В Омске на основе технологии ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения РАН» в рамках национального проекта началось строительство завода по производству катализаторов гидрокрекинга и гидроочистки нефти с объемом выпуска 21 тыс. тонн в год и стоимостью около 30 млрд руб. (инициатором нацпроекта выступило ПАО «Газпром нефть»).
Площадь внутренней поверхности одного грамма таких гранул — больше двухсот квадратных метров
Фото: Евгения Бобаткова / Институт катализа СО РАН
Площадь внутренней поверхности одного грамма таких гранул — больше двухсот квадратных метров
Фото: Евгения Бобаткова / Институт катализа СО РАН
Первая в мире технология нефтепереработки — крекинг — принадлежит Дмитрию Ивановичу Менделееву. Его знаменитая фраза «Нефть — не топливо, топить можно и ассигнациями» как раз об этом. Первые технологии такого рода были основаны на простом нагреве нефти. Но с середины XX века прогресс в этой области стали определять каталитические процессы, которые сегодня являются основой глубокой переработки нефти.
Современный бензин подобен винегрету: в его состав входят разные компоненты. В нем уже практически нет прямогонных, извлеченных из сырой нефти фракций. Когда говорят о глубине переработки нефти более 50%, то речь идет не о простой перегонке и даже не о каталитическом крекинге 30-х годов (в США — с 1937 года, в СССР — с 1944 года). А уж если глубина переработки больше 90%, то это самые современные технологии, а именно гидрокрекинг тяжелой части нефтяного сырья.
— Тяжелые фракции обычно составляют примерно половину от исходного нефтяного сырья,— пояснил заместитель директора Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН Александр Носков.— Отсюда и высокие энергозатраты и повышенные расходы на их переработку. Каждое производство решает эту проблему с помощью разнообразных ноу-хау, в которых именно каталитические технологии играют главную роль. От них зависит характер химической реакции, ее скорость, а в итоге — количество и качество полученного продукта. Наиболее высокотехнологичные и дорогостоящие процессы переработки топлив происходят с участием водорода — гидрокрекинг и гидроочистка.
Технологии с приставкой «гидро»
— Если не вдаваться в технологические нюансы, вся вторичная нефтепереработка построена на двух основных подходах: для получения топлив из тяжелого нефтяного сырья нужно либо убрать избыточный углерод — коксование, либо добавить недостающий водород — гидропроцессы,— пояснил Александр Носков.— В результате получается автомобильное топливо (бензин), авиационное топливо (керосин) либо дизельное топливо (солярка).
За разработку катализатора для омского завода ученые Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН получили премию правительства России
Убрать углерод — это трудоемкий, но достаточно простой процесс. А вот добавить водород — это сравнительно новая технология, которая начала развиваться в России в 90-е годы XX века. Правда, небольшие региональные компании зачастую не обременяют себя новыми технологиями и работают по принципу «снять сливки и слить остатки обратно в нефтепровод», ограничиваясь простейшим выделением светлых фракций (как в самогонных аппаратах) с дальнейшим повышением октанового числа за счет специальных добавок. После этой процедуры все остальные предприятия получают из того же нефтепровода утяжеленный состав нефти, и для них появление качественных российских катализаторов для нефтепереработки имеет огромную актуальность. Речь идет о технологиях с приставкой «гидро».
Сложно конкурировать на мировом уровне, когда все свое производство построено на импортных технологиях. Россия впервые за 30 лет решила пойти в стратегической отрасли производства катализаторов по пути развития отечественных технологий. Катализаторы для нового завода «Газпром нефть» разрабатывают в Омске и Новосибирске — в Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН. Они нужны для разных стадий переработки тяжелых фракций нефти. Каждый катализатор отвечает за определенный процесс, происходящий внутри химического реактора.
При гидрокрекинге (приставка «гидро» означает, что расщепление тяжелых фракций нефти идет при участии водорода) получается высокий выход (80%) дизельного топлива и керосина, а остальное превращается в бензин (15%) и моторные масла (5%). Без водорода крекинг дешевле, но и менее эффективен. После «безводородного» крекинга образуется высокооктановый бензин и сырье для нефтехимии (пропилен, например), а после гидрокрекинга — авиационный керосин и дизельное топливо. Установок гидрокрекинга в России не более десятка, и все импортные, как и катализаторы для них.
Первый и единственный
В мире заводы по производству катализаторов для переработки тяжелых фракций нефти строят не чаще чем раз в 10–20 лет. Даже у крупных нефтяных компаний, которые занимаются и добычей, и переработкой, не у всех есть свои производства катализаторов. Стран, владеющих катализаторными технологиями, меньше, чем стран, владеющих атомным оружием. И одна из них — Россия.
Создание таких предприятий — это целый комплекс работ, в котором каждую из частей должна выполнять профильная организация. Если работы ведутся силами одного предприятия, то это обычно многопрофильный холдинг, где за каждый этап отвечает отдельная компания. Причем в этой цепи достаточно лишь одного импортного звена, чтобы вся система стала уязвимой и зависимой. Затраты на катализаторы в нефтепереработке составляют десятые доли процентов, но все определяет не цена, а качество, долговечность и доступность самостоятельного развития технологии.
Для получения топлив из тяжелого нефтяного сырья нужно либо убрать избыточный углерод — это коксование, либо добавить недостающий водород — это гидропроцессы
Технология инкогнито
В 90-е годы вся нефтепереработка в России перешла на импортные катализаторы. Зарубежные компании откровенно демпинговали, и бороться с ними отечественным производителям было не под силу. На одной из научных конференций представители зарубежной компании открыто заявили нашим разработчикам, что не пустят российские катализаторы на наш собственный рынок. Прежние руководители предприятий еще помнят поразившие их воображение истории начала 2000-х годов, когда при возникновении проблемы на производстве им приходилось вызывать представителя иностранной компании. Тот приезжал на завод, подключал ноутбук к автоматизированному импортному оборудованию, скачивал какие-то данные и уходил в гостиницу. Наутро приходил и закачивал что-то обратно в пульт управления, после чего установка выходила на рабочий режим. Даже высококвалифицированные заводские инженеры не понимали, что это было и в чем вообще суть неполадки. Все производство зависело от доброй воли компании-поставщика. Теоретически она имела возможность даже удаленного воздействия — вплоть до вывода оборудования из строя или провоцирования аварий.
Экология без шума
От экологических проблем, вызванных выхлопными газами, погибает больше людей, чем в ДТП. В начале 1990-х Россия стала единственным государством, выполнившим Хельсинкское соглашение (1986 года), которое предусматривало снижение выбросов диоксида серы в атмосферу к 1993 году на 30%. Россия даже перевыполнила этот показатель, тогда как остальные страны-участники снизили выбросы в атмосферу лишь на несколько процентов.
В те же годы Россия полностью отказалась от использования тетраэтилсвинца. Это металлоорганическое соединение, по токсичности не уступающее боевым отравляющим веществам, используется для повышения октанового числа бензина. Российские производственники и ученые очень быстро обеспечили его замену другими октаноповышающими веществами. Без шума и эпатажа за короткий срок была решена более чем серьезная экологическая проблема.
Сегодня применение гидроочистки позволяет производить моторные топлива стандарта «Евро-5». Содержание серы в топливах за четверть века снизилось почти в 50 раз, а эмиссия сернистых выбросов от автотранспорта уменьшилась даже с учетом беспрецедентного роста российского автопарка.
Двести метров в грамме
Заместитель директора Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, доктор технических наук, профессор Александр Носков взял со стола пластиковую банку с крошечными белыми шариками оксида алюминия и снял с нее крышку. Шарики были такими мелкими, что слипались из-за статического заряда и казались почти невесомыми.
Размер шарика — около 1 мм, но внутри он пористый и весь пронизан нанометровыми каналами, так что площадь внутренней поверхности 1 г таких шариков больше 200 кв. м. Всю эту поверхность покрывают слоем активного компонента катализатора, который «включает» нужную реакцию переработки нефтяного сырья. Просачиваясь в гранулы и взаимодействуя там с водородом, темная нефтяная фракция (мазут) становится все светлее и в итоге превращается в качественный дорогой продукт. Объясняя студентам-химикам, почему внутри миллиметрового шарика можно организовать поверхность в десятки метров, профессор привычным движением сминает в руке газетный разворот, наглядно демонстрируя превращение квадратного метра газеты в бумажный комок.
Можно сделать внутреннюю площадь и в 300 кв. м, но слишком тонкие и извилистые каналы будут менее проницаемы для нефти. Оптимальная площадь поверхности — не более 200 кв. м на 1 г, а в некоторых случаях и десятки метров. Впрочем, не менее важна и чистота материала катализатора.
Россия впервые за 30 лет в стратегической отрасли производства катализаторов пошла по пути развития собственных технологий
Нефтепереработку можно сравнить с конструктором, из которого собирают различные технологические схемы для переработки разных типов сырья и получения требуемых продуктов. И если вы закупаете импортные инструменты, вы не можете решать новые задачи. Например, проблему снижения температур. Все производства топлив в мире борются за снижение температуры в реакторе, поскольку от нее зависит качество продукта и длительность работы катализатора. Чем ниже температура, тем меньше в продукте нежелательных примесей и больше срок эксплуатации катализатора. Причем на передовом фронте науки борьба идет за несколько градусов — даже такое снижение может дать заметный технический и финансовый эффект.
Внутри реактора — слоеный пирог из катализаторов
Если вы когда-нибудь видели вышки нефтеперерабатывающих реакторов, вы наверняка были впечатлены их размерами. Это трубы диаметром пять метров, высотой в пятнадцать этажей, с толстыми полуметровыми стенками из нескольких слоев высоколегированной стали и весом полторы тысячи тонн. А внутри — гранулы с катализатором. Они неподвижны и расположены друг над другом послойно, практически полностью заполняя реактор. Нефтяное сырье подается сверху в смеси с водородосодержащим газом, и после прохождения слоя катализатора из полученной реакционной смеси выделяют уже готовое топливо.
На самом верху в реакторе насыпан защитный слой из крупных частиц с сорбирующими свойствами. В нефтяном сырье могут присутствовать каталитические яды (мышьяк, кремний, ванадий), и если не защитить от них нижние слои, содержимое реактора — и катализаторы, и нефтепродукты — будет испорчено. Защитный слой работает как барьер, поглощающий либо разлагающий каталитические яды. Внизу в реакторе расположены механические частицы — крупные керамические шарики, затем все мельче и мельче, чтобы мелкие гранулы с катализатором не просыпались вниз. Собственно, гранулы с катализатором наполняют все пространство между нижним и верхним слоем. Это многотонные слои для различных каталитических процессов. Если процесс оптимизирован, реактор может работать на одних и тех же катализаторах десятки месяцев. Но параметров оптимизации много, чем и объясняется нескончаемая гонка в разработке лучших катализаторов: с самым большим сроком службы, с самым высоким выходом продукта, с минимальным экологическим вредом сгорания полученного топлива.
Рецептура катализаторов будет совершенствоваться каждые три-четыре года
Гидрокрекинг — это одно из самых опасных производств, оно требует жесткого контроля, поскольку процессы в реакторе идут с большим выделением тепла, а водород находится под давлением до 200 атмосфер. При таких условиях он взрывоопасен даже при комнатной температуре и обладает способностью проникать сквозь многие материалы и малейшие неплотности. Поэтому большое значение имеют конструкция и материалы стенок реактора. Отсюда и миллиардные расходы на создание установок гидрокрекинга, но они окупаются за считаные годы из-за существенной разницы в ценах вакуумного газойля (темной части нефти) и бензина, авиационного керосина, дизельного топлива.
«Газпрому» — от Российской академии наук
Разработчики не без гордости признают, что проект «Газпром нефти» — это не программа только ради импортозамещения. Важно было создать конкурентный продукт, лучше мировых аналогов. Рецептура катализаторов будет совершенствоваться каждые три-четыре года. Более того, через каждые несколько лет после отработки партии катализатора он будет подвергнут стопроцентной реактивации, то есть получит вторую жизнь, что обойдется в два-три раза дешевле, чем покупка новой партии. Это не уникальная идея, и она уже реализована на многих зарубежных производствах, но технология, разработанная сибирскими химиками, не имеет аналогов.
Строительство завода в Омске на основе разработок научного академического института, который одновременно выполняет и отраслевую функцию,— это первый и пока единственный прецедент в России
Это не единственное ноу-хау на строящемся производстве. Общее число патентов, которыми защищены технологии будущего завода в Омске, составляет несколько десятков. Причем многие из них могут по праву называться передовыми. Основой разработки новых катализаторов послужили многолетние фундаментальные исследования, в том числе по проектам федеральной целевой программы Минобрнауки России «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России».
Уже через год на будущем заводе начнутся пусковые работы. Для их проведения необходимы профильные кадры, хотя бы с лабораторным опытом разработки катализаторов. Для практического освоения технологий несколько лет назад в Институте катализа создали отдельную лабораторию катализаторов нефтепереработки, где сегодня работают около трех десятков специалистов возрастом около 30 лет. Многие молодые ученые, аспиранты, специализирующиеся в области катализаторов, сегодня готовы заниматься производственными технологиями. В этой ситуации научные институты становятся кузницей кадров для крупных производств, как когда-то эту функцию выполняли отраслевые вузы.
— С одной стороны, нам, конечно, жалко терять специалистов, которых мы сами вырастили для своих целей,— поясняет профессор Александр Носков.— Но с другой — это собственный выбор научной молодежи, а нам отрадно смотреть, как молодые аспиранты уверенно руководят сложным производством и как с их приездом туда решаются многие вопросы и все начинает работать.