Экологичное судовое топливо
ENVIRONMENTALLY FRIENDLY SHIP FUEL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к способам и устройству для производства топлива с очень низким содержанием серы из сырой нефти, остаточных масел нефтепереработки и другого загрязненного жидкого нефтяного сырья. Топливо с очень низким содержанием серы, изготовленное по настоящему изобретению, особенно экономически эффективно для крупных морских грузовых транспортных судов, вырабатывающих электроэнергию на борту судна, и для больших береговых турбин, работающих на продуктах сгорания газа, вырабатывающих электроэнергию на суше.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является предложение решения давней и хорошо известной сложной экологической проблемы, нерешенной ранее, заключающейся в том, что когда суда «в открытом море» сжигают дешевое низкосортное тяжелое бункерное топливо и другие тяжелые нефтяные остатки с высоким содержанием серы, азота и металлов, то оксиды серы, азота и металлов попадают в окружающую среду. Такие выбросы в атмосферу происходят во всем мире, не считаясь с национальными географическими границами.
В докладах различных сторонних организаций отмечается, что некоторые глобальные выбросы в атмосферу выхлопных газов, производимые в результате сжигания в море таких видов тяжелого топлива, предназначенных для водного транспорта, во много раз превышают общемировые выбросы, образующиеся в результате сжигания бензина береговым транспортом и в результате сжигания дизельного топлива транспортом, работающим на дизельном топливе. Такое сжигание топлива в море приводит к выбросам в атмосферу оксидов серы, окислов азота, углекислого газа, сажи и вредных металлов. Береговой транспорт включают легковые автомобили, грузовые автомобили и другие виды автомобилей, многие из которых в настоящее время используют обязательное к применению "дорожное топливо" с очень низким содержанием серы. Таким образом, даже если транспортировка такими крупными судами и эффективна, исходя из концепции «перевозка груза в 1 тонну на расстояние в 1 милю» и исходя из потребления топлива, то реальность такова, что такие суда производят крупные выбросы в атмосферу выхлопных газов.
Реализация определенных ключевых положений, предписывающих судам обязательно использовать для сжигания экологически более чистое судовое топливо, зависит от наличия достаточного количества такого топлива. Но как можно требовать выполнения того, что невыполнимо или неосуществимо, ни с технической, ни с экономической точки зрения, а решение все же необходимо.
Например Международная морская организация (ИМО), учреждение Организации Объединенных Наций, издает положения, касающиеся международного судоходства. ИМО стремится к сокращению выбросов в атмосферу выхлопных газов путем установления более строгих предельных уровней содержания серы в судовом топливе, признавая при этом технические ограничения. ИМО потребовала, чтобы судовое топливо, сжигаемое после 2011 года в открытом море, имело содержание серы, не превышающее 3,50% по массе (например, топливо, сжигаемое за пределами определенных Зон контроля за содержанием серы в выбросах (ЕСА), включая 200 морских миль от берегов Соединенных Штатов, Европы и некоторых других районов). В 2015 году ИМО пересмотрела свои положения о предельном содержании серы в судовом топливе, которое, как правило, должно быть менее 0,1% для торговых судов в пределах зон, обозначенных ЕСА.
Однако с 2020 года и в дальнейшем ИМО снова собирается снизить предельное содержание серы в судовом топливе, сжигаемом в открытое море, до 0,50% по массе. Однако, как отмечает ИМО, такое энергичное снижение в 2020 году зависит «от результатов изучения доступности требуемых видов топочного масла, который должен быть завершен к 2018 году», и она предлагает возможность отсрочки такого снижения до 2025 года, если требуемые виды топлива не доступны. См. положения о загрязнении воздушной среды в морском судоходстве в Конвенции по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ), Приложение VI.
Таким образом, существует реальная вероятность возникновения существенной проблемы, связанной с недостатком поставок судового топлива с низким содержанием серы и отсутствием технологии для получения таких поставок. Например, отраслевое издание в 2015 году заявило, что «существуют планы по уменьшению допустимого содержания серы в топливе до уровней, ниже уровней [2014], требуемых для Зон контроля за содержанием серы в выбросах…», но на это потребуются годы, поскольку существующая технология сделала бы затраты на такие цели непомерно высокими для многих судоходных компаний. Данное издание далее заявляет, что «из-за дополнительных затрат и возможных механических проблем, эти положения постоянно пересматриваются, и для реализации применяются поэтапные подходы», поскольку многие судовые двигатели не предназначены для работы на газойле с низким содержанием серы, потому что он намного более жидкий, чем тяжелое топочное масло, и он не имеет смазочных свойств, присущих тяжелому топочному маслу. Компании используют различные обходные пути, чтобы заставить двигатель работать, например, охлаждение топлива для увеличения вязкости или впрыскивание дополнительной смазки в некоторые части двигателя.» В сервисе «Quora» опубликована статья под названием «Правда ли, что 15 крупнейших судов в мире производят больше загрязнений, чем все автомобили?» (Is it true that the 15 biggest ships in the world produce more pollution than all the cars?) Джосаи Тоепфера (Josiah Toepfer), сотрудника Управления береговой охраны, инспектора по судам/аудитора, следователя по расследованию аварий.
Еще одним примером является, что, в 2015 году, положения ИМО снизили максимальное содержание серы в судовом топливе до 0,1% серы для торговых судов в пределах зон, обозначенных ЕСА. Перед вхождением в ЕСА суда должны переходить с дешевого тяжелого бункерного топочного масла с высоким содержанием серы, сжигаемого в открытом море, на недорогое топливо с низким содержанием серы, сходное с дизельным топливом. Снижение содержания серы в топливе в пределах ЕСА с максимального значения 1,00% по массе (для топлива, используемого после 1 июля 2010 года) до 0,10% по массе для топлива, используемого после 1 января 2015 года, создало проблемы для рынка поставок и цен. Производство и поставка такого топлива для использования в морском судоходстве в соответствии с положениями ИМО конкурирует с потребностями в дистиллятном топливе для применения на автомагистралях и для других применений дизельного топлива на берегу, и смещает имеющиеся предпочтительные сырьевые потоки, а также существующее устройство для нефтепереработки и системы поставок нефтяного сырья, далеко от использования на автомагистралях дизельного топлива и других дистиллятов с низким содержанием серы. Также, на борту судна возникают и другие технические вопросы.
Что касается снижения содержания серы, в соответствии с ИМО 2015, в пределах зон, обозначенных ЕСА, Береговая охрана Соединенных Штатов выпустила предупреждения о том, что «суда, использующие топливо с более высоким содержанием серы, должны переходить на топочное масло с ультранизким содержанием серы (ULS), чтобы соответствовать» новым положениям. Суда должны использовать топочное масло ULS по возвращении из плавания и при выходе в море, в доке, и в любое время в пределах зон, обозначенных ЕСА, таким образом, для каждого судна, которое использует топочное масло с более высоким содержанием серы, требуется разработка и реализация переходных процедур для замены нефтяного остатка на дистиллятное топливо перед вхождением в ЕСА. Береговая охрана также предупредила о том, что «имеются многие другие важные технические вопросы, связанные с использованием топочных масел с ультранизким содержанием серы и переходом на топочные масла, указанные в документах, подготовленных классификационными обществами, страховщиками, производителями двигателей и профессиональными ассоциациями», и что «энергосодержание данного объема топочного масла ULS может отличаться от остаточного топлива, в результате чего существующие параметры работы двигателя могут не дать желаемой частоты вращения гребного винта или нагрузки генератора». «Береговая охрана Соединенных Штатов, Министерство внутренней безопасности США, Директорат по вопросам инспектирования и контроля за соответствием требованиям, 3 марта 2015 года, Памятка по безопасности 2-15, Вашингтон, округ Колумбия, Топочные масла с ультранизким содержанием серы и соответствие требованиям МАРПОЛ перед вхождением и во время работы в пределах Зон контроля за содержанием серы в выбросах.»
Суровая реальность заключается в том, что нефтеперерабатывающие заводы - это дорогостоящие предприятия, которые требуют значительных капиталовложений даже для того, что кажется относительно незначительными изменениями в топливном продукте или производственном устройстве или при дополнительных технологических операциях агрегата. В период 2003 года европейские исследования в рамках проведения оценки нефтепереработки проводились в ожидании потребности в более низких уровнях содержания загрязняющих веществ в судовом топливе, а также в отношении требований и возможностей его производства в необходимых количествах. См., например, «Официальное разъяснение по судовому топливу, потенциальная надбавка на цену за судовое топливо с содержанием серы 0,5%»; «Особые проблемы, с которыми сталкиваются производители топлива в разных частях ЕС»; и «Комментарий по рынку судового топлива, проект окончательного доклада по контракту номер ENV.C1/ SER/2001/0063. Бланк заказа № С1/3/2003. Европейская комиссия - Директорат по вопросам окружающей среды, октябрь 2003 года.
В таких докладах указывались большие проблемы, такие как повышение затрат или снижение уровня загрузки, или эффективности производства нефтеперерабатывающих заводов, когда они хотят производить необходимые количества соответствующего судового топлива во многих странах, в том числе, в некоторых случаях, отсутствие основного оборудования на местах вблизи главных портов для производства и поставок таких видов судового топлива на местном уровне, а также отсутствие технологий и устройств для производства таких видов топлива.
В процитированных докладах предлагалось всего три варианта. Вариант «повторного блендинга» (смешивание тяжелых топочных масел с низким содержанием серы) рассматривался как самый недорогой вариант для производства бункерного топлива с низким содержанием серы, однако такой вариант не подошел, поскольку он предполагал бы переработку без существенных затрат только самого малого количества материала. Этот вариант предполагал тогда относительно небольшие затраты на логистику, связанную с повторным блендингом различных категорий тяжелых видов топлива, которые в настоящее время производятся на европейских нефтеперерабатывающих заводах, но это не обеспечивало получения требуемого количества.
Вторым альтернативным вариантом, предполагающим увеличение затрат, является переработка сырой нефти с более низким содержанием серы вместо переработки сырой нефти с высоким содержанием серы, например, вместо переработки сырой нефти сорта «Аравийская легкая», в которой, как отмечается, содержится 1,8% серы, предлагалось использовать сырую нефть с более низким содержанием серы, например, такой сорт африканской сырой нефти, как «Бонни легкая», в котором, как отмечается, содержится 0,14% серы по массе. По предварительным оценкам, дополнительные затраты на производство судового бункерного топлива, которые потребуются в связи с применением такой альтернативы, сочли чрезмерными по причинам, изложенным в докладах.
Наконец, в докладах о прошедшем периоде упоминается о третьем, самом дорогом варианте производства видов судового топлива с низким содержанием серы путем десульфуризации вакуумного нефтяного остатка (VRDS). В докладе делается вывод о том, что «важно отметить, однако, что в отличие от степени десульфуризации, требуемой для бензина или дизельного топлива, гидроочистка нижних остатков (десульфуризация нефтяных остатков) не является процессом, который в настоящее время нефтеперерабатывающие заводы стремятся реализовывать в его непосредственном виде, то есть, если он не связан с некоторым преобразованием нефтяного остатка в более легкие продукты. Тем не менее, если VRDS проводилась с единственной целью десульфуризации вакуумного нефтяного остатка, то затраты на этот «альтернативный вариант» были, примерно, вдвое больше, чем во втором альтернативном варианте, и потому он еще более неприемлем.
Для удовлетворения требований ИМО при использовании технологий существующего уровня техники, оператор судна может принимать как топливо с высоким содержанием серы, предназначенное для использования в море, так и топливо с низким содержанием серы в пределах зон, обозначенных ЕСА; однако при этом выборе могут возникнуть проблемы, связанные с технологией двигателей, смазывающей способностью и возможными потребностями в различных системах впрыска топлива для обеспечения оптимальной работы установок и технических решений при переходе на другое топливо. Оператор может добавить устройство для очистки дымовых газов, образующихся после сжигания топлива, которое может быть относительно большим, дорогостоящим и сложным для поддержания производительности на самом высоком уровне. В некоторых случаях сжиженный природный газ (СПГ) можно рассматривать для использования в качестве судового топлива, например, в тех случаях, когда некоторые транспортные перевозчики СПГ могут выбрать использование «отпарного газа» в качестве топлива, но для распространения такой концепции работы двигателя на СПГ на все грузовые суда потребовалось бы широкое распространение инфраструктуры заправочных станций СПГ, что является очень дорогостоящим, требует дополнительных затрат для портов в таких местах, где отсутствуют поставки природного газа местного производства или установки сжижения газа. Однако во всех случаях использование СПГ вместо жидкостей сопряжено с тем, что вместе с таким использованием существует реальный риск высвобождения метана либо во время бункеровки через вентиляцию при заправке, либо при неполном сгорании, либо иным образом во время технологических операций и технического обслуживания. Такое выделение метана вызывает беспокойство, поскольку существует мнение, что метан, как источник парникового газа, оказывает воздействие на окружающую среду, которое во много раз превышает воздействие, оказываемое диоксидом серы. Также, существует аналогичное мнение, что можно добиться уменьшения выбросов в атмосферу выхлопных газов в море, производимых при сжигании природного газа во время транспортировки или в порту, благодаря наличию гавани, где имеется станция загрузки сырьевого газа. Однако, с точки зрения одной технической перспективы, у природного газа сохраняется проблема утечки метана, и сжигание природного газа уменьшает выбросы в атмосферу CO2 не потому, что он выделяет меньше CO2, но потому, что по сравнению с СПГ, использование природного газа позволяет избежать выбросов в атмосферу CO2, производимых при переработке в сжиженный СПГ и сокращает выбросы CO2 при отводе или замене угля, предназначенного для сжигания электростанциями, который поставляется судами, находящимися в порту. Мероприятия, проводимые в области развития, которые направлены на стимулирование замены жидкостей, применяемых в качестве судового топлива, на СПГ или природный газ, достойны внимания, но они не предлагают какого-либо практического экономически эффективного решения в отношении судового топлива в условиях, когда существует нехватка глобальной газовой инфраструктуры, и когда необходима новая топливная инфраструктура, причем газораспределительная инфраструктура представляет собой оборудование и капиталоемкость в портах в тех странах, где не осуществляются местные поставки газа.
Необходимо решить эти глобальные экологические проблемы, связанные с использованием судового топлива, которые, как считается, уже существуют много лет, и которые не нашли экономически эффективного технического решения. Кроме того, наличие новых недорогих видов топлива, произведенных в соответствии с новыми технологическими конфигурациями и устройством, должно побуждать судовладельцев устанавливать на судне высокоэффективные энергодвигательные установки с комбинированным циклом, которые имеют более высокую эффективность, по сравнению с дизельными двигателями, благодаря эффективному использованию извлечения отработанного тепла, и у которых нет проблемы с отсутствием у топлива смазывающей способности, как у многих двигателей, поскольку сжигается более дорогое дизельное топливо с ультранизким содержанием серы, поставки которого ограничены.
Однако уже давно существует разрыв в технологии производства эффективных видов топлива, что вызывает нехватку поставок большого количества недорогого судового топлива с очень низким содержанием серы. Необходимость восполнить этот пробел сохраняется.
Международное энергетическое агентство (МЭА), Подразделение нефтяной промышленности и рынков выпустило официальные публикации, в которых описываются технологические процессы и конфигурации устройств, используемых для производства топлива, и описываются конфигурации устройств, продукты и маржа при традиционной нефтепереработке. Термины, используемые в настоящем документе, если им не дано отдельное определение, или они явным образом не изменены, имеют значение, присвоенное им в документе «Глоссарий, источник: США, Управление по энергетической информации (октябрь 2016 года)» (Glossary, Source: U.S. Energy Information Administration (Oct 2016)), который включен в настоящий документ для всех целей. В публикациях МЭА определяются и обсуждаются конфигурации для переработки сырой нефти, полное разделение каждой баррели сырой нефти на большое количество продуктов для различных применений или для дальнейшей переработки нефти.
Генетика развития или роста традиционных нефтеперерабатывающих заводов - это своего рода главный запас, основанный на эволюции требований общества, предъявляемых к продуктам, получившим свое развитие от базовых керосиновых дистиллятов, применяемых для освещения, до большого количества продуктов, таких как бензин и дизельное топливо, применяемых для транспортных средств, а впоследствии, авиационное топливо, и затем нефтяное сырье для производства химических веществ на основе его дальнейшей переработки. Техническое развитие нефтеперерабатывающих заводов, как оказалось, эволюционировало поэтапно, и оно двигалось в направлении проведения реконструкции либо для максимального увеличения объема имеющейся разделенной сырой нефти, полученной из каждой баррели, предназначенной для конкретного сегмента рынка, либо проведения реконструкции для получения различных потоков нефтяного сырья для производства химических веществ на основе его дальнейшей переработки, и при этом сохранялось производство большого количества продуктов для различного конечного применения.
Таким образом, на нефтеперерабатывающих заводах, имеющих конструкции существующего уровня техники, на которых используются агрегаты атмосферной дистилляции сырой нефти и/или вакуумной дистилляции, сольвентная сепарация, гидроочистка, газификация и многие другие технологические операции агрегатов, разделяют каждую баррель сырой нефти на большое количество продуктов, причем каждый продукт имеет свои технические характеристики, в соответствии с различными применениями или в соответствии с дальнейшей переработкой нефти.
При традиционной нефтепереработке выглядит контринтуитивно, когда нефтяное сырье сепарируют на различные выходящие потоки, а затем все эти выходящие потоки рекомбинируют. Для примера, вышеупомянутое МЭА определяет и описывает традиционную или типичную атмосферную дистилляцию сырой нефти, вакуумную дистилляцию, сольвентную деасфальтизацию топлива, каталитическое гидроочистку и комплексную технологию газификационно-комбинированного цикла, но не конфигурацию этих процессов для преобразования по существу всего нефтезаводского сырья с целью получения жидкого монотоплива.
В рамках объема традиционных процессов нефтепереработки используются установки для «модернизации», «отгонки легких фракций» или для «гидроскимминга». При использовании установки для облагораживания нефти, главная цель состоит в том, чтобы преобразовать обычно очень тяжелые, высоковязкие или содержащие примеси твердых частиц материалы для того, чтобы их можно было повторно обрабатывать на существующих традиционных нефтеперерабатывающих заводах, которые обрабатывают более легкие, жидкотекучие материалы для производства полного ассортимента топливных продуктов, химического сырья и/или нефтяного кокса. Установки для облагораживания нефти просто преобразуют более тяжелую сырую нефть в более легкую по плотности нефть на нефтеперерабатывающих заводах с традиционной переработкой нефти, индивидуальная конструкция которых позволяет обрабатывать серу таким образом, чтобы ее содержание соответствовало техническим характеристикам каждого соответствующего продукта дальнейшей переработки, а уменьшение содержания серы или устранение металлов не являются главной целью установок для облагораживания нефти. Целью является облагораживание исходных материалов с чрезвычайно высокой плотностью, по сравнению с традиционными источниками сырой нефти с более низкой плотностью. Более тяжелые материалы отбирают или сепарируют от исходных веществ, поэтому в результате плотность материалов в облагороженном продукте приближается к плотности сырой нефти, обрабатываемой на нефтеперерабатывающих заводах на оборудовании, имеющем существующую традиционную конфигурацию. Что касается «мини» нефтеперерабатывающих заводов или нефтеперерабатывающих заводов, производящих отгонку легких фракций, то они зачастую расположены в удаленных местах или в местах нахождения источника сырой нефти. Нефтеперерабатывающие заводы, производящие отгонку легких фракций, обычно разделяют каждую баррель сырой нефти на несколько фракций с целью получения нафты, а не бензина, без какой-либо или минимальной последующей переработки, за исключением, в некоторых ограниченных случаях, риформинга нафты для повышения октанового числа бензина и гидроочистки большого количества дистиллятов для производства разнообразных продуктов. Обычной целью отгонки легких фракций является создание широкой линейки непосредственно используемых топливных продуктов, таких как бензин, керосин, дизельное топливо и топочное масло для потребления на местных рынках. При использовании некоторых нежелательных способов отгонки легких фракций и использовании продуктов их отгонки, или при неправильной обработке нефтезаводских отходов количество вредных выбросов в атмосферу увеличивается, а не уменьшается. При использовании в нефтепереработке гидроскимминга сырую нефть преобразуют в большое количество продуктов, сходных с продуктами, получаемыми при отгонке легких фракций, но обычно добавляют некоторое количество установок риформинга тяжелой нафты, которые также вырабатывают водород, потребляемый установками гидроочистки при производстве дизельного топлива. Установки гидроскимминга, также как и установки для отгонки легких фракций, обычно производят широкую ленту сортов бензина, керосина, дизельного топлива и топочного масла для местного потребления, а не только один продукт.
Из существующего уровня техники известны различные аспекты адаптации гидроочистки, в том числе существуют отдельные ряды или зоны параллельных установок гидроочистки, или существуют зоны реакторов комплексной гидроочистки. В патенте PCT/US 1999/00478 (1998), опубликованном Кэш с соавторами (Cash et al), и в ссылках, приведенных в данном документе, раскрывается комплексная гидроочистка разнородного нефтяного сырья, где потоки, содержащие водород и содержащие жидкость из зон отдельной гидроочистки разделяют или объединяют способом, описанным в настоящем документе. Различные аспекты использования сольвентной сепарации для извлечения деасфальтизированного масла из асфальта в потоках тяжелых нефтяных остатков и использование деасфальтизированного масла в качестве сырья для гидроочистки известны из уровня техники при использовании для производства большого количества потоков нефтепродуктов. Например, в патенте США 7,686,941 (2010) Бриерли с соавторами (Brierley et al) обсуждается сольвентная деасфальтизация для производства деасфальтизированного масла без крекинга или деградации путем сепарации сырой нефти на основе растворимости в жидком растворителе, таком как пропан или в другом парафиновом растворителе, таком как бутан, пентан и в других растворителях вплоть до гептана и включая его. Остаток асфальта содержит высокое содержание металлов и серы. Деасфальтизированное масло может быть подвергнуто гидроочистке для удаления серы, азота, коксового остатка и металлов, как описано в этой ссылке, для производства нескольких продуктов, включая нафту, керосин, дизельное топливо и материалы нефтяных остатков.
Глобальному рынку необходимо иметь в наличии большое количество топлива с низким содержанием серы и азота и, по существу не содержащего примесей металлов, для решения глобальных экологических проблем в открытом море или на береговых участках, где мало или вообще отсутствуют ресурсы природного газа, где топливо с высоким содержанием серы или сырая нефть используется для выработки электроэнергии с низкой эффективностью.
Производителям топлива нужны конструкции, которые отличаются от конструкций, созданных для традиционной нефтепереработки, для производства большого количества линеек продуктов. Для того, чтобы сохранить низкие затраты, конструкции должны быть оборудованы при малых капиталовложениях, только устройствами, которые по существу обеспечивают большое количество экологически чистого топлива экономически и термически эффективным образом. Конструкции должны быть нацелены на производство, главным образом, судового топлива, а не просто извлекать относительно небольшое количество фракции каждой баррели сырой нефти для судового топлива и не использовать большую порцию баррели для других применений.
То, что нужно миру, так это новый процесс со «сменой игры», который предлагает решение технических проблем, связанных с производством большого количества относительно чистого жидкого топлива (в эффективной форме для использования, во избежание потери энергии, выраженной в краткой форме в виде британских тепловых единиц (БТЕ) экономически эффективным образом для применения в морских условиях. Для такого процесса должна быть обеспечена минимально необходимая инфраструктура и связанные с ней капитальные и эксплуатационные затраты, поскольку существующие заправочные станции судового топлива на жидкой основе (например, станции, которые подают топочное масло с высоким содержанием серы (HSFO)), распространенные по всему миру, могут использоваться для распространения таких видов топлива, вместо создания новых инфраструктур для СПГ. Любой такой новый процесс должен направленно поддерживать эффективным образом производство жидких БТЕ по доступной цене, в отличие от дизельного топлива с ультранизким содержащим серы (ULSD), производимого, главным образом, для использования в автомобильном и грузовом транспорте, причем дизельное топливо является широко доступным, но широко не используется в море крупными морскими транспортными перевозчиками из-за больших затрат и проблем со смазывающей способностью, когда ULSD используется во многих существующих судовых дизельных двигателях.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение заполняет пробел в технологии производства эффективных видов топлива, обеспечивая недорогую подачу большого объема топлива с очень низким содержанием серы, азота и, по существу, не содержащего металлов, в частности, пригодного в море для применения в морских условиях, а также для крупномасштабного применения в наземных условиях, например, в турбинах, работающих на продуктах сгорания газа, для выработки электроэнергии. Используемые в описании и в формуле изобретения термины «по существу не содержащий металлов» или «нулевое содержание металлов» означают содержание металлов в диапазоне от нуля до менее 100 частей на миллиард по массе или менее, или содержание, которое является настолько низким, что его трудно точно измерить обычными онлайн-инструментами.
В традиционной нефтепереработке нефтезаводское сырье разделяют на большое количество частей, и каждую часть отправляют на соответствующий рынок сбыта. В отличие от представленного выше, мы обнаружили, что мы можем преобразовывать максимальное количество каждой баррели нефтезаводского сырья в ультрачистое монотопливо при одновременном захвате загрязняющих веществ: серы, азота и вредных металлов, сохранять и исключать те порции сырой нефти, которые предназначены для технологических утилит и потоков, необходимых для такого преобразования и захвата. По настоящему изобретению нефтезаводское сырье разделяют только на минимальное количество частей, необходимых для захвата и контроля за загрязняющими веществами, а затем части снова собирают для образования одного топливного продукта.
Таким образом, настоящее изобретение отличается от традиционной нефтепереработки, при которой каждую баррель нефтяного сырья разделяют для производства большого количества рыночных продуктов, таких как различные виды бензина, дизельное топливо, топочное масло или нефтехимическое сырье для производства или применения химических веществ на основе их дальнейшей переработки, причем способы по настоящему изобретению нацелены на производство только одного, в первую очередь, экологически чистого топлива. Настоящее изобретение предлагает недорогую систему очистки сырой нефти и остаточных масел, которая требуется для производства большого коммерческого объема экологически чистого топлива, который заменяет бункерное топливо с высоким содержанием серы и других тяжелых нефтяных остатков, используемых в торговых транспортных судах и энергосистемах, работающих на сжигании топлива. Настоящее изобретение предлагает эти виды топлива, а также способы и устройство для производства таких видов топлива для того, чтобы уменьшить содержание серы экономически эффективным образом.
Эти новые способы используют контринтуитивные шаги для уменьшения производственных затрат при одновременном контроле за содержанием серы в конечном топливе на уровне или ниже целевых уровней серы неожиданно эффективным образом. Настоящее изобретение предлагает новые способы преобразования максимального количества каждой баррели нефтезаводского сырья в ультрачистое монотопливо при одновременном захвате загрязняющих веществ: серы, азота и вредных металлов во время производства топлива.
Во многих вариантах осуществления настоящего изобретения, по существу все количество, описанное в конкретных вариантах осуществления, как девяносто (90%) по объему или более каждой баррели нефтезаводского сырья, преобразуется в такое монотопливо, и в таких вариантах осуществления только минимальное количество, которое составляет менее, примерно, десяти процентов (10%) каждой баррели сырой нефти, потребляется для технологических утилит и потоков, необходимых для такого преобразования и захвата загрязняющих веществ. Способы по настоящему изобретению позволяют корректировать процентное содержание нефтяного сырья, выделяемого для топлива, и процентное содержание нефтяного сырья, выделяемого для технологических утилит и потоков, необходимых для преобразования и захвата загрязняющих веществ, в целях соблюдения баланса водорода, удовлетворения спроса на асфальт, кокс и другие остаточные продукты нефтепереработки в конкретной местности с учетом общей экономики производства и других рекомендаций по эксплуатации, таких как доступность на местах альтернативного более дешевого технологического топлива и энергии. Во вариантах осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, семьдесят процентов (70%) по объему каждой баррели нефтезаводского сырья преобразуют в жидкие фракции, когда их впоследствии обрабатывают или не обрабатывают, а объединяют для того, чтобы образовать по существу один жидкий топливный продукт, а не большое количество углеводородных продуктов, имеющих содержание серы, не превышающее целевое содержание серы, а оставшаяся порция каждой баррели вышеупомянутого нефтезаводского сырья находится в нефтяных остатках или других потоках, или в продуктах.
В отличие от традиционной нефтепереработки, когда нефтезаводское сырье разделяют на большое количество частей, и каждую часть отправляют на соответствующий рынок, по настоящему изобретению нефтезаводское сырье разделяют только на минимальное количество частей, необходимых для захвата и контроля за загрязняющими веществами, а затем части снова собирают для образования одного топлива с очень низким содержанием серы и азота, и по существу не содержащего металлов. Технологические конфигурации и устройство по настоящему изобретению обеспечивают недорогое и эффективное производство большого количества топлива с низким содержанием серы, необходимого, в соответствии с нормативным положениями, для крупномасштабного применения в морских и береговых турбинах. Такие новые конфигурации обработки топлива требуют существенно меньших капитальных и эксплуатационных затрат, по сравнению с затратами при альтернативной традиционной переработке сырой нефти, и таким образом, позволяют производить крупномасштабное количество топлива с очень низким содержанием серы, очень низким содержанием азота и, по существу не содержащее металлов, чрезвычайно экономически эффективным образом. Эти новые способы позволяют упростить цепочку подачи энергии от нефтяного месторождения до судового двигателя или береговой электростанции очень экономически эффективный образом.
Для судоходной отрасли новые конфигурации по настоящему изобретению предлагают недорогое судовое топливо с низким содержанием серы в количествах, необходимых для достижения целей уменьшенного содержания серы в мировом масштабе. Новые способы производства топлива и конфигурации устройства по настоящему изобретению имеют по существу более низкие капитальные и эксплуатационные затраты, по сравнению с затратами при альтернативной традиционной переработке сырой нефти, и таким образом, позволяют производить крупномасштабное количество судового топлива с очень низким содержанием серы и, по существу не содержащее металлов, и с очень низким содержанием азота, чрезвычайно экономически эффективным образом.
Топливо по настоящему изобретению заменяет низкосортное тяжелое бункерное топливо с высоким содержанием серы и металлов и существенно уменьшает выбросы в атмосферу в открытом море оксидов серы, окислов азота, углекислого газа, сажи и вредных металлов. Вместо серы и металлов, попадающих в окружающую среду при сжигании бункерного топлива, в практике осуществления настоящего изобретения сера, азот и металлы захватываются и удаляются во время производства топлива экологически безопасным образом. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, предлагаются конкретные альтернативные виды топлива с низким содержанием серы, предполагающие более низкие затраты, чем для дизельного топлива, однако эти виды топлива обладают достаточной смазывающей способностью, позволяющей избежать чрезмерного износа судовых двигателей, и эти новые виды топлива могут использовать существующие инфраструктуры бункерного топлива, в отличие от других альтернатив, без нагревания топлива для того, чтобы сделать его текучим и, следовательно, могут уменьшить количество энергии, потребляемой для нагревания топлива в резервуарах на суше или на судне.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, топливо также предлагает альтернативу сжиганию сырой нефти или тяжелых нефтяных остатков в крупных береговых турбинах, работающих на продуктах сгорания газа, что используется утилитами, например, электростанциями одноциклового режима или электростанциями с комбинированным циклом, такими как электростанции, производящие электричество и деминерализованную воду. Турбины, сжигающие топливо по настоящему изобретению, производят существенно меньшее количество выбросов в атмосферу выхлопных газов турбины: окислов азота, оксидов серы, углекислого газа, сажи, вредных металлов и других побочных продуктов сгорания, а также в их зонах горения в меньшей степени образуется коррозия или загрязнения в условиях образования золы при сгорании загрязненной тяжелой сырой нефти или остаточных масел нефтепереработки, в зависимости от источника сырья.
Настоящее изобретение относится к целенаправленному преобразованию комплексного углеводородного сырья в топливный монопродукт для использования в системах с огневым нагревом, например, в судовых двигателях, в турбинах, работающих на продуктах сгорания газа, или в огневых печах. В базовом варианте осуществления настоящего изобретения, вначале поступает сырая нефть, а возвращается ультрачистый топливный монопродукт с отрегулированным низким уровнем содержания серы и уменьшенным содержанием азота, и в нем устранены металлы. В вариантах осуществления настоящего изобретения, нефтяное сырье, подаваемое на дистилляцию, может представлять собой, по меньшей мере, один вид сырой нефти, объединенной, по меньшей мере, с одним видом топочного масла с высоким содержанием серы или с другим видом более тяжелого остаточного масла, с добавлением сланцевой нефти или топочного масла с высоким содержанием серы, или и сланцевой нефти, и топочного масла с высоким содержанием серы, в качестве части потока, подаваемого, по меньшей мере, в одну технологическую операцию агрегата, такую как вакуумная дистилляция, сольвентная сепарация, гидроочистка или газификация.
В зависимости от различных применений в области техники термин «топочное масло с высоким содержанием серы» или «HSFO» был присвоен различным, зачастую разнородным, противоречащим друг другу и вызывающим путаницу понятиям в различных технических статьях, патентах и нормативных правовых актах, некоторые из которых меняются со временем. Используемый в описании и в формуле изобретения термин «топочное масло с высоким содержанием серы» или «HSFO» означает любой материал, используемый в качестве топлива, имеющего содержание серы более 0,50% по массе (0,5 масс. %). Используемые в настоящем документе термины «тяжелое топливо», «тяжелое остаточное масло», «нефтезаводские отходы», «нефтяной остаток» или «другие более тяжелые масла» включают углеводородные материалы нефтяного происхождения с содержанием серы более 0,50% по массе (0,5 масс. %). Термин «высокое содержание серы» означает превышение целевого предельного содержания серы или установленного нормативными правовыми актами предельного содержания серы, если применимо, в зависимости от того, какой предел ниже.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, содержание серы в конечном топливе контролируется в процессе комбинации потоков, имеющих различное содержание серы. В вариантах осуществления настоящего изобретения, каждый объединенный таким образом поток образуется для промежуточного целевого содержания серы путем корректировки технологических операций агрегата и скоростей потоков, путем регулировочного добавления или удаления потоков с очень низким содержанием серы, или путем смешивания различных сортов нефтяного сырья с различным содержанием серы. Варианты осуществления настоящего изобретения включают контроль уровней серы в топливе путем, при необходимости, подачи выбранного вида сырой нефти вместе, по меньшей мере, с одним другим видом (i) сырой нефти, (ii) бункерного топлива, (iii) топочного масла с высоким содержанием серы или другим видом дистиллята (iv) других нефтяных остатков с высоким содержанием серы или с примесями металлов из других источников. Используемые в описании и в формуле изобретения термины «по существу не содержащий металлов» или «нулевое содержание металлов» означают содержание металлов в диапазоне от нуля до менее 100 частей на миллиард по массе или менее, или содержание, которое является настолько низким, что его трудно точно измерить обычными онлайн-инструментами.
Мы установили, что мы можем оптимизировать производство топлива с низким содержанием серы путем выбора различного распределения содержания серы в нефтяном сырье.
Мы можем выбрать (i), когда в конкретной фракции присутствуют только относительно небольшие порции серы в виде базовых форм H2S или RSH маркаптанового типа (ii) когда присутствует относительно большие порции серы в виде более сложных органических структурированных форм, а затем мы можем корректировать скорости потоков технологических процессов и рабочие условия на основе предполагаемой точки излома фракции на верхнем или более высоком уровне, при котором содержание серы начинает увеличиваться быстрее, возможно даже экспоненциальным образом, по сравнению с увеличением содержания серы на более низких фракционных уровнях.
Мы обнаружили, что можем создать технологические конфигурации и устройство, которые позволяют обойтись без обработки конкретных потоков, и мы может максимальным образом избежать такой обработки, и избежать или уменьшить обработку потоков, содержащих базовые менее сложные формы серы, и обрабатывать потоки, содержащие более сложные формы иным образом. Сюда можно включить выборочное исключение из процесса гидродесульфуризации конкретных потоков, а другие потоки можно подавать в различные гидроочистители и корректировать различные рабочие условия агрегата гидроочистки или корректировать удаление с помощью сольвента и/или реактивной химической очистки с использованием нескольких сольвентов или других агентов, используемых для удаления, по меньшей мере, в одном агрегате, предназначенном для удаления, при этом в каждом агрегате проводится корректировка каждого соотношения агентов, используемых для удаления, с учетом распределения серы в каждом агрегате для осуществления выборочного удаления менее или более сложных молекул, содержащих серу.
Термины «керосин» и «легкий дистиллят» часто наделяют одинаковыми, перекликающимися или даже разными значениями в разных справочных материалах, но им дают единообразное определение только в связи с точками температурных интервалов в ректификационной колонне, предназначенной для получения погонов при атмосферной перегонке сырой нефти (например, от 190°С до 250°С или от 180°С до 230°С, или в этом роде), и им не дают определение, исходя из содержания серы. Вместо этого проводят соответствующие измерения содержания серы, о которых сообщают, исходя из точек температурных интервалов для получения погонов, которые определяют технической характеристикой каждого продукта при традиционной нефтепереработке. На наш взгляд, это - не оптимальный вариант.
Мы установили, что мы можем оптимизировать уменьшение затрат на производство топлива с низким содержанием серы, если мы изменим основной способ дистилляции сырой нефти в ректификационных колоннах. Мы обнаружили, что нам следует исходить из содержания серы в боковом потоке конкретных дистиллятных погонов, при отражении в анализе содержания серы в нефтяном сырье или в смеси, подаваемой на ректификационную колонну, а не из температурного диапазона, обозначенного в технических характеристиках традиционных продуктов, предназначенных для дальнейших исторически установившихся применений, таких как керосин, реактивное топливо, дизельное топливо или тому подобное.
Мы установили как определить «точку излома», чтобы выбрать точку, в которой изменение (превышение над циклом) содержания серы в расчете на изменение единицы объема произведенного погона уже не является по существу плоским, а находится в точке изломе, и поскольку объем погона немного увеличился, то содержание серы начинает быстро возрастать или экспоненциально возрастать, как, например, высокая скорость изменения превышения за единицу цикла. Также находясь в точке излома или позади нее, в зависимости от типа нефтяного сырья, тип и состав, а также сложность соединения, содержащего серу, обычно изменяются. Точка излома является ориентиром, отделяющим сепарацию потоков или порций потоков, которым нужна десульфуризация, от потоков, для которых десульфуризация может быть сведена к минимуму, или устранена.
Мы обнаружили, что можем свести к минимуму капитальные и производственные затраты на производство топлива с низким содержанием серы, если мы максимально увеличим производство общего объема жидкостей, имеющих погон с содержанием серы в точке излома или ниже нее, с тем чтобы непосредственно разделить и собрать такое максимальное количество материалов, которые имеют содержание серы на в точке излома или ниже, и избежать или уменьшить затраты на их последующую обработку для сокращения содержания или удаления серы.
Мы установили, что относительно большим объемам таких материалов, находящихся в точке излома или ниже, и в некоторых видах сырой нефти, причем эти порции в пределах узкой конкретной зоны находятся выше точки излома, не понадобится обработка или последующая существенная обработка для удаления серы, когда их объединяют с другими погонами, которые были обработаны для удаления серы. Мы максимально увеличиваем такое производство необработанных материалов для того, чтобы уменьшить десульфуризацию всего потока или другие затраты на обработку, благодаря созданию условий атмосферной дистилляции, в первую очередь за счет увеличения подачи сырья или повышения температурного профиля ректификационной колонны, а также за счет сокращения или устранения орошения, или сокращения скорости подачи сырой нефти или смеси, или разбавления нефтяного сырья для изменения состава углеводородного сырья или серы с тем, чтобы максимально увеличить количество погонов, чтобы подойти близко к точке излома или оказаться в ней. Точка излома не определяется в рамках стандартных отраслевых классификаций или положений, устанавливающих температурные диапазоны погонов.
Мы определяем «точку излома» для целей технических характеристик и формулы изобретения, со ссылкой на анализ сырой нефти или другой способ определения, обозначая массу или объем сырой нефти в % по оси X, а содержание серы - по оси Y, как точку, в которой содержание серы начинает быстро увеличиваться от горизонтальной линии или близко к ней, или возрастает экспоненциально, с точки зрения высокой скорости изменения превышения за единицу цикла, где дельта для цикла представляет собой изменение единицы объема фракции, а дельта для превышения представляет собой изменение единицы содержания серы, а наклон представляет собой превышение над циклом. Наклон такого превышения над циклом начинается от нуля или по горизонтали, быстро перемещается к 0,2, быстро перемещает к 1, в направлении к некоторому экспоненциальному разрыву увеличения содержания серы, точка излома будет меняться в зависимости от того, подается ли сырая нефть или другое сырье в дистиллятную колонну. «Погон с точкой излома» или «погон с содержанием серы в точке излома», таким образом, служит для определения разделения углеводородсодержащих жидкостей, которые кипят при температуре выше конечной точки диапазона для нафты, например, выше конечной точки диапазона для нестабилизированной прямогонной нафты, но ниже или в точке излома того, что, как отмечалось, является точкой, в которой содержание серы начинает быстро увеличиваться или возрастать экспоненциально, с точки зрения высокой скорости изменения превышения за единицу цикла.
Мы определяем базовый «погон с точной излома» или базовый «погон с содержанием серы в точке излома» для целей технических характеристик и формулы изобретения для обозначения, со ссылкой на содержание серы во фракции, углеводородсодержащих жидкостей, которые кипят при температуре выше конечной точки диапазона для нестабилизированной прямогонной нафты, но ниже или в точке излома, и когда такую точку излома выбирают с тем, чтобы когда поток топлива образуется из комбинации всех необработанных потоков в точке излома или ниже ее, и все потоки, которые выше точки излома погона, выбраны для добавления в такую комбинацию, то комбинированное топливо имело бы фактическое содержание серы, которое не превышает целевое содержание серы. В вариантах осуществления настоящего изобретения, топливо может производиться в соответствии с тем, что целевое содержание серы представляет собой точку излома содержания серы или выше, или ниже точки излома содержания серы, а комбинацию потоков, образующих топливо, осуществляют эффективным образом со ссылкой на точку излома таким образом, что фактическое содержание серы вышеупомянутого топлива не превышает целевое содержание серы.
Для многих видов сырой нефти погон с содержанием серы в точке излома для колонны атмосферной дистилляции мог бы включать большую часть материалов диапазона керосинов (которые определяются различными способами в данной области техники), например, материалов, у которых кипение начинается при 180°С или 190°С (или при другой начальной точке диапазона керосинов) и для упрощения, она может включать материалы с более низким или более высоким температурным диапазоном. Однако содержание серы, а не температура или исторические определения материалов диапазона керосинов, является определяющим для конечной точки диапазона точки излома содержания серы. Топливо может производиться в соответствии с тем, что целевое содержание серы представляет собой точку излома содержания серы, а комбинацию потоков, образующих топливо, осуществляют таким образом, что фактическое содержание серы вышеупомянутого топлива не превышает целевое содержание серы.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, нефтяное сырье сепарируют на потоки, обрабатывают, по меньшей мере, одну жидкую порцию таких отдельных потоков, а другие порции не обрабатывают. Затем большинство объемов всех обработанных и необработанных жидких потоков рекомбинируют с образованием жидкого топлива, имеющего фактическое содержание серы, соответствующее или ниже целевого содержания серы. Этапы способа включают (а) сепарирование сырой нефти путем проведения, по меньшей мере, одной дистилляции и этапов сольвентной сепарации на легкие верхние нефтезаводские газы, обогащенный металлом нефтяной остаток, нерастворимый, по меньшей мере, в одном сольвенте, используемом для вышеупомянутой сольвентной сепарации, газы, содержащие серу, и жидкие фракции, находящиеся выше точки излома содержания серы, и жидкие фракции, находящиеся в точке излома или ниже нее, (b) обработку путем проведения, по меньшей мере, одного этапа гидроочистки жидких фракций, находящихся выше точки излома содержания серы, но не жидких фракций, находящихся в точке излома содержания серы или ниже нее, или нерастворимого нефтяного остатка для образования, по меньшей мере, одного гидроочищенного потока, имеющего уменьшенное содержание серы, но оставляя другие порции необработанными и (с) объединение вышеупомянутых гидроочищенных потоков с жидкими фракциями, находящимися в точке излома или ниже нее с для образования вышеупомянутого топлива, имеющего фактическое содержание серы в точке излома содержания серы или ниже нее, в качестве целевого содержания серы.
В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения, предлагается способ сокращения выбросов в атмосферу выхлопных газов, в соответствии с техническими характеристиками ИМО, судном в открытом море или в ЕСА, или в порту при использовании топлива, произведенного по настоящему изобретению, которое имеет содержание серы, скорректированное до менее чем максимально применимой технической характеристики ИМО в месте использования вышеупомянутого топлива вышеупомянутым судном, будь то в море или в ЕСА, или в порту. Таким образом, судно может превзойти требования ИМО и ожидания общества.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения, предлагается способ, позволяющий судам использовать топливо по настоящему изобретению, когда судно находится в порту, для выработки и продажи электроэнергии береговым электросетям, например, чтобы компенсировать топливные затраты в море или в порту.
Мы установили, что мы можем производить недорогое ультрачистое судовое топливо и одновременно учитывать и корректировать температуру вспышки соответствующим образом, и значительно превышать ожидания ИМО в отношении ограничений по содержанию серы и металлов.
Таким образом, мы установили технические способы, позволяющие извлечь выгоду из (i) незначительных изменений температуры вспышки, приносящих (ii) огромную пользу экологии (огромные сокращения оксидов серы и окислов азота и, по существу устранение вредных металлов), особенно в отношении большого количества топлива, потребляемого гигантскими грузовыми судами. Другие не смогли сделать это открытие.
Международная конвенция по охране человеческой жизни на море (СОЛАС) дает описание температурам вспышки топлива и разрешенному использованию на грузовых судах. «Хотя многим минимальная температура вспышки 60°С для видов топлива широкого назначения, приведенная в Конвенции СОЛАС, может показаться одним из основных принципов морского законодательства, это стало актуальным только с вступлением в силу поправок 1981 года. Первые три конвенции СОЛАС (1914, 1929 и 1948 годы) не ограничивали температуру вспышки нефтяного топлива, и даже в Конвенции 1960 года требовалось только, чтобы для «новых» пассажирских судов топливо, используемое двигателями внутреннего сгорания, имело температуру вспышки не менее 43°С - положение, по существу перенесенное в нынешнюю Конвенцию 1974 года в первоначальном виде», это цитата приведена из документа «Проблемы судового дистиллятного нефтяного топлива и последствия, связанные с гармонизацией требования минимальной температуры вспышки, предъявляемого к судовому дистиллятному нефтяному топливу, с требованием других пользователей» (2012), автор Райт с соавторами (Wright et al.), опубликованного для Ассоциации судовладельцев Дании «Регистром Ллойда FOBAS» (FOBAS - Fuel oil Bunker Analysis and Advisory Service - Служба проведения анализа бункера нефтяного топлива и консультирования).
Райт с соавторами отметил, что температура вспышки является эмпирическим, а не фактическим мировым значением, а «температура вспышки не представляет и никогда не представляла собой границу раздела «безопасности»/«небезопасности». Следовательно, с самого начала в нефтяной промышленности температура вспышки использовалась в некотором роде не правильно, в качестве средства для разграничения продуктов, в отношении которых необходимо проявлять большую осторожность и внимание при хранении и использовании. В действительности, при применении в морских условиях сжигание нефтяного топлива инициируется вследствие утечки или разрыва труб, в результате которых топливо соприкасается с поверхностями, температура которых - выше температуры самовоспламенения топлива, а не воспламенения пара. Тем не менее, температура вспышки была использована в качестве параметра безопасности в законодательстве о безопасности нефтепродуктов с самого начала, хотя иногда и в противоречие некоторым произвольно установленным ограничениям, или с учетом того факта, что она представляла собой эмпирическое значение.
СОЛАС предусматривает исключение для грузовых судов. СОЛАС предусматривает, что не должно использоваться нефтяное топливо с температурой вспышки менее 60°С; за исключением «использования на грузовых судах топлива, которое имеет более низкую температуру вспышки, чем указано в [СОЛАС] Параграфе 2.1 [например, 60°С], такое может допускаться, например, для сырой нефти, при условии, что такое топливо не будет хранится в каком-либо машинном помещении и с одобрения Администрации.» Следует отметить, что в некоторых странах не существует стандарт температуры вспышки, а в других странах допускаются относительно низкие температуры вспышки для применения в морских условиях.
Температуру вспышки топлива можно откорректировать путем обработки, если это необходимо. Используемый в описании и в формуле изобретения термин «обработка температуры вспышки» означает композицию, которая при объединении с материалом повышает температура вспышки. В одном варианте осуществления настоящего изобретения, обработка температуры вспышки снижает давление паров того материала, в котором это применяют, для снижения риска воспламенения паров. В одном варианте осуществления настоящего изобретения, корректировка температуры вспышки представляет собой твердую или жидкую присадку с температурой вспышки 60°С или выше, которая добавляется к топливу с низкой температурой вспышки для того, чтобы увеличить температуру вспышки топлива. Они могут включать различные типы твердых частиц и масел. Например, были изобретены присадки с высокой температурой вспышки для обработки углеродных видов топлива, например, в патенте США 8,088,184 (2014) Хьюза с соавторами (Hughes et al), в котором описываются «разбавители с высокой температурой вспышки», например, разбавители, которые выбраны из группы, состоящей из парафиновых базовых масел с температурой вспышки, по меньшей мере, 200°С и их смесей или комбинаций, и конкретно упоминаются Calpar 100 (температура вспышки 210°С), Calpar 325 (температура вспышки 240°С) и Calpar Р950 (температура вспышки 257°С), поставляемые компанией Калюмет Лубрикантс Ко. (Calumet Lubricants Со.) из Индианаполиса, Индиана, и парафиновых базовых масел с температурой вспышки, по меньшей мере, 200°С, и их смесей или комбинаций.
Мы установили технические способы, позволяющие извлечь выгоду из (i) незначительных изменений температуры вспышки, приносящих (ii) огромную пользу экологии (огромные сокращения оксидов серы и окислов азота и, по существу устранение вредных металлов), особенно в отношении большого количества топлива, потребляемого гигантскими грузовыми судами. Другие не смогли сделать это открытие.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На ФИГУРЕ 1 дано схематическое представление содержания серы в различных фактических и гипотетических видах сырой нефти с указанием диапазонов границ.
На ФИГУРЕ 2 представлен схематический чертеж организации технологического процесса обработки сырой нефти для производства жидкого монопродукта, пригодного для использования в качестве топлива, в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, способ преобразования углеводородного сырья, по меньшей мере, одной порции, которая представляет собой сырую нефть, содержащую серу и металлы, в жидкий монопродукт содержит (i) сепарирование вышеупомянутой сырой нефти путем проведения, по меньшей мере, одной дистилляции и этапов сольвентной сепарации в легкие верхние нефтезаводские газы (которые могут включать только нефтезаводские газы, не конденсируемые в условиях атмосферной дистилляции, в соответствии, по меньшей мере, определения МЭА, независимо от того, являются ли системы дебутанизаторов предпочтительными для условий конкретной местности, или в других ситуациях затраты на них должны быть устранены), обогащенный металлом нефтяной остаток, нерастворимый, по меньшей мере, в одном сольвенте, используемом для вышеупомянутой сольвентной сепарации, газы, содержащие серу, и жидкие фракции, содержащие серу, которые содержат дистиллят (по меньшей мере, с некоторой порцией материалов диапазона керосинов для некоторых видов нефтяного сырья, обрабатываемого в пределах диапазона дистиллятов) и углеводороды диапазона вакуумного газойля (ii) гидроочистку, посредством, по меньшей мере, одного этапа гидроочистки, выбранных жидких фракций, которые находятся выше погона с содержанием серы в точке излома (где, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, только растворимые жидкие фракции выбраны для гидроочистки), но не жидких фракций, находящихся в погоне с содержанием серы в точке излома, или ниже (и, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, не те порции каких-либо фракций, которые являются нерастворимыми в вышеупомянутых сольвентах, используемых в сольвентной сепарации), для образования, по меньшей мере, одного обработанного потока, имеющего уменьшенное содержание серы, (iii) объединение вышеупомянутых необработанных фракций с вышеупомянутыми обработанными потоками для образования топлива, имеющего фактическое содержание серы, соответствующее целевому содержанию серы или ниже него. Используемый в настоящем документе термин «этапы» или «зона» может относиться к технологической операции агрегата или к области, имеющей, по меньшей мере, одну технологическую операцию, имеющую конфигурации оборудования и/или, по меньшей мере, один сегмент технологической операции агрегата или суб-зону. Единицы оборудования могут содержать, по меньшей мере, один резервуар, сосуд, дистиллятную колонну, сепаратор, реактор или бак реактора, нагреватель, теплообменник, отпарную колонну, трубопровод, насос, компрессор и контроллер. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения, по существу все углеводородные композиции вышеупомянутого нефтяного сырья сепарируют на фракции, но затем рекомбинируют для образования вышеупомянутого топлива, которое представляет собой жидкий топливный монопродукт, содержащий диапазон углеводородов из сжиженного нефтяного газа, полученного из исходного нефтяного сырья, или, в одном варианте осуществления настоящего изобретения, нафту добавляют к гидроочищенному деасфальтизированному маслу, при этом не производится большое количество углеводородных продуктов, за исключением углеводородных композиций, включающих (i) более легкие верхние газы дистилляции, (ii) вышеупомянутые нерастворимые нефтяные остатки и (iii) потоки для извлечения серы или металлов. Такой диапазон представляет собой по существу весь диапазон углеводородов, полученных из сырой нефти, от фракции С3 или С5 до фракций, превышающих С20, причем вышеупомянутые углеводороды имеют начальную температуру кипения, которая является самой низкой температурой кипения любой фракции в неочищенных потоках, объединенных в вышеупомянутом топливе, а самая высокая температура кипения является самой высокой температурой кипения очищенного потока, объединенного в вышеупомянутом топливе. Термин «необработанный», используемый в технических характеристиках и формуле изобретения, означает, что объект не подвергается гидроочистке для уменьшения или удаления серы, азота или металлов. В одном варианте осуществления настоящего изобретения, такое топливо содержит по существу диапазон углеводородов, полученных из сырой нефти, от фракции С3 или С5 до фракций, превышающих С20, или диапазоны углеводородов, которые содержат фракции, имеющие начальную температуру кипения в диапазоне от, примерно, 35°С до, примерно, 315°С и выше, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения - вплоть до начальной температуры кипения деасфальтизированного масла в конце цикла и деасфальтизированного нефтяного остатка в начале цикла, который не растворим в сольвенте, выбранном для сольвентной сепарации. В еще более предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения, топливо содержит комбинацию углеводородов в диапазоне от порции вышеупомянутой необработанной жидкой фракции с самой низкой температурой кипения, которая получена в результате атмосферной дистилляции, до порции гидроочищенных растворимых веществ с самой высокой температурой кипения, которая получена в результате сольвентной сепарации. Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, топливо противопоставлено традиционным видам бензина, дизельного топлива, керосина и топочного масла, которые были разделены на отдельные поддиапазоны и не имеют значимого содержания полных диапазонах таких углеводородов. Таким образом, в одном варианте осуществления настоящего изобретения, предлагается топливо, полученное в виде монопродукта, произведенного в результате переработки сырой нефти, причем вышеупомянутое топливо имеет фактическое содержание серы 0,5 масс. % или менее, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения - 0,1 масс. % или менее, которое содержит по существу весь диапазон углеводородов, полученных из сырой нефти, от фракции С3 или С5 до фракций, превышающих С20, причем вышеупомянутые углеводороды имеют начальную температуру кипения, которая является самой низкой температурой кипения любой фракции вышеупомянутой сырой нефти в условиях атмосферной дистилляции, а самая высокая температура кипения является конечной температурой кипения порции нефтяных остатков вышеупомянутой сырой нефти, которая не растворима в сольвенте, пригодном для сольвентной сепарации. В одном варианте осуществления настоящего изобретения, такое топливо содержит по существу весь диапазон углеводородов, полученных из сырой нефти, от фракции С3 или С5 до фракций, превышающих С20, причем вышеупомянутые углеводороды имеют начальную температуру кипения, которая является самой низкой температурой кипения любой фракции в неочищенных потоках, объединенных в вышеупомянутом топливе, а конечная температура кипения является самой высокой температурой кипения очищенного потока, объединенного в вышеупомянутом топливе. В одном варианте осуществления настоящего изобретения, сырую нефть сепарируют на легкие верхние нефтезаводские газы, обогащенный металлом нефтяной остаток, нерастворимый, по меньшей мере, в одном сольвенте, используемом для вышеупомянутой сольвентной сепарации, газы, содержащие серу (включая продувочные газы, содержащие серу), и жидкие фракции, содержащие серу, содержащие (i) жидкие фракции, находящиеся в точке излома содержания серы или ниже нее и (ii) жидкие фракции, находящиеся выше точки излома содержания серы, которые либо растворяются, либо не растворяются в сольвенте, используемом в сольвентной сепарации (b) проводят гидроочистку посредством, по меньшей мере, одного этапа гидроочистки вышеупомянутых растворимых жидких фракций, находящихся выше точки излома содержания серы, но не жидких фракций, находящихся в точке излома содержания серы или ниже нее, или нерастворимых фракций для образования, по меньшей мере, одного обработанного потока, имеющего уменьшенное содержание серы, (с) объединяют вышеупомянутые необработанные потоки с вышеупомянутыми обработанными потоками для образования топлива, имеющего фактическое содержание серы в точке излома целевого содержания серы или ниже нее.
В вариантах осуществления настоящего изобретения, такой нефтяной остаток сжигают, по меньшей мере, в одном газификаторе для выработки электроэнергии и, по меньшей мере, одной порции водорода для вышеупомянутой гидроочистки и для захвата, по меньшей мере, одной порции вышеупомянутых металлов в твердых веществах газификатора, которые удаляют, или нефтяной остаток сжигают, по меньшей мере, в одном бойлере, в котором происходит захват серы и металлов из дымовых газов, для выработки электроэнергии и дополнительных технологических операций агрегата по выработке водорода для поддержания подачи водорода в вышеупомянутую гидроочистку. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, и все газы, содержащие серу, направляются, по меньшей мере, в один общий агрегат для извлечения серы.
Согласно практике настоящего изобретения, фактическое содержание серы в вышеупомянутом топливе может быть откорректировано для соответствия целевой технической характеристике по предельному содержанию серы, например, технической характеристике ИМО для судового топлива, или предельному содержанию серы для турбины, работающей на продуктах сгорания газа, путем корректировки количества непрерывного потока необработанных и обработанных потоков в комбинацию, образующую топливо. Например, целевое содержание серы в топливе может быть скорректировано в соответствии, по меньшей мере, с одной целевой технической характеристикой ИМО, например, в пределах или за пределами ЕСА, например, в соответствии со значениями, выбранными из 3,5 масс. %, 0,5 масс. %, 0,1 масс. %, или с другими техническими характеристиками ИМО. Топливо, произведенное в соответствии со способами по настоящему изобретению, пригодно для использования в судовых двигателях, турбинах, работающих на продуктах сгорания газа, огневых печах, таких как бойлеры, и для других применений.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, один из вышеупомянутых гидроочищенных потоков представляет собой поток с ультранизким содержанием серы, имеющий 10 частей на миллион по массе или менее серы, который используют для корректировки, путем сокращения или добавления количества такого потока в вышеупомянутую комбинацию, образования вышеупомянутого топлива, с тем, чтобы его фактическое содержание серы соответствовало целевому содержанию серы или ниже него. В другом варианте осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, один из гидроочищенных потоков представляет собой поток с ультранизким содержанием серы, имеющий менее 10 частей на миллион по массе серы, а необработанная фракция имеет содержание серы, превышающее целевое содержание серы, и необработанную фракцию используют в качестве регулирования баланса, путем сокращения или добавления количества такой необработанной фракции в вышеупомянутую комбинацию для образования топлива, имеющего фактическое содержание серы, соответствующее целевому содержанию серы или ниже него. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения, в котором нефтезаводское сырье преобразуют по существу в жидкий топливный монопродукт, а не в большое количество углеводородных продуктов, производят первый гидроочищенный поток, который представляет собой поток с уменьшенным содержанием серы, имеющий содержание серы менее 10 частей на миллион по массе серы, и производят вторую гидроочищенную топливную фракцию, которая имеет поток с уменьшенным содержанием серы, имеющий содержание серы в диапазоне от 0,12 до 0,18 масс. % серы, а необработанная фракция имеет содержание серы, которое находится либо в точке излома содержания серы, либо ниже, либо выше нее, что превышает целевое содержание серы, и либо вышеупомянутый первый гидроочищенный поток, либо второй гидроочищенный поток, либо оба эти потока используют в качестве регулирования баланса, путем сокращения или добавления некоторого количества таких потоков в вышеупомянутую комбинацию для образования топлива, имеющего фактическое содержание серы, соответствующее целевому содержанию серы или ниже него.
В еще более предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения, выбирают содержание серы, по меньшей мере, одного вида сырой нефти, остаточного масла и другого нефтяного сырья, или корректируют условия переработки, до тех пор, пока, по меньшей мере, 70% по объему каждой баррели вышеупомянутого нефтезаводского сырья не преобразуются в жидкие фракции, когда их впоследствии обрабатывают или не обрабатывают, но их объединяют и образуют топливо, имеющий содержание серы, не превышающее целевое содержание серы, а не большое количество углеводородных продуктов, имеющих содержание серы, не превышающее целевое содержание серы, и не более 30% каждой баррели вышеупомянутого нефтезаводского сырья направляются не на топливо. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, 80% по объему каждой баррели нефтезаводского сырья, а в еще более предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, около 90% нефтезаводского сырья, в зависимости от состава нефтезаводского сырья, баланса водорода, производственной экономики и других факторов, а также корректировки условий технологических процессов и скоростей потоков, каждую баррель углеводородного сырья преобразуют в жидкий топливный монопродукт, а не большое количество углеводородных продуктов, за исключением, по меньшей мере, одного потока с очень низким содержанием серы, который используют в качестве регулирования баланса, путем увеличения или уменьшения регулировочного потока, содержания серы в конечном топливе, чтобы ее уровень не превышал целевое содержание серы. Излишние количество регулировочного потока может быть отдельно передано для целей баланса материалов и регулирования запасов. В таких предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения не более чем, примерно, от 10 до 30% по объему каждой баррели вышеупомянутого нефтезаводского сырья захватывается в обогащенном металлами нефтяном остатке после атмосферной и вакуумной дистилляции посредством сольвентной экстракции.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения, топочное масло с высоким содержанием серы, имеющее содержание серы, превышающее целевое содержание серы, добавляют либо отдельно, либо со сланцевой нефтью перед или во время объединения всех обработанных и необработанных фракций для образования вышеупомянутого топлива. Вышеупомянутое топочное масло с высоким содержанием серы можно подавать, по меньшей мере, на один вышеупомянутый этап дистилляции, этап сольвентной дистилляции или этап гидроочистки. В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, поток с ультранизким содержанием серы имеет в диапазоне менее 10 частей на миллион по массе серы или менее, а необработанная фракция имеет содержание серы, превышающее целевое содержание серы, и вышеупомянутая необработанная фракция используется для корректировки, путем сокращения или добавления количества такой необработанной фракции в вышеупомянутую комбинацию для образования топлива, имеющего фактическое содержание серы, соответствующее целевому содержанию серы или ниже него.
Устройство для практического осуществления способа по настоящему изобретению может иметь уменьшенную общую занимаемую площадь оборудования в диапазоне от 20% до 30% от общей занимаемой площади устройства, применяемого в традиционной нефтепереработке, где имеются традиционные агрегаты для дальнейшей переработки. Таким образом, капитальные затраты на баррель нефтезаводского сырья значительно сокращаются. Например, в одном конкретном варианте осуществления настоящего изобретения используется только, по меньшей мере, одна атмосферная дистилляция, вакуумная дистилляция, сольвентная сепарация, гидроочистка и газификация с использованием необходимых дополнительных устройств для захвата серы и металлов, и не проводятся какие-либо операции по обработке углеводородов после гидроочистки, за исключением газификации, с помощью необходимого дополнительного устройства для захвата серы и металлов.
Варианты осуществления технологических конфигураций по настоящему изобретению предлагают высокую эффективность и низкую стоимость эксплуатации, благодаря эффективной интеграции площадки, на которой находятся утилиты, для удовлетворения потребностей процесса подачи водорода, пара и топливного газа, а также электроэнергии, и при этом предлагают интеграцию металлов и средства захвата серы. Площадка, на которой находятся утилиты, содержит, по меньшей мере, одну систему газификации, которая обрабатывают обогащенный тяжелыми металлами нефтяной остаток для захвата и устранения загрязняющих металлов, которые являются компонентами потенциальных источников выбросов в атмосферу выхлопных газов, а в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения используют интегрированную площадку и, таким образом, снижают капитальные затраты, проводят обработку отходящих газов в отношении серосодержащего газа и кислотного газа, отходящего от всех источников захвата серы, обработку и удаление их как потенциальных источников выбросов в атмосферу выхлопных газов. Конфигурация площадки по настоящему изобретению позволяет вырабатывать водород для этапов гидроочистки, пар и топливный газ для технологического процесса электроснабжения и технологического процесса электроснабжения посредством высокоэффективных средств выработки электроэнергии с комбинированным циклом, использующих определенные потоки, которые в противном случае были бы потоками отходов, для выполнения технологических требований.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения говорится о том, что сланцевая нефть не содержит достаточного количества более тяжелых углеводородов в своих нижних фракциях и нефтяных остатках для обеспечения технологического баланса для переработки углеводородов и соответствующей выработки водорода с тем, чтобы обеспечить возможность переработки такой легкой нефти для гидрогенизации с целью снижения содержания серы и металлов для деконтаминации. Этот способ включает этап добавления вышеупомянутой легкой нефти, отдельно или в смеси с другими видами нефтяного сырья, в любой или все виды более тяжелого нефтяного сырья для способов обработки в виде атмосферной дистилляции, вакуумной дистилляции или сольвентной сепарации.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, конструкции устройства для технологических операций вакуумной дистилляции, сольвентной сепарации, гидроочистки и газификации, проводимых после атмосферной дистилляции, измеряют с тем, чтобы у них была дополнительная или вспомогательная способность обрабатывать топочное масло с высоким содержанием серы или дополнительный более тяжелый нефтяной остаток, полученный из другого источника, находящегося за пределами границ площадки осуществления вышеупомянутых технологических операций, для образования топлива, имеющего фактическое содержание серы, соответствующее целевому предельному уровню содержания серы в топливе или ниже него, и захвата, по меньшей мере, порции серы и металлов из вышеупомянутого дополнительного тяжелого нефтяного остатка.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения, настоящее изобретение предлагает для судов способ использования топлива по настоящему изобретению в то время, пока они находятся в порту, для снижения выбросов в атмосферу выхлопных газов в конкретной местности, а также выработки и продажи электроэнергии береговым электросетям. В одном варианте осуществления настоящего изобретения, данное изобретение предлагает технический способ снижения выбросов в атмосферу выхлопных газов в самих портах или вблизи них, содержащий (а) технический анализ для определения количества выбросов в атмосферу серы или металлов в расчете на киловатт/час (кВт.ч), которые возникают от береговых средств выработки электроэнергии, которые вырабатывают электроэнергию, как правило, подаваемую в электросеть в порту или вблизи него (включая, например, выбросы в атмосферу выхлопных газов, связанные с использованием местного электроснабжения судном, когда оно находится в порту и подключено к такой сети), и (b) технический анализ для определения количества выбросов в атмосферу серы или металлов в расчете кВт.ч, которые возникают в результате выработки электроэнергии на борту судна самим судном, когда оно находятся в порту в месте (а), затем сравнивают (а) и (b), и если (b) выбросы в атмосферу, производимые судном, для выработки электроэнергии, ниже, чем местные источники электроэнергии (а), то на судне сокращают выбросы в атмосферу и объявляют тендер на продажу электросети электроэнергии, вырабатываемой на судне, полностью или частично. Этот вариант осуществления настоящего изобретения может быть особенно пригоден для снижения выбросов выхлопных газов в окружающую среду, когда местное электроснабжение производится на основе определенных типов источников, использующих сжигание угля, или использующих для сжигания тяжелую сырую нефть или остаточные масла для выработки электроэнергии там, где варианты с более низкими уровнями выбросов в атмосферу выхлопных газов недоступны для выработки электроэнергии на местном уровне. При отсутствии компенсаций такой тендер, проводимый судном в отношении местной электросети, может и не состояться, если стоимость кВт.ч вырабатываемой судном электроэнергии будет больше, чем стоимость кВт.ч местной электросети, или если такой тендер, проводимый судном в отношении местной электросети, будет каким-либо образом невыгоден судну, за исключением компенсации портовых сборов или в иных случаях, когда компенсация за сокращение выбросов в атмосферу выхлопных газов не кредитуется, например, субсидией на оплату за выработку электроэнергии с низким уровнем выбросов в атмосферу выхлопных газов.
Если тендер, проводимый судном, в отношении местной электросети является выгодным, то судно может компенсировать или сократить затраты на топливо, понесенные в море, за счет доходов от тендера, проведенного в отношении береговой электросети, пока судно находится в порту, в отношении всей или части электроэнергии, вырабатываемой на борту судна, путем использования топлива по настоящему изобретению в то время, пока судно находится в порту. Такой доход, полученный в результате проведение тендера в отношении электросети в то время, пока судно находится в порту, мог бы компенсировать затраты на судовое топливо, используемое во время плавания, доведя их до уровня фактических затрат на судовое топливо, используемое во время плавания, поскольку затраты на эти новые виды топлива - ниже, чем затраты на топочное масло с высоким содержанием серы, которое используют во время плавания в море, в зависимости от продолжительности нахождения в порту.
На ФИГУРЕ 1 показана схема участка содержание серы в различных фактических и гипотетических видах сырой нефти с указанием диапазонов точек излома. Примерные профили содержания серы в сырой нефти, 4, 5, 6 размещены на графике, основываясь на центральных точках фактических данных, полученных из публикации под названием «Соединения серы в сырой нефти», Вашингтон, опубликованной «UNT» Роллом с соавторами (Rall et al.). Гипотетические профили содержания серы в сырой нефти 1, 2, 3 получены частично из фактических данных, полученных из различных источников, в том числе из работы «Нефтепереработка, схемы технологических процессов производства нефтепродуктов из сырой нефти» (1995) Воквиера Дж.П. (Wauquier J.Р.), опубликованной «Французским институтом нефти» (Institut Francais du Petrole).
На ФИГУРЕ 1 показано, как предложить определение «точка излома» для различных видов сырой нефти технологических конфигураций по настоящему изобретению. На ФИГУРЕ 1 показано, что точка излома представляет собой точку, в которой изменение (превышения за единицу цикла) содержания серы в расчете на единицу объема произведенного погона, больше не является по существу горизонтальным или плоским, а находится в точке излома, и поскольку объем погона немного увеличился, то содержание серы начинает быстро возрастать или экспоненциально возрастать, чтобы вызвать высокую скорость изменения превышения за единицу цикла. Также находясь в точке излома или позади нее, в зависимости от типа нефтяного сырья, тип и состав, а также сложность соединений, содержащих серу, обычно изменяются. Точка излома позволяет определить, в целях эффективности эксплуатации, как наилучшим образом обойтись без дорогостоящей интенсивной гидроочистки, но при этом производить топливо, удовлетворяющее техническим характеристикам целевого предельного содержания серы. То есть, точкой излома может быть максимальное содержание серы во фракции, полученной в результате атмосферной дистилляции сырой нефти в ректификационной колонне, которую направляют в сторону, или уменьшают, противоположную последующей дальнейшей переработке для снижения содержания серы, например, направляют в сторону, противоположную гидроочистке. Фракции, находящиеся выше точки излома, направляют на последующую переработку для снижения содержания серы, в то время как фракции, находящиеся в точке излома или ниже нее, не очищают, что приводит к значительной экономии операций. При традиционной нефтепереработке погоны зафиксированы температурными диапазонами, а не содержанием серы. Целевое содержание серы, например, согласно требованию конечного использования, может определять выбор точки излома. Если точка излома установлена слишком высоко, то чрезмерное количество неочищенных потоков с более высоким содержанием серы нельзя легко компенсировать путем увеличения количества гидроочищенных потоков с более низким содержанием серы.
На ФИГУРЕ 2 представлен общий обзор другого варианта осуществления настоящего изобретения, и в упрощенной форме показаны основные компоненты технологического процесса для производства жидкого монопродукта, пригодного для использования в качестве топлива. На ФИГУРЕ 2 показан способ интеграции атмосферной и вакуумной дистилляции, сольвентной дистилляции, гидроочистки и газификации для производства топливного монопродукта, по существу не содержащего металлов, с низким содержанием серы.
Поток загрязненной сырой нефти, содержащей серу, водород и металлы, поступает в технологический процесс, проводимый по линии 2, после предварительной обработки, такой как обессоливание, что является предпочтительным для сырой нефти. В данном примере нефтяное сырье 2 может представлять собой единую сырую нефть или смесь, по меньшей мере, одного вида сырой нефти, или смесь сырой нефти с остаточным маслом, например, с топочным маслом с высоким содержанием серы. Сырье 2 направляют в колонну для атмосферной дистилляции 100, где сырье сепарируют на легкие верхние газы 4 и большое количество погонов. Легкие верхние газы 4 включают неконденсирующиеся нефтезаводские газы 6, пригодные в качестве технологического топлива, или они могут быть захвачены для других целей. В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, капитальные затраты, связанные со стабилизационной системой, исключаются в отношении таких верхних газов 4; однако, в зависимости от местных потребностей, например, от технической характеристики особого судового топлива с максимальным содержанием сероводорода, стабилизационная система может быть включена. В одном варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на ФИГУРЕ 2, множественные погоны будут включать, по меньшей мере, один поток в пределах этих диапазонов: (1) нестабилизированная прямогонная нафта по линии 4 на линии 16, (2) погон с содержанием серы в точке излома на линии 18, (3) легкий дистиллят на линии 24, (4) средний дистиллят на линии 26, (5) первый тяжелый дистиллят на линии 28, (6) атмосферный нефтяной остаток на линии 30.
В различных применениях в данной области техники различные значения были присвоены одинаковым или подобным погонам в разных регионах мира, значения которых зачастую отличаются, дублируют друг от друга, противоречат друг другу и создают путаницу. В данном описании и в формуле изобретения определенным терминам присвоены следующие значения: (а) «нафта» означает композиции, содержащие углерод, находящиеся в диапазоне от композиций, содержащих минимум три (3) атома углерода С3, например, пропан, до композиций, у которых начальная температура кипения (IBP), примерно, 175°С (примерно, 350°F), и сюда не включены более легкокипящие соединения, например, метан или более легкое соединение, (b) «стабилизированная нафта» означает, что материал относится к нафте или другим материалам диапазона нафты, которые используют в качестве запаса топливной смеси, что более легкокипящие соединения, например, бутан или пропан, или более легкие соединения, были почти полностью удалены из нафты или топлива, где, например, при традиционной нефтепереработке поток нижней фракции из дистиллятной колонны дебутанизатора нафты был бы нестабилизированной нафтой, (с) «нестабилизированная прямогонная нафта» означает нафту, у которой не удалили С4 или более легкие компоненты; например, при традиционной нефтепереработке поток сырья в дебутанизатор нафты будет нестабилизированной нафтой, (d) «нестабилизированная прямогонная нафта» означает композиции, содержащие углерод, полученные в результате атмосферной дистилляции, находящиеся в диапазоне от композиций, которые имеют минимум три (3) атома углерода С3, например, пропан, до композиций, у которых начальная температура кипения (IBP), примерно, 175°С (примерно, 350°F), и сюда не включены более легкокипящие соединения, например, метан или более легкое соединение, сюда могут быть отнесены нефтезаводские газы, полученные в результате атмосферной дистилляции, (е) «нестабилизированная нафта» в контексте гидроочистки означает нестабилизированную более легкую фракцию гидроочищенного потока, выходящего из ректификационной колонны или другого сепаратора, работоспособность которого считается частью зоны гидроочистки, которая извлекает, по меньшей мере, одну более тяжелую фракцию в нижней части сепаратора или рядом, например, диапазон дистиллята, диапазон тяжелой нефти или другой более тяжелый, чем нафта порции сырья в сепаратор, и нестабилизированный, (f) «точка излома в погоне» в настоящем документе определена, как превышающая настоящую техническую характеристику, и пример показан на ФИГУРЕ 1, (g) «легкий дистиллят, находящийся выше погона с точкой излома» или «легкий дистиллят» в настоящем документе означает фракцию, имеющую первоначальное содержание серы, превышающее самое высокое содержание серы в точке излома погона, которая, соответственно, имеет температуру кипения (IBP), превышающую самую высокую конечную температуру кипения точки излома погона, (h) «средний дистиллят» означает фракцию, находящуюся между легким дистиллятом и тяжелым дистиллятом, которые сепарированы как погон в соответствии с предпочтительным вариантом конструкции дистиллятной колонны; в которой, например, погон среднего дистиллята может быть устранен и объединен либо с легким дистиллятом, либо с тяжелым дистиллятом, (i) «первый тяжелый дистиллят» означает самую тяжелую фракцию агрегата атмосферной дистилляции, в которой содержание серы и диапазон температуры кипения определяются рабочими характеристиками, такими как, по меньшей мере, один состав серы нефтяного сырья дистиллятного агрегата, жесткость технологических операций ректификационной колонны, предназначенной для обработки сырой нефти, и условий последующей гидроочистки, (j) «первый тяжелый дистиллят» означает самую тяжелую фракцию агрегата атмосферной дистилляции, которая имеет содержание серы и диапазон температуры кипения, которые определяются с учетом состава серы нефтяного сырья дистиллятного агрегата и погона с содержанием серы в точке излома, и с учетом, по меньшей мере, одной рабочей характеристики, такой как жесткость технологических операций ректификационной колонны, предназначенной для обработки сырой нефти, и жесткость условий последующей дистиллятной гидроочистки,
(k) «второй тяжелый дистиллят» означает самую легкую фракцию ректификационной колонны, предназначенной для вакуумной дистилляции, имеющую содержание серы и диапазон температуры кипения, которые определяются с учетом состава серы нефтяного сырья дистиллятного агрегата и погона с содержанием серы в точке излома, и с учетом, по меньшей мере, одной рабочей характеристики, такой как жесткость технологических операций ректификационной колонны, предназначенной для обработки сырой нефти, и жесткость условий последующей дистиллятной гидроочистки и (j) «атмосферный нефтяной остаток», «вакуумный нефтяной остаток», «вакуумный газойль», включая «легкий вакуумный газойль» и «тяжелый вакуумный газойль», «сольвентная сепарация» и «гидроочистка» и другие термины и варианты таких терминов известны специалистам в области техники переработки сырой нефти.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, комбинация потоков (1) нестабилизированной прямогонной нафты по линии 4 на линии 16 и (2) погона с содержанием серы в точке излома на линии 18 предположительно будет иметь содержание серы в диапазоне от менее 0,06 масс. % до 0,08 масс. %, если целевое содержание серы топливной комбинации 600 составляет 0,1 масс. % или менее, а содержание серы очищенного потока 70 составляет менее 10 частей на миллион по массе, где скорость потока у потоков 10 и 70 комбинации корректируются таким образом, чтобы в топливной комбинации 600 не было превышения целевого содержания серы.
На ФИГУРЕ 2 атмосферный нефтяной остаток подают по линии 30 в вакуумную дистиллятную колонну 200, для того, чтобы получить (1) второй тяжелый дистиллят на линии 32, (2) легкий вакуумный газойль на линии 36, (3) тяжелый вакуумный газойль на линии 38 и (4) вакуумный нефтяной остаток, на линии 50. Вакуумный нефтяной остаток направляют по линии 50 на сольвентную сепарацию 300 для производства (1) деасфальтизированного масла на линии 80 и асфальта, являющегося асфальтом, который представляет собой обогащенный металлами тяжелый нефтяной остаток на линии 90.
На ФИГУРЕ 2 показана система комплексной гидроочистки 400, содержащая две зоны гидроочистки, зону дистиллятной гидроочистки 430 и зону гидроочистки тяжелой нефти 460. Системы комплексной водородной очистки известны в данной области техники и являются предпочтительными для этого применения; однако условия мягкой гидроочистки при относительно низких значения давления в диапазоне от, примерно, 117 до 138 бар (от 1700 до 2000 фунтов на квадратный дюйм) достаточны для гидродесульфуризации и гидродеметаллизации в обеих зонах 430 и 460.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, легкий дистиллят 24, средний дистиллят 26, первый тяжелый дистиллят 28 и второй тяжелый дистиллят 32 подают в систему комплексной гидроочистки 400 и очищенных водородом в присутствии катализатора в условиях гидроочистки для того, чтобы сформировать зону дистиллятной гидроочистки 430 выходящих потоков на линии 60. Такой гидроочищенный выходящий поток 60 содержит материалы в пределах диапазона (1) нестабилизированной нафты с ожидаемым диапазоном кипения от свыше С5 (композиции, содержащие пять атомов углерода) до, примерно, 175°С (примерно, 350°F) и (2) дизельное топливо с ультранизким содержанием серы, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения имеющее содержание серы менее 10 частей на миллион по массе, которое представляет собой поток с уменьшенным содержанием серы, образованный из комбинации очищенных дистиллятных потоков, содержащих легкий дистиллят 24, средний дистиллят 26, первый тяжелый дистиллят 28 и второй тяжелый дистиллят 32. Специалисты в области гидроочистки понимают, что побочные продукты гидроочистки в зоне 430 могут включать газы, содержащие серу, такие как сероводород, обогащенный водородом отходящий газ, по меньшей мере, одну порцию которого очищают для удаления серы и рециркулируют добавлением водорода либо в зону дистиллятной гидроочистки 430, либо в зону гидроочистки тяжелого топлива 460, или в обе зоны, и обычно небольшим количеством жидких нефтяных газов.
Легкий вакуумный газойль 36, тяжелый вакуумный газойль 38 и деасфальтизированное масло 80, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, также подают в систему комплексной гидроочистки 400 и очищают водородом в присутствии катализатора в условиях гидроочистки для того, чтобы образовать зону гидроочистки тяжелого вакуумного газойля 460 выходящих потоков 70. Такой гидроочищенный выходящий поток содержит материалы в пределах диапазона (1) нестабилизированной нафты с ожидаемым диапазоном кипения от свыше С5 (композиции, содержащие пять атомов углерода) до, примерно, 175°С (примерно, 350° F) и (2) дизельного топлива с ультранизким содержанием серы, которое, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, имеет содержание серы менее 10 частей на миллион по массе, при этом оно представляет собой поток с уменьшенным содержанием серы, полученный из зоны гидроочистки первого тяжелого топлива, который сформирован из первой порции комбинации очищенных дистиллятных потоков, содержащих легкий вакуумный газойль 36, тяжелый вакуумный газойль 38 и деасфальтизированное масло 80, (3) второго потока с уменьшенным содержанием серы, который, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, имеет содержание серы в диапазоне от 0,12 до 0,18 масс. %, при этом он образован из второй порции комбинации очищенных дистиллятных потоков, содержащих легкий вакуумный газойль 36, тяжелый вакуумный газойль 38 и деасфальтизированное масло 80. Специалисты в области гидроочистки понимают, что побочные продукты гидроочистки в зоне 460 могут включать газы, содержащие сернистые газы, такие как сероводород, обогащенный водородом отходящий газ, по меньшей мере, одну порцию которого очищают для удаления серы и рециркулируют добавлением водорода либо в зону дистиллятной гидроочистки 430, либо в зону гидроочистки тяжелого топлива 460, или в обе зоны, и обычно небольшим количеством жидких нефтяных газов.
Неочищенный поток 10 и, по меньшей мере, один гидроочищенный жидкий поток по линии 60 и линии 70 объединяют для образования топлива, по существу не содержащего металлов, с низким содержанием серы в зоне 600, где «объединять» означает образовать путем линейного смешивания потоков, блендинга или других однородных комбинаций. В одном варианте осуществления настоящего изобретения, нестабилизированная прямогонная нафта по линиям 4 и 16 и погон с содержанием серы в точке излома по линии 18 объединяют в 100 без дополнительной очистки, затем образуют топливную в зоне 600 путем объединения, по меньшей мере, с одним выходящим потоком из зоны дистиллятной гидроочистки 430, содержащим нестабилизированную нафту и дизельное топливо с ультранизким содержанием серы, и, по меньшей мере, с одним выходящим потоком из зоны гидроочистки тяжелого топлива 460, содержащим нестабилизированную нафту, дизельное топливо с ультранизким содержанием серы и со вторым потоком с уменьшенным содержанием серы, который образован в зоне гидроочистки тяжелого топлива 460. В другом варианте осуществления настоящего изобретения, где используется зона гидроочистки 400, выходящие потоки зон 430 и 460 объединяют для образования единого потока, как если бы линия 60 и линия 70 были объединены (не показано) в такой зоне, причем такой вариант пригоден, когда сепарация выходящего потока зон гидрообработки 430 и 460 не является предпочтительной. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, гидроочищенная порция вакуумного газойля зоны 460 имеет поток верхней системы и поток нижней системы, причем порция, которая течет, представляет собой материал диапазона кипения дизельного топлива, который может иметь относительно небольшой объем, по сравнению с комбинированным дизельным топливом, добавленным зонами 430 или 460 в зону объединения 600, и порция гидроочищенного объединенного бокового дизельного топлива зоны 430 также имеет боковой поток нестабилизированной нафты, либо отдельно, либо часть потока верней системы и потока нижней системы, включая дизельное топливо с низким содержанием серы, направляемый в блок 600 или используемый в качестве регулировочной подачи потока или для других целей.
Нижний тяжелый нефтяной остаток 90, полученный из деасфальтизатора 300, содержащий асфальт и обогащенный металлами тяжелый нефтяной остаток подают в комплексную систему газификации комбинированного цикла 500, содержащую, по меньшей мере, один газификатор для частичного окисления вышеупомянутого тяжелого нефтяного остатка 90 в присутствии пара и кислорода и, при необходимости, углеродсодержащую суспензию для охлаждения для образования синтез-газа, по меньшей мере, одну порцию которого преобразуют в водород, который направляют по линии 502 для использования в системе гидроочистки 400, содержащей дистиллятный гидроочиститель 430 и гидроочиститель тяжелого топлива 460, и синтез-газ для сжигания в газовой турбине энергетического агрегата с комбинированным циклом, находящегося в газификационной системе 500, для выработки электроэнергии в пределах 504 для использования в технологическом процессе и для других целей, и горячий газ турбины, а также содержащей теплоутилизационный генератор для извлечения тепла из горячего газа, производимого газовой турбиной, для производства пара, который управляет паровой турбиной, для дополнительной выработки электроэнергии, направляемой в виде энергии по 504. Каждый газификатор также производит обогащенную металлами сажу, которая может быть в виде твердых частиц, которые содержат примеси металлов, полученные из сырой нефти и/или тяжелого нефтяного сырья, при этом твердые частицы направляют по линии 506 от каждого газификатора для удаления металлов. Системы обеспечения содержат, по меньшей мере, один агрегат очистки газа, к которому подаются все газовые потоки, содержащие серу, будь то серосодержащий газ или кислотный газ, из всех технологических операций агрегата для удаления серы по 508. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, такие системы удаления серы являются частью площадки, на которой находятся утилиты, в состав которой входит газификационная система. В более предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, один газовый поток, содержащий серу, направляют на промышленное производство серной кислоты в рамках общего удаления серы. Газификационная система 500, как правило, включает агрегат для удаления кислотного газа и систему замещения кислого угарного газа, которые оптимизируют по мощности и конфигурации для производства требуемого водорода из, по меньшей мере, части сырьевого синтез-газа, произведенного в газификационной системе.
В варианте осуществления комплексной системы гидроочистки 400, показанной на ФИГУРЕ 2, подпиточный водородосодержащий газ 502 из газификационной системы 500, в количествах, необходимых для гидроочистки, вместе с водородом, произведенным в процессе внутренней рециркуляции в блоке гидроочистки 400, сжимают и нагревают до эффективных рабочих температур гидроочистки, давления, объемных скоростей и давления, которое регулируют с учетом выбранного катализатора и других условий, известных в данной области техники, для достижения желаемого уровня десульфуризации и деметализации. Такой приготовленный водород 502 (наряду с рециркуляционным водородом) сначала размещают в зоне гидроочистки тяжелого топлива 460, в зоне повышенного давления. Выходящий поток зоны гидроочистки тяжелого топлива 460, содержащий гидроочищенные жидкости и водородосодержащий газ, сепарируют в сепараторе высокого давления (не показано), при этом такие жидкости собирают в зоне 460, и водородное содержимое извлекают и проводят по линии 410 в дистиллятный гидроочиститель 430 для целей гидроочистки в такой зоне пониженного давления. Гидроочищенные жидкости и продувочные газы, содержащие кислые и кислотные газы из зоны гидроочистки 430, проводят по линии 412 в зону гидроочистки тяжелого топлива 460, где их по существу объединяют. Гидроочищенные жидкости обеих зон 430 и 460 могут быть сегрегированы по линиям 60 и 70 и отдельно использованы в качестве входных потоков в комбинированное топливо 600 или добавлены в качестве дозирующего состава для регулирования баланса уровня серы в зоне объединения 600 или изъяты (не показано), в зависимости от технологических потребностей в отношении баланса серы и материала. В показанном варианте комплексной гидроочистки продувочные газы 420 обеих зон 430 и 460 направляют по линии 420 на площадку, на которой находятся утилиты, 500, которая содержит системы извлечения серы и, при необходимости, газификацию или бойлеры. На ФИГУРЕ 2 не показаны, но имеются известные специалистам в области гидроочистки различные вспомогательные газожидкостные сепараторы высокого, среднего и низкого давления, поточные нагреватели, линии рециркуляции и продувки газа, емкости для орошения газов или огней и сепарации жидкостей, компрессоров, систем охлаждения, и для другого вспомогательного использования. Если вместо использования общей площадки, на которой находятся утилиты, использовать зону гидроочистки, то в зоне гидроочистки 400 можно было бы расположить различные аминные или другие абсорберы агентов извлечения серы и зачистные системы для обработки кислым газом или кислотным газом.
Параметры выбора катализатора гидроочистки и корректировки условий процесса гидроочистки в зоне гидроочистки 400 входят в компетенцию человека, занятого в нефтеперерабатывающей промышленности, и не требуют дополнительного объяснения практической реализации технологических процессов в сегменте гидроочистки по настоящему изобретению. В реакционных зонах дистиллятного гидроочистителя 430 и гидроочистителя тяжелого топлива 460 применяемые катализаторы гидроочистки включают любую каталитическую композицию, пригодную для каталитического гидрирования углеводородного сырья, для увеличения содержания в нем водорода и/или удаления серы, азота, кислорода, фосфора и примесей гетероатомных металлов. Типы конкретных катализаторов и используемые конфигурации различных слоев, и выбранные условия гидроочистки будут зависеть от углеводородной композиции, а также от содержания серы и металлов, и тяжелого углеводородного нефтяного остатка, причем каждую порцию нефтяного сырья обрабатывают каждым соответствующим агрегатом для получения требуемого уменьшенного содержания серы и металлов в потоке продукта из каждой зоны. Такой катализатор может быть выбран из любого катализатора, пригодного для гидрообработки углеводородного нефтяного сырья; однако рабочие условия регулируются таким образом, чтобы избежать или минимизировать насыщение кольца или гидроконверсию в практике предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения. В номере публикации US 20140221713 A1 (US 13/758,429) 2014 Бальдассари с соавторами (Baldassari et al), который включен в настоящий документ путем ссылки, описаны различные катализаторы, подходящие для гидроочистки, а также подходящие способы гидроочистки, включая варианты устройства комплексной гидроочистки. Бальдассари с соавторами далее приводит резюме вариантов каталитических композиций и диапазонов условий гидроочистки дистиллятов и тяжелого топлива, и приводит различные условия гидрокрекинга и гидроконверсии нефтяного остатка, и все они известны специалистам в области гидропроцессинга. В работе «Реконструкция гидроочистителей дизельного топлива для получения ультранизкого содержания серы с использованием изотермической технологии» (Revamping Diesel Hydrotreaters For Ultra-Low Sulfur Using IsoTherming Technology) Аскерсона с соавторами (Ackerson et al) обсуждается конструкция агрегата, выбор катализаторов, потребление водорода и другие рабочие условия для удаления серы путем гидрирования для производства топлива, имеющего содержание серы менее 8 частей на миллион по массе, с использованием высокоактивного никелево/молибденового (Ni/Mo) катализатора. В работе «Оптимизация используемых в гидропроцессинге систем катализаторов для применения в гидрокрекинге и гидроочистке дизельного топлива, достижение функциональности посредством использования катализатора» (Optimizing Hydroprocessing Catalyst Systems for Hydrocracking and Diesel Hydrotreating Applications, Flexibility Through Catalyst) Шифлета с соавторами (Shiflet et al), стр. 6 Передовые технологии нефтепереработки, Специальное издание Каталограм, выпуск №113/2013 (Advanced Refining Technologies Catalagram Special Edition) также обсуждаются вопросы гидроочистки с получением уровней до 10 частей на миллион по массе или менее посредством использования высокоактивного кобальто/молибденового (Со/Mo) катализатора для удаления незатрудненной серы и высокоактивного никелево/молибденового (Ni/Mo) катализатора - для оставшейся стерически затрудненной серы.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на ФИГУРЕ 2, содержание серы в нефтяном сырье 2 измеряют с помощью анализа, который показывает экспоненциальную точку излома профиля серы и скорость возрастания, например, точку излома содержания серы в диапазоне от 0,06 до 0,08 масс. % (или выше, с учетом скоростей относительного потока неочищенных и гидроочищенных паров, и соответствующего содержания серы в них), и используют такой профиль для регулирования корректировок атмосферной дистилляции 100 для того, чтобы максимально увеличить доступное количество нестабилизированной прямогонной нафты 16 и погона с содержанием серы в точке излома 18, потоки которых могут течь для объединения путем смешивания потоков или путем блендинга в зоне сбора топлива 600, причем эти потоки не проходили очистку, и определяют или уменьшают, при необходимости, количество (1) потоков легкого дистиллята 24, среднего дистиллята 26, первого тяжелого дистиллята 28 или второго тяжелого дистиллята 32 в зоне дистиллятного гидроочистителя 430 или (2) потоков светлого вакуумного газойля 36, тяжелого вакуумного газойля 38 или деасфальтизированного масла 80 в гидроочистителе тяжелого топлива 460, которые текут в направлении гидроочистки, в увеличенном или уменьшенном количестве, для прохождения очистки с тем, чтобы образовать топливо 600, имеющий фактическое содержание серы на уровне целевого предельного содержания серы или ниже него. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения, можно использовать анализ для регулирования максимального количества потоков, отличных от неочищенной нестабилизированной прямогонной нафты 16 и неочищенного погона с содержанием серы в точке излома 18, для определения количества потоков, направляемых на гидроочистку с тем, чтобы образовать топливо 600, имеющее уровень фактического содержания серы на уровне целевого предельного содержания серы или ниже него. То есть, различные скорости потока направляемого для гидроочистки 400 любого количества (1) потоков легкого дистиллята 24, среднего дистиллята 26, первого тяжелого дистиллята 28 или второго тяжелого дистиллята 32, направляемого в зону дистиллятного гидроочистителя 430, или (2) потоков легкого вакуумного газойля 36, тяжелого вакуумного газойля 38 или деасфальтизированного масла 80, направляемого в гидроочиститель тяжелого топлива 460, могут быть увеличены или уменьшены для регулирования в зоне гидроочистки содержания серы 400 выходящих потоков 60 или 70 или обоих потоков, которые объединяются в зоне 600 с неочищенными потоками 10.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, топливо 600, имеющий фактическое содержание серы, соответствующее целевому предельному уровню содержания серы или ниже него, образуется путем корректировки фактического уровня серы в конечном топливе 600 путем увеличения или уменьшения количества направляемого в зону объединения 600, по меньшей мере, одного любого потока из (а) нестабилизированной прямогонной нафты 16 или погона с содержанием серы в точке излома 18, каждый из которых может иметь некоторое содержание серы, поскольку их не очищают путем удаления серы, или (b) потоков, входящих или выходящих из дистиллятного гидроочистителя 430, например, потоков очищенного легкого дистиллята 24, среднего дистиллята 26, первого тяжелого дистиллята 28 и второго тяжелого дистиллята 32 или (с) потоков, входящих или выходящих из гидроочистителя тяжелого топлива, например, очищенного легкого вакуумного газойля 36, тяжелого вакуумного газойля 38 и деасфальтизированного масла 80, где такая регулировка основана на измерении вклада относительного содержания серы в каждый поток 60 или 70 для объединения в комбинации 600.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, легкую нефть низкопроницаемых коллекторов или конденсат, или комбинацию легкой нефти низкопроницаемых коллекторов или тому подобное, например, конденсат, получаемый при разработке природного газа и сланцевого газа, имеющий низкое содержание металлов и содержание серы, которое меньше уровня целевого предельного содержания серы в топливе 600, объединяют, по меньшей мере, с одним из следующего: (а) нефтяное сырье, подаваемое на атмосферную дистилляцию 100 или вакуумную дистилляцию 200, сольвентную сепарацию 300, любое нефтяное сырье, являющееся источником легкого дистиллята 24, среднего дистиллята 26, первого тяжелого дистиллята 28 или второго тяжелого дистиллята 32, направляемое в дистиллятный гидроочиститель 430, или любое нефтяное сырье, являющееся источником легкого вакуумного газойля 36, тяжелого вакуумного газойля 38 или деасфальтизированного масла 80, направляемое в гидроочиститель тяжелого топлива 460 для очистки или (b) поток 10, образованный из нестабилизированной прямогонной нафты 16 и погона с содержанием серы в точке излома 18 без дополнительной очистки или (с) поток, образованный в дистиллятном гидроочистителе, содержащий нестабилизированную нафту и дизельное топливо с ультранизким содержанием серы, или (d) потоки, образованные в гидроочистителе тяжелого топлива, содержащие нестабилизированную нафту, дизельное топливо с ультранизким содержанием серы и второй поток с уменьшенным содержанием серы или (е) объединенный выходящий поток 70, образованный в агрегате гидроочистки 400, направляемый в зону конечного топлива 600, или (f) иным образом добавляют в топливо, производимое системой в пределах или за пределами нахождения системы производства такого топлива, для образования конечного продукта.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на ФИГУРЕ 2, содержание серы в топливе 600 контролируют таким образом, чтобы оно находилось на уровне целевого предельного содержания серы или ниже него путем: (а) подачи в комбинацию 600 нестабилизированной прямогонной нафты 16 и погона с содержанием серы в точке излома 18 без дополнительной очистки либо такого потока по линии 10, а затем (b) корректировки фактического уровня содержания серы в топливе 600 путем увеличения или уменьшения количества, направляемого в комбинацию, по меньшей мере, одного любого из следующих: (1) потоки легкого дистиллята 24, среднего дистиллята 26, первого тяжелого дистиллята 28 или второго тяжелого дистиллята 32, направляемые в зону дистиллятного гидроочистителя 430 или (2) потоки светлого вакуумного газойля 36, тяжелого вакуумного газойля 38 или деасфальтизированного масла 80, направляемые в гидроочиститель тяжелой нефти 460 и (с) затем уменьшения количества, направляемого в комбинацию, по меньшей мере, одного любого из следующих: (1) потоки, получаемые из зоны дистиллятного гидроочистителя 430 по линии 60, которые были образованы из легкого дистиллята 24, среднего дистиллята 26, первого тяжелого дистиллята 28 или второго тяжелого дистиллята 32, (2) потоки, получаемые из зоны гидроочистителя тяжелого топлива 460 по линии 70, которые образованы из легкого вакуумного газойля 36, тяжелого вакуумного газойля 38 и деасфальтизированного масла 80, если в любом или во всех этих потоках необходимо увеличить, по любой причине, фактический уровень содержания серы в топливе 600 до уровня целевого содержания серы или (d) увеличения количества направляемых в комбинацию, по меньшей мере, одного любого из следующих: (1) вышеупомянутые потоки, полученные из дистиллятного гидроочистителя 430 по линии 60, или (2) потоки, полученные из гидроочистителя тяжелого топлива 460 по линии 70, если необходимо, по какой-либо причине, уменьшить фактический уровень содержания серы в топливе 600 с тем, чтобы он соответствовал уровню целевого предельного содержания серы на или ниже него. Благодаря такому упрощению, можно эффективно производить большое количество сортов серы, например, сорта серы, используемые для получения топлива с целевым содержанием серы 500 частей на миллион по массе или менее, которые применяют для морских и береговых газовых турбин, или различные диапазоны для тех же применений в различных местах, где требуется различный уровень содержания серы.
В вариантах осуществления использования топочного масла с высоким содержанием серы, имеющего содержание серы, превышающее уровень целевого предельного содержания серы в конечном топливе в комбинации 600, топочное масло с высоким содержанием серы подают в виде части, по меньшей мере, одного вида нефтяного сырья, выбираемого из различных видов нефтяного сырья, по меньшей мере, в одну технологическую операцию каждого агрегата. Топочное масло с высоким содержанием серы может быть добавлено на (а) линию подачи 2 для атмосферной дистилляции 100 или на линию 30 для вакуумной дистилляции 200, или на (b) линию 50 для сольвентной сепарации 300, или на (с) линию 20 в дистиллятный гидроочиститель 430, либо отдельно, либо в виде комбинации, по меньшей мере, с одним легким дистиллятом 24, средним дистиллятом 26, первым тяжелым дистиллятом 26 или вторым тяжелым дистиллятом 32, подаваемым в вышеупомянутый дистиллятный гидроочиститель 430, либо на (d) линию 40 в гидроочиститель тяжелого топлива 460, либо отдельно, либо в виде комбинации, по меньшей мере, с одним легким вакуумным газойлем 36, тяжелым вакуумным газойлем 38 и деасфальтизированным маслом 80 для образования топливной комбинации 600, имеющей фактическое содержание серы на уровне целевого предельного содержания серы или ниже него. Специалисты в области нефтепереработки понимают, что на практике, по меньшей мере, в одном таком варианте использования топочного масла с высоким содержанием серы в качестве подаваемого нефтяного сырья и при отборе его точки подачи следует учитывать содержание в нем серы, содержание асфальтенов и другие факторы, относящиеся к природе подаваемого топочного масла с высоким содержанием серы, и совместимость с сырой нефтью или другим нефтяным сырьем, используемом при совместной обработке, габариты судна и потребление энергии, содержание асфальтенов, содержание нерастворимых компонентов, образование смолы и другие вопросы эффективности.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения, экологически чистое топливо в зоне объединения 600 образуется путем добавления топочного масла с высоким содержанием серы, которое может иметь содержание серы, превышающее уровень целевого предельного содержания серы, по меньшей мере, к одному из следующего: (а) потоки 10, образованные из нестабилизированной прямогонной нафты 16 и погон с содержанием серы в точке излома 18 без дополнительной очистки, в зависимости от содержания серы в топочном масле с высоким содержанием серы, или путем его добавления к (b) потоку 60, образованному в дистиллятном гидроочистителе 430, содержащему нестабилизированную нафту и материалы, имеющие диапазон дизельного топлива с ультранизким содержанием серы, или к (с) потоку 70, образованному в гидроочистителе тяжелого топлива 460, содержащему нестабилизированную нафту, дизельное топливо с ультранизким содержанием серы и второй поток с уменьшенным содержанием серы, или объединенный выходящий поток 70 из зоны гидроочистки 400, в результате чего топливо 600 имеет фактическое содержание серы на уровне целевого предельного содержания серы или ниже него.
В одном предпочтительном варианте использования топочного масла с высоким содержанием серы при изготовлении топливной композиции 600, определяют содержание серы в таком топочном масле с высоким содержанием серы, затем топочное масло с высоким содержанием серы либо подают в виде части нефтяного сырья 50 в агрегат сольвентной сепарации для образования порции потока деасфальтизированного масла 80, либо объединяют, по меньшей мере, с одним дистиллятным потоком легкого дистиллята 24, среднего дистиллята 26, первого тяжелого дистиллята 26 или второго тяжелого дистиллята 32, ив виде части нефтяного сырья 20 подают в вышеупомянутый дистиллятный гидроочиститель 430 или объединяют, по меньшей мере, с одним потоком тяжелого топлива из легкого вакуумного газойля 36, тяжелого вакуумного газойля 38 и деасфальтизированного масла 80 или обоих дистиллятных потоков и потоками тяжелого топлива для образования порции нефтяного сырья либо в дистиллятном гидроочистителе 430, либо в гидроочистителе тяжелого топлива 460, или в обоих гидроочистителях, с учетом определения содержания серы в топочном масле с высоким содержанием серы для того, чтобы оптимизировать регулирование условий гидроочистки в зонах 430 или 460, или для регулирования в обеих зонах для образования топлива, имеющего фактическое содержание серы, соответствующее уровню целевого предельного содержания серы или ниже него.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения, экологически чистое топливо с уровнем содержания серы, соответствующим техническим характеристикам предельного содержания серы или ниже него, может быть образовано с использованием тяжелого остаточного масла, включая топочное масло с высоким содержанием серы, которое представляет собой, как правило, атмосферный нефтяной остаток или более тяжелый нефтяной остаток, который может иметь плотность или содержание серы или металлов, выходящее за рамки технических характеристик или соответствующее обычным стандартам для топочного масла с высоким содержанием серы. Зачастую, из-за рыночных факторов такое тяжелое остаточное масло можно получить из другого источника подачи, находящегося за пределами границ площадки, где находится установка по производству топлива. Тяжелый нефтяной остаток с содержанием серы, превышающим уровень целевого предельного содержания серы в топливе 600, подают, по меньшей мере, в одно из следующего: (а) вакуумную дистиллятную колонну 200 отдельно или в виде комбинации по линии 30 с атмосферным остатком нефтяного сырья в вакуумную колонну 200 для производства, по меньшей мере, порции любого или всего вышеупомянутого второго тяжелого дистиллята 32, легкого вакуумного газойля 36, тяжелого вакуумного газойля или вакуумного нефтяного остатка 50 или (b) на сольвентную сепарацию 300 отдельно или в виде комбинации по линии 50 с вакуумным остатком нефтяного сырья на сольвентную сепарацию 300 для получения, по меньшей мере, порции деасфальтизированного масла 80 или асфальта 90, имеющего обогащенный металлом нефтяной остаток, который передают в газификационную систему 500 для осуществления газификации, извлечения серы и другой вспомогательной переработки. Такое тяжелое остаточное масло также может быть объединено с асфальтом по линии 90 в виде нефтяного сырья, подаваемого на площадку, на которой находятся утилиты 500. В вариантах осуществления настоящего изобретения, когда неочищенное топочное масло с высоким содержанием серы, имеющее относительно высокое содержание серы (свыше 0,5 масс. %) или высокое содержание металлов используют без очистки для регулирования корректировки содержания серы в топливе 600 по настоящему изобретению, то для такого регулирования используют относительно незначительное количество такого топочного масла без очистки для гарантированного получения такой комбинации 600, в которой не превышено целевое предельное содержание серы.
На ФИГУРЕ 2 изображена технологическая схема, показывающая различные промежуточные отдельные продукты, которые служат для целей примера и понимания основных продуктов и побочных продуктов, находящихся в выходящих потоках каждой изображенной технологической операции агрегата. Выбранный вариант сепарации или очистки посредством каждой технологической операции агрегата зависит от выбранной сырой нефти и нефтяного сырья, и от оптимизации промежуточных продуктов, производимых для получения топлива, соответствующего целевой технической характеристике содержания серы или ниже нее. Например, оба выходящих потока 60 и 70, которые выходят из гидроочистителей 430 и 460, могут быть объединены в зоне гидроочистки 400 с использованием общего газожидкостного сепаратора (не показано), если дизельное топливо с ультранизким содержанием серы, произведенное в зоне 430, не сепарируют, и все гидроочищенные материалы объединяют на линии 70, как показано на ФИГУРЕ 2, удаляют только газы. В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения, если целью технологического процесса является сепарация или удаление некоторой части нестабилизированной нафты или дизельного топлива с ультранизким содержанием серы для регулирования баланса содержания серы в топливе в зоне конечного объединения 600 или по другой причине, выходящие потоки 60 и 70, которые выходят из гидроочистителей 430 и 460, могут быть направлены, либо отдельно, либо в виде комбинации, в отпарную колонну или ректификационную колонну для того, чтобы осуществить удаление фракции нестабилизированной нафты или дизельного топлива с ультранизким содержанием серы.
Хотя были описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что они предназначены только для пояснительной цели, а не для ограничения. Например, когда температуру вспышки топлива не учитывают, неочищенную легкую нефть низкопроницаемых коллекторов или конденсат, или неочищенную легкую нефть низкопроницаемых коллекторов или конденсат с низким содержанием металлов и с меньшим содержанием серы, по сравнению с целевым содержанием серы, добавляют в качестве порции комбинации вышеупомянутых неочищенных фракций с вышеупомянутыми очищенными потоками для образования топлива, имеющего фактическое содержание серы, соответствующее целевому содержанию серы или ниже него. Термин «легкая нефть низкопроницаемых коллекторов» или «LTO», используемый в настоящем документе, означает устьевой конденсат или конденсат, полученный при производстве сланцевого газа, имеющий (i) содержание серы в диапазонах от 0,1 до 0,2 масс. % и (ii) плотность, API (град.) в диапазоне от 38 до 57 и (iii) широкие разнообразие источников на основе углеводородных диапазонов. LTO обычно имеет потенциальные перекрывающиеся диапазоны фракций дистиллятного погона, в массовых долях, (а) от 5 до 20 масс. % диапазона сжиженного углеводородного газа, (b) от 10 до 35 масс. % нафты, (с) от 15 до 30 масс. % керосина, (d) от 15 до 25% дизельного топлива, (е) вакуумного газойля и (f) от нуля (0%) до 10% тяжелых нефтяных остатков.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, рассматривается совместная обработка (i) сырой нефти, имеющей качество неочищенной легкой нефти низкопроницаемых коллекторов или конденсата, или комбинации легкой нефти низкопроницаемых коллекторов или конденсата, например, когда имеются в распоряжении резервуары произведенной нефти, которые находятся за пределами границ площадки, где находится установка по производству топлива по настоящему изобретению, и (ii), по меньшей мере, одного другого вида сырой нефти, которые подают в технологический процесс по настоящему изобретению для производства недорогого топлива с низким содержанием металлов и содержанием серы, которое меньше целевого содержания серы. Такая легкая нефть низкопроницаемых коллекторов, не содержащая (например, 0% или очень малое количество тяжелых нефтяных остатков), вероятно, достаточное количество более тяжелых углеводородов в пределах своих нижних фракций с диапазонами нефтяных остатков, требуемое для обеспечения баланса переработки с целью десульфуризации или для другой гидрообработки, а также не содержащая соответствующих нефтяных остатков, в количестве, достаточном для поддержания процесса выработки водорода с целью обеспечения экономически эффективной переработки такой легкой нефти для проведения гидрогенизации с тем, чтобы уменьшить содержание серы и металлов для деконтаминации или для обеспечения достаточной смазывающей способности, чтобы обеспечить применение в некоторых типах двигателей.
Варианты осуществления новых видов топлива по настоящему изобретению лучше оценивать со ссылкой на стандарт ISO 8217, выпущенный Международной организацией по стандартизации (ISO). ISO 8217 описывает категории и подробные технические характеристики для целого ряда судового остаточного топлива для потребления на борту судов. Технические характеристики считают основой для их развития, изменений в поставках сырой нефти, способов нефтепереработки и других условий. Такие технические характеристики указывают на то, что они учитывают различные международные требования, предъявляемые к таким свойствам, как содержание серы. В настоящее время самым строгим стандартом ISO 8217 является RMA 10, на котором должны основываться интерпретация технической характеристики и формула изобретения. На основании смоделированных композиций новых видов топлива по настоящему изобретению (сделанных посредством имитационной модели, разделяющей сырую нефть на фракции, некоторые из которых подвергают гидроочистке и исключают нефтяной остаток, который не растворяют во время сольвентной сепарации, а затем реконфигурируют такие неочищенные и очищенные сегменты), эти новые виды топлива соответствуют и/или превышают все технические характеристики ISO RMA 10, за исключением температуры вспышки, которая для грузовых судов находится в пределах исключений СОЛАС в отношении требований, предъявляемых к температуре вспышки для грузовых судов, которые использую топливо, имеющее новые характеристики или улучшения, которые, как мы заявляем, отличают эти новые виды топлива от видов судового топлива, произведенного из нефтяных остатков.
3
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, мы предлагаем улучшенное топливо, удовлетворяющее или превышающее технические характеристики ISO RMA 10 (ISO 2817-10), за исключением температуры вспышки, и имеющее любые или все следующие отличительные характеристики: (а) сера 0,50% м/м (масс. %) или ниже, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения - в диапазоне от 0,05 до 0,20 м/м (масс. %), (b) металлы 5,0 мг/кг (частей на миллион по массе) или ниже, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения - 1,0 мг/кг (1,0 частей на миллион по массе) или ниже, например, 0,2 мг/кг (0,2 частей на миллион по массе), и (с) температура вспышки не более 60°С, и другие улучшенные признаки по техническим характеристикам ISO RMA 10. В вариантах осуществления настоящего изобретения, эти новые виды топлива имеют, по меньшей мере, одну из этих дополнительных отличительных характеристик: (а) вязкость не более 10 сСт, (b) температура застывания 0 (ноль) °С или менее, (с) плотность в диапазоне 820-880 кг/м, (d) CCAI не более 800, (е) натрий 20 мг/кг или ниже, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения - 10 мг/кг или ниже. Все вышеизложенное определяется посредством методов тестирования или расчетов, установленных ISO 2817-10. Такие виды топлива содержат ряд углеводородов, имеющих начальную температуру кипения нафты, и наиболее высокой температурой кипения является самая высокая температура кипения ее компонента, который растворим в сольвенте, пригодном для сольвентной сепарации, например, в гептане. Содержание металлов может быть снижено до 100 частей на миллион по массе, в зависимости от состава сырой нефти и регулировки рабочих условий.
Мы обнаружили, что мы можем производить экономным образом такие виды топлива с чрезвычайно низким содержанием серы и металлов, которые подпадают под исключение СОЛАС в отношении требований, предъявляемых к температуре вспышки для грузовых судов. Если для других целей требуется корректировка температуры вспышки, то температуру вспышки доводят до 60°С или выше, или до такого требуемого значения, которое известно в данной области техники.
Использование низковязкого топлива с низкой температурой застывания по настоящему изобретению в судовых двигателях позволяет избежать или уменьшить потребление энергии, требуемое в связи с нагреванием традиционных остаточных масел для того, чтобы обеспечить их перекачку и обработку, либо в порту на заправочных станциях, либо в море. Тяжелые остаточные масла - густые, их необходимо нагревать и поддерживать в горячем состоянии из-за их относительно высокой температуры застывания и высокой вязкости в процессе хранения, перекачки и подачи на судовые двигатели, которые при нагревании потребляют энергию.
В Таблице 1 ниже показаны два варианта топлива по настоящему изобретению, причем один вариант топлива имеет чрезвычайно низкое содержание серы 0,1 масс. %, а другой вариант топлива имеет еще более низкий уровень содержания серы 0,05 масс. %., по сравнению с данными ISO RMA 10, приведенными в Таблице 1 ниже:
Такие варианты топлива по настоящему изобретению, обладающие свойствами, показанными в Таблице 1, дополнительно различаются тем, что они содержат по существу весь диапазон углеводородов, полученных из сырой нефти, от С3 или С5, до более С20, причем вышеупомянутые углеводороды, имеющие начальную температуру кипения, которая является самой низкой температурой кипения любой фракции вышеупомянутой сырой нефти в условиях атмосферной дистилляции, а самая высокая температура кипения является конечной температурой кипения порции нефтяного остатка вышеупомянутой сырой нефти, которая нерастворима в сольвенте, пригодном для сольвентной сепарации. В отличие от представленного выше, нефтяные остатки, будь то нефтяной остаток вакуумной дистилляции, нефтяные остатки сольвентной деасфальтизации, другие продукты коксования и тому подобное, не содержат такой широкий диапазон углеводородов, но ограничены только очень тяжелыми материалами.
На основании изобретения, раскрытого в описании и в формуле изобретения, по настоящему изобретения можно производить ультрачистые виды топлива, которые соответствуют или превосходят стандарты совместимости с имеющимися в настоящее время судовыми поршневыми двигателями, но также совместимы с усовершенствованными турбинами, работающими на продуктах сгорания газа, которые могут использоваться для применения в морских условиях. Такие усовершенствованные турбинные двигатели доступны сегодня, но, как правило, расположены на суше. Эти усовершенствованные турбинные двигатели, когда-то размещенные на борту судов, могут иметь большое преимущество с точки зрения эффективности, поскольку обладают меньшей коррозией или образованием золы, благодаря сжиганию топлива по настоящему изобретению во время плавания. Кроме того, в зависимости от сложившихся экономических особенностей применения топлива в порту, суда могут получить преимущество с точки зрения эффективности за счет подачи этих новых видов топлива в порт для выработки электроэнергии и передачи такой энергии местной электрической сети для получения дохода. Такой доход от выработки электроэнергии в порту компенсирует затраты на судовое топливо и может более существенно снизить фактическую полную сумму затрат на судовое топливо, используемое на судне, в сравнении с затратами на топочное масло с высоким содержанием серы, и, таким образом, компенсирует затраты на топливо с низким содержанием серы по настоящему изобретению, если оно окажется более дорогим судовым топливом. Полная выгода для окружающей среды, если сравнивать с некоторыми основными вариантами, заключается в том, что во время плавания можно достичь сокращения выбросов оксидов серы и окислов азота более чем на девяносто пять процентов (95%) и сокращений выбросов вредных металлов, возможно, более чем на 99% (почти 100%). Кроме того, принести пользу окружающей среде можно, сократив выбросы CO2 двумя способами: (i) использовать на судах эффективные усовершенствованные газотурбинные двигатели и (ii) повысить эффективность выработки электроэнергии в портах, заменив неэффективное сжигание угля, сырой нефти, остаточных масел или некоторых других видов топлива.
Таким образом, очевидно, что настоящее изобретение имеет широкое применение для производства видов топлива, имеющих уменьшенное содержание серы, низкие уровни содержания серы и других загрязнителей, и использования таких видов топлива. Некоторые признаки могут быть изменены без отклонения от принципа или объема настоящего изобретения. Соответственно, настоящее изобретение не должно истолковываться как ограниченное конкретными обсуждаемыми вариантами осуществления или примерами, а только теми, которые определены в прилагаемой формуле изобретения или в существенных эквивалентах формулы изобретения.