Как сделать мазут

Обновлено: 02.07.2024

Мазут — это густая жидкость тёмно-коричневого цвета, смесь тяжелых остатков после отгонки бензинов, керосинов и газойля (выкипающих при температуре менее 350-360°С) из нефти или продуктов её вторичной переработки.
Также мазут можно получать из каменного угля и горючих сланцев, но такие виды мазута выгодно использовать только в месте производства, поэтому они не производятся в больших объемах.

Свойства мазута

Мазут – это, по сути, смесь углеводородов (имеющих молекулярную массу 400-1000), нефтяных смол (молек. массой 500-3000), карбенов, карбоидов, асфальтенов и органических соединений, содержащих металлы (такие, как V, Ni, Fe, Mg, Na, Ca). Физико-химические свойства конкретной пробы мазута зависят от качества конкретной партии поступившего на завод сырья (нефть высокосернистая или высокопарафиновая), режима переработки, условий компаундирования и хранения.

Химический состав мазутов: углерод, водород, кислород, азот, сера и зола. В составе вязких мазутов – до 88,5% углерода, до 11,5% водорода, а также повышенный процент серы и азота. В составе маловязких мазутов доля углерода меньше, что снижает такие параметры, как вязкость и плотность.

Мазут легко отличить по виду

Мазуты имеют следующие свойства:

Плотность мазута

Таблица 1. Плотность мазутов при 20 градусах С

Марки мазута

Малосернистый

Высокосернистый

Таблица 2. Максимальная плотность мазутов, кг/м 3

Наименование	Ф 5	Ф 12	М 40	М 100
Плотность, кг/м 3	955	960	965	1015

Применение мазутов

Основные потребители мазута – морской и речной флот, сфера ЖКХ, промышленность.
Сфера применения мазутов:

как топливо для паровых котлов, всевозможных котельных установок и промышленных печей (котельные топочные мазуты, например, М 100);
как сырье для производства флотского (судового) мазута, тяжелого моторного топлива для крейцкопфных дизелей и бункерного топлива;
как сырье для производства моторных масел, кокса, битумов, смазочных масел.

Выход мазута по массе – около 50% от исходной нефти. Поскольку нефть нуждается во все большей глубине переработки, остаток ее в виде мазута также перерабатывают как можно полнее путем отгонки под вакуумом дистиллятов, выкипающих в пределах 350-500 град С. Из таких вакуумных дистиллятов получают моторные топлива, а их остатки используют для получения остаточных смазочных масел и гудрона, который далее перерабатывается на битум.

Мазут на рынке и экспорт из России

В 2009 — 2012 годы потребление мазута на российском рынке – примерно 11 миллион тонн в год. Мировые цены на мазут превышали внутренние более чем в 1,5 раза, поэтому экспорт мазута вырос на 13,9%. Так, средняя цена мазута в России в 2012 году была $355,8 за тонну, что ниже средней мировой цены на 77,4%. В 2009 г. доля мазута в структуре экспорта нефтепродуктов из России составляла 53% (63,85 млн т), в 2010 г. – 55% (72 млн т), а в 2011 г. Россия отгрузила на экспорт 53 миллиона тонн мазута.

В настоящее время общей тенденцией нефтяной отрасли является уменьшение разведанных запасов лёгкой нефти, практически весь прирост запасов происходит за счет тяжелой вязкой сернистой нефти. Запасы нефти, удобные для добычи и переработки, истощаются ускоренными
темпами. В то же время, по данным экспертов, мировые запасы тяжелой нефти составляют от 810 миллиардов до 1 трлн. тонн. Геологические запасы высоковязкой и тяжелой нефти в России достигают 6-7 миллиардов тонн, однако их применение и извлечение требует использования
специальных дорогостоящих технологий. Очевидно, что в ближайшей перспективе придется перерабатывать исключительно тяжелую нефть.

ПРОБЛЕМА

Но переработка тяжелой нефти существующими методами весьма затруднительна, энергоёмка и, как следствие, низкорентабельна или убыточна. Для обеспечения приемлемой глубины переработки такой нефти с помощью известных технологий требуются большие капиталовложения, высокие процентные нормы эксплуатационных затрат и оборотных средств.

Краткий экскурс.

Общая схема переработки нефти.

50-100 куб. м. попутного газа
200-300 кг воды
1-15 кг минеральных солей
1-50 кг механических примесей (песка, глинозема и т.д.)

Удаления попутных газов
Стабилизации нефти
Обезвоживания и обессоливания нефти
Первичной перегонки нефти
Вторичной переработки нефтяных фракций: каталитического крекинга, каталитического риформинга, коксования, висбрекинга, гидрокрекинга
Гидроочистки
Смешения компонентов готовых нефтепродуктов

Краткий экскурс.

Первичная перегонка нефти.

Здесь происходит нагрев сырья в ректификационной колонне, состоящей из нескольких десятков отборных устройств (тарелок).

Чем эффективнее и технологичнее процесс переработки, тем более чистые фракций можно получить, а также снизить потребление топлива для нужд производства и количество отходов в виде мазута.

При всем многообразии методов эффективные, с т.з. скорости переработки, энергозатрат на переработку и степени конверсии итоговых продуктов, отсутствуют.

Исследуемая проблематика.

Объект исследований: техногенные отходы, на примере лигнина – отхода лесной и целлюлозно-бумажной отраслей, и гудрона (производная от мазута) – трудноперерабатываемый остаток фракционирования нефти с температурой кипения более 500 °С.

Основная проблема в переработке гудрона – высокое содержание смол и асфальтенов, соединений серы и азота, металлсодержащих соединений.

ПРОБЛЕМА

Компоненты гудрона склонны к конденсации и образованию кокса при переработке, что приводит к необратимой дезактивации катализатора.

С помощью традиционных каталитических технологий практически невозможно обеспечить эффективную глубокую переработку тяжелых нефтей и нефтяных остатков с достижением высокого выхода легкой нефти.

ПРОБЛЕМА

Основная проблема в переработке лигнина – наличие большого количества примесейметаллов, соединений серы и азота, устойчивая полимерная структура.
Лигнин накапливается в виде отвалов при заводах по производству целлюлозы.

В России на свалках находится порядка 200 млн. тонн лигнина.

Мировое ежегодное производство лигнина оценивается в 70-80 млн. тонн.

Захар Иванович Слуковский — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории геохимии, четвертичной геологии и геоэкологии Института геологии Карельского научного центра РАН. Область научных интересов — экологическая геохимия, геоэкология, биогеохимия, биоиндикация.

Сегодня, наверное, даже ребенок младшего школьного возраста знает, что мы живем в нефтяную эпоху и каждый день сталкиваемся с вещами, созданными из нефти или функционирующими благодаря ей. Неудивительно, что цены на черное золото так волнуют всех россиян, ведь благосостояние нашей страны напрямую зависит от того, сколько этого сырья мы продадим другим государствам и, главное, сколько за это выручим. Однако существует и внутреннее потребление нефти и продуктов ее переработки. Один из них — мазут. О нем и его прямой связи с загрязнением окружающей среды северных городов России я и расскажу подробней.

Нефть, как полезное сырье, известна человеку давно, однако настоящая нефтяная эпоха началась ближе к середине XIX в., и во многом она связана с использованием не сырой, а переработанной нефти. Один из первых заводов по ее перегонке был организован в 1823 г. на юге России братьями Василием, Герасимом и Макаром Дубиниными. Производя различные продукты перегонки нефти для аптечных и осветительных целей, в качестве остатка они получали мазут. Однако о его использовании в то время речи не шло [3]. Даже с началом активного производства керосина в России к концу 1850-х годов мазут по-прежнему выбрасывали за ненадобностью. Это при том, что из 40 ведер нефти получалось аж 20 ведер мазута и лишь 16 — керосина. Значительную часть мазута безбожно выливали в озера (обязательно вспомним об этом ближе к концу статьи!) и в специально вырытые пруды [3]. Главной проблемой была густая консистенция мазута, из-за чего он плохо горел. В 1866 г. инженер и изобретатель А. И. Шпаковский придумал пульверизатор для подачи жидкого топлива, а чуть позже, в 1880 г., другой русский инженер — В. Г. Шухов — изобрел специальную форсунку (рис. 1), в которой вытекающее по узкому каналу топливо силой водяного пара превращалось в мельчайшую пыль. Эта пыль, попадая в камеру сгорания, испарялась, смешивалась с воздухом и хорошо сгорала [4].

Дайте Северу тепло!

Россия — страна северная. Зима в отдельных регионах, особенно тех, которые входят в Арктическую зону РФ, может длиться до полугода и даже дольше. Это означает, что развитие городских территорий и промышленности в условиях сурового климата возможно только при достаточном обогреве в зимний период. Одним из вариантов было и остается строительство и использование котельных, ТЭС и ТЭЦ, на которых и стал использоваться мазут, наряду с углем и реже — с торфом.

Особенно активно строительство новых предприятий энергоблока началось с приходом советской власти, в 1930-е годы [5]. Основным импульсом этого процесса послужил государственный план по электрификации страны (ГОЭРЛО) от 1920 г., принятый Советом народных комиссаров. Согласно ему, на нужды жителей городов и промышленных предприятий были запущены ТЭЦ в Петрограде, Пскове, Казани, Самаре, Царицыне, Ростове-на-Дону и в крупных городах нынешней Украины. Лишь к 1960-м годам на многих ТЭЦ вместо мазута стал применяться природный газ, что напрямую связано с разведкой и разработкой его крупных месторождений. Однако еще в 1970-х годах мазут составлял около 30% в общем балансе советских предприятий энергоблока, в том числе тех, которые обогревали наши северные города 1 . Например, в моем родном Петрозаводске ТЭЦ, введенная в эксплуатацию в 1976 г., до начала 2000-х годов (около 20 лет) работала исключительно на мазуте и лишь потом перешла на природный газ. В Архангельске ТЭЦ работала на мазуте с начала 1970-х до 2012 г. (40 лет), затем также стала использовать газ. В Вологде местная ТЭЦ перешла на газ в 1995 г., проработав на мазуте почти 40 лет. Мурманская ТЭЦ, введенная в начале 1930-х годов, до 1960-х работала на угле, а позже перешла на мазут и до сих пор (почти 60 лет) работает, используя именно этот вид топлива (рис. 2). Как вы понимаете, из всех перечисленных городов Севера, только в столице Заполярья мазут продолжают использовать в качестве основного топлива, в остальных же городах перешли на природный газ.

Рис. 2. Вид на Мурманск и дымящие трубы ТЭЦ. Фото автора

На сегодняшний день доля нефтепродуктов (в том числе мазута) в функционировании российских предприятий электроэнергетики составляет не более 3%. Основное топливо (около 73%), благодаря обширной газификации, — природный газ, на втором месте — уголь 2 . На угле работали и продолжают работать в основном ТЭС и ТЭЦ Сибири, где используется местное сырье. Следует добавить, что совсем недавно мазут начал сдавать свои позиции и как судовое топливо. В 2020 г. Международной морской организацией (IMO) были введены новые правила, нацеленные на снижение выбросов серы в Мировой океан 3 . По ГОСТу 10585-2013, концентрация серы во флотском мазуте Ф5 не должна превышать 1,5%, но новые международные правила требуют не более 0,5%. В общем, пора обратиться к химии мазута. Даже его полное исчезновение из нашей жизни (к чему все так или иначе идет) не позволит забыть о нем в виду особенностей состава и, как следствие, специфики влияния на окружающую среду.

Из почвы в воду

Состав мазута напрямую определяется составом нефти. Кроме серы, о которой было сказано выше, из нефти в продуты ее переработки попадают еще два химических элемента, важных с точки зрения экологических исследований, — ванадий и никель. В нефти Западной Сибири концентрация ванадия варьирует от 1 до 58 мг/кг, а никеля — от 5 до 15 мг/кг [6]. Наряду с железом они — самые распространенные примеси и в продуктах переработки нефти, включая тяжелые нефтяные фракции — гудрон, кокс и мазут (рис. 3). Эти примесные металлы преимущественно концентрируются в золе мазута. Например, содержание оксидов ванадия может составлять до 50% от массы всей золы [1], но в среднем эти значения составляют 6–12%. Среднее содержание никеля в золах топочного мазута 3–4% [7]. Остальные тяжелые металлы в мазутной золе представлены в гораздо меньших количествах. Высокими концентрациями ванадия и никеля характеризуются в основном высокосернистные мазуты, тогда как в сырье с малым содержанием серы металлические примеси (особенно ванадий) часто имеют следовые количества [1].

Положительная динамика

Выше я отмечал, что и в Петрозаводске, и в Мурманске на благо промышленных предприятий и городских жителей действуют ТЭЦ. Правда, в столице Карелии предприятие встало на газовый путь экологического исправления почти 20 лет назад, а вот столица Заполярья до сих пор загрязняется летучей золой со всеми ее примесями в виде ванадия и никеля. Посмотрим на графики их распределения в современных донных отложениях малого городского оз. Ламба (рис. 5). Учитывая тесное соседство водоема и Петрозаводской ТЭЦ (около 1 км) и то, что наибольшему загрязнению обычно подвержены районы, прилегающие к источникам выбросов, мы не должны удивляться поистине гигантским концентрациям металлов на дне озера. Для ванадия максимум составляет 4785, а для никеля — 607 мг/кг. Известно, что в верхних горизонтах почвы на территориях, прилегающих к мазутной теплоэлектростанции, содержание ванадия может варьировать от 2090 до 7010 мг/кг [10]. Как видно, ванадиевые аномалии оз. Ламба вполне умещаются в этот диапазон концентраций. В самых верхних слоях озера наблюдается тенденция снижения поступления тяжелых металлов в городской водоем, что вызвано переходом ТЭЦ на природный газ. В более широком интервале верхних (т.е. наиболее современных) слоев осадков содержания ванадия и никеля все равно остаются значительно выше их доиндустриального уровня. Этому можно дать два объяснения, не исключающих друг друга. Во-первых, мазут — резервное топливо Петрозаводской ТЭЦ. Значит, его использование в той или иной степени сохраняется. Во-вторых, загрязнители постоянно поступают в озеро из почвенного покрова вблизи водоема. Таким образом, сейчас полного снижения концентраций ванадия до фонового уровня не предвидится. И вероятно, еще очень долго. Но в любом случае существующая динамика говорит о заметном улучшении экологического состояния городского озера и всей близлежащей территории.

Рис. 5. Вертикальное распределение ванадия и никеля в донных отложениях оз. Ламба (Петрозаводск, Карелия) с учетом возраста осадков

Кроме Ламбы загрязнению ванадием и никелем подвержены также озера Четырехверстное, расположенное в 10,5 км от ТЭЦ, и Денное, находящееся чуть ближе — в 7 км от предприятия, но уже за городской чертой, среди леса. В донных отложениях обоих малых озер отмечается схожая с оз. Ламба динамика поступления изучаемых тяжелых металлов. Однако и в Четырехверстном, и в Денном уровень их накопления существенно ниже. Это хорошо видно на другом графике (рис. 6), где показаны средние содержания тяжелых металлов в верхнем (15 см) слое донных отложений этих озер и еще оз. Мишкино, расположенного в 100 км от Петрозаводска. Очевидно, водные объекты города представляют собой более плачевную картину по загрязнению, в отличие от озер, находящихся вне урбанизированной среды. Фон ванадия и никеля в донных отложениях малых озер юга Карелии составляет 32 и 24,8 мг/кг соответственно [11]. Итак, концентрации этих металлов в осадках озер Денного и Мишкина ниже или находятся на уровне естественного содержания в природе. Кстати, фоновое содержание никеля в донных отложениях континентальных озер Сибири (28 мг/кг) близко к его значению для малых озер Карелии [12], а вот аналогичная величина по ванадию (61 мг/кг) — в два раза выше. Как ни крути, природную геохимическую специфику каждого региона никто не отменял. Даже в пределах Республики Карелия содержание ванадия в доиндустриальных слоях донных отложений озер варьирует от 2 до 160 мг/кг [11]. Самые высокие его концентрации, кстати, приурочены к районам развития ванадиевых рудопроявлений северного региона. Так что не только воздействие ТЭЦ, но и другие факторы влияют на химическое состояние окружающей среды Карелии.

Рис. 6. Средние концентрации ванадия и никеля в верхних (0–15 см) слоях донных отложений малых озер Карелии. 1 — оз. Ламба (Петрозаводск), 2 — оз. Четырехверстное (Петрозаводск), 3 — оз. Денное (Прионежский район Карелии), 4 — оз. Мишкино (Прионежский район Карелии), 5 — фон для юга Карелии

Мазутный форпост Арктики

Рис. 7. Средние концентрации ванадия и никеля в верхних (0–15 см) слоях донных отложений малых озер Карелии. 1 — оз. Семеновское, 2 — оз. Среднее, 3 — оз. Окуневое, 4 — оз. Ледовое, 5 — оз. Южное, 6 — оз. Северное, 7 — оз. Треугольное, 8 — фон для юга Карелии

Рис. 8. Отбор проб донных отложений на оз. Семеновском (Мурманск) весной 2019 г. Фото автора

Рис. 9. Вертикальное распределение концентраций ванадия и никеля в донных отложениях оз. Семеновского, Мурманск

Водоемы Мурманска, которые мы изучали, продолжают накапливать вредные выбросы ТЭЦ, что хорошо видно на графиках вертикального распределения ванадия и никеля в колонках современных донных отложений озер Семеновского и Окуневого (рис. 9, 10). Аналогичная картина получается и по другим объектам. Обобщив все данные, можно заключить, что ванадием и никелем в отложениях озер заражены слои мощностью от 5 до 25 см. Это довольно много, учитывая площади некоторых водоемов и непрекращающийся характер вредных выбросов. Так что, несмотря на всеобщий отказ от мазута как топлива для ТЭЦ (не только в России, но и по всему миру), крупнейший город Заполярья остается своеобразным форпостом, не позволяющим экологам забыть о мазуте навсегда. Однако решить эту проблему пока практически невозможно: газификация Мурманска и всей области — дело, вероятно, какого-то совсем далекого будущего. Поэтому хоть и дорог мазут, и неэкологичен, но отказаться от него в регионе не способны.

Рис. 10. Вертикальное распределение концентраций ванадия и никеля в донных отложениях оз. Окуневого, Мурманск

В ГОСТах не значатся

Ежегодное потребление мазута на Мурманской ТЭЦ доходит до 1 млн т 7 . Естественно, это полностью привозной продукт, так как Мурманская обл. не относится к нефтедобывающим регионам. Из-за колебаний цен на мазут местным властям периодически приходится просить помощи федерального центра на закупку топлива, а производителям тепла — повышать тарифы для населения. Получается, что мазут для Арктического региона — головная боль во всех отношениях: и экологических, и экономических, и даже репутационно-политических. В связи с этим следует отметить, что кроме Мурманска мазут используется в теплоснабжении и других городов области. Например, на нем работают котельные в Полярных Зорях, Кандалакше и Североморске, а также ТЭЦ в Ковдоре и Мончегорске [14]. Кстати, именно из-за выбросов ТЭЦ в донных отложениях малого оз. Комсомольского, расположенного в центре Мончегорска, мы с коллегами также зафиксировали повышенные по сравнению с фоновыми концентрации ванадия (до 120 мг/кг) [15]. Про связь никеля в осадках и ТЭЦ говорить сложно, так как основным его источником в данном случае выступают выбросы металлургического комбината.

Мазут, хоть и не так, как раньше, востребован до сих пор. В связи с этим очень странно, что, несмотря на его вредные примеси, ГОСТ 10585-2013 регламентирует лишь содержание серы, полностью игнорируя железо, ванадий и никель. Особенно два последних элемента. Деление топочных мазутов, например, на низко- и высокованадиевые, могло бы позволить допускать к использованию только то топливо, в котором концентрации тяжелых металлов наименее опасны для окружающей среды. То же самое можно сделать и по никелю. Вот только кто будет этим заниматься?! С нормативами у нас в стране вообще большие проблемы. Как не вспомнить, что в России до сих пор не разработан ГОСТ, регламентирующий предельно допустимые концентрации тяжелых металлов в донных отложениях озер и рек? Вы, вероятно, обратили внимание, что в своих исследованиях городских озер нам постоянно приходится обращаться к фоновому содержанию того или иного элемента. Во многом это связано с отсутствием альтернативы, которую можно было бы использовать, оценивая загрязненность водоемов тяжелыми металлами. Иногда в качестве такой альтернативы используют почвенный ГОСТ, иногда среднее содержание элементов в земной коре или в осадочных породах планеты. Однако все эти варианты вряд ли устроят воображаемого госинспектора по экологии, который решит оценить описанные выводы по загрязнению озер Карелии и Мурманской обл. и наложить на предприятия штрафы. Донные отложения нужно сравнивать с донными отложениями, а наши фоновые концентрации пока не имеют статуса, закрепленного на официальном уровне. Таким образом, мазут и, следовательно, выбросы мазутных ТЭЦ практически неуязвимы с экологической точки зрения. Хорошо хоть, за серу во флотском мазуте взялись. Правда, лишь на международном (не российском!) уровне. Топочный же мазут, если и уйдет из Заполярья, то, вероятно, по каким-нибудь другим причинам.

Автор искренне благодарен своим коллегам Д. Б. Денисову, А. В. Гузевой, М. А. Медведеву, Д. г. Новицкому, Е. В. Сыроежко и А. А. Черепанову за помощь в отборе проб донных отложений озер, А. С. Парамонову, В. Л. Утициной и М. В. Эховой — за качественное проведение аналитических исследований, а также В. А. Даувальтеру — за постоянное обсуждение полученных результатов.

1 Фомичева А., Скорлыгина Н., Барсуков Ю. Мазут выходит из резервов // Коммерсантъ. 2016.

3 Барсуков Ю., Веденеева А., Смертина П. 50 оттенков серы // Коммерсантъ. 2019.

6 Слуковский З. В тихом озере черт-те что водится // Мурманский вестник. 2019.

Ничего сложного. Выпаривают из нефти все ценное (жидкое), остается битум. Который, однако, также весьма ценен. Однако это – максимально упрощенная схема.

Природный битум

Образовался из нефти естественным путем. В нефтяных месторождениях сырье зреет без доступа воздуха. Если в силу каких-либо причин (например, геологической активности) нарушилась консервация залежей, нефть подверглась внешнему воздействию и претерпела изменения. В результате окисления атмосферным воздухом или под влиянием микроорганизмов (которые, кстати, могут также перерабатывать бензин и дизельное топливо) образовался природный битум (нетрадиционная нефть). Состав и физические свойства этих натуральных продуктов могут сильно различаться. В том или ином соотношении в сырье входят вещества, относящиеся к следующим группам:

асфальтены (твердые);
смолы (вязкие);
масла (мягкие).

Жидкий битум содержит больше масел и меньше асфальтенов, чем твердый. От консистенции и глубины залегания зависит метод разработки сырья. Вот как получают битум (и тяжелую нефть) природного происхождения:

рудничным способом – из горной выработки извлекают породу (битуминозный песок);
бурят скважины из шахт (шахтно-дренажный метод), либо с поверхности.

Во 2 случае пласт обычно прогревают, чтобы извлекать менее вязкую жидкость. При добыче породы из шахты или карьера, целевой продукт отделяют от песка с помощью растворителя либо горячей воды и эмульгатора.

Нефтяной битум

Богатые сырьем битуминозные пески есть в Канаде и Венесуэле. В России получают битум из нефти. Принципиально он не отличается от природного, но образуется не в естественной среде, а в результате деятельности человека.

Сначала из нефти при атмосферном давлении отгоняют светлые вещества – бензин, керосин, дизельное топливо. Остается мазут, из которого под вакуумом выпаривают масла – машинные, трансформаторные и т.д. В качестве остатка образуется гудрон, состоящий главным образом из смол и твердых частиц. Он является основным сырьем для производства твердых и полутвердых битумов:

окисленных;
остаточных;
продуктов деасфальтизации;
компаундированных.

Легкоплавкий, мягкий остаточный битум получается в результате глубокой отгонки масел из гудрона.

Продувка воздухом дает окисленный битум: термостабильный, эластичный.

Компаундированный образуется путем смешения этих продуктов.

При обработке гудрона пропаном происходит деасфальтизация – выделение высокомолекулярных веществ (асфальтенов и смол).

Если же нужно получить жидкий продукт, в сырье оставляют больше масел.

Кроме того, производят битум из мазута, подвергнутого крекингу. Остатки продувают воздухом и окисляют. Образуется крекинг-битум.

Читайте также: