Раздел 2. Источники возобновляемой нетрадиционной энергетики

Нафта – це винятково корисна копалина, яка має як високі енергетичні характеристики, так і унікальні особливості сировини для органічного синтезу. Вона відрізняється від інших горючих копалин відносною простотою переробки у високоякісні паливні та змащувальні матеріали і сьогодні залишається основною сировиною для їхвиробництва.  Нафта, що отримується безпосередньо із свердловин, називається сирою. У різних галузях промисловості застосовуються як сира нафта, так і продукти її переробки.

З давніх часів люди прагнули отримати із сирої нафти речовини, необхідні для тих або інших цілей. Згідно з деякими джерелами, першу перегонку нафти здійснив римський лікар Касій Фелікс. У 1723 р. до Москви за наказом Петра I привезли світлу бакинську нафту. Вона була піддана перегонці в Головній московській аптеці з метою виготовлення лікарських бальзамів.

У 1745 р. архангельський купець Федір Прядунов побудував на Ухті перший у світі нафтоперегінний завод. На ньому в результаті примітивної перегонки із сирої нафти отримували освітлювальну рідину (гас). До 1000 пудів її щорічно відправляли до Москви. Але у той час вона не знайшла великого попиту.

У 1823 р. завод з перегонки нафти спорудили недалеко від фортеці Моздок на Кавказі брати Дубініни. Вони отримували світлу прозору освітлювальну рідину – фотоген (грецьк. «фотос» – світло, «геннао» – народжувати, виробляти), а в залишку після перегонки залишалася густа брудно-чорна рідина. Її називали арабським словом «макзулат» (покидьок), яке із часом перетворилося в «мазут». За світлою освітлювальною рідиною – гасом – згодом закріпилася назва «керосин» (від англійського «кересин»), під якою її пізніше стали постачати до Росії з Америки. Перегонка нафти на заводі братів Дубініних здійснювалася таким чином. У піч був вмазаний казан з мідною кришкою. З кришки була виведена мідна трубка в бочку з водою. При підігріванні нафти виділялася пара. Потрапляючи через мідну трубку в бочку з водою, пара охолоджувалася і перетворювалися на гас. Як тільки гас темнів, топку гасили, а густий залишок – мазут – викидали. Із 40 відер нафти отримували 16 відер гасу. 20 відер залишалося в казані у вигляді мазуту, чотири відра «вигоряли»–втрачалися в процесі переробки.

Більш вдосокналений і великий нафтоперегінний завод з виробництва гасу був побудований у 1859 р. В. А. Кокарєвим недалеко від Баку. У 1863 р. на завод для консультацій був запрошений Д. І. Менделєєв. Під його наглядом було налагоджено очищення нафти і виробництво з неї гасу. У 1880 р. в районі Баку було вже близько 200 гасових заводів. На базі цих заводів у 1898–1906 рр. було побудовано найбільший на той час у світі гасопровід Баку – Батумі довжиною 883 км, з діаметром труб 200 мм і пропускною спроможністю 0,9 млн. т на рік.

Перший нафтопереробний завод в Україні було побудовано в 1859 році в місті Дрогобич. Він згорів, а на цьому самому місці у 1863 році побудували новий. Саме 1863 рік вважають початком промислової переробки нафти в Україні.

У 1879 р. при консультації Д. І. Менделєєва недалеко від Ярославля був побудований перший у світі завод з виробництва мастил з мазуту. А в 1882 р. під Москвою за проектом Д.І. Менделєєва була побудована установка безперервної дії з переробки нафти.

Спочатку при перегонці нафти залишалася невикористаною і легша, ніж гас, фракція. Більша частка її випускалася в атмосферу, в море, спалювалася або зливалася в спеціальні поглинаючі колодязі. Ця легша фракція нафти отримала назву «бензин» (спотворене арабське слово «любензаві» – горюча речовина). Наприклад, у 1902 р. тільки на нафтоперегінних заводах Грозного було спалено близько 70 000 т бензину. Впродовж майже ста років легкозаймистий бензин залишався найнебезпечнішим відходом переробки нафти. Частково він домішувався до гасу, внаслідок чого останній вибухав і спалахував у світильниках. Тому в другій половині XIX ст.

нафтопромисловці витрачали великі суми на організацію конкурсів з розробки способів знищення «диявольської домішки до гасу».

У даний час з нафти і природного газу шляхом складної багатоступінчатої переробки виробляється безліч складових частин.

Починається цей багатостадійний процес з первинної переробки нафти. При первинній переробці сиру нафту очищують від пластової води, домішок неорганічних речовин і т. ін. Потім очищену нафту піддають прямій перегонці на сучасних установках (мал. 8.18).

На першому етапі перегонка здійснюється в умовах атмосферного тиску. При нагріванні нафти до 250°С википають вуглеводні, що відносяться до бензинової і лигроїнової фракцій. У межах температур 250–315°С виділяються керосиново-газойлеві фракції, а при 300–350°С – масляна (солярова) фракція.

Залишок – мазут – довго вважався непотрібним відходом перегонки нафти. Потім його почали використовувати як паливо. А пізніше з нього шляхом подальшої перегонки навчилися виділяти бензинові, гасові й масляні фракції. Для виділення з мазуту масляних фракцій необхідна досить висока температура – до 400–500°С, при якій масла починають розкладатися. Щоб уникнути цього, перегонку мазуту проводять у вакуумних установках при тиску 8–18,6 кПа. В умовах вакууму рідини киплять при нижчій, ніж в нормальних умовах, температурі. Щоб виділити масляні фракції у вакуумі, досить підігріти мазут (або нафту) до 300–400°С. Після виділення з мазуту масел залишається гудрон. Найбільш важкі масла, що містяться в ньому, видобуваються потім за допомогою розчинників, а залишок переробляють для отримання дорожніх та інших бітумів.

Мал. 8.18. Технологічна установка на сучасному нафтопереробному заводі

Методи переробки важких залишків перегонки нафт розвивалися і удосконалювалися у міру розширення попиту на гас, бензин та інші нафтопродукти. Ще в 1875 р. асистент Петербурзького технологічного інституту А.А. Лєтній встановив, що при дії на важкі нафти високої температури утворюються леткі продукти (бензин). У 1885 р. в Баку була побудована установка для отримання гасу шляхом нагріву нафтових залишок.

У міру бурхливого розвитку автомобілебудування у всьому світі швидко зростав попит на бензин. Та кількість бензину, яку отримували простою перегонкою, вже не задовольняла потреби в ньому. У сирій нафті, що отримується із свердловин, вміст бензинових фракцій невеликий (в середньому 10–15%). Тому вчені досліджували можливість отримання додаткового бензину з мазуту.

У 1890 р. знаменитий російський винахідник В. Г. Шухов запропонував оригінальний спосіб розщеплювання вуглеводневих складових частин мазуту і отримання світлих нафтопродуктів, завдяки чому сьогодні близько 60% всього бензину добувається з мазуту. Цей спосіб отримав назву «термічний крекінг» (англ. «крекінг» – розщеплювання). Він заснований на переробці мазуту і важкої нафти при високій температурі (450–550°С) без доступу повітря. При такій температурі починають розщеплюватися високомолекулярні вуглеводні, що мають довгі ланцюжки вуглеводневих радикалів. Молекули граничних (парафінових) вуглеводнів розриваються переважно в середині ланцюга з утворенням одного граничного і одного неграничного вуглеводнів.

Володимир Григорович ШуховВолодимир Григорович Шухов (1853– 1935) – геніальний інженер ХХ ст., чиї винаходи і дослідження набагато випередили свій час і на десятиліття вперед змінили напрям розвитку науково-технічного прогресу. У наш час його включено до списку ста видатних інженерів усіх часів і народів і навіть у цьому списку він по праву може займати перші рядки. Вражає уяву просте перерахування сфер його діяльності. За системою Шухова було створено парові котли, нафтоперегінні установки, трубопроводи, резервуари для зберігання нафти, керосину, бензину, спирту, кислот та ін., насоси, газгольдери, водонапірні башти, нафтоналивні баржі, доменні печі, металеві перекриття цехів і громадських споруд, хлібні елеватори, залізничні мости, повітряно-канатні дороги, маяки, трамвайні парки, заводи-холодильники, дебаркадери, ботопорти, міни і т.д. У 1880 році В.Г. Шухов вперше у світі здійснив промислове факельне спалювання рідкого палива за допомогою удосконаленої ним форсунки, яка дозволяла ефективно спалювати і мазут, котрий вважали раніше відходами нафтопереробки. Він виконав розрахунки і керував будівництвом першого в світі нафтопроводу від Балаханських промислів до Баку. У 1891 році Шуховим була розроблена і запатентована промислова установка для перегонки нафти з розкладанням на фракції під дією високих температур і тисків. Вона вперше передбачала здійснення крекінгу в рідкій фазі.

Мал. 8.19. Установка каталітичного риформінгу на Кременчуцькому нафтопереробному заводі

У результаті зазначених реакцій в процесі крекінгу відбувається збагачення нафти легшими вуглеводнями, що входять в бензинову фракцію. Отримуваний таким чином бензин отримав назву «крекінг-бензин». Він дещо відрізняється за складом від бензину прямої перегонки, але цілком придатний як моторне паливо для автомобілів.

При термічному крекінгу отримують не тільки додаткову кількість бензину, але й інші цінні нафтопродукти, які йдуть на подальшу переробку для отримання різних нафтохімічних продуктів.

Термічний крекінг проводиться при температурі 450–550°С і підвищеному тиску (від 2 до 7 МПа). У 1918 р. академік М. Д. Зелінський розробив спосіб отримання бензину з важких залишків нафти, названий «каталітичним крекінгом». Каталізатори – речовини, що прискорюють протікання реакцій, але не беруть участь в них. Прискорення крекінгу нафти у присутності каталізатора дозволило отримувати бензин при нижчій температурі, ніж в умовах термічного крекінгу, і тиску, близькому до 0,1 МПа.

Моторне паливо карбюраторних двигунів внутрішнього згоряння при згорянні зазнає детонації (від латин. «детонаре» – гриміти). Це надзвичайно швидкий, такий, що наближається до вибуху, процес горіння паливної суміші, який порушує нормальну роботу мотора. Стійкість бензинів до детонації прийнято оцінювати умовним показником – октановим числом. Для його визначення випробовуваний бензин порівнюється за стійкістю до детонації з еталонним зразком палива – ізооктаном. Детонаційна стійкість ізооктану прийнята за 100. Октанове число палива чисельно дорівнює процентному (за об'ємом) вмісту ізооктану в такій його суміші з гептаном (легко детонуючим), яка еквівалентна за детонаційною стійкістю досліджуваному паливу.

Звичайний автомобільний бензин, що отримується при прямій перегонці нафти, має невисокі антидетонаційні властивості. Його октанове число складає 60–70. Для поліпшення антидетонаційних властивостей бензинів прямої перегонки їх переробляють в умовах каталітичного крекінгу. Така переробка бензину називається риформінгом. За допомогою каталітичного риформінгу низькооктанові бензини перетворюються на високооктанові (мал. 8.19).

При прямій перегонці нафти, термічному і каталітичному крекінгу, крім бензину, гасу і масел, утворюються також важкі залишки. Вони представлені різними сортами мазуту, гудрону і крекінг-залишками. Частина цих залишків використовується як котельне паливо, а також для отримання бітумів. Інша частина піддається додатковій переробці з метою отримання бензину та інших легких фракцій. Для переробки важких залишків застосовується спосіб, що називається коксуванням. Важкі нафтові залишки розщеплюються при високій температурі, внаслідок чого утворюються газ, бензинова і газойлева фракції і в залишку – нафтовий кокс, що є твердою пористою речовиною сріблисто-сірого кольору, яка складається з чистого вуглецю і зольної частини вугілля.

Переробка гасових та інших фракцій прямої перегонки нафти і крекінгу при температурі 650–700°С і вище називається піролізом (грецьк. «пірос» – вогонь, «лізис» – розкладання). Піроліз протікає при атмосферному тиску. У результаті цього процесу отримують газ піролізу, а також ароматичні вуглеводні (бензол, толуол та ін.) і смоляний залишок. У даний час піроліз має значення як спосіб отримання газоподібних неграничних вуглеводнів і в першу чергу етилену – вихідної сировини для полімерів, а також пропілену й ацетилену.

Природний газ також спочатку піддається очищенню від пари води і домішок сірководню. Потім з нього виділяється пара бензину, тобто найбільш летючих рідких вуглеводнів – пентану, гексану, гептану і т.ін. Цей процес називається відбензинюванням газу. На відміну від бензину, що отримується з нафти, такий бензин стали називати газоліном. Потім з природних газів виділяють граничні газоподібні вуглеводні, використовувані надалі як сировина для отримання різних нафтохімічних продуктів.

Деякі неграничні вуглеводні – етилен, пропілен і т. ін. – отримують також шляхом піролізу етану та інших граничних газоподібних вуглеводнів. Вуглеводневі газові суміші, що виділяються при крекінгу або піролізу природних газів, називаються пірогазом.

Всі отримувані із сирої нафти нафтопродукти розділяються на дві групи: 1) такі, що направляються на безпосереднє споживання (бензин, гас, дизельне паливо, масла, котельно-пічне паливо, кокс і т.ін.); 2) використовувані як сировина для нафтохімії і ті, що направляються на подальшу переробку.

Роль нафти і природного газу як вихідної сировини для хімічної промисловості унікальна. У даний час більше третини загального об'єму продукції світової хімічної промисловості виробляється з нафтогазової сировини. На основі нафтових вуглеводнів виникло виробництво синтетичного каучуку, етилового спирту, пластмас, синтетичних волокон і матеріалів, миючих засобів і ряду інших продуктів.

Найбільше застосування в даний час продукти переробки нафти і природного газу знаходять в паливно-енергетичній галузі промисловості. Широко використовуються високооктанове бензинове паливо, гасове, дизельне, реактивне рідке паливо, мазут, газоподібне і тверде паливо, добавки до моторного палива, масла і консистентні мастила, антифриз, ізоляція і т.ін.

Гас, що використовувався раніше лише в гасових лампах, гасницях і примусах, зараз йде в основному на приготування реактивного палива.

У перші роки появи перегонки нафти, як вже зазначалося, довго не знаходили застосування мазут і бензин. Мазут спалювався у спеціальних земляних коморах як непотрібні відходи. В окремих випадках його використовували для змащування осей і коліс возів. У 70-х роках XIX ст. були зроблені спроби спалювати мазут в топках парових котлів, але вони не дали відчутних результатів, оскільки він дуже погано горів, давав мало тепла і дуже багато сажі.

У 1866 р. О. І. Шпаковський винайшов форсунку з паровим розпилюванням для спалювання мазуту. Її істотно удосконалив в 1880 р. В. Г. Шухов. У результаті вже наприкінці XIX ст. мазут знайшов широке застосування як паливо в парових котлах фабрик і заводів. Д. І. Менделєєв першим запропонував перевести на нафтове паливо і морський флот. У 1887 р. на Чорному морі були проведені випробування такого палива на міноносцях «Сова» і «Лука», які дали вельми позитивні результати.

Використання мазуту замість вугілля на флоті мало багато важливих переваг. Поперше, мазут володіє майже в півтора рази вищою теплотою згоряння у порівнянні з кращим вугіллям. По-друге, він займає мало місця при зберіганні і, згораючи, не дає ніяких твердих залишків. Перехід флоту на мазут дозволив значно збільшити час перебування суден в морі без заходу в порти завдяки скороченню маси і об'єму палива. Якщо на вугільному паливі корабель міг бути в плаванні тільки 15 днів, то при використанні мазуту той же корабель став плавати, не заходячи в порт, 50 днів. Напередодні першої світової війни англійці перевели з вугілля на мазут близько половини свого флоту. Тільки завдяки цьому потужність британського флоту збільшилася на одну третину, хоча не було побудовано жодного нового корабля. З того часу мазут широко застосовується як паливо в суднових, котельних, стаціонарних газотурбінних та інших установках.

Промислове використання бензину було зумовлене появою карбюраторного двигуна внутрішнього згоряння. Перший двигун внутрішнього згоряння, що працює на бензині, був винайдений у 1879 р. російським винахідником Огнеславом (Ігнатієм) Костовичем. Перші автомобілі з карбюраторним двигуном побудовані Г. Фордом в 90-х роках XIX сторіччя. З широким розповсюдженням автомобільного, а потім і повітряного транспорту раніше нікому не потрібна «диявольська домішка до гасу» перетворилася на незамінний і цінний продукт. Бензин характеризується дуже високою теплотою згоряння. Споживання його стало винятково швидко зростати. У 1914–1915 рр. бензину було використано вже більше, ніж гасу. У 1896 р. у світі були чотири автомобілі, а нині тільки кількість легкових автомобілів обчислюється сотнями мільйонів. Сьогодні автомобільний бензин складає майже половину світових витрат нафтопродуктів.

Природний газ як паливо в багатьох сферах споживання цілком може замінити нафту, а часто він ефективніший і зручніший у використанні. Вперше природний газ став застосовуватися як паливо для парових котлів і кухонних вогнищ у 70-х роках минулого сторіччя в штаті Пенсільванія (США). Потім його почали використовувати в металургії при доменних процесах.

Широке застосування природного газу почалося біля півстоліття тому. Нині жодна галузь не розвивається так швидко, як газова. Природний газ використовується для виробництва електроенергії на електростанціях, а також як паливо в металургійній промисловості, в котельних, в побуті й т.ін. У чорній металургії 1 м3 природного газу економить 0,9–1,3 кг більш дорожчого коксу. Переведенню теплоелектростанцій, котельних і промислових підприємств на природний газ надається більша перевага, ніж використанню у цих цілях нафти і, тим паче, вугілля, з огляду на забруднення довкілля.

Зараз з використанням природного газу виробляється основний об'єм чавуну, сталі, цементу і мінеральних добрив. Відносно новою сферою використання природного газу є автомобільний транспорт, де він застосовується як моторне паливо замість традиційних нафтових (мал. 8.20).

Будь-який горючий матеріал при згорянні виділяє певну кількість тепла. Нафта має найвищу теплоту згоряння: 1 кг нафти при спалюванні дає стільки ж тепла, скільки можна отримати при спалюванні 1,3 кг антрациту або 3,1 кг бурого вугілля, або 3,3 кг торфу, або 3,4 кг дров, або 7 кг горючих сланцев.

Енергетичний напрям у використанні нафти і природного газу до цього часу залишається головним у всьому світі. Нафта і горючі гази є основою паливно-енергетичних балансів промислово розвинених країн. Частка нафти в світовому енергобалансі складає більше 438%, природного газу – 24%.

Мал. 8.20. Автомобільна газонаповнювальна компресорна станція, м. Київ