоотходных технологических-

процессов. Этого можно добиться совершенствованием катализа

торов, техники и технологии производств. Малоотходные процессы

более эффективны, чем процессы с дорогостоящими очистными со

оружениями. Экономичнее получать небольшое количество сильно

концентрированных отходов, которые можно перерабатывать или

ликвидировать по специальной технологии, чем большой объем

сильно разбавленных отходов, сбрасываемых в биосферу.

4. Создание и внедрение замкнутых систем водопользования, вклю-

чающих (или сводящих к минимуму) потребление свежей воды

и сброс сточных вод в водоемы.

5. Обеспечение высокой эксплуатационной надежности, герметично-

сти и долговечности функционирования оборудования и всех сис-

тем производств. Сведение к минимуму или исключение вероят

ности аварий, взрывов, пожаров и выбросов отравляющих веществ

в окружающую среду. Разработка автоматизированных систем обес-

печения экологической безопасности производств и комплексов.

6. Обеспечение высокого качества целевых продуктов, используемых

в народном хозяйстве. Экологически чистыми должны быть не

только сами технологические процессы, но и выпускаемые в них

товарные продукты. Так, моторные топлива должны удовлетворять

возросшим экологическим требованиям по содержанию сернистых

соединений, ароматических углеводородов, вредных присадок, на

пример этиловой жидкости и т. д.

7. Использование новых экологически чистых продуктов из альтерна-

тивных источников сырья, например нефтяного и природных газов,

кислородсодержащих углеводородов (спиртов, эфиров) и водоро

да в автомобильном транспорте. Перевод части автотранспорта на

альтернативные топлива рассматривается во многих странах мира

как радикальная мера снижения вредных выбросов автомобиля,

оздоровления воздушного бассейна больших городов, позволяющая

одновременно значительно расширить ресурсы моторных топлив.

Мировой парк автомобилей, работающих в настоящее время только

на газовом топливе, превысил 4,5 млн единиц и растет исключитель

но быстрыми темпами.

847

Кроме того, оздоровлению окружающей среды способствуют также

конструктивное совершенствование и экологизация мобильной техни

ки. Так, применительно к автотранспорту это означает:

— дизелизацию, т. е. преимущественное использование дизелей, по

сравнению с бензиновыми автомобилями;

— усовершенствование электромобилей;

— повышение топливной экономичности транспортных средств за счет

снижения их тоннажности (преимущественный выпуск автомоби

лей малого и особо малого классов, мини-тракторов), применения

легких синтетических материалов взамен стали, кузовов с малым

аэродинамическим сопротивлением и т. д;

— снижение токсичности транспортных средств за счет совершен

ствования конструкции двигателей и улучшения процесса сгорания

(двигатели с турбонаддувом, форкамерные, малотоксичный двига

тельСтирлинга, двигатели с отключением части цилиндров при ма

лых нагрузках, двухтопливные двигатели, установка каталитических

зажигателей или нейтрализаторов выхлопных газов, электронных

зажигателей, использование компьютеров и т. д.).

9.6. Основные тенденции и современные проблемы

производства высококачественных моторных топлив

В настоящее время возможности нефтепереработки многих стран

мира для удовлетворения растущих потребностей в моторных топливах

за счет увеличения объемов добычи нефти практически исчерпаны. Для

решения этой актуальнейшей проблемы представляют интерес следую-

щие направления сбалансированного развития нефтепереработки, дви

гателестроения и потребления моторных топлив:

1) углубление и химизация переработки нефти;

2) оптимизация качества моторных топлив с целью расширения ресур

сов и снижения фактического их расхода при эксплуатации ДВС;

3) совершенствование конструкции двигателей;

4) дизелизация автомобильного парка;

5) применение альтернативных топлив — газообразных, кислородсо

держащих и топлив из твердых горючих ископаемых.

Первое из перечисленных выше направлений является генеральной

линией развития современной мировой нефтепереработки и связано

с разработкой и внедрением гибких технологических схем и совер

шенных высокоинтенсивных экологически безвредных термокатали

тических и гидрогенизационных процессов глубокой переработки неф-

тяных остатков с получением высококачественных моторных топлив

и других нефтепродуктов.

848

Второе направление обусловлено необходимостью разработки эко-

номически и технически обоснованных требований потребителей мо

торных топлив к уровням качества, обеспечивающим минимальные

народно-хозяйственные затраты на их производство и применение.

При этом учитывается и экологическая эффективность применения

топлив, актуальность которой возрастает в связи с непрерывным ужес-

точением требований по охране окружающей среды. Так, за последние

годы во многих странах мира, особенно экономически развитых, принят

ряд законодательных решений, направленных на снижение содержа

ния свинца в автобензине и переход на производство и применение

неэтилированных бензинов. Отказ от этилирования, с точки зрения

нефтепереработчиков являющегося наиболее дешевым и энергетически

эффективным способом повышения октановых чисел автобензинов,

ставит нелегкую задачу увеличения октановых чисел суммарного бен

зинового фонда. При отказе от этилирования необходимое приращение

октановых чисел должно быть обеспечено за счет развития и совершен

ствования технологических процессов производства высокооктановых

компонентов и применения альтернативных высокооктановых добавок,

что потребует значительных капитальных вложений. Следовательно,

производство высокооктановых неэтилированных карбюраторных топ-

лив может сопровождаться некоторым снижением октановых чисел то

варных бензинов и, как следствие, снижением требований к топливной

экономичности автомобилей.

Трудности возникают и при оптимизации качества средних дис

тиллятов — реактивного и дизельного топлив. Топлива для реактив

ных двигателей получают преимущественно из прямогонных фракций

нефти. Увеличение ресурсов их производства связано с оптимизацией

(расширением) фракционного состава, температуры начала кристалли

зации и содержания ароматических углеводородов, вязкости и других

показателей качества.

Значительным резервом экономии моторного топлива является ди

зелизация автомобильного транспорта, позволяющая снизить удельный

расход топлива на 25…30 %. Следует, однако, отметить, что проведенные

в последние годы усовершенствования бензиновых двигателей свели

эту разницу к 15…20 %, что обусловило некоторое снижение темпов ди

зелизации транспорта. Тем не менее мировое производство дизелей за

последние два десятилетия непрерывно возрастало в среднем примерно

на 8 млн шт. в год. Так, его потребление в мобильной энергетике США

возросло за период с 1980 по 1990 гг. с 72 до 100 млн т, а в Западной

Европе — с 60 до 80 млн т.

849

Основные тенденции производства автобензинов. Мировое

производство автобензина по состоянию на 2000 г. составило 953 млн

т/год. Предполагается, что несмотря на высокие темпы роста автомо

бильного парка в мире (ежегодно на 10 млн шт.), потребление авто

бензина в ближайшие годы сохранится на нынешнем уровне за счет

существенного повышения топливной экономичности автомобилей,

перевода части автотранспорта на альтернативные источники топли

ва и ускорения дизелизации. Так, в США средний удельный расход

автобензина на личном легковом транспорте уменьшился за период

с 1975 по 1985 гг. с 14,9 до 8,65 л/100 км, т. е. на одну треть. Преду

сматривалось довести этот показатель к 2000 г. до 6 л/100 км. Такое

значительное повышение топливной экономичности автотранспор

та в США, а также в Японии и странах Западной Европы было до

стигнуто благодаря снижению собственной массы автомобиля (за

счет применения легких конструкционных материалов и преиму

щественного выпуска легковых автомобилей малого и особо малого

классов), повышению эффективного КПД двигателя и трансмиссии,

снижению аэродинамического сопротивления кузова, применению

электронных систем контроля, улучшению качества автодорог и т. д.

Главенствующей до последнего времени тенденцией в развитии

производства автобензинов являлось непрерывное повышение их ДС

(в двигателестроении — увеличение степени сжатия), что способство

вало существенному улучшению технико-экономических показателей

эксплуатации транспортных средств. В то время, когда уровень ОЧ вы

пускаемых автобензинов был не столь высок, как в настоящее время,

повышение ДС достигалось относительно легко за счет использования

сравнительно дешевых термодеструктивных процессов и каталитичес-

кого крекинга. Однако для последующего повышения ДС до современ

ного высокого уровня потребовалось развивать в нефтепереработке бо

лее дорогие энергоемкие каталитические процессы, такие как катали

тический риформинг, алкилирование, изомеризация и т. д., в которых,

кроме того, происходит снижение ресурсов автобензинов. Естественно,

затраты на такие процессы в нефтепереработке должны окупаться эко

номией средств потребителей за счет применения высокооктановых

бензинов. Следовательно, оптимальные значения ДС автобензинов

будут определяться уровнем химизации и технологии процессов неф-

тепереработки, а также мировыми ценами на нефть.

Наиболее массовым в России в настоящее время является автобен

зин А-76. В ближайшие годы выпуск А-72 будет полностью прекращен,

и в перспективе будет преимущественно развиваться производство АИ-93

(или АИ-92) и АИ-95.

850

С целью улучшения транспортной обеспеченности населения стра-

ны предусматривается значительное увеличение выпуска автомобилей

преимущественно повышенной топливной экономичности: грузовых

спецмашин меньшей грузоподъемности, легковых среднего (ВАЗ-21-08,

ВАЗ-21-09), малого и особо малого классов («Таврия», «Ока» и др.)

и ряд других мероприятий по оптимизации структуры автопарка.

В связи с ужесточением экологических требований во многих стра

нах мира приняты законодательные акты по запрещению применения

свинцовых антидетонаторов в автобензинах. Современные автомобили

должны удовлетворять жестким экологическим нормам токсичности

выхлопных газов (табл. 9.6), а автобензины и дизельные топлива для

их ДВС должны выпускаться по нормам Европейского союза и США

(табл. 9.7).

Таблица 9.6 – Нормы предельно-допустимых выбросов в странах ЕС

(99 легковых автомобилей весом 1250 кг), г/км

Нормы

Год введения

ЕС (РФ)

Бензиновые двигатели Дизельные двигатели

СО С

CO C

Твердые

частицы

Евро-1

1993

(1999)

2,72 0,97* 2,72 0,97* 0,14

Евро-2

1996

(2006)

2,2 0,5* 1,0 0,67* 0,08

Евро-3

2000

(2008)

1,5 0,17 0,14 0,6 0,06 0,5 0,05

Евро-4

2005

(2010)

0,7 0,08 0,07 0,47 0,05 0,25 0,05

* Сумма С

и NO

Как видно из табл. 9.7, характерной особенностью перспективных

зарубежных бензинов является низкое содержание в них ароматиче

ских углеводородов (<30 %, в том числе бензола <1 %), что считается

признаком высокого качества по таким показателям, как склонность к

нагарообразованию, калильное зажигание, коэффициент равномерного

распределения ДС по фракциям, октановое число смешения, и прежде

всего по экологичности. Низкое содержание ароматических углеводо

родов при высокой ДС бензинов достигается значительно большим, чем

в бывшем СССР, вовлечением в их компонентный состав алкилата и бен

зинов каталитического крекинга, характеризующихся значительным со

держанием высокооктановых изопарафиновых углеводородов (табл. 9.8).