Это о бензине должен знать каждый
V
ViTaRga
Это о бензине должен знать каждый
27 февраля 2008 года Постановлением ? 118 Правительства России был утверждён Специальный технический регламент ?О требованиях к автомобильному и авиационному бензинам...?. В начале 2009г сроки введения регламента были пересмотрены. В новой редакции постановление предполагает, что выпуск в оборот автомобильного бензина стандарта Евро-2 допускается до 31 декабря 2010 года, класса Евро-3 ? до 31 декабря 2011 года, класса Евро-4 ? до 31 декабря 2014 года, после чего должны вырабатываться только топлива категории 5.
Выпуск в оборот дизельного топлива класса Евро-2 и Евро-3 допускается до 31 декабря 2011 года, класса Евро-1 и Евро-4 ? до 31 декабря 2014 года, класса Евро-5 ? не ограничен. Продлив выпуск дизтоплива Евро-1, Минэнерго учло потребности сельхозпроизводителей, большая часть которых пользуется техникой, потребляющей топливо низкого качества.
Кроме того, изменения предполагают, что в течение пяти лет (до 27 февраля 2013 года) допускается оборот продукции, выпущенной до 1 января 2009 года.
Минэнерго объясняло, что перенос сроков ввода новых стандартов для бензина и дизельного топлива был сделан по ходатайству нефтяных компаний, в частности ТНК-ВР и ?Роснефть?.
Эти сроки перекликаются с другим Регламентом ?Экологическая безопасность колёсных транспортных средств, выпускаемых в обращение на территории Российской Федерации, в отношении выбросов вредных (загрязняющих) веществ?, принятым 12 октября 2005 г. и нормирующим уровень токсичности выбросов автомобилей: Евро-2 с 2006 г.; Евро-3 с 2008 г.; Евро-4 с 2010 г.; Евро-5 с 2014 г. Евро-1 для грузовиков и автобусов действовал с 2002 г.
Данные постановления заявили о серьёзном желании правительства изменить экологический климат России, следуя опыту Европы. Там стандарты ?Евро?, регламентирующие содержание вредных веществ в автомобильных выхлопах, были разработаны Европейской экологической комиссией ООН. Они ограничивают допустимый выброс в CO2, оксида азота, углеводородов, оксида углерода и химических веществ. В странах Евросоюза стандарт Евро-1 действует с 1992 года, Евро-2 с 1995 года, Евро-3 ? с 1998 года, Евро-4 ? с 2005 года. Для дизельных грузовых автомобилей в 2009 году вступил в силу стандарт Евро-5.
Введение жестких экологических стандартов особенно актуально для крупных городов, где ядовитый смок ? уже довольно частое явление. Смок образуется при реакции оксидов азота с несгоревшими углеводородами (этиленом и бутаном). При охлаждении оксид азота (NO) окисляется до ядовитого диоксида (NO2) и при взаимодействии с водяными парами выпадает в виде капель азотной кислоты. В условиях зимнего Новосибирска с резким уменьшением влажности и возросшим количеством автомобилей смог наиболее опасен. Именно поэтому в мегаполисах России принимаются более жесткие постановления по срокам внедрения экологических стандартов и ограничению (или полном запрете, например, для грузового транспорта) въезда в центральные части городов. Для справки ? при работе по 8 часов в день грузовик с двигателем Евро-0 выбрасывает в атмосферу 5,96 т выхлопных газов, при Евро-1 ? 2,64 т, при Евро-3 ? 1,83 т.
Российский парк легковых автомобилей на начало 2007г. насчитывал около 26 млн. единиц, из которых более 50% находятся в эксплуатации свыше 10 лет. По экологическим характеристикам 75% легковых автомобилей соответствуют нормам Евро-1 и Евро-2; 60% грузовых автомобилей ? Евро-0. По прогнозам Федерального дорожного агентства, количество автомобилей к 2015 г. увеличится до 42?47 млн. штук, в основном за счет иномарок. Обеспечение и сохранение в процессе эксплуатации экологических характеристик автомобиля возможно только при условии применения высококачественных моторных топлив. Обновление автопарка процесс длительный, и в этой ситуации применение на российском автотранспорте бензинов с моющими и многофункциональными присадками позволит обеспечить существенное сокращение вредных выбросов в атмосферу и оздоровление экологической обстановки. Влияние моющих присадок на эксплуатационную экономичность работы двигателя и токсичность отработавших газов доказано многими работами и испытаниями, проведенными не только за рубежом, но и в России. Результаты дорожных испытаний, проведенных фирмой BASF на автомобилях Западной Европы, показали, что применение автомобильных бензинов с многофункциональными присадками обеспечивает в среднем снижение содержания в отработавших газах: углеводородов ? на 20%, СО ? на 24%, (NO)x ? на 13% и CO2 ? на 2%.
Что же представляют из себя требования регламента? Отметим, что они согласованы с требованиями евростандартов EN-228 (для бензина) и EN-590 (для дизтоплива) и соответствуют нормам Евро-2, Евро-3 и так далее. Для автомобильных бензинов особо нормируются следующие показатели:
Показатели
Категории
(Евро)-2
(Евро)-3
(Евро)-4
(Евро)-5
Октановое число, ед., не менее ? по моторному методу / по исследовательскому методу
83/92
85/95
85/95
85/95
Содержание ароматических углеводородов, %, не более
55*
42
35
35
Содержание бензола, %, не более
5
1
1
1
Содержание олефинов, %, не более
20*
18
18
14
Содержание серы, %, не более
0,05
0,015
0,005
0,001
Содержание кислорода, %, не более
2,7*
2,3
2,7
2,7
Наличие моющих присадок
-
Обязательно
Обязательно
Обязательно
* ? в стандарте Евро-2 эти параметры не были указаны, они регламентируются для российского бензина категории 2.
Сначала обратим внимание на октановое число (ОЧ) ? показатель детонационных свойств моторного топлива. Бензин при этом сравнивается со смесью изооктана С8H18 (условно принятого за 100 единиц) и нормального гептана С7H16 (принятого за 0). Начиная с Евро-3, оно должно быть не менее 85 ед. (моторный метод ? ОЧМ) и 95 ед. (исследовательский метод ? ОЧИ). Принцип определения, как ОЧИ, так и ОЧМ ? один и тот же, только используют разные режимы работы тестовой установки. Для ОЧИ двигатель раскручивают до 600 об/мин, а для ОЧМ ? до 900 об/мин, да ещё и смесь подогревается во впускном ресивере. Принято считать, что ОЧИ условно моделирует условия детонации в городском цикле, а ОЧМ ? в шоссейном. Связаны они просто: для бензинов АИ-80 ОЧМ должно составлять 76; для 91 ? 82,5; для 95 ? 85; для 98 ? 88. Если в маркировке бензина присутствует буква ?И?, например АИ-95, то это ОЧИ. Если её нет (А-76), то ? ОЧМ.
Бензин ? это смесь углеводородов, состоящая из ароматических углеводородов, олефинов, парафинов и нафтёнов. В 1938 г. в американском Нефтяном институте была определена детонационная стойкость 325 углеводородов различного строения. Антидетонационные свойства автомобильных бензинов и их компонентов практически полностью обусловливаются количеством и строением составляющих углеводородов. Неуглеводородные примеси почти не влияют на детонационную стойкость топлив.
Основными компонентами прямогонного бензина и легкой нафты являются парафины и нафтены.
Наименьшей детонационной стойкостью обладают нормальные парафины ? 20?60 ОЧИ. Переход от нормальной к изомерной структуре всегда сопровождается улучшением антидетонационных свойств парафинов. Лишь небольшое количество парафинов имеет 100 ОЧИ и все они изомеры.
У нафтенов ? 31?70 ОЧИ.
Олефины(непредельные углеводороды) имеют более высокие антидетонационные свойства (91?102 ОЧИ), чем нормальные парафины с тем же числом атомов углерода. Однако олефины склонны к реакциям присоединения, поэтому крайне нестабильны.
Ароматические углеводороды обладают наивысшей детонационной стойкостью (105?116 ОЧИ). К наиболее важным ароматическим углеводородам относятся бензол, толуол, ксилол, нафталин, антрацен и их производные. Отличительные химические свойства ? повышенная устойчивость ароматического ядра и склонность к реакциям замещения, наивысшая стабильность.
Наибольшей чувствительностью к режиму работы двигателя обладают олефины (ОЧИ-ОЧМ=+14), наименьшей ? парафины (ОЧИ-ОЧМ=от −10 до +2). Повышение температурного режима двигателя вызывает снижение детонационной стойкости почти всех углеводородов. Наименее чувствительны к изменению температуры парафины. При увеличении числа оборотов детонационная стойкость низкооктановых парафинов повышается, а низкооктановых нафтенов и олефинов понижается. При повышении температуры влияние изменения скорости вращения коленчатого вала уменьшается.
Идеального углеводорода для использования его в качестве бензина не существует. У всех есть свои достоинства и недостатки, поэтому при изготовлении бензина исходят из разумного компромисса.
Основы технологии производства бензина
На нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) жидкую нефть после предварительного электрообезвоживания и обессоливания перегоняют на ректификационной колонне, где производят отбор продукта в зависимости от температуры перегонки. Материальный баланс атмосферной перегонки западно-сибирской нефти, составляющей половину всей добываемой в России нефти: газ (<35њС −1,1%); прямогонный бензин (35?85њС ? 6,5%); лёгкая нафта (85?180њС ? 13,5%); керосин (180?240њС ? 9,5%); дизельное топливо (240?350њС −19,0%); мазут (>350њС ? 50,4%). На прямогонном бензине ездили авто ещё в 30-40-х годах прошлого века, но как топливо для современных двигателей он не пригоден (происходит необратимое разрушение мотора менее, чем за минуту на полной мощности), поскольку имеет октановое число 40?61 ОЧМ (46?66 ОЧИ). Лишь из отдельных ?отборных? нефтей можно получить бензины прямой перегонки с октановым числом до 70 ОЧМ. Однако ресурсы такого сырья весьма ограниченны, а их независимая от других нефтей переработка на крупных НПЗ сопряжена со значительными трудностями.
Далее прямогонный бензин и лёгкую нафту подвергают гидроочистке. Гидроочистка ? процесс химического превращения веществ под воздействием водорода при высоком давлении и температуре (380њC). Гидроочистка направлена на снижение содержания сернистых соединений и снижения коксуемости. Побочно происходит насыщение непредельных углеводородов, снижение содержания смол, кислородсодержащих соединений, а также гидрокрекинг молекул углеводородов.
Затем гидроочищенная лёгкая нафта, содержащая примерно 50% парафинов, 40% нафтенов и 10% ароматики, попадает на установку каталитического риформинга, на выходе из которой октановое число бензина вырастает до 94?98 ОЧИ (84?88 ОЧМ). Каталитический риформинг проводят при 500њC и на выходе получают до 75% бензина от исходного сырья. В 50-е годы ? времена, когда автомобильная промышленность требовала все более высокооктановых бензинов, ? каталитический риформинг считался чуть ли не панацеей. Бензины каталитического риформинга характеризуются низким содержанием серы и в их составе практически отсутствуют олефины, поэтому они высокостабильны при хранении. Была лишь одна незадача: в результате получался бензин, в котором доля ароматических углеводородов вырастала с 8% до 70%. Основной из них ? бензол (5?15%), который при сгорании образует сильный канцероген ? бенз(a)пирен. Для уменьшения содержания ароматических углеводородов бензин пропускают через установки изомеризации. При этом содержание бензола падает практически до 0. У ароматических соединений есть еще одна неприятная особенность ? при сгорании они приводят к образованию угольного нагара на свечах, что существенно снижает их ресурс. К недостаткам также относится неравномерность распределения детонационной стойкости по фракциям. Если ездить на нем (чистом), то обеспечены: нестабильный запуск зимой, ?туповатость? машины на разгон.
Для увеличения выхода бензина из нефти перерабатывают также и её тяжелую фракцию ? мазут. Для этого используют установки каталитического крекинга, который проводят при температуре 510?540 њC. При этом большие молекулы мазута разрываются до размеров молекул, входящих в состав бензина. Первооткрывателем крекинга и создателем проекта промышленной установки в 1891 году был русский инженер В. Г. Шухов. Существует два типа реакторов каталитического крекинга: ?с кипящим слоем? ? выход бензина (ОЧИ 90?91) 37% и более совершенный ?лифт-реактор? ? выход бензина (ОЧИ 91?92) 50?55%. В процессе каталитического крекинга вырабатывается высокооктановый бензин с 89?92 ОЧИ (74?77 ОЧМ), содержащий менее 1% бензола и 30?40% ароматических углеводородов. Основной недостаток бензина каталитического крекинга ? высокое содержание серы (0,1?0,5%) и олефинов (25?35%), что очень плохо влияет на стабильность топлива при хранении. Бензин быстро желтеет из-за полимеризации и окисления олефинов с падением октанового числа и потому не может применяться без смешения с другими бензиновыми фракциями и присадок. Для уменьшения содержания серы и олефинов проводят гидроочистку, а для улучшения стабильности в него добавляют присадку-антиокислитель ? Агидол. По сравнению с бензинами каталитического риформинга для бензинов каталитического крекинга характерно более равномерное распределение детонационной стойкости по фракциям. Пока свежий ? замечательный бензин. На нем ? хорошая приемистость (если октан позволяет), стабильный запуск зимой.
В процессе каталитического крекинга попутно образуется до 7?12% лёгких непредельных углеводородных газов (олефинов), однако они имеют слишком низкие температуры кипения и не остаются в бензине в растворённом состоянии. Поэтому был разработан процесс, обратный крекингу и называемый алкилированием, суть которого состоит в превращении маленьких молекул газов (олефинов) в молекулы бензина. В нефтепереработке для получения алкилбензина наибольшее распространение получила бутан-бутиленовая фракция (ББФ). Октановое число получаемого алкилбензина составляет 95 ОЧИ (92 ОЧМ). Равенство октановых чисел по моторному и исследовательскому методам делает его наиболее ценным компонентом высокооктановых товарных бензинов. Алкилбензин (алкилат) считается ?идеальным? моторным топливом. Он, помимо высокого октанового числа, не содержит ароматических углеводородов и серы. Однако себестоимость алкилбензина так же очень велика. К тому же есть конкурирующий процесс использования ББФ ? производство присадки МТБЭ.
Такова технология изготовления бензина в США и развитых странах Европы. В России всё намного проще.
Для большинства российских НПЗ схема ?ректификационная колонна ? каталитический риформинг? является основной, а гидроочистка ? ?непозволительная роскошь?. Установки изомеризации имеют единичные заводы. На каждом российском НПЗ технолог смешивает имеющиеся в наличии компоненты, как заправский пивовар, поэтому параметры получаемого бензина варьируются от партии к партии (правда в рамках ГОСТа). Единых рецептов приготовления бензина нет, а примерные компонентные составы автомобильных бензинов на российских НПЗ приведены в таблице.
Компонент
А-76 (А-80)
АИ-91
А-92
АИ-95
АИ-98
Бензин каталитического риформинга:
мягкого режима
40?80
60?90
60?88
-
-
жесткого режима
-
40?100
40?100
5?90
25?88
Ксилольная фракция
-
10?20
10?30
20?40
20?40
Бензин каталитического крекинга
20?80
10?85
10?85
10?50
10?20
Бензин прямой перегонки
20?60
10?20
10?20
-
-
Алкилбензин
-
5?20
5?20
10?35
15?50
Бутаны+изопентан
1?7
1?10
1?10
1?10
1?10
Газовый бензин
5?10
5?10
5?10
-
-
Толуол
-
0?7
0?10
8?15
10?15
Бензин коксования
1?5
-
-
-
-
Гидростабилизированный бензин пиролиза
10?35
10?30
10?30
10?20
10?20
МТБЭ
<=8
5?12
5?12
10?15
10?15
Для примера приведём рецепт изготовления АИ-98. Прямогонный бензин подвергают гидроочистке в специальных условиях, затем разделяют на фракции <85њС и >85њС. Первую подвергают изомеризации, вторую ? риформингу. Получают продукт каталитического риформинга, 10% которого разгоняют с выделением третьей фракции >110њС. Её, бензин каталитического риформинга, алкилат и изомеризат смешивают в количестве соответственно 25, 35, 25 и 15% от массы смеси, к полученному продукту добавляют 12% от общей массы присадки МТБЭ.
И немного истории: Новоуфимский НПЗ знаменит тем, что еще в 1967 году начал выпуск бензина АИ-95 ?Экстра?, который состоял на 70% из алкилата и на 30% из ароматики, при этом содержание бензола равнялось нулю. По своим характеристикам ?Экстра? превосходила современный европейский норматив ?Евро-4?. Весь этот бензин (а его выпускалось всего 10 тыс. тонн в год) уходил в Москву для нужд автопарков ЦК КПСС, МИДа и иномарок диппредставительств капиталистических стран, которым в столице победившего социализма больше не на чем было ездить. Теперь им мало кто позволил бы себе заправляться ? сейчас он стоил бы никак не меньше 40 рублей за литр. Хотя и сейчас в АИ-95 Новоуфимского НПЗ алкилбензина до 20%.
В заключении хочется отметить, что органическая химия ? одна из тех областей, где советские учёные были впереди планеты всей. Но для внедрения технологий нужен инженер и технолог, понимающий идею учёных, нужны инжиниринговые внедренческие компании, а их нет. В итоге при реализации крупных проектов в России западные управляющие компании привлекают в большинстве случаев западных же поставщиков технологий и оборудования, хотя во многих случаях можно использовать и российских поставщиков, что позволило бы сократить расходы на модернизацию в разы, если не в десятки раз. Например, гидроочистка бензиновых фракций элементарно делается на отечественном оборудовании и на отечественном катализаторе, было бы желание.
Теоретически всю нефть можно преобразовать в хороший бензин. Правда тогда самолёты останутся без керосина, дизели без солярки и стоить такой бензин будет дороже золота.
Присадки
Почти все компоненты, использующиеся для создания бензина, имеют октановое число не выше 88?92 ОЧИ. Вот тут-то и возникают различные антидетонационные (октаноповышающие) присадки и добавки. Их можно условно разделить на три группы. Первая базируется на применении металлсодержащих присадок ? достопамятного тетраэтилсвинца, давшего миру этилированные бензины, ныне практически повсюду запрещенные (в Новосибирск этилированный бензин не поставляется с 1999г.). Присадка была крайне дешевой и жутко эффективной ? в общем, мечта нефтяника. Правда, из выпускной трубы двигателя вылетали мерзкие канцерогены... Потом на замену ей пришел куда менее опасный ферроцен. Основная проблема таких присадок ? образование красных налетов и отложений в камере сгорания, на свечах, а также в катализаторах и на рабочих поверхностях датчиков системы управления двигателем и, как следствие, усиленный износ двигателя. Есть присадки на базе никеля, марганца, но проблемы те же. С 2008 г. они запрещены для производства бензина.
Другая группа высокооктановых добавок работает по принципу ?смесевого? повышения октанового числа: базовый бензин смешивают с чем-то очень-очень стабильным. Чаще всего применяют N-метиланилин (монометиланилин ? ММНА или ММА), чье октановое число аж 280. N-метиланилин легко окисляется, что приводит к образованию отложений и нагаров. Его концентрация ограничена 1,3%. Это соответствует повышению ОЧ на 2?6 ед. Эти бензины дороже ферроценовых, но главное препятствие к их распространению ? нормы Евро-3 и Евро-4, ограничивающие уровень ?ароматики?. Требование повышения октанового числа до 95?98 ОЧИ вступает в противоречие с жёстким нормированием содержания олефиновых и ароматических углеводородов ? источника высокооктановых компонентов (5% ароматических углеводородов соответствуют примерно 1 ОЧ). Таким образом, снижение содержания ароматических углеводородов с разрешённых 55% до 42 и 35 означает ?потерю? 2?3 и 4?5 ОЧ соответственно.
Третья, самая продвинутая группа ? эфиры (основной ? метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ)) и спирты. С экологией в этом случае все в порядке, но и проблемы есть. Во-первых, сравнительно невысокое октановое число ? около 120, так что требуется их довольно много ? иногда даже больше 10%. Поскольку у эфиров значительно более низкая теплотворная способность, чем у базового бензина, падает ?калорийность? топлива. Во-вторых, эфиры агрессивны по отношению к резинам, краске, некоторым пластикам. Именно агрессивность эфиров потребовала нормативного ограничения их концентрации ? 15% (не более 2,7% кислорода), что соответствует повышению ОЧ на 4?8 единиц. Технология производства МТБЭ достаточна проста: присоединяют метиловый спирт к изобутилену (C4H8) при температуре 50?100њC. В настоящее время МТБЭ присутствует практически во всех производимых в России высокооктановых бензинах. В США в 2000г. произведено МТБЭ ? 8,5 млн. т, в странах ЕС −2,5 млн. т. В России в 2007г произвели 0,7 млн. т.
Иногда в качестве антидетонационной присадки добавляют смесь МТБЭ и ММА, что экономически выгодно и экологически безопасно. Антидетонационные (октаноповышающие) присадки ? лишь один вид присадок, добавляемых в бензин на НПЗ, хотя и основной. Есть ещё антиоксиданты, стабилизаторы и т. д., часть из которых ядовита, в розницу не продаётся и может быть использована только на НПЗ.
Из описанной выше технологии изготовления бензина становится понятно, что процесс получения высококачественного бензина требует серьёзного оборудования, которое может быть только у крупных НПЗ. А покупать качественный бензин можно только в крупных розничных сетях АЗС, которые в свою очередь приобретают бензин у этих НПЗ.
Есть ещё один вид присадок ? моющие, наличие которых в топливе обязательно для выполнения стандарта Евро-3. Нефтяные компании начали разработку моющих присадок к топливу еще в далекие 40-е годы прошлого века для нужд авиации. Первую ?товарную? присадку представила фирма Chevron в 1954 году.
С появлением систем впрыска и каталитических нейтрализаторов широкое применение моющих добавок стимулировали сами автомобилестроители. Ведь автозаводам надо загонять свои двигатели в ужесточающиеся с каждым годом нормы токсичности. Внимая их просьбам, правительство США приняло в 1995 году Закон о чистоте воздуха, который обязал все нефтяные компании добавлять в бензины, продаваемые в США, моющие компоненты. В Евросоюзе подобных законов не принимали, резонно полагая, что рыночные методы эффективнее запретительных. Результат налицо ? сегодня весь европейский бензин содержит моющие присадки. Как правило, их добавляют в бензины на терминалах непосредственно в бензовозы при отправке топлива на АЗС. Требования автозаводов к моющим присадкам изложены во Всемирной топливной хартии, подписанной крупнейшими автомобилестроителями еще в 1998 году (ее последняя редакция была принята в 2005 году). Кстати, и в США сегодня следуют более жесткому, чем закон, протоколу TOP TIER, инициаторами разработки которого выступили фирмы General Motors, BMW of Nord America, Toyota и Honda в 2004 году. Российские же автомобилестроители в лице АвтоВАЗа до сих пор продолжают выпускать авто класса Евро-2 (хотя по выбросам они скорее Евро-1). Лишь после появления сборочных производств крупнейших автомобилестроителей мира в России и их ходатайства был принят техрегламент по экологическим нормам на бензин.
Топливо и продукты сгорания содержат 1?3% асфальтенов (очень большие молекулы на основе графита) и смол. Часть смол при нагревании превращается в асфальтены, которые в свою очередь не могут сгореть в силу своих больших размеров и низкой теплопроводности и имеют склонность в процессе сгорания оседать в виде нагара и отложений в двигателе. Свою лепту сюда добавляет и моторное масло, а также картерные и отработавшие газы. В процессе борьбы за снижение вредных выбросов в атмосферу, была придумана и успешно реализована замкнутая система вентиляции картера, которую чаще называют принудительной. Безусловно, она снижает вредные выбросы, но из-за её принципа работы, все эти ?выбросы? в виде отложений и нагара стали еще более эффективно оседать в двигателе. Прогресс не стоял на месте, а требования к экологии ужесточались. Для того чтобы поспевать за ними, была изобретена рециркуляция отработавших газов, впрыск топлива, прямой впрыск топлива и т. д. В свою очередь, все эти нововведения точно также страдают от отложений, как раньше страдали карбюратор с жиклерами и дроссельной заслонкой и прочие системы эпохи ?до впрыска?. Кроме того для современных двигателей последствия нагара и отложений гораздо более ощутимы, чем для старых карбюраторных.
Многие изменения, вносимые в конструкцию с целью повышения мощности, снижения расхода топлива и токсичности выбросов усиливают тенденцию к образованию отложений на элементах двигателя. Образование отложений во впускной системе приводит к нарушению первоначальной регулировки двигателя и, как следствие, к увеличению расхода топлива и масла, снижению мощности, возрастанию токсичности отработавших газов. В запущенных случаях из-за появления детонации прогорают поршни и клапаны. Экологический стандарт Евро-3 требует, чтобы автомобиль оставался ?чистым? в течение всей жизни, а его экологические характеристики оставались стабильными на протяжении 100 тыс. км пробега. Эффективным способом предотвращения образования отложений в топливной системе и сохранения заводских регулировок двигателя является применение моющих присадок, т. к. существующие технологии производства автомобильных бензинов не позволяют обеспечить требуемый уровень эксплуатационных свойств по чистоте топливной системы. С учетом существующих различных толкований понятия ?моющая присадка? следует отметить, что речь идет о многофункциональных пакетах присадок, содержащих в своем составе моющий компонент, ингибиторы коррозии, деэмульгатор, а также несущую жидкость на минеральной, синтетической или полусинтетической основе.
Обычные моющие присадки содержат высокомолекулярные амины в композиции с маслом-носителем, которые хорошо отмывают топливную систему (карбюратор и впускные клапаны), а отмытые вещества поступают в камеру сгорания, не полностью сгорают и образуют нагары в самой камере сгорания. При этом нагар увеличивается на 140% по отношению к бензину без моющей присадки, что, в принципе, соответствует рекомендациям Всемирной топливной хартии. Многочисленные стендовые и эксплуатационные испытания старой техники на современном топливе, превосходящем ее по экологическим требованиям, показали, что применение более экологически чистых топлив с обычными моющими присадками на менее экологичном двигателе (в двигателе, конструктивно рассчитанном на топливо Евро-0 ? Евро-2) показали:
значительный рост выбросов вредных веществ с отработанными газами;
увеличение расхода топлива;
увеличение износа двигателя;
увеличение суммарного содержания продуктов окисления;
увеличение содержания фактических смол, определяемых после контакта с резинами.
Очистить бензин от асфальтенов и смол на НПЗ, в принципе, можно, но стоимость такого бензина сильно возрастёт, да и промышленных установок пока ещё не существует. Советские учёные пошли по другому пути: устранять не следствие (нагар), а причину его возникновения. А если попытаться разрушать асфальтены и смолы прямо в камере сгорания во время горения на более мелкие углеводороды, близкие по своим параметрам к бензину, с последующим их сжиганием. Такая попытка увенчалась успехом и была создана присадка действующая по принципу каталитического расщепления длинных молекул и способствующая полному сгоранию топлива в камере сгорания, а не в выхлопной трубе (как в ракетном топливе сгорание увеличивается в сопле Лаваля, а не за его пределами). В присадке используется свойство специальных веществ ? проявлять очень высокую активность из-за развитой поверхности при одном и том же количестве вещества. Отсюда общая поверхность такого катализатора и его активность будет значительно выше. В этом случае катализатор находится практически в атомарном состоянии, т. е. он становится нанокатализатором, в отличие от простых катализаторов. При температурах от 150 ? 350 њC (предпламенные процессы в камере сгорания) компоненты присадки изменяют свое агрегатное состояние и образуют нанокатализаторы, которые и преобразуют топливо, приводя его в более реакционно-способное состояние по отношению к кислороду. По сути бензин разлагается на более мелкие углеводороды ? практически газ, который полнее сгорает, да и октановое число его немного повышается.
Была проведена целая серия стендовых и эксплуатационных испытаний, по результатам которых эта присадка включена в ?Перечень присадок, допущенных к применению в автомобильных, реактивных и судовых топливах? в России в разделе ?Модификаторы горения?. В конце статьи приведен список организаций, проводивших испытания. Для бензина она единственная в этом разделе. Количество разрешённых моющих присадок ? 11, из них только 4 ? российские.
Стандарт Евро-3 вступает в силу на территории России в 2011 году, стандарт Евро 4 ? в 2012 Однако компания ТРАНСЕРВИС уже сейчас приступила к продажам топлива АИ-95 УЛЬТРА, которое полностью соответствует стандартам ЕВРО 4.
Основные характеристики АИ-95 УЛЬТРА в сравнении бензинами, содержащими классическую моющую присадку ?Keropur 3458N? и российскую моющую присадку ?Каскад-9? представлены в таблице 1.
Таблица 1
Присадка / Показатель
АИ-95 УЛЬТРА
Бензин с присадкой Keropur 3458N
Бензин с присадкой Каскад-9
Снижение отложений на впускных клапанах, %
не образуются при постоянной работе с присадкой
15?20
32
Отложения в камере сгорания, %
Не образуют, отмывают камеру сгорания от металлов и смол
Образуют, так как это высокомолекулярные амины
Образуют, так как это высокомолекулярные амины
Снижение вредных выбросов: %
Дымность
до 90
-
-
Оксиды азота
50 ? 55
до 13
-
Оксида серы
до 90
-
-
Оксид углерода
до 85
до 24
-
Углеводороды
65 ? 80
до 20
-
Бенз(a)пирен
40 ? 90
-
-
Альдегиды
16 ? 60
-
-
Аэрозоль
до 20
-
-
Масляный туман
20 ? 100
-
-
Совместимость с другими присадками
Полная
Полная
Полная
Снижение удельного расхода топлива, % при постоянном применении
До 7% и до 17% для спортивных бензинов
Нет
Нет
Расход масла
Кольца раскоксовываются и работоспособны во времени. В закоксованном двигателе расход масла уменьшается, в чистом двигателе ? не меняется со временем.
Кольца постепенно закоксовываются, что влечет увеличение расхода масла
Кольца постепенно закоксовываются, что влечет увеличение расхода масла
Повышению КПД,%
от 4 до 8
Нет
Нет
Повышение крутящего момента, %.
До 5
Нет
Нет
Увеличение срока службы деталей двигателя:
рабочих стенок цилиндров на, %
Поршневых колец в разы
70
1,5?3
Нет
Нет
Нет
Нет
Содержание камеры сгорания в чистоте
Удаляет нагары, асфальтены, смолы, металлы
Образуют нагары
Образуют нагары
Уменьшение выбросов оксидов серы
Единственная присадка, которая при большом содержании серы в исходном топливе проводит процесс его сгорания до молекулярной серы
Нет
Нет
Уменьшение температуры в камере сгорания
На 100 ? 200 градусов, как следствие уменьшение выброса оксидов азота
Нет
Нет
Изменяет индикаторную диаграмму
Уменьшается пиковая нагрузка в мертвой точке, но общая площадь диаграммы увеличивается
Нет
Нет
Очищает свечи зажигания от нагаров и отложений железа и марганца и содержит их в чистоте *
Удаляет нагары и все отложения металлов на свечах
Нет
Нет
Продление срока службы катализаторов дожига
Сажа и др. вредные вещества сгорают в камере сгорания и не поступают на катализаторы дожига
Нет
Нет
Регенерируют катализаторы дожига
Удаляют сажу и отложения металлов с катализаторов дожига
Нет
Нет
Увеличение межремонтного периода
Камера сгорания все время чистая, двигатель работает в штатном режиме
Нет
Нет
Снижение затрат на текущий ремонт
Не требуется очистки и отмывки камеры сгорания
Нет
Нет
Улучшение динамики автомобиля
Увеличение крутящего момента
Нет
Нет
Сохранение здоровья человека и архитектурных памятников
Снижение выбросов, содержащих вредные оксиды
Нет
Нет
Привыкание
Потребители привыкают к топливу с присадкой и отмечают ?тупизну автомобиля? при переходе на другое топливо
Нет
Нет
Производство
Россия: безотходное, не вредное
BASF
Россия
Примечание: * ? Проверяется проверкой ?красных свечей? или свечей с нагарами до и после прогона автомобиля примерно 70 км лучше за городом, так как возможно появление дыма, свидетельствующего об очистке камеры сгорания.
При первичном использовании присадки в автомобиле с большим количеством нагара в двигателе появляется дым в выхлопе, который уменьшается по мере очистки двигателя. Процесс очистки достаточно интенсивный, поэтому после 100?200 км пробега двигатель очищается обычно полностью.
Подъем цены топлива, при введении в него присадки, составляет менее 1%, в то же время только за счет экономии топлива, пусть даже в пределах 3 ? 5%, присадка окупается практически сразу, а с учетом увеличения времени межремонтного периода, улучшения экологии, здоровья населения, сохранения исторических памятников ? преимущества присадки неоценимы.
Нагарообразование
Преобладающей технологией получения бензина в России является риформинг и, как следствие, более половины такого бензина представляет собой ароматические углеводороды. А высокое их содержание чревато повышенным нагарообразованием в камерах сгорания и на клапанах двигателей, что ухудшает такие их эксплуатационные показатели как кпд, мощность, экономические и экологические характеристики. Образование нагара в камере сгорания вызывает увеличение требуемого октанового числа топлива, а при неизменном октановом числе последнего приводит к работе двигателя с детонацией или резкому уменьшению мощности. При эксплуатации двигателя по мере отложения нагара в камере сгорания создаются более благоприятные условия для возникновения детонации, и ранее подобранный бензин (при проектировании) с определенной антидетонационной стойкостью для такого двигателя становится непригоден (рис. 1). Исследования показали, что для нового двигателя и для двигателя, долго эксплуатировавшегося, разница в требованиях к антидетонационным свойствам может доходить до 10?15 октановых единиц и более.
Рис. 1 Влияние пробега автомобиля на требуемое октановое число ОЧ треб.
При эксплуатации автомобильного двигателя нагар по времени образуется неравномерно. Основное количество нагара отлагается в начале эксплуатации автомобиля. Экспериментально установлено, что после пробега автомобилем 10?16 тыс. км наступает некоторое равновесное состояние и при дальнейшей работе двигателя количество нагара изменяется незначительно. Равновесие достигается вследствие того, что химические реакции и термическое воздействие совместно с газовыми потоками вызывают выгорание и удаление нагаров из камеры сгорания примерно с той же скоростью, с какой они образуются в данный момент (это явление известно под названием самоочищения камеры сгорания). Значение этого равновесия зависит от состава бензина.
Углеводородный состав бензинов является одним из главных факторов, определяющих их склонность к нагарообразованию в двигателе. Анализ имеющихся данных показывает, что склонность автомобильных бензинов к нагарообразованию зависит, главным образом, от содержания в них ароматических углеводородов и олефинов. Российские высокооктановые бензины либо вообще не содержат олефинов, либо содержат небольшое количество относительно неактивных углеводородов этого класса. Таким образом, склонность к нагарообразованию российских высокооктановых бензинов обусловливается количеством и строением ароматических углеводородов. С повышением молекулярного веса углеводорода и температуры его кипения влияние на нагарообразование, как правило, увеличивается. Высококипящие ароматические углеводороды под воздействием высоких температур претерпевают окислительные превращения и служат основным источником образования нагара.
Установлено, что основное количество нагара в камере сгорания накапливается при работе двигателя на малых нагрузках; по мере увеличения нагрузки и повышения температурного режима двигателя начинается обратный процесс ? выжигание нагара. Этот процесс особенно усиливается на режимах, близких к полному открытию дросселя. Проведенные испытания показали, что содержание значительных количеств ароматических углеводородов в бензине не только повышает его склонность к отложению нагара в двигателе, но и увеличивает способность нагара прочно удерживаться на поверхности деталей камеры сгорания.
Ароматические углеводороды являются ценными составляющими автомобильных бензинов, так как обладают высокой детонационной стойкостью. Однако содержание их в товарных бензинах должно быть ограничено вследствие повышения нагарообразования в двигателе. Прямое сопоставление детонационной стойкости бензинов и их склонность к нагарообразованию в зависимости от содержания ароматических углеводородов позволило предложить норму содержания ароматических углеводородов в товарных автомобильных бензинах. Установлено, что удельный прирост количества нагара в камере сгорания остается постоянным при содержании различных ароматических углеводородов в пределах от 0% до 40% (удельный прирост количества нагара ? это прирост количества нагара в результате добавления ароматических углеводородов в количестве, соответствующем повышению детонационной стойкости топлива на 1 октановую единицу). При большем содержании ароматических углеводородов резко повышается удельный прирост количества нагара. Таким образом, содержание ароматических углеводородов в товарных автомобильных бензинах не должно быть более 42%, что заложено в стандарт Евро-3. Спецификации Евро-3 и Евро-4 также в обязательном порядке определяют наличие в автобензине моющих присадок снижающих последствия нагарообразования.
А теперь об имеющемся оборудовании и объёмах производства бензина в России
Сейчас нефтеперерабатывающую отрасль России можно условно разделить на три ?лиги?. ?Премьер-лига? представлена 27-ю крупными НПЗ (переработка более 3 млн. т. в год), 19 из которых входят в структуру вертикально интегрированных нефтяных компаний. Их суммарная мощность первичной переработки нефти около 262 млн. т в год. Вторая ?лига? ? предприятия ?Газпрома? мощностью около 8 млн. т в год. Газпромовские НПЗ обычно рассматриваются отдельно от остальных российских нефтепереработчиков, и связано это с тем, что предприятия газовой монополии перерабатывают не нефть, а газовый конденсат ? сырье изначально более высокого качества. И третья ?лига?, самая многочисленная, но и самая маленькая по объему выпуска, ?региональная?, представлена примерно 50 малыми установками первичной суммарной мощностью в 5 млн. т в год. Если сложить все три ?лиги? вместе, то общий объем мощностей первичной переработки нефти в России составит внушительные 275 млн. т. в год. Из 27 заводов ?премьер-лиги? 6 были пущены в эксплуатацию еще до войны, а самый последний ? Ачинский НПЗ ? в 1982 году. Оставшиеся 20 заводов введены в строй в период 1948?1966 гг. По уровню используемых технологий российские НПЗ считаются самыми отсталыми в мире (качество переработки по коэффициенту Нельсона ? 67 место в мире, из крупных стран ? последнее). Коэффициент Нельсона ? доля углубляющих (вторичных) процессов на отечественных НПЗ не превышает 15 процентов мощностей по первичной перегонке нефти, в то время как в США эта доля составляет 55 процентов. Степень износа оборудования НПЗ составляет 70%.
Если мощности первичной переработки нефти на российских НПЗ загружены на 70%, то мощности углубляющих (вторичных) процессов ? на все 100%. При этом использование несовременных (неэффективных) катализаторов на крайне изношенном оборудовании приводит к частым остановкам на профилактическое обслуживание. В результате хорошего бензина всегда не хватает, а рынок нефтепродуктов в России по сути ? рынок ?продавца?, а не ?покупателя?. Розничные цены на топливо в России целиком и полностью определяются отпускными ценами заводов-изготовителей, а протекционизм при продаже топлива ? рядовое явление.
Большинство наших заводов являются по сути ?керосинками?, они отбирают то количество нефтепродуктов, которое заложено в нефти. Если нефть светлая и легкая, то по ней сразу, легко можно получить глубину переработки 67%. Но в случае с сернистой тяжелой нефтью, этот показатель сразу снижается до 43%. Здесь нужны сложные процессы глубокой переработки. Качество нефти, как известно, со временем не улучшается, соответственно, снижается и глубина переработки. Использование мини-НПЗ в данной ситуации не поможет, поскольку максимальная глубина переработки у них составляет 50%. Поскольку они не оборудуются установками глубокой переработки, в случае мини-производств такие установки обречены быть убыточными.
Кроме устаревших мощностей над российской нефтепереработкой висит еще одно советское ?проклятие?. В Советском Союзе приоритетными нефтепродуктами были топочный мазут и дизельное топливо, поскольку доля легкового автотранспорта ? основного потребителя высокооктановых бензинов ? была ничтожно мала. Для сравнения: доля моторного топлива (бензин, дизтопливо и керосин) в общем объеме производства российских НПЗ в 2009 г составила 47%, для США этот показатель ? 95%, в странах ЕС ? 85%. Впоследствии ТЭЦ перевели на газ, провели центральное отопление. С дизтопливом ? отдельная история: при проектировании НПЗ в СССР предполагалось массированное использование тепловозов на железной дороге, а через 10?20 лет её электрифицировали. Ввиду переизбытка солярки создатели дизелей для сельхозтехники ни в чём себя не ограничивали. В результате эти агрегаты имеют такой расход топлива, что в условиях резкого повышения цен на него делает нерентабельным наше сельское хозяйство на долгие годы. Такой вот ?выкидыш? плановой советской экономики. В результате СССР стало не нужно столько мазута и дизельного топлива, а перерабатывать их не на чем и девать их некуда ? это побочный продукт производства бензина. Придумали отвозить их в страны соцлагеря, предварительно создав там мощности по переработке (помощь братским народам). В результате часть центрально- и восточноевропейских НПЗ ориентирована на доработку в первую очередь российских нефтепродуктов до уровня местных стандартов. С течением времени это стало называться экспортом, да ещё и за валюту. В настоящее время рост спроса на мазут со стороны европейских заводов достаточно стабилен. Возможность экспорта больших объемов мазута существенно снижает стимулы для российских нефтяных компаний инвестировать в сокращение его выпуска. А увеличение доли продуктов переработки в российском нефтеэкспорте является лишь иллюзией снижения сырьевой ориентации. Из таблицы 3 можно видеть, что совокупная стоимость экспортируемых нефтепродуктов оказывается ниже стоимости экспорта сырой нефти. Покупка долей в этих европейских НПЗ российскими нефтяными компаниями говорит о том, что нефтепродукты из России еще долгое время будут экспортироваться для дальнейшей переработки. Всё это тяжёлым бременем ложится на себестоимость бензина в России.
Таблица 3
Экспорт (по данным Федеральной таможенной службы)
Объём, млн. т 2007 год
Цена, $/баррель
Объём, млн. т 2009 год
Цена, $/баррель
В т. ч. экспортная пошлина (2009г), $/баррель
сырая нефть
238,3
65,32
225,9
56,45
31,4
нефтепродукты, из них:
110,9
63,3
120,6
52,93
мазут
55,5
44,74
63,9
42,92
12
дизтопливо
35,7
81,86
37,5
65,12
22,8
бензин
5,95
78,2
4,5
56,87
22,8
прочее (нефтехимия)
13,7
83,64
14,8
64,1
Для справки розничная цена бензина АИ-92 (21 руб за 1л) в России и США в 2010 году соответствует 113,4$/баррель.
По данным Минэнерго экспорт нефти в 2009 г. составил 246 млн. т. Из переработанной нефти в объёме 235,5 млн. т получено 35,7 млн. т бензина, 67,4 млн. т дизельного топлива, 64 млн. т мазута и 8,5 млн. т керосина. Внутреннее потребление мазута в России составило 6,5 млн. т (для ТЭЦ на Дальнем Востоке (в основном на Камчатке) и на Севере (например, в Архангельской области)), дизельного топлива ? 30 млн. т, бензина ? 31,2 млн. т. Разница цифр в таблице 3 и этих данных объясняется тем, что для экспортёров в определённых условиях за вычетом экспортных пошлин выгоднее продавать нефть под видом мазута.
По объемам переработки нефти (228,6 млн. т в 2007г) Россия заняла четвёртое место после США, Японии и Китая. Однако глубина нефтепереработки на российских НПЗ в 2008 году составила в среднем 71,4% (в 1980 году ? 56,7%). Только на 6-ти НПЗ она выше 80%, а на всех остальных 50?60%. Большинство американских НПЗ было построено в конце 70-х и 80-х годах прошлого века. Глубина нефтепереработки на них 90?95%. Только 11 российских заводов имеют установки каталитического крекинга, из них только 4 ? современные. Установок алкилирования, которых в советские времена было 11, теперь в России осталось всего пять (в Сибири только на Омском НПЗ). Общая доля алкилбензина в российском производстве составляет 0,13% (45 тыс. т). Наличие установок гидроочистки на НПЗ скорее исключение, чем правило, и те главным образом используются для очистки дизтоплива, где наличие серы ? совсем смерть. Самое печальное, что культура производства на НПЗ осталась на уровне 60-80-х годов.
Из-за этого усреднённый российский бензин невысокого качества, плохо очищен от примесей металла, серы и пр. По этим же причинам из тонны сырой нефти в России получается в среднем 170 литров бензина (выход 15%), в то время как в США ? 450?500 литров бензина (выход 41,4%). Таким образом, при одинаковой стоимости нефти себестоимость производства российского бензина в 2,8 раза выше. В реальности этот коэффициент несколько меньше за счёт продажи мазута по бросовым ценам. Но с другой стороны мазут ? это сырьё для производства бензина (национальное достояние), а мы от него так бездарно избавляемся. Кроме того, эксперты отмечают дисбаланс расположения НПЗ ? почти половина из них сосредоточена в Поволжье и на Западном Урале.
Из общего количества произведённого бензина в 2007 году (35,1 млн. т) основную долю занял АИ-92 −17,9 млн. т (51 %), АИ-80 −10,2 млн. т (29 %), АИ-95 ? 4 млн. т (11 %), прямогонный бензин ? 2,8 млн. т (8%), АИ-98 ? 0,1 млн. т (0,3 %). В том числе производство присадки МТБЭ составило 0,7 млн. т. На экспорт отправлено 6 млн. т бензина (из них 1,4 млн. т в страны СНГ). На экспорт идёт почти весь прямогонный бензин и бензин марки АИ-80 экспортный.
В 2007 году, несмотря на существенный рост автомобильного парка (8 %), рост потребления бензина составил 1,5 %, что лишь подчёркивает огромный расход топлива существующего парка автотранспорта в России. Структура потребления бензина в России (29 млн. т) следующая: АИ-92 ? 62 %, АИ-80 ? 24 %, АИ-95 ? 14 %. Причём прирост потребления отмечается, прежде всего, за счёт АИ-95.
В 2009 г. производство бензина в России составило 35,7 млн. т, на внутренний рынок поступило 31,2 млн. т, из них в Новосибирск завезено 460 тыс. т бензина.
Итак, для большинства российских НПЗ схема ?ректификационная колонна ? каталитический риформинг? является основной. Покуда используется лишь 15% сырой нефти, то стоимость такого бензина получается очень высокой. Современные комплексы глубокой переработки нефти стоят 0,5?1 млрд. долларов, их строительство занимает около 3 лет, а срок окупаемости достигает 8 лет. Между тем основными генераторами модернизации НПЗ выступают сами нефтедобывающие компании. Старший аналитик FIM Securities Дуглас Рольфс оценивает необходимые вложения в модернизацию отечественных НПЗ в 6 млрд. долларов. У нефтяных компаний таких длинных денег нет, у них свои проблемы: гарантированных запасов нефти хватит лишь на 20 лет при нынешнем уровне добычи (По данным BP Statistical review of world energy 2009), на освоение новых месторождений нужны десятки млрд. долларов. Отношение инвестиций в переработку к добыче в развитых странах составляет 20?25%. В России этот показатель ? 4?5%. Свою лепту в эти процессы вносит постоянно меняющаяся доля налоговых отчислений и экспортных пошлин. Последние меняются в год по нескольку раз.
Получается порочный круг: высокие цены на моторное топливо сдерживают рост его внутреннего потребления, для уменьшения стоимости и улучшения качества бензина нужна глубокая переработка нефти, оборудование для которой дорого стоит, а кредитов не дают потому, что нефтяным компаниям нечего предложить в залог. При этом оборудование нужно приобретать за рубежом, хотя технологию разработал русский инженер. Классика России.
Выводов отсюда два:
Бензин в России дешеветь не будет в обозримом будущем, а скорее всего никогда.
Приводить бензин в России по стандартам ?евро? можно только с помощью присадок, по крайней мере, в ближайшие 5?8 лет.
[Сообщение изменено пользователем 17.01.2012 11:25]
27 февраля 2008 года Постановлением ? 118 Правительства России был утверждён Специальный технический регламент ?О требованиях к автомобильному и авиационному бензинам...?. В начале 2009г сроки введения регламента были пересмотрены. В новой редакции постановление предполагает, что выпуск в оборот автомобильного бензина стандарта Евро-2 допускается до 31 декабря 2010 года, класса Евро-3 ? до 31 декабря 2011 года, класса Евро-4 ? до 31 декабря 2014 года, после чего должны вырабатываться только топлива категории 5.
Выпуск в оборот дизельного топлива класса Евро-2 и Евро-3 допускается до 31 декабря 2011 года, класса Евро-1 и Евро-4 ? до 31 декабря 2014 года, класса Евро-5 ? не ограничен. Продлив выпуск дизтоплива Евро-1, Минэнерго учло потребности сельхозпроизводителей, большая часть которых пользуется техникой, потребляющей топливо низкого качества.
Кроме того, изменения предполагают, что в течение пяти лет (до 27 февраля 2013 года) допускается оборот продукции, выпущенной до 1 января 2009 года.
Минэнерго объясняло, что перенос сроков ввода новых стандартов для бензина и дизельного топлива был сделан по ходатайству нефтяных компаний, в частности ТНК-ВР и ?Роснефть?.
Эти сроки перекликаются с другим Регламентом ?Экологическая безопасность колёсных транспортных средств, выпускаемых в обращение на территории Российской Федерации, в отношении выбросов вредных (загрязняющих) веществ?, принятым 12 октября 2005 г. и нормирующим уровень токсичности выбросов автомобилей: Евро-2 с 2006 г.; Евро-3 с 2008 г.; Евро-4 с 2010 г.; Евро-5 с 2014 г. Евро-1 для грузовиков и автобусов действовал с 2002 г.
Данные постановления заявили о серьёзном желании правительства изменить экологический климат России, следуя опыту Европы. Там стандарты ?Евро?, регламентирующие содержание вредных веществ в автомобильных выхлопах, были разработаны Европейской экологической комиссией ООН. Они ограничивают допустимый выброс в CO2, оксида азота, углеводородов, оксида углерода и химических веществ. В странах Евросоюза стандарт Евро-1 действует с 1992 года, Евро-2 с 1995 года, Евро-3 ? с 1998 года, Евро-4 ? с 2005 года. Для дизельных грузовых автомобилей в 2009 году вступил в силу стандарт Евро-5.
Введение жестких экологических стандартов особенно актуально для крупных городов, где ядовитый смок ? уже довольно частое явление. Смок образуется при реакции оксидов азота с несгоревшими углеводородами (этиленом и бутаном). При охлаждении оксид азота (NO) окисляется до ядовитого диоксида (NO2) и при взаимодействии с водяными парами выпадает в виде капель азотной кислоты. В условиях зимнего Новосибирска с резким уменьшением влажности и возросшим количеством автомобилей смог наиболее опасен. Именно поэтому в мегаполисах России принимаются более жесткие постановления по срокам внедрения экологических стандартов и ограничению (или полном запрете, например, для грузового транспорта) въезда в центральные части городов. Для справки ? при работе по 8 часов в день грузовик с двигателем Евро-0 выбрасывает в атмосферу 5,96 т выхлопных газов, при Евро-1 ? 2,64 т, при Евро-3 ? 1,83 т.
Российский парк легковых автомобилей на начало 2007г. насчитывал около 26 млн. единиц, из которых более 50% находятся в эксплуатации свыше 10 лет. По экологическим характеристикам 75% легковых автомобилей соответствуют нормам Евро-1 и Евро-2; 60% грузовых автомобилей ? Евро-0. По прогнозам Федерального дорожного агентства, количество автомобилей к 2015 г. увеличится до 42?47 млн. штук, в основном за счет иномарок. Обеспечение и сохранение в процессе эксплуатации экологических характеристик автомобиля возможно только при условии применения высококачественных моторных топлив. Обновление автопарка процесс длительный, и в этой ситуации применение на российском автотранспорте бензинов с моющими и многофункциональными присадками позволит обеспечить существенное сокращение вредных выбросов в атмосферу и оздоровление экологической обстановки. Влияние моющих присадок на эксплуатационную экономичность работы двигателя и токсичность отработавших газов доказано многими работами и испытаниями, проведенными не только за рубежом, но и в России. Результаты дорожных испытаний, проведенных фирмой BASF на автомобилях Западной Европы, показали, что применение автомобильных бензинов с многофункциональными присадками обеспечивает в среднем снижение содержания в отработавших газах: углеводородов ? на 20%, СО ? на 24%, (NO)x ? на 13% и CO2 ? на 2%.
Что же представляют из себя требования регламента? Отметим, что они согласованы с требованиями евростандартов EN-228 (для бензина) и EN-590 (для дизтоплива) и соответствуют нормам Евро-2, Евро-3 и так далее. Для автомобильных бензинов особо нормируются следующие показатели:
Показатели
Категории
(Евро)-2
(Евро)-3
(Евро)-4
(Евро)-5
Октановое число, ед., не менее ? по моторному методу / по исследовательскому методу
83/92
85/95
85/95
85/95
Содержание ароматических углеводородов, %, не более
55*
42
35
35
Содержание бензола, %, не более
5
1
1
1
Содержание олефинов, %, не более
20*
18
18
14
Содержание серы, %, не более
0,05
0,015
0,005
0,001
Содержание кислорода, %, не более
2,7*
2,3
2,7
2,7
Наличие моющих присадок
-
Обязательно
Обязательно
Обязательно
* ? в стандарте Евро-2 эти параметры не были указаны, они регламентируются для российского бензина категории 2.
Сначала обратим внимание на октановое число (ОЧ) ? показатель детонационных свойств моторного топлива. Бензин при этом сравнивается со смесью изооктана С8H18 (условно принятого за 100 единиц) и нормального гептана С7H16 (принятого за 0). Начиная с Евро-3, оно должно быть не менее 85 ед. (моторный метод ? ОЧМ) и 95 ед. (исследовательский метод ? ОЧИ). Принцип определения, как ОЧИ, так и ОЧМ ? один и тот же, только используют разные режимы работы тестовой установки. Для ОЧИ двигатель раскручивают до 600 об/мин, а для ОЧМ ? до 900 об/мин, да ещё и смесь подогревается во впускном ресивере. Принято считать, что ОЧИ условно моделирует условия детонации в городском цикле, а ОЧМ ? в шоссейном. Связаны они просто: для бензинов АИ-80 ОЧМ должно составлять 76; для 91 ? 82,5; для 95 ? 85; для 98 ? 88. Если в маркировке бензина присутствует буква ?И?, например АИ-95, то это ОЧИ. Если её нет (А-76), то ? ОЧМ.
Бензин ? это смесь углеводородов, состоящая из ароматических углеводородов, олефинов, парафинов и нафтёнов. В 1938 г. в американском Нефтяном институте была определена детонационная стойкость 325 углеводородов различного строения. Антидетонационные свойства автомобильных бензинов и их компонентов практически полностью обусловливаются количеством и строением составляющих углеводородов. Неуглеводородные примеси почти не влияют на детонационную стойкость топлив.
Основными компонентами прямогонного бензина и легкой нафты являются парафины и нафтены.
Наименьшей детонационной стойкостью обладают нормальные парафины ? 20?60 ОЧИ. Переход от нормальной к изомерной структуре всегда сопровождается улучшением антидетонационных свойств парафинов. Лишь небольшое количество парафинов имеет 100 ОЧИ и все они изомеры.
У нафтенов ? 31?70 ОЧИ.
Олефины(непредельные углеводороды) имеют более высокие антидетонационные свойства (91?102 ОЧИ), чем нормальные парафины с тем же числом атомов углерода. Однако олефины склонны к реакциям присоединения, поэтому крайне нестабильны.
Ароматические углеводороды обладают наивысшей детонационной стойкостью (105?116 ОЧИ). К наиболее важным ароматическим углеводородам относятся бензол, толуол, ксилол, нафталин, антрацен и их производные. Отличительные химические свойства ? повышенная устойчивость ароматического ядра и склонность к реакциям замещения, наивысшая стабильность.
Наибольшей чувствительностью к режиму работы двигателя обладают олефины (ОЧИ-ОЧМ=+14), наименьшей ? парафины (ОЧИ-ОЧМ=от −10 до +2). Повышение температурного режима двигателя вызывает снижение детонационной стойкости почти всех углеводородов. Наименее чувствительны к изменению температуры парафины. При увеличении числа оборотов детонационная стойкость низкооктановых парафинов повышается, а низкооктановых нафтенов и олефинов понижается. При повышении температуры влияние изменения скорости вращения коленчатого вала уменьшается.
Идеального углеводорода для использования его в качестве бензина не существует. У всех есть свои достоинства и недостатки, поэтому при изготовлении бензина исходят из разумного компромисса.
Основы технологии производства бензина
На нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) жидкую нефть после предварительного электрообезвоживания и обессоливания перегоняют на ректификационной колонне, где производят отбор продукта в зависимости от температуры перегонки. Материальный баланс атмосферной перегонки западно-сибирской нефти, составляющей половину всей добываемой в России нефти: газ (<35њС −1,1%); прямогонный бензин (35?85њС ? 6,5%); лёгкая нафта (85?180њС ? 13,5%); керосин (180?240њС ? 9,5%); дизельное топливо (240?350њС −19,0%); мазут (>350њС ? 50,4%). На прямогонном бензине ездили авто ещё в 30-40-х годах прошлого века, но как топливо для современных двигателей он не пригоден (происходит необратимое разрушение мотора менее, чем за минуту на полной мощности), поскольку имеет октановое число 40?61 ОЧМ (46?66 ОЧИ). Лишь из отдельных ?отборных? нефтей можно получить бензины прямой перегонки с октановым числом до 70 ОЧМ. Однако ресурсы такого сырья весьма ограниченны, а их независимая от других нефтей переработка на крупных НПЗ сопряжена со значительными трудностями.
Далее прямогонный бензин и лёгкую нафту подвергают гидроочистке. Гидроочистка ? процесс химического превращения веществ под воздействием водорода при высоком давлении и температуре (380њC). Гидроочистка направлена на снижение содержания сернистых соединений и снижения коксуемости. Побочно происходит насыщение непредельных углеводородов, снижение содержания смол, кислородсодержащих соединений, а также гидрокрекинг молекул углеводородов.
Затем гидроочищенная лёгкая нафта, содержащая примерно 50% парафинов, 40% нафтенов и 10% ароматики, попадает на установку каталитического риформинга, на выходе из которой октановое число бензина вырастает до 94?98 ОЧИ (84?88 ОЧМ). Каталитический риформинг проводят при 500њC и на выходе получают до 75% бензина от исходного сырья. В 50-е годы ? времена, когда автомобильная промышленность требовала все более высокооктановых бензинов, ? каталитический риформинг считался чуть ли не панацеей. Бензины каталитического риформинга характеризуются низким содержанием серы и в их составе практически отсутствуют олефины, поэтому они высокостабильны при хранении. Была лишь одна незадача: в результате получался бензин, в котором доля ароматических углеводородов вырастала с 8% до 70%. Основной из них ? бензол (5?15%), который при сгорании образует сильный канцероген ? бенз(a)пирен. Для уменьшения содержания ароматических углеводородов бензин пропускают через установки изомеризации. При этом содержание бензола падает практически до 0. У ароматических соединений есть еще одна неприятная особенность ? при сгорании они приводят к образованию угольного нагара на свечах, что существенно снижает их ресурс. К недостаткам также относится неравномерность распределения детонационной стойкости по фракциям. Если ездить на нем (чистом), то обеспечены: нестабильный запуск зимой, ?туповатость? машины на разгон.
Для увеличения выхода бензина из нефти перерабатывают также и её тяжелую фракцию ? мазут. Для этого используют установки каталитического крекинга, который проводят при температуре 510?540 њC. При этом большие молекулы мазута разрываются до размеров молекул, входящих в состав бензина. Первооткрывателем крекинга и создателем проекта промышленной установки в 1891 году был русский инженер В. Г. Шухов. Существует два типа реакторов каталитического крекинга: ?с кипящим слоем? ? выход бензина (ОЧИ 90?91) 37% и более совершенный ?лифт-реактор? ? выход бензина (ОЧИ 91?92) 50?55%. В процессе каталитического крекинга вырабатывается высокооктановый бензин с 89?92 ОЧИ (74?77 ОЧМ), содержащий менее 1% бензола и 30?40% ароматических углеводородов. Основной недостаток бензина каталитического крекинга ? высокое содержание серы (0,1?0,5%) и олефинов (25?35%), что очень плохо влияет на стабильность топлива при хранении. Бензин быстро желтеет из-за полимеризации и окисления олефинов с падением октанового числа и потому не может применяться без смешения с другими бензиновыми фракциями и присадок. Для уменьшения содержания серы и олефинов проводят гидроочистку, а для улучшения стабильности в него добавляют присадку-антиокислитель ? Агидол. По сравнению с бензинами каталитического риформинга для бензинов каталитического крекинга характерно более равномерное распределение детонационной стойкости по фракциям. Пока свежий ? замечательный бензин. На нем ? хорошая приемистость (если октан позволяет), стабильный запуск зимой.
В процессе каталитического крекинга попутно образуется до 7?12% лёгких непредельных углеводородных газов (олефинов), однако они имеют слишком низкие температуры кипения и не остаются в бензине в растворённом состоянии. Поэтому был разработан процесс, обратный крекингу и называемый алкилированием, суть которого состоит в превращении маленьких молекул газов (олефинов) в молекулы бензина. В нефтепереработке для получения алкилбензина наибольшее распространение получила бутан-бутиленовая фракция (ББФ). Октановое число получаемого алкилбензина составляет 95 ОЧИ (92 ОЧМ). Равенство октановых чисел по моторному и исследовательскому методам делает его наиболее ценным компонентом высокооктановых товарных бензинов. Алкилбензин (алкилат) считается ?идеальным? моторным топливом. Он, помимо высокого октанового числа, не содержит ароматических углеводородов и серы. Однако себестоимость алкилбензина так же очень велика. К тому же есть конкурирующий процесс использования ББФ ? производство присадки МТБЭ.
Такова технология изготовления бензина в США и развитых странах Европы. В России всё намного проще.
Для большинства российских НПЗ схема ?ректификационная колонна ? каталитический риформинг? является основной, а гидроочистка ? ?непозволительная роскошь?. Установки изомеризации имеют единичные заводы. На каждом российском НПЗ технолог смешивает имеющиеся в наличии компоненты, как заправский пивовар, поэтому параметры получаемого бензина варьируются от партии к партии (правда в рамках ГОСТа). Единых рецептов приготовления бензина нет, а примерные компонентные составы автомобильных бензинов на российских НПЗ приведены в таблице.
Компонент
А-76 (А-80)
АИ-91
А-92
АИ-95
АИ-98
Бензин каталитического риформинга:
мягкого режима
40?80
60?90
60?88
-
-
жесткого режима
-
40?100
40?100
5?90
25?88
Ксилольная фракция
-
10?20
10?30
20?40
20?40
Бензин каталитического крекинга
20?80
10?85
10?85
10?50
10?20
Бензин прямой перегонки
20?60
10?20
10?20
-
-
Алкилбензин
-
5?20
5?20
10?35
15?50
Бутаны+изопентан
1?7
1?10
1?10
1?10
1?10
Газовый бензин
5?10
5?10
5?10
-
-
Толуол
-
0?7
0?10
8?15
10?15
Бензин коксования
1?5
-
-
-
-
Гидростабилизированный бензин пиролиза
10?35
10?30
10?30
10?20
10?20
МТБЭ
<=8
5?12
5?12
10?15
10?15
Для примера приведём рецепт изготовления АИ-98. Прямогонный бензин подвергают гидроочистке в специальных условиях, затем разделяют на фракции <85њС и >85њС. Первую подвергают изомеризации, вторую ? риформингу. Получают продукт каталитического риформинга, 10% которого разгоняют с выделением третьей фракции >110њС. Её, бензин каталитического риформинга, алкилат и изомеризат смешивают в количестве соответственно 25, 35, 25 и 15% от массы смеси, к полученному продукту добавляют 12% от общей массы присадки МТБЭ.
И немного истории: Новоуфимский НПЗ знаменит тем, что еще в 1967 году начал выпуск бензина АИ-95 ?Экстра?, который состоял на 70% из алкилата и на 30% из ароматики, при этом содержание бензола равнялось нулю. По своим характеристикам ?Экстра? превосходила современный европейский норматив ?Евро-4?. Весь этот бензин (а его выпускалось всего 10 тыс. тонн в год) уходил в Москву для нужд автопарков ЦК КПСС, МИДа и иномарок диппредставительств капиталистических стран, которым в столице победившего социализма больше не на чем было ездить. Теперь им мало кто позволил бы себе заправляться ? сейчас он стоил бы никак не меньше 40 рублей за литр. Хотя и сейчас в АИ-95 Новоуфимского НПЗ алкилбензина до 20%.
В заключении хочется отметить, что органическая химия ? одна из тех областей, где советские учёные были впереди планеты всей. Но для внедрения технологий нужен инженер и технолог, понимающий идею учёных, нужны инжиниринговые внедренческие компании, а их нет. В итоге при реализации крупных проектов в России западные управляющие компании привлекают в большинстве случаев западных же поставщиков технологий и оборудования, хотя во многих случаях можно использовать и российских поставщиков, что позволило бы сократить расходы на модернизацию в разы, если не в десятки раз. Например, гидроочистка бензиновых фракций элементарно делается на отечественном оборудовании и на отечественном катализаторе, было бы желание.
Теоретически всю нефть можно преобразовать в хороший бензин. Правда тогда самолёты останутся без керосина, дизели без солярки и стоить такой бензин будет дороже золота.
Присадки
Почти все компоненты, использующиеся для создания бензина, имеют октановое число не выше 88?92 ОЧИ. Вот тут-то и возникают различные антидетонационные (октаноповышающие) присадки и добавки. Их можно условно разделить на три группы. Первая базируется на применении металлсодержащих присадок ? достопамятного тетраэтилсвинца, давшего миру этилированные бензины, ныне практически повсюду запрещенные (в Новосибирск этилированный бензин не поставляется с 1999г.). Присадка была крайне дешевой и жутко эффективной ? в общем, мечта нефтяника. Правда, из выпускной трубы двигателя вылетали мерзкие канцерогены... Потом на замену ей пришел куда менее опасный ферроцен. Основная проблема таких присадок ? образование красных налетов и отложений в камере сгорания, на свечах, а также в катализаторах и на рабочих поверхностях датчиков системы управления двигателем и, как следствие, усиленный износ двигателя. Есть присадки на базе никеля, марганца, но проблемы те же. С 2008 г. они запрещены для производства бензина.
Другая группа высокооктановых добавок работает по принципу ?смесевого? повышения октанового числа: базовый бензин смешивают с чем-то очень-очень стабильным. Чаще всего применяют N-метиланилин (монометиланилин ? ММНА или ММА), чье октановое число аж 280. N-метиланилин легко окисляется, что приводит к образованию отложений и нагаров. Его концентрация ограничена 1,3%. Это соответствует повышению ОЧ на 2?6 ед. Эти бензины дороже ферроценовых, но главное препятствие к их распространению ? нормы Евро-3 и Евро-4, ограничивающие уровень ?ароматики?. Требование повышения октанового числа до 95?98 ОЧИ вступает в противоречие с жёстким нормированием содержания олефиновых и ароматических углеводородов ? источника высокооктановых компонентов (5% ароматических углеводородов соответствуют примерно 1 ОЧ). Таким образом, снижение содержания ароматических углеводородов с разрешённых 55% до 42 и 35 означает ?потерю? 2?3 и 4?5 ОЧ соответственно.
Третья, самая продвинутая группа ? эфиры (основной ? метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ)) и спирты. С экологией в этом случае все в порядке, но и проблемы есть. Во-первых, сравнительно невысокое октановое число ? около 120, так что требуется их довольно много ? иногда даже больше 10%. Поскольку у эфиров значительно более низкая теплотворная способность, чем у базового бензина, падает ?калорийность? топлива. Во-вторых, эфиры агрессивны по отношению к резинам, краске, некоторым пластикам. Именно агрессивность эфиров потребовала нормативного ограничения их концентрации ? 15% (не более 2,7% кислорода), что соответствует повышению ОЧ на 4?8 единиц. Технология производства МТБЭ достаточна проста: присоединяют метиловый спирт к изобутилену (C4H8) при температуре 50?100њC. В настоящее время МТБЭ присутствует практически во всех производимых в России высокооктановых бензинах. В США в 2000г. произведено МТБЭ ? 8,5 млн. т, в странах ЕС −2,5 млн. т. В России в 2007г произвели 0,7 млн. т.
Иногда в качестве антидетонационной присадки добавляют смесь МТБЭ и ММА, что экономически выгодно и экологически безопасно. Антидетонационные (октаноповышающие) присадки ? лишь один вид присадок, добавляемых в бензин на НПЗ, хотя и основной. Есть ещё антиоксиданты, стабилизаторы и т. д., часть из которых ядовита, в розницу не продаётся и может быть использована только на НПЗ.
Из описанной выше технологии изготовления бензина становится понятно, что процесс получения высококачественного бензина требует серьёзного оборудования, которое может быть только у крупных НПЗ. А покупать качественный бензин можно только в крупных розничных сетях АЗС, которые в свою очередь приобретают бензин у этих НПЗ.
Есть ещё один вид присадок ? моющие, наличие которых в топливе обязательно для выполнения стандарта Евро-3. Нефтяные компании начали разработку моющих присадок к топливу еще в далекие 40-е годы прошлого века для нужд авиации. Первую ?товарную? присадку представила фирма Chevron в 1954 году.
С появлением систем впрыска и каталитических нейтрализаторов широкое применение моющих добавок стимулировали сами автомобилестроители. Ведь автозаводам надо загонять свои двигатели в ужесточающиеся с каждым годом нормы токсичности. Внимая их просьбам, правительство США приняло в 1995 году Закон о чистоте воздуха, который обязал все нефтяные компании добавлять в бензины, продаваемые в США, моющие компоненты. В Евросоюзе подобных законов не принимали, резонно полагая, что рыночные методы эффективнее запретительных. Результат налицо ? сегодня весь европейский бензин содержит моющие присадки. Как правило, их добавляют в бензины на терминалах непосредственно в бензовозы при отправке топлива на АЗС. Требования автозаводов к моющим присадкам изложены во Всемирной топливной хартии, подписанной крупнейшими автомобилестроителями еще в 1998 году (ее последняя редакция была принята в 2005 году). Кстати, и в США сегодня следуют более жесткому, чем закон, протоколу TOP TIER, инициаторами разработки которого выступили фирмы General Motors, BMW of Nord America, Toyota и Honda в 2004 году. Российские же автомобилестроители в лице АвтоВАЗа до сих пор продолжают выпускать авто класса Евро-2 (хотя по выбросам они скорее Евро-1). Лишь после появления сборочных производств крупнейших автомобилестроителей мира в России и их ходатайства был принят техрегламент по экологическим нормам на бензин.
Топливо и продукты сгорания содержат 1?3% асфальтенов (очень большие молекулы на основе графита) и смол. Часть смол при нагревании превращается в асфальтены, которые в свою очередь не могут сгореть в силу своих больших размеров и низкой теплопроводности и имеют склонность в процессе сгорания оседать в виде нагара и отложений в двигателе. Свою лепту сюда добавляет и моторное масло, а также картерные и отработавшие газы. В процессе борьбы за снижение вредных выбросов в атмосферу, была придумана и успешно реализована замкнутая система вентиляции картера, которую чаще называют принудительной. Безусловно, она снижает вредные выбросы, но из-за её принципа работы, все эти ?выбросы? в виде отложений и нагара стали еще более эффективно оседать в двигателе. Прогресс не стоял на месте, а требования к экологии ужесточались. Для того чтобы поспевать за ними, была изобретена рециркуляция отработавших газов, впрыск топлива, прямой впрыск топлива и т. д. В свою очередь, все эти нововведения точно также страдают от отложений, как раньше страдали карбюратор с жиклерами и дроссельной заслонкой и прочие системы эпохи ?до впрыска?. Кроме того для современных двигателей последствия нагара и отложений гораздо более ощутимы, чем для старых карбюраторных.
Многие изменения, вносимые в конструкцию с целью повышения мощности, снижения расхода топлива и токсичности выбросов усиливают тенденцию к образованию отложений на элементах двигателя. Образование отложений во впускной системе приводит к нарушению первоначальной регулировки двигателя и, как следствие, к увеличению расхода топлива и масла, снижению мощности, возрастанию токсичности отработавших газов. В запущенных случаях из-за появления детонации прогорают поршни и клапаны. Экологический стандарт Евро-3 требует, чтобы автомобиль оставался ?чистым? в течение всей жизни, а его экологические характеристики оставались стабильными на протяжении 100 тыс. км пробега. Эффективным способом предотвращения образования отложений в топливной системе и сохранения заводских регулировок двигателя является применение моющих присадок, т. к. существующие технологии производства автомобильных бензинов не позволяют обеспечить требуемый уровень эксплуатационных свойств по чистоте топливной системы. С учетом существующих различных толкований понятия ?моющая присадка? следует отметить, что речь идет о многофункциональных пакетах присадок, содержащих в своем составе моющий компонент, ингибиторы коррозии, деэмульгатор, а также несущую жидкость на минеральной, синтетической или полусинтетической основе.
Обычные моющие присадки содержат высокомолекулярные амины в композиции с маслом-носителем, которые хорошо отмывают топливную систему (карбюратор и впускные клапаны), а отмытые вещества поступают в камеру сгорания, не полностью сгорают и образуют нагары в самой камере сгорания. При этом нагар увеличивается на 140% по отношению к бензину без моющей присадки, что, в принципе, соответствует рекомендациям Всемирной топливной хартии. Многочисленные стендовые и эксплуатационные испытания старой техники на современном топливе, превосходящем ее по экологическим требованиям, показали, что применение более экологически чистых топлив с обычными моющими присадками на менее экологичном двигателе (в двигателе, конструктивно рассчитанном на топливо Евро-0 ? Евро-2) показали:
значительный рост выбросов вредных веществ с отработанными газами;
увеличение расхода топлива;
увеличение износа двигателя;
увеличение суммарного содержания продуктов окисления;
увеличение содержания фактических смол, определяемых после контакта с резинами.
Очистить бензин от асфальтенов и смол на НПЗ, в принципе, можно, но стоимость такого бензина сильно возрастёт, да и промышленных установок пока ещё не существует. Советские учёные пошли по другому пути: устранять не следствие (нагар), а причину его возникновения. А если попытаться разрушать асфальтены и смолы прямо в камере сгорания во время горения на более мелкие углеводороды, близкие по своим параметрам к бензину, с последующим их сжиганием. Такая попытка увенчалась успехом и была создана присадка действующая по принципу каталитического расщепления длинных молекул и способствующая полному сгоранию топлива в камере сгорания, а не в выхлопной трубе (как в ракетном топливе сгорание увеличивается в сопле Лаваля, а не за его пределами). В присадке используется свойство специальных веществ ? проявлять очень высокую активность из-за развитой поверхности при одном и том же количестве вещества. Отсюда общая поверхность такого катализатора и его активность будет значительно выше. В этом случае катализатор находится практически в атомарном состоянии, т. е. он становится нанокатализатором, в отличие от простых катализаторов. При температурах от 150 ? 350 њC (предпламенные процессы в камере сгорания) компоненты присадки изменяют свое агрегатное состояние и образуют нанокатализаторы, которые и преобразуют топливо, приводя его в более реакционно-способное состояние по отношению к кислороду. По сути бензин разлагается на более мелкие углеводороды ? практически газ, который полнее сгорает, да и октановое число его немного повышается.
Была проведена целая серия стендовых и эксплуатационных испытаний, по результатам которых эта присадка включена в ?Перечень присадок, допущенных к применению в автомобильных, реактивных и судовых топливах? в России в разделе ?Модификаторы горения?. В конце статьи приведен список организаций, проводивших испытания. Для бензина она единственная в этом разделе. Количество разрешённых моющих присадок ? 11, из них только 4 ? российские.
Стандарт Евро-3 вступает в силу на территории России в 2011 году, стандарт Евро 4 ? в 2012 Однако компания ТРАНСЕРВИС уже сейчас приступила к продажам топлива АИ-95 УЛЬТРА, которое полностью соответствует стандартам ЕВРО 4.
Основные характеристики АИ-95 УЛЬТРА в сравнении бензинами, содержащими классическую моющую присадку ?Keropur 3458N? и российскую моющую присадку ?Каскад-9? представлены в таблице 1.
Таблица 1
Присадка / Показатель
АИ-95 УЛЬТРА
Бензин с присадкой Keropur 3458N
Бензин с присадкой Каскад-9
Снижение отложений на впускных клапанах, %
не образуются при постоянной работе с присадкой
15?20
32
Отложения в камере сгорания, %
Не образуют, отмывают камеру сгорания от металлов и смол
Образуют, так как это высокомолекулярные амины
Образуют, так как это высокомолекулярные амины
Снижение вредных выбросов: %
Дымность
до 90
-
-
Оксиды азота
50 ? 55
до 13
-
Оксида серы
до 90
-
-
Оксид углерода
до 85
до 24
-
Углеводороды
65 ? 80
до 20
-
Бенз(a)пирен
40 ? 90
-
-
Альдегиды
16 ? 60
-
-
Аэрозоль
до 20
-
-
Масляный туман
20 ? 100
-
-
Совместимость с другими присадками
Полная
Полная
Полная
Снижение удельного расхода топлива, % при постоянном применении
До 7% и до 17% для спортивных бензинов
Нет
Нет
Расход масла
Кольца раскоксовываются и работоспособны во времени. В закоксованном двигателе расход масла уменьшается, в чистом двигателе ? не меняется со временем.
Кольца постепенно закоксовываются, что влечет увеличение расхода масла
Кольца постепенно закоксовываются, что влечет увеличение расхода масла
Повышению КПД,%
от 4 до 8
Нет
Нет
Повышение крутящего момента, %.
До 5
Нет
Нет
Увеличение срока службы деталей двигателя:
рабочих стенок цилиндров на, %
Поршневых колец в разы
70
1,5?3
Нет
Нет
Нет
Нет
Содержание камеры сгорания в чистоте
Удаляет нагары, асфальтены, смолы, металлы
Образуют нагары
Образуют нагары
Уменьшение выбросов оксидов серы
Единственная присадка, которая при большом содержании серы в исходном топливе проводит процесс его сгорания до молекулярной серы
Нет
Нет
Уменьшение температуры в камере сгорания
На 100 ? 200 градусов, как следствие уменьшение выброса оксидов азота
Нет
Нет
Изменяет индикаторную диаграмму
Уменьшается пиковая нагрузка в мертвой точке, но общая площадь диаграммы увеличивается
Нет
Нет
Очищает свечи зажигания от нагаров и отложений железа и марганца и содержит их в чистоте *
Удаляет нагары и все отложения металлов на свечах
Нет
Нет
Продление срока службы катализаторов дожига
Сажа и др. вредные вещества сгорают в камере сгорания и не поступают на катализаторы дожига
Нет
Нет
Регенерируют катализаторы дожига
Удаляют сажу и отложения металлов с катализаторов дожига
Нет
Нет
Увеличение межремонтного периода
Камера сгорания все время чистая, двигатель работает в штатном режиме
Нет
Нет
Снижение затрат на текущий ремонт
Не требуется очистки и отмывки камеры сгорания
Нет
Нет
Улучшение динамики автомобиля
Увеличение крутящего момента
Нет
Нет
Сохранение здоровья человека и архитектурных памятников
Снижение выбросов, содержащих вредные оксиды
Нет
Нет
Привыкание
Потребители привыкают к топливу с присадкой и отмечают ?тупизну автомобиля? при переходе на другое топливо
Нет
Нет
Производство
Россия: безотходное, не вредное
BASF
Россия
Примечание: * ? Проверяется проверкой ?красных свечей? или свечей с нагарами до и после прогона автомобиля примерно 70 км лучше за городом, так как возможно появление дыма, свидетельствующего об очистке камеры сгорания.
При первичном использовании присадки в автомобиле с большим количеством нагара в двигателе появляется дым в выхлопе, который уменьшается по мере очистки двигателя. Процесс очистки достаточно интенсивный, поэтому после 100?200 км пробега двигатель очищается обычно полностью.
Подъем цены топлива, при введении в него присадки, составляет менее 1%, в то же время только за счет экономии топлива, пусть даже в пределах 3 ? 5%, присадка окупается практически сразу, а с учетом увеличения времени межремонтного периода, улучшения экологии, здоровья населения, сохранения исторических памятников ? преимущества присадки неоценимы.
Нагарообразование
Преобладающей технологией получения бензина в России является риформинг и, как следствие, более половины такого бензина представляет собой ароматические углеводороды. А высокое их содержание чревато повышенным нагарообразованием в камерах сгорания и на клапанах двигателей, что ухудшает такие их эксплуатационные показатели как кпд, мощность, экономические и экологические характеристики. Образование нагара в камере сгорания вызывает увеличение требуемого октанового числа топлива, а при неизменном октановом числе последнего приводит к работе двигателя с детонацией или резкому уменьшению мощности. При эксплуатации двигателя по мере отложения нагара в камере сгорания создаются более благоприятные условия для возникновения детонации, и ранее подобранный бензин (при проектировании) с определенной антидетонационной стойкостью для такого двигателя становится непригоден (рис. 1). Исследования показали, что для нового двигателя и для двигателя, долго эксплуатировавшегося, разница в требованиях к антидетонационным свойствам может доходить до 10?15 октановых единиц и более.
Рис. 1 Влияние пробега автомобиля на требуемое октановое число ОЧ треб.
При эксплуатации автомобильного двигателя нагар по времени образуется неравномерно. Основное количество нагара отлагается в начале эксплуатации автомобиля. Экспериментально установлено, что после пробега автомобилем 10?16 тыс. км наступает некоторое равновесное состояние и при дальнейшей работе двигателя количество нагара изменяется незначительно. Равновесие достигается вследствие того, что химические реакции и термическое воздействие совместно с газовыми потоками вызывают выгорание и удаление нагаров из камеры сгорания примерно с той же скоростью, с какой они образуются в данный момент (это явление известно под названием самоочищения камеры сгорания). Значение этого равновесия зависит от состава бензина.
Углеводородный состав бензинов является одним из главных факторов, определяющих их склонность к нагарообразованию в двигателе. Анализ имеющихся данных показывает, что склонность автомобильных бензинов к нагарообразованию зависит, главным образом, от содержания в них ароматических углеводородов и олефинов. Российские высокооктановые бензины либо вообще не содержат олефинов, либо содержат небольшое количество относительно неактивных углеводородов этого класса. Таким образом, склонность к нагарообразованию российских высокооктановых бензинов обусловливается количеством и строением ароматических углеводородов. С повышением молекулярного веса углеводорода и температуры его кипения влияние на нагарообразование, как правило, увеличивается. Высококипящие ароматические углеводороды под воздействием высоких температур претерпевают окислительные превращения и служат основным источником образования нагара.
Установлено, что основное количество нагара в камере сгорания накапливается при работе двигателя на малых нагрузках; по мере увеличения нагрузки и повышения температурного режима двигателя начинается обратный процесс ? выжигание нагара. Этот процесс особенно усиливается на режимах, близких к полному открытию дросселя. Проведенные испытания показали, что содержание значительных количеств ароматических углеводородов в бензине не только повышает его склонность к отложению нагара в двигателе, но и увеличивает способность нагара прочно удерживаться на поверхности деталей камеры сгорания.
Ароматические углеводороды являются ценными составляющими автомобильных бензинов, так как обладают высокой детонационной стойкостью. Однако содержание их в товарных бензинах должно быть ограничено вследствие повышения нагарообразования в двигателе. Прямое сопоставление детонационной стойкости бензинов и их склонность к нагарообразованию в зависимости от содержания ароматических углеводородов позволило предложить норму содержания ароматических углеводородов в товарных автомобильных бензинах. Установлено, что удельный прирост количества нагара в камере сгорания остается постоянным при содержании различных ароматических углеводородов в пределах от 0% до 40% (удельный прирост количества нагара ? это прирост количества нагара в результате добавления ароматических углеводородов в количестве, соответствующем повышению детонационной стойкости топлива на 1 октановую единицу). При большем содержании ароматических углеводородов резко повышается удельный прирост количества нагара. Таким образом, содержание ароматических углеводородов в товарных автомобильных бензинах не должно быть более 42%, что заложено в стандарт Евро-3. Спецификации Евро-3 и Евро-4 также в обязательном порядке определяют наличие в автобензине моющих присадок снижающих последствия нагарообразования.
А теперь об имеющемся оборудовании и объёмах производства бензина в России
Сейчас нефтеперерабатывающую отрасль России можно условно разделить на три ?лиги?. ?Премьер-лига? представлена 27-ю крупными НПЗ (переработка более 3 млн. т. в год), 19 из которых входят в структуру вертикально интегрированных нефтяных компаний. Их суммарная мощность первичной переработки нефти около 262 млн. т в год. Вторая ?лига? ? предприятия ?Газпрома? мощностью около 8 млн. т в год. Газпромовские НПЗ обычно рассматриваются отдельно от остальных российских нефтепереработчиков, и связано это с тем, что предприятия газовой монополии перерабатывают не нефть, а газовый конденсат ? сырье изначально более высокого качества. И третья ?лига?, самая многочисленная, но и самая маленькая по объему выпуска, ?региональная?, представлена примерно 50 малыми установками первичной суммарной мощностью в 5 млн. т в год. Если сложить все три ?лиги? вместе, то общий объем мощностей первичной переработки нефти в России составит внушительные 275 млн. т. в год. Из 27 заводов ?премьер-лиги? 6 были пущены в эксплуатацию еще до войны, а самый последний ? Ачинский НПЗ ? в 1982 году. Оставшиеся 20 заводов введены в строй в период 1948?1966 гг. По уровню используемых технологий российские НПЗ считаются самыми отсталыми в мире (качество переработки по коэффициенту Нельсона ? 67 место в мире, из крупных стран ? последнее). Коэффициент Нельсона ? доля углубляющих (вторичных) процессов на отечественных НПЗ не превышает 15 процентов мощностей по первичной перегонке нефти, в то время как в США эта доля составляет 55 процентов. Степень износа оборудования НПЗ составляет 70%.
Если мощности первичной переработки нефти на российских НПЗ загружены на 70%, то мощности углубляющих (вторичных) процессов ? на все 100%. При этом использование несовременных (неэффективных) катализаторов на крайне изношенном оборудовании приводит к частым остановкам на профилактическое обслуживание. В результате хорошего бензина всегда не хватает, а рынок нефтепродуктов в России по сути ? рынок ?продавца?, а не ?покупателя?. Розничные цены на топливо в России целиком и полностью определяются отпускными ценами заводов-изготовителей, а протекционизм при продаже топлива ? рядовое явление.
Большинство наших заводов являются по сути ?керосинками?, они отбирают то количество нефтепродуктов, которое заложено в нефти. Если нефть светлая и легкая, то по ней сразу, легко можно получить глубину переработки 67%. Но в случае с сернистой тяжелой нефтью, этот показатель сразу снижается до 43%. Здесь нужны сложные процессы глубокой переработки. Качество нефти, как известно, со временем не улучшается, соответственно, снижается и глубина переработки. Использование мини-НПЗ в данной ситуации не поможет, поскольку максимальная глубина переработки у них составляет 50%. Поскольку они не оборудуются установками глубокой переработки, в случае мини-производств такие установки обречены быть убыточными.
Кроме устаревших мощностей над российской нефтепереработкой висит еще одно советское ?проклятие?. В Советском Союзе приоритетными нефтепродуктами были топочный мазут и дизельное топливо, поскольку доля легкового автотранспорта ? основного потребителя высокооктановых бензинов ? была ничтожно мала. Для сравнения: доля моторного топлива (бензин, дизтопливо и керосин) в общем объеме производства российских НПЗ в 2009 г составила 47%, для США этот показатель ? 95%, в странах ЕС ? 85%. Впоследствии ТЭЦ перевели на газ, провели центральное отопление. С дизтопливом ? отдельная история: при проектировании НПЗ в СССР предполагалось массированное использование тепловозов на железной дороге, а через 10?20 лет её электрифицировали. Ввиду переизбытка солярки создатели дизелей для сельхозтехники ни в чём себя не ограничивали. В результате эти агрегаты имеют такой расход топлива, что в условиях резкого повышения цен на него делает нерентабельным наше сельское хозяйство на долгие годы. Такой вот ?выкидыш? плановой советской экономики. В результате СССР стало не нужно столько мазута и дизельного топлива, а перерабатывать их не на чем и девать их некуда ? это побочный продукт производства бензина. Придумали отвозить их в страны соцлагеря, предварительно создав там мощности по переработке (помощь братским народам). В результате часть центрально- и восточноевропейских НПЗ ориентирована на доработку в первую очередь российских нефтепродуктов до уровня местных стандартов. С течением времени это стало называться экспортом, да ещё и за валюту. В настоящее время рост спроса на мазут со стороны европейских заводов достаточно стабилен. Возможность экспорта больших объемов мазута существенно снижает стимулы для российских нефтяных компаний инвестировать в сокращение его выпуска. А увеличение доли продуктов переработки в российском нефтеэкспорте является лишь иллюзией снижения сырьевой ориентации. Из таблицы 3 можно видеть, что совокупная стоимость экспортируемых нефтепродуктов оказывается ниже стоимости экспорта сырой нефти. Покупка долей в этих европейских НПЗ российскими нефтяными компаниями говорит о том, что нефтепродукты из России еще долгое время будут экспортироваться для дальнейшей переработки. Всё это тяжёлым бременем ложится на себестоимость бензина в России.
Таблица 3
Экспорт (по данным Федеральной таможенной службы)
Объём, млн. т 2007 год
Цена, $/баррель
Объём, млн. т 2009 год
Цена, $/баррель
В т. ч. экспортная пошлина (2009г), $/баррель
сырая нефть
238,3
65,32
225,9
56,45
31,4
нефтепродукты, из них:
110,9
63,3
120,6
52,93
мазут
55,5
44,74
63,9
42,92
12
дизтопливо
35,7
81,86
37,5
65,12
22,8
бензин
5,95
78,2
4,5
56,87
22,8
прочее (нефтехимия)
13,7
83,64
14,8
64,1
Для справки розничная цена бензина АИ-92 (21 руб за 1л) в России и США в 2010 году соответствует 113,4$/баррель.
По данным Минэнерго экспорт нефти в 2009 г. составил 246 млн. т. Из переработанной нефти в объёме 235,5 млн. т получено 35,7 млн. т бензина, 67,4 млн. т дизельного топлива, 64 млн. т мазута и 8,5 млн. т керосина. Внутреннее потребление мазута в России составило 6,5 млн. т (для ТЭЦ на Дальнем Востоке (в основном на Камчатке) и на Севере (например, в Архангельской области)), дизельного топлива ? 30 млн. т, бензина ? 31,2 млн. т. Разница цифр в таблице 3 и этих данных объясняется тем, что для экспортёров в определённых условиях за вычетом экспортных пошлин выгоднее продавать нефть под видом мазута.
По объемам переработки нефти (228,6 млн. т в 2007г) Россия заняла четвёртое место после США, Японии и Китая. Однако глубина нефтепереработки на российских НПЗ в 2008 году составила в среднем 71,4% (в 1980 году ? 56,7%). Только на 6-ти НПЗ она выше 80%, а на всех остальных 50?60%. Большинство американских НПЗ было построено в конце 70-х и 80-х годах прошлого века. Глубина нефтепереработки на них 90?95%. Только 11 российских заводов имеют установки каталитического крекинга, из них только 4 ? современные. Установок алкилирования, которых в советские времена было 11, теперь в России осталось всего пять (в Сибири только на Омском НПЗ). Общая доля алкилбензина в российском производстве составляет 0,13% (45 тыс. т). Наличие установок гидроочистки на НПЗ скорее исключение, чем правило, и те главным образом используются для очистки дизтоплива, где наличие серы ? совсем смерть. Самое печальное, что культура производства на НПЗ осталась на уровне 60-80-х годов.
Из-за этого усреднённый российский бензин невысокого качества, плохо очищен от примесей металла, серы и пр. По этим же причинам из тонны сырой нефти в России получается в среднем 170 литров бензина (выход 15%), в то время как в США ? 450?500 литров бензина (выход 41,4%). Таким образом, при одинаковой стоимости нефти себестоимость производства российского бензина в 2,8 раза выше. В реальности этот коэффициент несколько меньше за счёт продажи мазута по бросовым ценам. Но с другой стороны мазут ? это сырьё для производства бензина (национальное достояние), а мы от него так бездарно избавляемся. Кроме того, эксперты отмечают дисбаланс расположения НПЗ ? почти половина из них сосредоточена в Поволжье и на Западном Урале.
Из общего количества произведённого бензина в 2007 году (35,1 млн. т) основную долю занял АИ-92 −17,9 млн. т (51 %), АИ-80 −10,2 млн. т (29 %), АИ-95 ? 4 млн. т (11 %), прямогонный бензин ? 2,8 млн. т (8%), АИ-98 ? 0,1 млн. т (0,3 %). В том числе производство присадки МТБЭ составило 0,7 млн. т. На экспорт отправлено 6 млн. т бензина (из них 1,4 млн. т в страны СНГ). На экспорт идёт почти весь прямогонный бензин и бензин марки АИ-80 экспортный.
В 2007 году, несмотря на существенный рост автомобильного парка (8 %), рост потребления бензина составил 1,5 %, что лишь подчёркивает огромный расход топлива существующего парка автотранспорта в России. Структура потребления бензина в России (29 млн. т) следующая: АИ-92 ? 62 %, АИ-80 ? 24 %, АИ-95 ? 14 %. Причём прирост потребления отмечается, прежде всего, за счёт АИ-95.
В 2009 г. производство бензина в России составило 35,7 млн. т, на внутренний рынок поступило 31,2 млн. т, из них в Новосибирск завезено 460 тыс. т бензина.
Итак, для большинства российских НПЗ схема ?ректификационная колонна ? каталитический риформинг? является основной. Покуда используется лишь 15% сырой нефти, то стоимость такого бензина получается очень высокой. Современные комплексы глубокой переработки нефти стоят 0,5?1 млрд. долларов, их строительство занимает около 3 лет, а срок окупаемости достигает 8 лет. Между тем основными генераторами модернизации НПЗ выступают сами нефтедобывающие компании. Старший аналитик FIM Securities Дуглас Рольфс оценивает необходимые вложения в модернизацию отечественных НПЗ в 6 млрд. долларов. У нефтяных компаний таких длинных денег нет, у них свои проблемы: гарантированных запасов нефти хватит лишь на 20 лет при нынешнем уровне добычи (По данным BP Statistical review of world energy 2009), на освоение новых месторождений нужны десятки млрд. долларов. Отношение инвестиций в переработку к добыче в развитых странах составляет 20?25%. В России этот показатель ? 4?5%. Свою лепту в эти процессы вносит постоянно меняющаяся доля налоговых отчислений и экспортных пошлин. Последние меняются в год по нескольку раз.
Получается порочный круг: высокие цены на моторное топливо сдерживают рост его внутреннего потребления, для уменьшения стоимости и улучшения качества бензина нужна глубокая переработка нефти, оборудование для которой дорого стоит, а кредитов не дают потому, что нефтяным компаниям нечего предложить в залог. При этом оборудование нужно приобретать за рубежом, хотя технологию разработал русский инженер. Классика России.
Выводов отсюда два:
Бензин в России дешеветь не будет в обозримом будущем, а скорее всего никогда.
Приводить бензин в России по стандартам ?евро? можно только с помощью присадок, по крайней мере, в ближайшие 5?8 лет.
[Сообщение изменено пользователем 17.01.2012 11:25]
G
Grumbler (Озлобленн на всех)
бензин в россии-г. Дизель тоже
Ж
ЖМВ
бензин в россии-г. Дизель тоже
Вин Дизель то тебе чем не угодил?
K
Kel'nna™
[Сообщение удалено пользователем 17.01.2012 12:11]
Обширная статья про бензин в России.
Офигел что-ли? Столько страниц с утра читать. Ага, щас же.
Д
Дуремар(18+)
K
KROT
Ну раз надо..... Зазубрил всё.
C Уважением KROT.
C Уважением KROT.
S
Stil
Бензин в России дешеветь не будет в обозримом будущем, а скорее всего никогда.
Приводить бензин в России по стандартам ?евро? можно только с помощью присадок, по крайней мере, в ближайшие 5?8 лет.
Приводить бензин в России по стандартам ?евро? можно только с помощью присадок, по крайней мере, в ближайшие 5?8 лет.
Баян
p
potapov sergey
Не осилил. Апофеоз выделите пожалуйста.
бензин в россии=Дизель
В
ВОВЧКА
Апофеоз выделите пожалуйста.
бензин зло, ёмобиль спасёт рассею.
д
дядя Ваня /Аве, Папо!/
0/56 | + -+ -
Тебя все ненавидят!
U
Uzanto
Кто прочитал,про че там?
E
Eva_A
Тебя все ненавидят!
хоть бы кроткое содержание сделал, или оглавление, выводы...
w
woоdy
Это о бензине должен знать каждый
осилил только эту строчку
B
Borisovichhh
Все текхнические регламенты чушь несусветная, так как все там выдрано из старых нормативных документов и ничего почти новго и современного там нет
[Сообщение изменено пользователем 17.01.2012 11:47]
[Сообщение изменено пользователем 17.01.2012 11:47]
Q
Q-desnik
А зачем урезанный вариант сюда кидать??? Где полная версия???
V
ViTaRga
Во время обеда почитайте, познавательно
ОАК мудрый должен знать фсеее!!!!
ОАК мудрый должен знать фсеее!!!!
J
Ja.80
Это о бензине должен знать каждый
Я даже половину не запомню...
В
Володя ТАЗ-103
если сказать многа букаф-это ничего не сказать
V
ViTaRga
А зачем урезанный вариант сюда кидать??? Где полная версия???
Сначала давал ссылку, модератор говорит рекламо, скопипастил.
К
Кручу-верчу
Че мне с этим делать?
Распечатать?
Распечатать?
K
KROT
вот ключи, сходи прогрей лексус.
C Уважением KROT.
Д
Джамкинс
Я скроллить то устал...
Обсуждение этой темы закрыто модератором форума.