Р. У. ХАРН Бартсявилл, штат Оклахома, США Управление энергетических исследований и разработок.

Как установлено при краткосрочной эксплуатации, в целом применение бензинов из горючих сланцев из угля не влияет на загрязненность отработавших газов, характеристику двигателя и экономию топлива.

Для более точной оценки влияния на долговечность двигателя в условиях длительной эксплуатации требуются более полные испытания, а для таких испытаний, в свою очередь, требуется большее количество синтетического топлива.

Введение. Согласно современным прогнозам, начиная, с середины 80х годов непрерывно будет увеличиваться доля автомобильного топлива, получаемого из ненефтяных источников. Технология производства такого топлива пока полностью не разработана, но очевидно, что жидкие топлива из ненефтяных источников будут представлять собой очищенные продукты, получаемые либо в результате сухой перегонки горючих сланцев, либо путем гидрогенизации угля. Ненефтяное сырье может использоваться для производства очищенных продуктов, применяемых отдельно, либо добавляться на нефтеперерабатывающих заводах к нефти для переработки смеси природной и синтетической нефти.

Продукты, получаемые из природной и синтетической нефти, трудноразличимы. Однако, несомненно, что переработка синтетической нефти или добавление ее к природной нефти вызовет необходимость в значительных изменениях технологических процессов. Кроме того, в связи с тем, что придется изменить технологию переработки, возможно, что при переработке синтетического сырья, получаемого из горючих сланцев или из угля, будут вырабатываться продукты с несколько отличающимися свойствами. Влияние на технологию переработки будет значительно важнее влияния на эксплуатацию такого топлива в двигателе. И, несмотря на это характеристика топлив может оказывать большое влияние на двигатель и вспомогательное оборудование. Этому вопросу и посвящено настоящее исследование.

Первое исследование обычного топлива из ненефтяного сырья было проведено на бензинах, полученных из сланцевой смолы и из угля. Оба бензина получались по технологии и при параметрах технологического процесса, соответствующих производству синтетического топлива. Однако, возможно, что, в связи с отсутствием опыта оценки качества продуктов, выбор отдельных этапов технологических процессов не был оптимальным. В действительности, некоторые свойства получающегося топлива по современным критериям не соответствовали требуемому качеству. Поэтому не имеет смысла делать выводы относительно его качества по формальным показателям. Приводимые в настоящей работе результаты исследования имеют целью лишь, показать особенности топлива из ненефтяного сырья и создать основу для их оценки.

Извлечение топлива. Сланцевая смесь, из которой вырабатывали бензин, получена из горючих сланцев месторождения Нэвел, ЭнвилПоинтс, штат Колорадо. При непрерывной сухой перегонке в реторте примерно 15 800 т горючих сланцев в течение 56 дней было получено около 1590 м³ сланцевой смолы. Ниже приводится сравнение свойств сланцевой смолы со свойствами природной нефти:

Для получения лигроина, легкого газойля, тяжелого котельного топлива, кокса и газа сланцевая смола направлялась на установку для фракционной перегонки. Для производства бензина из этих продуктов использовался лишь лигроин после его гидроочистки и риформинга.

Общее количество сырья для переработки составляло 1583 м³ сланцевой смолы, а выход продуктов составил 916 м³, в том числе, м³:

Технология и результаты переработки сланцевой смолы подробно описаны в отчете Управления по исследованию и разработке энергетических и природных ресурсов военноморского флота.

Бензин из угля был получен согласно процессу компании «Чар ойл энерджи дивелопмент». В качестве сырья использован уголь штата Юта. Гидрогенизированная синтетическая нефть, полученная из угля, представляла собой малосернистую жидкость с плотностью 0,9377 кг/л. Путем ее перегонки были получены следующие топлива прямогонный лигроин с температурой кипения 204°С (11,8% по объему от исходного сырья); прямогонный дистиллят, выкипающий в пределах 204—316°С (37,3%); остаток, кипящий при температуре выше 316°С (50,9%). В табл 1 приводятся некоторые свойства полученных продуктов.

Тяжелая фракция (кипящая выше 316°С) подвергалась дальнейшей переработке на установке каталитического крекинга. В результате этого получали каталитический лигроин с концом кипения 204°С, легкий каталитический газойль, выкипающий в пределах температур 204—316°С Каталитический лигроин смешивали с другими компонентами и получали бензин надлежащего фракционного состава с упругостью паров по Рейду 46,5 мм рт. Ст. и октановым числом без добавки ТЭС — 96 (исследовательский метод).

Бензин, полученный из сланцевой смолы. Если говорить о физикохимических свойствах, то в целом по фракционному и углеводородному составу бензин, полученный из сланцевой.

Однако по детонационной стойкости и стабильности он значительно уступает им. По этим показателям использование сланцевого бензина в качестве моторного топлива недопустимо. Для получения продукта, который можно было бы использовать, требуется дополнительная его очистка. Рассмотрение соответствующих технологических методов для доработки подобных продуктов выходит за рамки настоящего исследования.

В документе, упомянутом выше, контрактор военноморского флота отметил, что эти топлива имеют тенденцию проявлять нестабильность при хранении, а также термическую нестабильность. Кроме того, в них содержится большое количество парафина, твердых частичек и смол. Можно полагать, что гидрогенизация под высоким давлением (14—15 МПа) и очистка отбеливающей землей позволит уменьшить или полностью устранить проблемы, связанные с этими примесями».

Что же касается моторных испытаний сланцевого бензина, то в связи с его низкой детонационной стойкостью (октановое число по моторному методу — 76, по исследовательскому методу — 81), высоким смолообразованием и плохой стабильностью вряд ли можно надеяться на то, что длительные испытания дадут положительный результат. Учитывая большие расходы, связанные с усовершенствованием любого процесса для повышения качества продукта, можно только предполагать, что и в данном случае без дополнительных расходов не обойтись. Однако нельзя идти на большие расходы без предварительного выявления требований, которые должны быть удовлетворены в процессе дополнительной очистки.

Результаты моторных испытаний. Несмотря на то, что сланцевый бензин непригоден для длительного применения в двигателе, была проведена работа с целью получения данных относительно содержания загрязнений окружающего воздуха в отработавших газах и топливной экономичности. Испытания проводились на автомобилях, оборудованных некаталитическими (термическими) дожигателями. Результаты испытаний приводятся в табл. 2.

Ни одно из отклонений не имело существенного значения. Единственной проблемой, с которой столкнулись при моторных испытаниях сланцевого бензина, являлась его низкая детонационная стойкость.

Бензин, полученный из угля. Легкий прямогонный лигроин, полученный при перегонке синтетической нефти из угля, штата Юта, оказался чрезвычайно сложной жидкостью, в которой содержалось примерно 55% насыщенных, 14,5 олефиновых и 30,5% ароматических углеводородов. Содержание изопарафиновых и нафтеновых углеводородов достигало 85% от насыщенных углеводородов. Эта жидкость отличалась высокой детонационной стойкостью и приемистостью к ТЭС:

Содержание серы (0,12% по массе) и азота (0,25%) в легком прямогонном лигроине было очень высоким, и для его использования требовалось понижение содержания этих примесей. По лучено было менее 8 л лигроина, Для дальнейшей очистки или компаундирования он не использовался. Из продуктов, полученных в процессе переработки синтетической нефти из угля, наиболее пригодным материалом для использования в бензине был легкий каталитический лигроин, свойства которого приводятся ниже.

Для получения бензина, который обычно требуется для автомобилей, легкий каталитический лигроин из угольной синтетической нефти смешивался с компонентами переработки нефти, показанными в табл. 3. Благодаря такому смешению получался бензин, хорошо сбалансированный по испаряемости и обладающий удовлетворительной детонационной стойкостью. Очень небольшое количество топлива, которое имелось в наличии, было использовано для проведения моторных испытаний, целью которых было выяснение топливной экономичности и сопоставление характеристик с эталонным нефтяным топливом (индоленом).

В результате этих испытаний не было установлено каких-либо значительных отличий в части содержания загрязнений в отработавших газах или в части экономичности между эталонным и испытуемым топливом. Только в отработавших газах при работе на топливе, содержащем компоненты угольного происхождения (табл. 4), отмечалось несколько повышенное содержание СО и НС. Повышенное содержание загрязнений в отработавших газах, по нашему мнению, отражает реальную разницу между синтетическим и эталонным (нефтяным) топливами. Это было установлено измерением содержания загрязнений в отработавших газах методом непрерывного замера и методом отдельных проб. Однако подобная разница может быть объяснена и небольшим различием в составе рабочей смеси. Поэтому различия сами по себе могут и не отражать влияния топлива на характеристику сгорания.

Во всяком случае, различия настолько малы, что их абсолютные отклонения с помощью тех небольших количеств продукта, которые имелись в нашем распоряжении, не могут быть установлены.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Возможности исследования были весьма ограничены изза небольшого количества топлива, полученного из угля, и непригодности для длительных моторных испытаний топлива, полученного из горючих сланцев. Тем не менее, были сделаны некоторые полезные выводы.

Кратковременные моторные испытания выдержали как бензин, полученный из сланцевой смолы, так и бензин, содержащий 44% компонента, полученного из угля. Применение синтетического топлива не вызывает значительного изменения содержания загрязнений в отработавших газах, топливной экономичности или эксплуатационных свойств двигателя по сравнению с бензином, полученным из мидконтинентской нефти.

Сланцевый бензин оказался непригодным для длительных моторных испытаний, однако этот недостаток, повидимому можно устранить путем соответствующего выбора или усовершенствования технологического процесса его получения.

Лигроин, полученный в процессе каталитического крекинга (с выходом 51%) синтетической нефти из угля, оказался превосходным компонентом бензина. При содержании в бензине 44% лигроина по объему (остальные компоненты 6% бутанов, 30% риформата и 20% алкилата) октановое число бензина по исследовательскому методу равно 96.

Для определения требований к синтетическому топливу, характеризующих его пригодность для автомобильных двигателей, требуется проведение всесторонних длительных моторных испытаний. Даже для проведения исследовательской фазы таких испытаний необходимо несколько кубометров топлива. На всех этапах программы разработки синтетических топлив должно быть предусмотрено изготовление достаточного количества топлива для проведения испытаний.

ОБСУЖДЕНИЕ

Ф. Б. Паркс (исследовательские лаборатории компании «Дженерал моторе») Я заметил, что содержание альдегидов в отработавших газах двигателя Вы определяли при работе на обоих синтетических топливах. Ожидаете ли Вы более высокое содержание альдегидов в отработавших газах при работе на синтетических продуктах?

Харн Нет, мы определяем содержание альдегидов во всех испытываемых топливах. Мы не только определяем содержание альдегидов, но и содержаний паранитроанилина в топливе наряду с его содержанием в отработавших газах. Определение содержания альдегидов производилось обычным способом. Определялось также содержание высших кислородных соединений.

С. С. Пеннер (Калифорнийский университет, СанДиего). Согласно Вашим данным, продукты, полученные из сланцевой смолы, отличаются высоким содержанием серы и азота. Можете ли Вы назвать примерную стоимость снижения их содержания.

Харн. Нет. Я даже не уверен, что кто-либо из нашей организации или любой другой организации пожелал бы ответить на этот вопрос. Успехи, достигнутые в разработке этого процесса, находятся в настолько ранней стадии, что делать такие оценки пока преждевременно.

С. П. Мейсел (компания «Мобил рисёрч энд дивелопмент»). Данные относительно распределения серы в Вашем продукте, полученном из угля, представляют значительный интерес. В легких фракциях содержание серы было высоким, а в тяжелых фракциях довольно низким. Типично ли это? Можете ли Вы это объяснить?

Харн Я не могу объяснить этого. Для меня это так же интересно, как и для Вас. У меня нет никаких соображений относительно большего содержания серы в легких фракциях, но я пытаюсь найти ответ на этот вопрос. Мне неизвестно, является ли это случайностью или закономерностью.

В. Дж. Мак Лиан (Корнельский университет). Согласно Вашим данным, в топливе, полученном из угля, содержится больше азота, чем в топливе, полученном из сланцевой смолы. Наблюдалось ли ,то же самое в отработавших газах?

Харн Мы пытались установить зависимость между содержанием окислов азота в отработавших газах и азота в исходном топливе, но нам это не удалось.

Дж. В. Хейвууд (Массачусетский технологический институт). Разрешите мне добавить к сказанному Вами. Согласно моим расчетам, содержание азота в этих бензинах довольно незначительно и обнаружить его влияние на содержание окислов азота в отработавших газах невозможно.

Б. В. Джозеф (Исследовательские лаборатории компании «Дженерал моторе»). Хотелось бы знать, в каком виде азот присутствует в горючих сланцах?

X. К. Хафмен (компания «Юнион ойл компани оф Калифорния»). Соединения азота представляют в основном пиридины и хинолины.

Дж. П. Лонгуэлл (компания «МИТ энд Эксон») Я согласен с тем, что, если взять бензин синтетических нефтей, удовлетворяющий современным техническим требованиям, то трудно будет уловить в характеристике разницу между ним и бензином, полученным из нефти. Однако было бы интересно, например, в топливах, получаемых из угля, обратить внимание на высококипящие фракции, потому что в них могут содержаться ароматические углеводороды, отличные от обычных ароматических углеводородов, встречающихся в нефтяных бензинах. В бензине, получаемом из угля, может оказаться больше полициклических ароматических углеводородов, присутствие которых способно вызвать такие проблемы, как образование отложений и повышение требований к октановому числу с течением времени, а также канцерогенность отработавших газов.
Харн Мы вели поиск ответов на эти вопросы и работали в тесном сотрудничестве с Алексом Миллсом и сотрудниками, работающими в области исследования угля в Управлении энергетических исследований и разработок. Мне хотелось бы отметить еще одно обстоятельство. Бесспорно, мы никоим образом не стремимся производить бензины, точно соответствующие обычным бензинам. Мы считаем, что надо производить бензин из синтетических продуктов наиболее экономичным путем.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ АВТОМОБИЛЬНЫЕ ТОПЛИВА
Перевод: А.П. Чочиа
Под редакцией: профессора Я.Б. Черткова
Москва, 1982