книги / Технология глубокой переработки нефти и газа

1.6.2. Развитие угольной промышленности

Примитивная добыча угля известна с древнейших времен (Ки­ тай, Греция). Существенную роль в качестве топлива уголь стал иг­ рать в Англии в XVII в. Месторождения углей в России известны уже несколько столетий. Самые древние из них - Донецкий (1721), Подмосковный (1722) и Кузнецкий (1722). Первые угольные шахты появились в районе Кизела на Урале, затем на Украине в районе Лисичанска.

Большую роль сыграл в развитии угольной промышленности Донецкого бассейна Д.И. Менделеев. В 1888 г. он совершил трехме­ сячную поездку в Донецк и разработал мероприятия по развитию угледобычи и создания на Юге России металлургической и судостро­ ительной промышленностей на базе донецкого угля, криворожской и керчинской железной руды. Затем в 1889 г. он совершил многоме­ сячную поездку по Уралу и Западной Сибири и предложил тщатель­ но обоснованные мероприятия по развитию угольной и металлурги­ ческой промышленностей, а также по сооружению железных дорог, необходимых для снабжения топливом металлургических заводов.

В 1913 г. Россия добывала каменного угля всего 29 млн т, из них 87% приходилось на долю Донецкого бассейна. Однако в результате гражданской войны к 1920 г. добыча угля сократилась до 8,7 млн т.

Разработка и комплексное использование топливно-энергетичес­ ких ресурсов бывшего СССР осуществлялись вначале в соответствии с планом ГОЭЛРО (1920 г.), затем - Энергетической программой страны. Для обеспечения быстро развивающейся промышленности топливом ускоренными темпами увеличивалась добыча угля во «все­ союзной кочегарке» - Донецком бассейне, в Подмосковье, а также началось интенсивное развитие его добычи в богатейших угольных бассейнах Урала, Западной Сибири (Челябинский, Кузнецкий, Ир­ кутский, Канско-Ачинский и др.) и Казахстане (Карагандинский). В 1940 г. добыча угля в стране достигла 166 млн т. Энергетическая программа (ЭП), осуществление которой было рассчитано на 20 лет в 2 этапа (1980-1990 и 1990-2000 гг.), определяла научно обоснован­ ные принципы, главные направления и важнейшие мероприятия по расширению энергетической базы и дальнейшему качественному со­ вершенствованию топливно-энергетического комплекса страны. На первом этапе сохранился высокий уровень добычи нефти, угля и уско-

41

ренное развитие добычи газа и ядерной энергетики. На втором эта­ пе предусматривалось обеспечить стабилизацию добычи нефти, до­ вести добычу газа до максимального уровня с последующей стаби­ лизацией. Дальнейший рост энергетических ресурсов планировал­ ся главным образом за счет производства ядерной энергетики, добы­ чи угля - преимущественно открытым способом, а также использо­ вания возобновляемых источников энергии. Существенное увеличе­ ние добычи угля открытым способом предусматривалось за счет разработки уникальных угольных месторождений Восточной Сиби­ ри, Крайнего Севера и Дальнего Востока (Экибастузский, КанскоАчинский и др.). Однако разразившийся экономический кризис, рас­ пад СССР, а также тяжелая авария на Чернобыльской АЭС нега­ тивно отразились на выполнении ЭП.

1.6.3. Развитие нефтеперерабатывающей промышленности

Первый в мире нефтеперегонный завод для превращения «чер­ ной» нефти в «белую» путем перегонки в кубах периодического типа был построен крепостными крестьянами - братьями Дубиниными

в1823 г. вблизи г. Моздока. Получаемый при этом дистиллят (фотоген) был впоследствии назван керосином. Легко испаряющийся го­ ловной продукт перегонки - бензин и тяжелый остаток - мазут сжи­ гали в «мазутных» ямах, так как не находили применения. В 1869 г.

вБаку было уже 23 нефтеперегонных завода, а в 1873 г. - 80 заводов, способных вырабатывать 16 350 т керосина в год. Полученный керо­ син по Каспийскому морю и Волге вывозили в северные районы Рос­ сии и в страны Ближнего Востока.

В1876 г. по методу, разработанному Д.И. Менделеевым, в Балахне впервые в мире было организовано промышленное производ­ ство смазочных масел из мазута перегонкой в вакууме или в токе водяного пара. Нефтяные масла стали вытеснять животные жиры и растительные масла из всех отраслей техники. Русские минераль­ ные масла широко экспортировались за границу и расценивались как самые высококачественные. После изобретения в 1876 г. В.Г.Шуховым форсунки ранее сжигавшийся мазут стали применять как цен­ ное топливо для паровых котлов, применявшихся в различных от­ раслях промышленности и судоходстве. Нефтеперегонные заводы появились и в других странах в 40-х гг. XIX в.: Д. Ю нг начал пере­

42

гонку нефти в 1848 г. в Англии, в 1849 г. С. Кир - в Пенсильвании (США). Во Франции первый завод построен в 1854 г. А.Г. Гирном. В 1866 г. Д. Юнг взял патент на способ получения керосина из тяже­ лых нефтей перегонкой под давлением, названной крекингом.

Непрерывная перегонка нефти в кубовых батареях, разрабо­ танная А.А. Тавризовым, была осуществлена в 1883 г. на заводе бра­ тьев Нобель в Баку. На этих кубах были установлены дефлегмато­ ры, устроенные в виде двух цилиндров, вложенных один в другой. В 1891 г. В.Г. Шухов и С.П. Гаврилов разработали аппарат для кре­ кинг-процесса (проводимого при повышенных температурах и дав­ лениях). Они впервые предложили нагрев нефти осуществлять не в кубах, а в трубах печи при вынужденном ее движении - прообраз современных трубчатых установок непрерывного действия. Их на­ учные и инженерные решения были повторены У.М. Бартоном при сооружении крекинг-установки в США в 1915-1918 гг.

Изобретение в последней четверти XIX в. двигателя внутреннего сгорания (бензинового и дизельного) и применение его во многих от­ раслях промышленности и на транспорте способствовали новому ка­ чественному скачку в развитии нефтепереработки. Бензин, ранее не находивший применения, стал одним из важнейших продуктов, уве­ личение производства которого требовало роста добычи нефти и со­ вершенствования технологии ее переработки. С развитием дизельно­ го двигателя появилась необходимость в дизельном топливе, являю­ щемся промежуточной фракцией нефти между керосином и мазутом.

К 1917 г. нефтеперерабатывающие предприятия России были со­ средоточены в основном на Кавказе: в Баку их было 53, в Грозном - 6. Больше половины добывающих и перерабатывающих нефть пред­ приятий принадлежала иностранному капиталу.

В 1828 г. нефтяная и нефтеперерабатывающая промышленнос­ ти бывшего СССР завершили восстановительный период, вызван­ ный последствиями гражданской войны. Началось интенсивное стро­ ительство новых нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ). Большое народнохозяйственное значение имело открытие месторождений нефти и газа в Волго-Уральской нефтегазоносной области. С целью приближения Н П З к центрам потребления нефтепродуктов были построены заводы в Ишимбае, Уфе, Саратове, Краснодаре, Орске, Одессе, Херсоне и Хабаровске. Взамен устаревших кубовых бата­ рей на НПЗ внедрялись высокопроизводительные трубчатые уста­ новки прямой перегонки нефти (производительностью 500-600 тыс.

43

тв год), термического крекинга мазутов, производства авиационных

иавтотракторных масел. В годы Великой Отечественной войны 1941

-1945 гг. нефтеперерабатывающая промышленность обеспечивала фронт и тыл горючими и смазочными материалами.

Впослевоенный период нефтеперерабатываю щ ая промыш­ ленность страны развивалась быстрыми темпами (пропорциональ­ но темпам нефтедобычи), непрерывно повышались технический уро­ вень и объемы производства. В 1951 г. были превзойдены довоенные показатели. Были построены и освоены НПЗ и нефтехимические комбинаты. Если до 1966 г. единичные мощности установок по пер­ вичной переработке нефти достигали 1-2 млн т в год, то в последую­ щие годы вводились преимущественно высокопроизводительные, в т.ч. комбинированные установки мощностью 2-3 и 6 млн т в год. Увеличение объема переработки нефти (до 475 млн т в 1987 г.) сбпровождалось существенным повышением качества нефтепродук­ тов: преимущественным становится выпуск малосернистого дизель­ ного топлива, высокооктанового бензина, смазочных масел с эффек­ тивными присадками.

Впредвоенный период нефтяная промышленность развивалась вместе со всей экономикой страны ускоренными темпами. Наряду с ростом добычи нефти в старейших нефтяных регионах - Баку и Грозном - быстро росла ее добыча и в других регионах. Одновремен­ но развивалась и нефтепереработка (табл. 1.13,1.14).

Таблица 1.14

Объемы переработки нефти в бывшем СССР в 1.932—40 гг. (млн т)

Впредвоенные годы были построены 14 новых НПЗ (в Батуми, Ухте, Саратове, Туапсе и Орске в 1931-35 гг., Ишимбае, Уфе, Красно­ даре, Хабаровске, Одессе, Херсоне, Бердянске и Москве в 1936-40 гг.).

Вгоды Великой Отечественной войны многие южные НП З были эвакуированы в восточные районы страны (в Сызрань, Красноводск, Гурьев, Комсомольск-на-Амуре, Пермь). Интенсивному развитию

44

нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленностей в военные и послевоенные годы способствовали открытие и освоение крупных месторождений нефти в Урало-Поволжье. Так, Ишимбайский НПЗ был пущен в 1936 г., всего через год после начала промышленной добычи нефти на востоке страны. На этом НПЗ впервые в промыш­ ленных масштабах была освоена технология переработки сернистых нефтей. В 1938 г. вступил в эксплуатацию Уфимский крекинг-завод - крупнейший в то время и оснащенный передовой в мире техноло­ гией химической переработки сернистых, а затем и высокосернис­ тых нефтей Урало-Поволжья.

Велика роль бакинских, грозненских и восточных Н П З в воен­ ные годы по обеспечению фронта и тыла страны топливом для само­ летов, танков и других боевых и гражданских транспортных машин.

Нефтепереработка страны в послевоенные годы (1945-1970 гг.) получила дальнейшее значительное развитие строительством еще ряда новых мощных НП З в следующих городах: Салавате, Уфе (два), Самаре (два), Волгограде, Рязани, Омске, Ачинске, Ангарс­ ке, Киришах, Новополоцке и Мозыре (Белоруссии), Кременчуге (Украине). С открытием новых крупнейших месторождений не­ фти в Западной Сибири были расширены мощности старых заво­ дов и построены новые Н П З в Лисичанске (Украине), М ажейкяйе (Литве), Павлодаре и Чимкенте (Казахстане), Чарджоу (Туркме­ нии) и др.

Велика роль в изучении химии углеводородного сырья и разра­ ботке методов его переработки отечественной науки. Традиционно высокий уровень научных исследований русских ученых в области химии нефти позволил создать теоретические основы и разработать эффективные технологические процессы переработки нефти. Клас­ сикой стали такие научные труды наших ученых, как «Научные ос­ новы переработки нефти» Л.Г. Гуревича, «Крекинг в жидкой фазе» А.Н. Саханова и М.Д. Тиличеева, «Избирательные растворители в переработке нефти» В.Л. Гурвича и Н.П. Сосновского, «Химичес­ кий состав нефтей и нефтепродуктов» (коллектива работников ГрозНИИ), «Производство крекинг-бензинов» К.В. Кострина, «Химия нефти» С.С. Н аметкина, «Введение в технологию пиролиза» А.Н. Буткова, а также учебники по технологии переработки нефти, написанные А.Ф. Добрянским, С.Н. Обрядчиковым, Н.И. Черножуковым, И.Л. Гуревичем и Е.В. Смидовичем. Классические работы в области химии и технологии нефти были выполнены Н.Д. Зелинс­

45

ким, В.Н. Ипатьевым, Б.А. Казанским, С.С. Наметкиным, Б.Л. Мол­ давским, К.П. Лавровским, Д.И. Орочко, А.В. Фростом, Н.А. Несме­ яновым, А.Д. Петровым, С.Р. Сергиенко и Р.Д. Оболенцевым. Фун­ даментальные работы по химизму и механизму термических и ката­ литических процессов переработки нефти и нефтехимии выполнены Н.Н. Семеновым, А.А. Баландиным, С.З. Рогинским, Ф.Ф. Волькенштейном, Г.К. Боресковым, Г.М. Панченковым и др.

Вопросы

1.К акие отрасли промы ш ленности входят в топливноэнергетический комплекс (ТЭК)?

2.Перечислите области применения горючих ископаемых в народном хозяйстве.

3.Укажите негативное воздействие ТЭК на окружающую среду.

4.Расскажите, каковы будут последствия для экономики страны

ибыта людей при прекращении добычи и переработки нефти, например, в связи с забастовкой нефтяников?

5.Каковы мировые извлекаемые запасы нефти, природного газа

итвердых горючих ископаемых?

6.Сколько уникальных в мире и в России месторождений нефти, газа и угля можете назвать?

7.Назовите 10 наиболее крупных стран мира по извлекаемым запасам нефти, газа и угля.

8.Какова динамика мировой добычи нефти, газа и угля за послевоенный период?

9.Назовите 10наиболее крупных нефте-, газо- и угледобывающих стран мира.

10.В каком году добывалось максимальное количество нефти в мире? Укажите причины снижения объемов ее добычи в последующие годы.

11.Примерно на сколько лет хватит извлекаемых запасов нефти н газа в мире при современных темпах их добычи?

12.Какова обеспеченность России энергоресурсами ?

13.Укажите объемы добычи нефти, газа и угля в России за последние 10 лет.

14.П еречислите страны м ира с развитой ядерной и

46

Глава 2

СОВРЕМ ЕННЫ Е ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОИСХОЖДЕНИИ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫ Х

За долгое время может произойти лишь то, что наиболее вероятно.

Эрнест Каан

Проблема происхождения горючих ископаемых непосредствен­ но связана с нерешенными до настоящего времени глобальными воп­ росами происхождения нашей планеты в целом, в том числе ее по­ лезных ископаемых, а также возникновения жизни на Земле. Она всегда привлекала и продолжает привлекать глубокий интерес мно­ гих ведущих химиков, геологов, биологов, астрономов, физиков, эко­ логов, философов и других представителей различных наук во всех странах мира. Естественно, раскрытие сокровеннейших тайн при­ роды, связанных с химической эволюцией Земли с момента ее за­ рождения до сегодняшних дней, позволило бы вести целенаправлен­ ный, следовательно, более эффективный поиск полезных ископае­ мых и рационально использовать их на благо всего человечества. Можно надеяться, что в результате начатых ныне интенсивных хи­ мических исследований будут раскрыты в ближайшем будущем мно­ гие из важнейших тайн Вселенной. Тем самым принятые на воору­ жение современные гипотезы о происхождении горючих ископаемых, в том числе нефти и природного газа, превратятся в весьма полез­ ные для практики научно обоснованные теории, обладающие высо­ кой прогнозирующей способностью.

2.1. Основы геохимии

Геохимия - наука, изучающая химический состав Земли, распро­ страненность в ней химических элементов, закономерности распре­ деления их в различных геосферах, законы поведения, сочетания и

48

миграции (концентрации и рассеяния) элементов в природных про­ цессах. Она является одной из теоретических основ поисков полез­ ных ископаемых.

По современным космическим представлениям Земля как пла­ нета образовалась около 4,7 млрд лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газопылевого вещества. В результате дифферен­ циации вещества Земли под действием ее гравитационного поля и разогрева ее недр (за счет тепла ядерных превращений) возникли и затем развились различные по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам оболочки - геосферы: ядро (в центре), мантия, кора (литосфера), гидросфера, атмосфера и маг­ нитосфера.

Первичная гидросфера (океан) образовалась путем конденсации паров мантийного материала и представляла собой кислый раствор, из НС1, HF, Н3В 03, Si02. В воде были растворены сернистый ангид­ рид, метан и углекислота.

Первичная атмосфера в основном состояла из углекислоты, к которой были подмешаны пары воды, аммиак, метан и в малых ко­ личествах инертные газы.

Ландшафт первых сухопутных участков земли был типично вул­ канический с крупными кратерами от бомбардировки метеоритами. Большие плоские пространства были покрыты вулканическими ко­ нусами. Обширные площади между вулканами занимал сравнитель­ но неглубокий океан, в котором в виде островов поднимались цепи вулканических конусов. Климатические пояса, подобные современ­ ным, отсутствовали. Отсутствовал также в атмосфере озонный пояс. Первыми составными частями земной коры были лавы и массы рых­ лого материка вулканического пепла. За счет выветривания этого материала возникли механические осадки.

Решающее влияние на эволюцию всех сфер Земли, прежде все­ го на биосферу, оказали зарождение и последующее интенсивное развитие фотосинтеза зеленых растений, затем возникновение жи­ вых организмов. Развитие фотосинтеза приводило к выделению боль­ ших количеств свободного кислорода в гидросфере, затем в атмос­ фере и накоплению массы живого вещества сначала в океане, потом и на суше. Поглощаемый фотосинтезом углекислый газ постепенно убывал в атмосфере Земли. Аммиак и метан практически полнос­ тью исчезли из атмосферы в результате окисления. Земная атмо­ сфера приобретала качественно новый, близкий к современному азот-

49

но-кислородный состав с небольшим количеством углекислого газа. Подобные процессы с изменением химического состава происходи­ ли как в морской воде, так и горных породах Земли. В морской воде в результате ускорения окислительных процессов кислоты превра­ тились в соли металлов (хлориды, сульфаты натрия, калия, кальция и т.д.). С изменением pH морской воды менялись формы осаждения многих металлов (Fe, Мп, Си и др.). В кислородной среде они начали осаждаться преимущественно в высших стадиях окисления. Возрос­ шая масса живого вещества приводила к накоплению органическо­ го вещества в осадочных породах. Формировались морская, затем наземные флора и фауна. Происходил не только количественный рост биомассы, но и усложнение ее качественного состава. Эволюциони­ ровали новые виды организмов, использующие для построения внут­ реннего и внешнего скелета некоторые минеральные вещества, та­ кие, как Si02, CaC03, M gC03 и др. В планетарном масштабе фотосин­ тез - это мощный процесс, вовлекающий в кругооборот огромные массы вещества Земли. С химической точки зрения, фотосинтез пред­ ставляет собой окислительно-восстановительную реакцию превра­ щения зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганиз­ мами (ферментами и др.) лучистой энергии Солнца в энергию хими­ ческих связей органических веществ:

hv

т С О , + пН ,0 хлорофилл >Ст(Н20)„ +тОг.

Фотосинтез - единственный из всех типов химических реакций (термических, каталитических, ферментативных, радиационных и фотохимических), позволяющий при мягких термобарических пара­ метрах биосферы осуществить невероятную, с точки зрения термо­ динамики химическую реакцию, протекающую с увеличением сво­ бодной энергии. Он обеспечивает прямо или косвенно доступной химической энергией все земные организмы и, как будет показано ниже, является источником образования горючих ископаемых. Об­ ратный фотосинтезу процесс представляет собой знакомую всем нам химическую реакцию горения твердых, жидких и газообразных го­ рючих ископаемых с выделением большого количества энергии. Следовательно, растительный и животный мир, а также органичес­ кие горючие ископаемые Земли есть не что иное, как аккумулиро­ ванная энергия Солнца! Н а современном этапе эволюции Земли ежегодно в результате фотосинтеза образуется 150 млрд т органи­

50