Переработка тяжелого нефтяного сырья сопряжена с проблемами выбора схемы и вариантов его добычи, подготовки и переработки.
К наиболее распространенным процессам переработки высоковязких нефтей и тяжелых остатков следует отнести процессы коксования, гидрокрекинга и гидроконверсии на наноразмерных катализаторах. Переработка тяжелых нефтей и нефтяных остатков не может быть осуществлена на какой-либо одной установке или с использованием одной технологии. Эффективными способами переработки тяжелых нефтей являются комплексные схемы их переработки.
Наиболее часто используемое сочетание — это гидрогенизационные процессы, процессы коксования и каталитического крекинга. За последние годы в структуре запасов российского углеводородного сырья существенным образом возросла доля трудноизвлекаемых, в том числе тяжелых высоковязких нефтей и природных битумов.
Добыча такого сырья, несмотря на постоянное развитие технологий, растет значительно медленнее, чем его доля в общем объеме запасов углеводородов. Тяжелые нефти и природные битумы характеризуются высоким содержанием ароматических углеводородов, смолисто-асфальтеновых веществ, высокой концентрацией металлов и сернистых соединений, высокими значениями плотности и вязкости, повышенной коксуемостью, что приводит к высокой себестоимости добычи, практически невозможной транспортировке по существующим нефтепроводам и нерентабельной нефтепереработке по классической традиционной схеме.
Производство, транспортировка и переработка тяжелых нефтей ставят перед технологами и инженерами особые задачи, по сравнению с аналогичными процессами для легкой сырой нефти[1]. При компаундировании высоковязких смолистых нефтей с более легкими нефтями или нефтяными фракциями возникают проблемы совместимости, приводящие при транспортировке и хранении к расслоению углеводородного сырья и выпадению асфальто-смолистых веществ или к увеличению вязкости системы за счет набухания асфальтенов[2].
Переработка такого сырья также связана с большими трудностями и сводится, как правило, к двум основным вариантам: доведение сырья до свойств, близких к свойствам традиционных нефтей, и вовлечение его в общий сырьевой поток или разработка индивидуальной схемы переработки такого сырья, что сопряжено с высокими капитальными и эксплуатационными затратами.
Наиболее распространенным процессом глубокой переработки нефтяного сырья, в том числе высоковязких нефтей и тяжелых остатков, является процесс замедленного коксования (рис. 1). При невысоких капитальных и эксплуатационных затратах данный процесс позволяет получить дополнительное количество дистиллятных фракций (товарный продукт — кокс нефтяной) и повысить глубину переработки НПЗ.
Особенно популярным этот процесс становится в периоды снижения цены на нефтяное сырье. Несмотря на определенные трудности с реализацией высокосернистого низкокачественного кокса, в мире вводятся в эксплуатацию новые установки замедленного коксования.
В России в последние годы возрос интерес к процессу коксования. Были запущены в эксплуатацию УЗК на НПЗ ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез», АО «ТАНЕКО» и АО «Антипинский НПЗ». Это повлияло, в том числе, на снижение доли мазута в продуктовой корзине до 18% в 2017 году и на увеличение глубины переработки нефти в России до 82,0%.
Альтернативой процессам по выделению углерода являются процессы, связанные с насыщением продукции водородом — гидрогенизационные процессы. На сегодняшний день это самые востребованные технологии для переработки тяжелого остаточного сырья, позволяющие, в отличие от процесса замедленного коксования, получать сразу более качественные продукты.
Одним из первых процессов по переработке остаточного и тяжелого сырья была освоена технология гидрокрекинга в стационарном слое катализатора, требующая наличия обязательной предварительной стадии деметаллизации, характеризующаяся невысокими показателями экономической эффективности.
Установки гидрокрекинга в трехфазном кипящем слое, процессы H-Oil, LC-fining, T-Star, предназначены для переработки тяжелых нефтяных остатков (мазутов, гудронов и др.), но в промышленном масштабе были реализованы в небольшом количестве. Это связано с высокими капиталовложениями, большим расходом дорогостоящего катализатора и сложностью поддержания его постоянной активности.
Поддержание постоянной активности осуществляется периодическим вводом в систему свежего катализатора и выводом из системы равновесного. Усовершенствование процесса гидрокрекинга H-Oil путем дополнения системы ступенью деметаллизации дает возможность подвергать гидрокрекингу тяжелое сырье с высоким содержанием никеля и ванадия, что было осуществлено в результате исследований фирмы Hydrocarbon Research совместно с фирмой Cities Service.
Компания UOP предлагает технологию Uniflex с использованием суспензионного катализатора на основе железа для получения 70–80% масс. жидких дистиллятов, из которых после гидрооблагораживания получают компоненты моторных топлив и сырье для процесса каталитического крекинга.
В России на НПЗ ОАО «ТАИФ НК» в Нижнекамске на стадии ввода в эксплуатацию находится процесс суспензионного гидрокрекинга Veba Combi Сrасking (VCC) мощностью 3,7 млн тонн, лицензируемый компанией KBR. Для России это опробование новой, практически инновационной технологии. Кинновационным российским технологиям следует отнести технологию гидроконверсии тяжелых остатков на ультрадисперсных катализаторах (процесс Russian Slurry Hydro conversion), разработанную ИНХС РАН им. А.В. Топчиева и реализуемую в настоящее время на НПЗ АО «ТАНЕКО» в виде опытно-промышленной установки мощностью 50 тыс. тонн в год.
В основе технологии гидроконверсии лежит принципиально новый подход к синтезу катализатора, что позволяет кардинально изменить промышленную переработку тяжелого нефтяного сырья. Главная особенность нового подхода — отказ от применения носителей при синтезе катализатора. Наноразмерные частицы катализатора формируются из обращенной эмульсии прекурсора катализатора непосредственно в реакционной среде in situ. Технология гидроконверсии по инициативе технологической платформы «Глубокая переработка углеводородных ресурсов» и при поддержке Минэнерго РФ получила статус национального проекта. Вместе с тем следует отметить, что капитальные затраты на тонну гудрона при переработке тяжелого нефтяного сырья путем использования процесса замедленного коксования, с учетом процессов переработки дистиллята коксования, примерно в два раза ниже, чем при переработке гудрона с использованием гидрогенизационных процессов.
Так, например, по усредненным данным, затраты на переработку одной тонны сырья на установке замедленного коксования составляют порядка 12600 руб./тонну, а при использовании процесса Veba Combi Cracking аналогичные затраты составят уже 24100 руб./тонну[5]. Таким образом, в России активно разрабатываются и внедряются, в том числе, и инновационные технологии, направленные на переработку тяжелого нефтяного сырья и получение продукции высокого качества. Российская технология гидроконверсии гудрона является одной из самых эффективных и может решить вопросы переработки тяжелых нефтей и нефтяных остатков в России.
Успешное внедрение всего спектра рассмотренных технологий в отечественной промышленности возможно только при активном развитии российского инжиниринга и объединении усилий вузов, исследовательских организаций и проектных институтов с компаниями и бизнесом.