Переработка природных битумов

Природные битумы — это составная часть горючих ископаемых. К ним относятся естественные производные нефти, образующиеся при нарушении консервации её залежей в результате химического и биохимического окисления, например асфальты, кериты, мальты, озокериты и др. Добычу проводят главным образом карьерным или шахтным способом (Битуминозные пески). Искусственные (технические) битумы — это остаточные продукты переработки нефти, каменного угля и сланцев. По составу сходны с природными битумами. Битум с давних пор является одним из наиболее известных инженерно-строительных материалов. Его адгезионные и гидрофобные свойства использовались уже на заре цивилизации. Природные битумы — это составная часть горючих ископаемых. К ним относятся естественные производные нефти, образующиеся при нарушении консервации её залежей в результате химического и биохимического окисления, например асфальты, кериты, мальты, озокериты и др. Добычу проводят главным образом карьерным или шахтным способом (Битуминозные пески). Искусственные (технические) битумы — это остаточные продукты переработки нефти, каменного угля и сланцев. По составу сходны с природными битумами. Битум с давних пор является одним из наиболее известных инженерно-строительных материалов. Его адгезионные и гидрофобные свойства использовались уже на заре цивилизации. В составе природных битумов выделяют классы мальт, асфальтов, асфальтитов и керитов, различающиеся по консистенции и содержанию масел. Основные скопления битумов по составу подразделяют на высокосернистые с переменным содержанием кислорода и высококислородные в большинстве случаев с незначительным содержанием серы. Первые представлены классами мальт, асфальтов и асфальтитов, а вторые — керитами.

По своей природе и свойствам к природным битумам тесно примыкают тяжелые (высоковязкие) нефти, которые при применении обычных скважинных методов добычи не могут быть извлечены из недр или извлекаются с предельно низкими коэффициентами нефтеотдачи. Тяжелые (высоковязкие) нефти рассматриваются как переходное звено между нефтями и битумами.

Единый стандарт на классификацию тяжелых природных углеводородов не выработан, но на практике в качестве основных классификационных параметров, по которым разграничиваются обычные, тяжелые нефти и природные битумы, используют, как правило, плотность, вязкость и. содержание масел Природные битумы и тяжелые нефти отличаются от обычных нефтей не только повышенными плотностью и вязкостью, но и высоким содержанием серы и металлов и повышенной коксуемостью. Извлеченный из породы битум при 20 °C представляет собой полутвердую массу, а при 150 °C он превращается в густую жидкость, которая становится текучей при дальнейшем нагревании. Такие свойства битумов затрудняют их перекачку по трубопроводам и требуют предварительного облагораживания на месте добычи. Получаемая при этом, так называемая, синтетическая нефть может поставляться для дальнейшей переработки на действующие или специально создаваемые нефтеперерабатывающие предприятия. Затраты на облагораживание составляют около 50% стоимости синтетической нефти. Около 30% энергии, содержащейся в добываемом битуме, расходуется на его отделение от породы и облагораживание.

Опыт промышленной эксплуатации установок облагораживания природных битумов имеется только в Канаде. На предприятии «Suncor» получение синтетической нефти из битума месторождения Атабаска проводится по схеме, показанной на рис.

Таблица 2. Характеристика нефтей и природных битумов

Добытая в карьере горная масса подвергается дроблению и экстракции горячей водой, паром и раствором щелочи. Далее для обеспечения подвижности битум нагревается и смешивается с широкой бензиновой фракцией. Последняя после центрифугирования смеси возвращается в процесс смешения. Извлеченный же битум подвергается замедленному коксованию. Получаемый при этом сернистый кокс используют как энергетическое топливо, а смесь жидких продуктов коксования, выход которых достигает 79% на исходное сырье, разделяют на бензиновую, керосино-газойлевую и тяжелую газойлевую фракции. Они проходят раздельную гидроочистку и вновь смешиваются, образуя синтетическую нефть. Эта нефть имеет вязкость 3 мм/с, плотность 865 кг/м, температуру застывания — 45 °C, коксуемость 0,2% (масс.) и содержит 0,1% (масс.) серы и 0,04% (масс.) азота. Для нее характерно относительно низкое содержание бензиновой фракции-18% (масс.) при высокой доле среднего дистиллята [47% (масс.).]. Такое соотношение считается благоприятным для дальнейшей переработки в связи с тенденцией дизелизации автомобильного транспорта.

На комплексе «Suncrude» технологическая схема переработки битума в целом аналогична схеме предприятия «Suncor». Отличие заключается в том, что вместо замедленного коксования здесь используется коксование в псевдоожиженном слое с последующей газификацией кокса по технологии процесса «Флексикокинга». При этом выход синтетической нефти на исходный битум достигает 85% (масс.) при выходе балансового кокса 10% (масс). Преимуществом «Флексикокинга», помимо более высокого выхода жидких продуктов, является возможность превращения кокса в газ с теплотой сгорания 3,7−4,8 МДж/м.

Рисунок 2. Схема производства синтетической нефти из природных битумов 1-дробилка; 2 — экстрактор; 3 -вибросита; 4 — первичный сепаратор; 5 — вторичный сепаратор; б — центрифуга; 7 — колонна отгонки широкой бензиновой фракции; 8 — установка замедленного коксования; 9 — фракционирующая колонна; 10 -установка гидроочисткн; 11−13 — емкости очищенных фракций; I — битумосодержащая порода; IIгорячая вода; IIIпар; IVщелочь; Vотработанная порода и вода; VIбитум; VIIжидкие продукты коксования; VIIIкокс; IX. — газ; Xбензиновая фракция; XI-XII — легкая и тяжелая газойлевые фракции соответственно; XIII-XVIочищенные газ и жидкие фракции; XVIIсера; XVIIIсинтетическая нефть на переработку.

После удаления сероводорода газ можно использовать в качестве энергетического топлива, не загрязняющего окружающую среду. Вместе с тем самому процессу присущ повышенный выброс диоксида серы, достигающий 3,2 кг/м перерабатываемого битума.

В целях повышения выхода и улучшения состава синтетической нефти, а также снижения выбросов SО2 предлагается включить в состав комплекса «Syncrude» процесс гидрокрекинга части выделенного из породы битума. Получаемый экстракцией битум содержит около 1,5% (масс.) твердых частиц и 300 мг/кг металлов и его нельзя использовать в качестве сырья гидрокрекинга, проводимого на стационарном катализаторе. Поэтому предлагается процесс осуществлять в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора, в котором возможны непрерывные отвод и подача последнего. В качестве наиболее оптимального варианта рекомендуется гидрокрекинг с относительно низкой степенью конверсии битума (55−65%). При этом остаток гидрокрекинга должен направляться на существующую установку «Флексикокинг» в смеси с битумом, что обеспечивает существенное снижение суммарных выбросов диоксида серы и понижает содержание серы в коксе .

Возможным вариантом получения синтетической нефти может быть гидрокрекинг битума без комбинирования с коксованием или другими процессами. При этом отпадает необходимость в гидроочистке дистиллятов, образующих синтетическую нефть, но расход водорода на процесс высок. Например, гидрокрекинг природного битума Татарии проводился на лабораторной установке при 450 °C и 3 МПа в присутствии алюмокобальтмолибденового катализатора, рециркулята и разбавителя. Содержание фракций, выкипающих до 350 °C, в продукте процесса составило 78% (масс.) против их потенциала в исходном сырье не более 26,7% (масс); содержание серы снизилось с 4,0 до 0,38% (масс), расход водорода составил 2,4% (масс.) на исходное сырье .

Предложен вариант переработки природных битумов с использованием процесса, аналогичного термическому растворению углей. В этом процессе, получившем название DRB («Dоnоr Refined1 Вitumen»), от битума предварительно отгоняют содержащиеся в нем дистиллятные фракции, а остаток с температурой кипения выше 500 °C смешивают с растворителем-донором водорода. В качестве последнего используют циркулирующий продукт процесса, который предварительно гидрируют для восстановления донорной способности. При температуре 410−460 °С и давлении 3,5−5,5 МПа степень конверсии вакуумного остатка битума в более легкие продукты достигает 70% (масс). При смешении этих продуктов с легким отгоном битума получается синтетическая нефть, которая не содержит остаточных фракций. Расход водорода в этом процессе составляет 53,5 м на 1 м³ битума.

Технико-экономические расчеты по основным процессам получения синтетической нефти из природных битумов Атабаски показали, что капитальные вложения для их сооружения примерно одинаковы. Но применение только гидрокрекинга требует более высокого расхода водорода и привлечения значительных ресурсов природного газа или другого углеводородного сырья для его получения. При действующих в настоящее время внутрисоюзных ценах на нефть себестоимость 1 т товарной продукции из природных битумов, получаемой коксованием в псевдоожиженном слое или гидрокрекингом, будет превышать себестоимость такой же продукции из обычной нефти соответственно на 17,5 и 19,8 руб. .

3. Технико-экономические показатели процессов переработки природных битумов Атабаски.

Свойства синтетической нефти, получаемой из природных битумов, позволяют использовать для ее переработки различные технологические схемы. Для этой нефти характерно высокое содержание циклических структур, особенно, ароматических соединений, которые сконцентрированы в средних дистиллятах п газойле. Этим объясняется низкое содержание в ней водорода и высокая плотность при отсутствии тяжелых остаточных фракций.