Требования к качеству моторных топлив

В течение длительного периода эксплуатации двигателей внутреннего сгорания на различных видах техники — автомобилях, морских и речных судах, воздушных аппаратах, промышленных и сельскохозяйственных тракторах и т. д. — сформировались определенные требования к качеству моторных топлив в зависимости от их назначения и условий применения. Эти требования

Непрерывно менялись под влиянием совершенствования ДВС, расширения сфер их применения, наличия ресурсов нефти и оказывали определенное, часто решающее значение на развитие процессов и схем переработки нефти. Традиционно ДВС были ориентированы на использование нефтяных топлив, что органически составило триаду «двигатель — топливо— НПЗ». Изменение технико-эксплуатационных параметров двигателей сопровождалось изменением качественных характеристик топлив (и смазочных материалов также), что, в свою очередь, вело к разработке соответствующей технологии производства нефте-лродуктов.

Так, увеличение степени сжатия в карбюраторных двигателях Вызвало ужесточение требований к детонационной стойкости бензинов (росту его октанового числа). Это стимулировало развитие процессов в нефтеперерабатывающей промышленности, целенаправленных на повышение октановых чисел авиационных и автомобильных бензинов — вначале термического, а затем и каталитического риформинга, полимеризации, алкилирования, изомеризации и др. Развитие и техническое совершенствование этих процессов органически связаны с ростом требований к октановой характеристике бензинов. Надежность и долговечность карбюраторных, дизельных и реактивных двигателей в значительной мере зависят от наличия в составе топлив сернистых, азотистых и других гетероатомных природных соединений. Для удаления этих соединений были разработаны и получили широкое распространение процессы гидроочистки топливных фракций — бензиновых, керосиновых, дизельных. В результате гидрооблагораживания снижается содержание гетероатомных соединений и ненасыщенных углеводородов, что повышает химическую и термическую стабильность топлив, надежность и ресурс работы двигателя.

Необходимость оптимизации качества моторных топлив обусловлена также ограниченностью мировых запасов нефти и ростом ее стоимости. Важным фактором являются объемные и структурные изменения в потреблении моторных топлив. Решение проблемы сбалансированности потребления и производства различных видов моторных топлив может быть достигнуто за счет углубления переработки нефти и оптимизации качества моторных топлив. Первое направление является генеральной линией развития нефтеперерабатывающей промышленности и связано с разработкой гибких технологических схем глубокой переработки нефти на основе развития термокаталитических процессов переработки нефтяных остатков. Второе направление связано с изменением тех показателей качества топлив, которые сдерживают увеличение их отбора от нефти (например, фракционный состав, вязкость, температура застывания). Эффективность оптимизации качества моторных топлив будет оправдана, если не вызовет значительных дополнительных затрат в создание и эксплуатацию двигателей и не приведет к ухудшению их топливной экономичности по сравнению с возможным расширением ресурсов производства. В связи с этим под оптимизацией качества моторных топлив следует понимать обеспечение экономически и технически обоснованных требований потребителей к объемам и структуре производства моторных топлив при том уровне качества, которое характеризуется минимальными народнохозяйственными затратами (приведенными и энергетическими) на их производство и применение. Должна также учитываться и экологическая эффективность оптимизации качества, актуальность которой возрастает по мере увеличения загрязнения окружающей среды.

Требования к качеству и эксплуатационным свойствам моторных топлив детально рассмотрены в работах [40, 41], поэтому здесь целесообразно остановиться на перспективных и оптимизационных требованиях, которые возникли за последнее время.

Многие требования к качеству моторных топлив — плотности, вязкости, удельной теплоте сгорания, фракционному, элементному и углеводородному составам — связаны между собой. Для каждого параметра должен быть найден оптимальный уровень, взаимоувязанный с совокупностью всех физико-химических и эксплуатационных свойств товарного моторного топлива.

Важнейшей качественной характеристикой автомобильных бензинов является октановое число. Повышение степени сжатия в двигателях позволяет увеличить их мощность и к. п. д., уменьшить расход топлива. Но повышение мощностных и экономических показателей двигателя возможно лишь за счет увеличения октанового числа бензинов. По данным [41, 42], увеличение октанового числа автомобильного бензина на единицу позволяет снизить его удельный расход в двигателе на 1,3—1,5%, что ведет к улучшению топливной экономичности автомобилей.

В Японии основную долю в потреблении автомобильных бензинов (около 98%) составляет регулярный с октановым числом 90—91 (исследовательский метод); в США на его долю приходится свыше 80%, в то время как в наиболее крупных западноевропейских странах (Англии, Италии, Франции, ФРГ) преобладающую долю в потреблении (80% и выше) составляют премиальные бензины (октановое число по исследовательскому методу 97—99).

С середины 70-х годов ужесточились требования к автомобильным бензинам с позиций охраны окружающей среды. На автомобилях стали устанавливать каталитические дожигатели отработавших газов и начали вводить ограничения по содержанию свинцовых антидетонаторов (ТЭС) в бензинах. Причиной отказа от применения свинцовых антидетонаторов является токсичность образующихся продуктов сгорания и отравление катализаторов дожигателей. Подсчитано, что ежегодно в атмосферу выбрасывается более 250 тыс. т свинца в виде аэрозолей [41].

а США и Западной Европе за последние годы принят ряд законодательных решений, направленных на снижение содержания свинца в бензине и переход на производство и применение неэтилированных бензинов, начиная с 1990 г. [29, 431. В ЕЭС принято также решение [44], регламентирующее предельное содержание кислородсодержащих высокооктановых добавок в товарных бензинах [в % (об.)]:

* Допустимое/макси-мальиое

Этанол 5/5

Метанол с добавкой стабилизатора 3/3

Изопропанол 5II0

трет-Бутанол 7/7

Изобутанол 7/Ю

Эфиры С₅ и выше 10II5

Прочие кислородсодержащие соеди- 7/Ш

нения

Смеси кислородсодержащих соеди- 2,5/3,7

нений (в расчете на кислород)

Требования по предельно допустимой концентрации кислородсодержащих соединений (до 3,7% в пересчете на кислород) совпадают также с требованиями Агентства по охране окружающей среды США о введении нового показателя качества бензинов— индекса летучести. В соответствии с этим требованием максимальное содержание кислорода во всех добавках к бензину не должно превышать 3,7% [45].

Отказ от этилирования бензинов, с точки зрения нефтепереработки наиболее дешевого и энергетически эффективного способа повышения октановых чисел, выдвигает задачу увеличения октановых чисел суммарного бензинового фонда. В США к началу 1990-х годов намечается повысить октановый индекс* бензина с 86,8 до 88,3 пунктов (в пересчете на неэтилированную ос-нову). В Западной Европе средние октановые числа при переходе на неэтилированный бензин должны возрасти с 92,2 до 94,6 (по и.м.), или с 82,1 до 84,7 (по м. м.), в Японии —с 91 до 92 (по и. м.) [43].

Необходимое приращение октановых чисел при отказе от этилирования должно быть обеспечено за счет развития и совершенствования технологических процессов по производству высокооктановых компонентов и применения альтернативных высокооктановых добавок. Капитальные вложения в развитие производства высокооктановых компонентов и альтернативных добавок, необходимые для организации производства^ неэтилированных бензинов, оцениваются для стран Западной Европы в объеме 2,7—5 млрд. долл. [43].

Таким образом, отказ от этилирования бензинов может сопровождаться некоторым снижением октановых чисел товарных бензинов и, как следствие, — снижением требований к топливной экономичности автомобилей. В частности, федеральные власти США снизили требования к топливной экономичности новых автомашин с 11,7 до 11,0 км/л (или с 8,5 до 9,0^II00 км пробега) для моделей не только 1986 г., но, по всей вероятности, и моделей 1987 и 1988 гг., что вызовет пересмотр ранее выполненных прогнозов по снижению потребления бензина [29].

В СССР также последовательно реализуется программа перехода на производство неэтилированных бензинов. В Москве, Ленинграде и курортных зонах запрещено использование этилированных бензинов. Часть нефтеперерабатывающих предприятий страны уже в настоящее время вырабатывают только неэтилированные бензины. Для перехода на производство неэтилированных бензинов в масштабах нефтеперерабатывающей промышленности страны потребуется значительное увеличение мощностей по каталитическому риформингу и крекингу, изомеризации, получению грег-бутилметилового эфира (ТБМЭ), облагораживанию бензинов термических процессов и др.

Более сложной и многоплановой является проблема оптимизации качества средних дистиллятов реактивного и дизельного топлив. Массовые топлива для реактивных двигателей получают преимущественно из прямогонных фракций нефти. Увеличение ресурсов их производства состоит в оптимизации фрак-ционного состава, температуры начала кристаллизации и содер^—жания ароматических углеводородов [47]. Так, для реактивного топлива ТС-1 утяжеление фракционного состава с соответствующим изменением температуры начала кристаллизации приводит к увеличению его отбора, что подтверждается нижеприведенными данными:

Температура начала крис- —55 —50 40

Пр^Ле“^Ивыктания, °С 120-220 120-230 120-255

Выход на нефть, % (масс.) 17,4 19,4 23,4

Вместе с тем с утяжелением фракционного состава реактивного топлива снижается содержание керосиновых фракций в дизельном топливе, повышается температура выкипания 50% (об.) и общий выход дизельного топлива падает. В работе [48] показано, что с увеличением отбора реактивного топлива на 1 % (масс.) выход суммы светлых нефтепродуктов снижается на 0,5% (масс.), а дизельного топлива —на 0,9% (масс.) на нефть. Было проведено исследование экономической эффектив ности оптимизации качества летнего- дизельного топлива за счет изменения следующих показателей качества по ГОСТ 305—82 [49]:

Увеличение Повышение *50%» °^с мм*/с

I вариант До 290 До 7

II вариант До 300 До 8

Показатель по ^280 «с; 6

ГОСТ 305—82

На рис. 2.2 показана зависимость выхода суммы прямогонных светлых нефтепродуктов по отношению к потенциальному содержанию фракций 28—350 °С [51,4% (масс.) на нефть — ноль на оси ординат] от отбора топлива ТС-1 (фракция 115—230 °С с температурой начала кристаллизации минус 60 °С) и изменения требований к качеству дизельного топлива. Для оценки эффективности предлагаемых вариантов оптимизации качества дизельного топлива выполнены технико-экономические расчеты, в которых уменьшение выработки прямогонного дизельного топлива по ГОСТ 305—82 за счет большего отбора реактивного топлива компенсировалось производством дизельного топлива за счет внедрения процесса гидрокрекинга. Результаты приведены ниже (в расчете на 100 млн. т перерабатываемой нефти):

Отбор топлива ТС-1 нефть, % (масс.) Экономический эффект, млн. руб.:	на 0	5	10	15	20
I вариант	83,4	91,9	92,4	98,6	98,5
II вариант	83,4	116,4	141,2	172,3	193,4

Таким образом, проблема рационального «раскроя» средних фракций нефти (реактивного и дизельного топлив) является ключевой для современной нефтепереработки, от ее решения во многом зависит необходимость внедрения дорогостоящих вторичных процессов, прежде всего гидрокрекинга. В работе [47] рассматривается постепенная, в несколько этапов, оптимизация качества дизельного топлива применительно к условиям СССР (табл. 2.1). Авторы приводят обоснование рекомендуемых изменений качества топлива, направленных на расширение ресурсов его производства.

Выпускаемое в СССР дизельное топливо по качеству превосходит зарубежные и даже при реализации I и II этапов оптимизации не будет уступать зарубежным. Так, в США и Великобритании до 357 °С перегоняется 90% (об.) дизельного топлива, в ФРГ, Франции и Италии 85% (об.) перегоняется при 350 °С. В ФРГ вязкость дизельного топлива при 20 °С колеблется в широких пределах 1,8—10 мм²/с, во Франции — не выше 9,5 мм²/с, а вязкость дизельного топлива, вырабатываемого в США, Великобритании, Италии, при температуре 37,8 °С находится в пре-

Рис. 2.2. Выход суммы прямогонных светлых нефтепродуктов В и его изменение ДВ по отношению к потенциалу фракции 28—350 °С в нефти (51,4%) в зависимости от отбора реактивного топлива Л при получении дизельного топлива:

1 — по ГОСТ 305—82; 2 — по ТУ 38.001355—

86; 3, 4 — оптимизированные по I и II ва-риантам качества соответственно делах от 2 до 6 мм²/с. В США допускается применение дизельных топлив с цетановым числом не ниже 40, а в указанных европейских странах— от 45 до 50 [50].

На XI нефтяном конгрессе [51] в качестве перспективных рассматривали два сорта дизельного топлива — высшего для высокоскоростных двигателей и обычного со следующими характеристиками: плотность 820—860 (820—860) кг/м³, цетановое число >45 (30), вязкость 2—8 мм²/с при 20°С (1—6 мм²/с при 40°С), содержание серы не более 0,3 (1,0) % (масс.), золы — <0,01 (0,01)%, температура вспышки >55 (35) °С (в скобках даны показатели обычного топлива).

Производство дизельных топлив можно значительно увеличить за счет вовлечения вторичных газойлей, получаемых при деструктивных процессах переработки нефти — гидрокрекинге,

Таблица 2.1. Изменение качества дизельного топлииа по этапам оптимизации

Характеристика	Показатель по	Этап оптимизации
	ГОСТ 305—82	і	II	III
Фракционный состав, °С: 10% (об.), не ниже				100
50% (об.), не выше	280	290	300	—
90% (об.), не выше	—	360	360	360
96% (об.), не выше	360	—	—	—
Цетановое число, не менее Вязкость при 20 °С, мм2/с	45	45	40	40
	3—6	3—6,5	00 1 со	2—6
Температура вспышки, °С, не ниже: для дизелей общего назначе-	40	40	40	20
ния для тепловозных и судовых	61	61	61	._.
дизелей Температура застывания, °С, не выше: с 1.04 по 1.09	0	0	0	0
с 1.09 по 1.04	—10	—5	—5	—10

каталитическом и термическом крекинге (висбрекинге), коксовании. Плотность, химический состав, вязкостно-температурные характеристики газойлевых фракций этих процессов существенно различны. Наиболее высококачественные дизельные и авиационные топлива получаются при осуществлении процесса гидрокрекинга, а бензины — при каталитическом крекинге. Названные процессы деструктивной переработки характеризуются также различным выходом бензиновых, дизельных и остаточных фракций, что предопределяет, наряду с оптимизацией качества нефтепродуктов, важность оптимизации технологических схем и процессов переработки нефти.

⇐Объемы и структура потребления моторных топлив | Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов | Современные проблемы технологии производства моторных топлив из нефтяного сырья⇒