CC BY
6
УДК 665.6; 665.666.2
https://doi.org/10.24412/2310-8266-2024-1-56-59
Совместный термическим крекинг вакуумного газойля и растительного масла с отходами шин
Маммадова Т.А.1, Самадов Р.Т.2, Латифова Т.С.1
1 Институт нефтехимических процессов им. академика Юсифа Мамедалиева, AZ1001, г. Баку, Азербайджанская Республика
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4962-6330, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0009-0003-5908-9548, E-mail: [email protected]
2 Бакинская Высшая школа нефти, AZ1025, г. Баку, Азербайджанская Республика ORCID: https://orcid.org/0009-0005-3466-5494, E-mail: [email protected]
Резюме: В статье исследована возможность использования отходов автомобильных шин в процессе совместного получения зеленого дизеля и зеленого бензина. Для этого в работе исследован процесс термического крекинга вакуумного газойля (ВГ) с содержанием в нем 10% хлопкового масла при температуре 500°С, массовой скорости подачи сырья 1ч-1 с добавлением 10% масс. шинной крошки. По результатам проведенных экспериментов было доказано, что введение в состав вакуумного газойля растительного масла, а также добавление шинной крошки способствует большей конверсии тяжелой части вакуумного газойля. Добавление растительного масла и шинной крошки позволило увеличить выход дизельной фракции на 3,8% масс. Бензиновая и дизельная фракции после процесса гидроочистки могут быть использованы в качестве компонентов товарных автомобильных топлив.
Ключевые слова: зеленый дизель зеленый бензин, термический крекинг, растительное масло, отходы шин, вакуумный газойль.
Для цитирования: Маммадова Т.А., Самадов Р.Т., Латифова Т.С. Совместный термический крекинг вакуумного газойля и растительного масла с отходами шин // НефтеГа-зоХимия. 2024. № 1. С. 56-59. D0I:10.24412/2310-8266-2024-1-56-59
JOINT THERMAL CRACKING OF VACUUM GAS OIL AND VEGETABLE OIL WITH TIRE WASTE
Mammadova Tarana A.1, Samadov Rafael T.2, Latifova Tarana S.1
1 Institute of Petrochemical Processes named after Academician Yusif Mammadaliyev, AZ1001, Baku, Republic of Azerbaijan
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4962-6330, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0009-0003-5908-9548, E-mail: [email protected]
2 Baku Higher Oil School, AZ1025, Baku, Republic of Azerbaijan
ORCID: https://orcid.org/0009-0005-3466-5494, E-mail: [email protected]
Abstract: In this paper, the possibility of using used automobile tires in the process of joint production of "green diesel" and "green gasoline" is investigated. For this purpose, the process of thermal cracking of vacuum gas oil (VGO) containing 10% cotton oil was investigated at a temperature of 500°С, feed rate of 1 h-1 with the addition of 10 wt.% tire crumb. According to the results of the experiments, it was proved that the addition of vegetable oil to the composition of vacuum gas oil, as well as the addition of tire crumb promotes greater conversion of the heavy part of vacuum gas oil. The addition of vegetable oil and tire crumb increased the yield of diesel fraction by 3.8 wt.%. Gasoline and diesel fractions after hydrotreating process can be used as components of commercial automobile fuels.
Keywords: diesel fuel, ionic liquids, dearomatized diesel fraction, multifunctional additives, biodiesel fuels, propyl esters of soybean oil fatty acids, exhaust gases. For citation: Mammadova T.A., Samadov R.T., Latifova T.S. JOINT THERMAL CRACKING OF VACUUM GAS OIL AND VEGETABLE OIL WITH TIRE WASTE. Oil & Gas Chemistry. 2024, no., pp. 56-59.
DOI:10.24412/2310-8266-2024-1-56-59
Введение
Интерес к определению устойчивого, экологически безопасного и экономически выгодного зеленого энергетического ресурса соответствует Целям устойчивого развития ООН (ЦУР). В частности, это исследование соответствует ЦУР 7, направленным на обеспечение доступа к недорогой, надежной, устойчивой и современной энергии для всех. Выявляя и развивая зеленые источники энергии, мы можем снизить зависимость от ископаемого топлива и смягчить негативные последствия, связанные с его использованием, тем самым способствуя достижению ЦУР 13, направленных на борьбу с изменением климата. Кроме того, развитие зеленых источников энергии может способствовать созданию новых рабочих мест и стимулировать экономический рост, поддерживая ЦУР 8, направленные на устойчивое экономическое развитие [1].
Термический крекинг является одним из наиболее важных процессов, применяемых в нефтепереработке, поскольку он позволяет использовать значительно больший объем сырой нефти, преобразуя высокомолекулярные вещества в топлива и топливные компоненты. Вариантами такого процесса можно рассматривать процессы совместной переработки нефтяных фракций с многотоннажными отходами современной промышленности, такими как отработанные растительные масла, шины, полимерные отходы и другие материалы, что также отвечает принципам зеленой химии.
Как известно, одним из направлений переработки использованных шин является их термический крекинг. Процессы проводятся при температурах 450-500°С с компонентами, такими как отработанные минеральные масла, высокипящие нефтяные фракции и т.д. Совместный крекинг вакуумного газойля с отходами шин и растительными маслами, использованными в пищевой промышленности, может
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU
1ИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ -•
служить примером получения зеленого дизеля и зеленого бензина и способствовать уменьшению объема выбросов отходов в окружающую среду и сохранению природных ресурсов. Кроме того, это создает новые экономические возможности для развития отраслей переработки и производства вторичной продукции, что способствует более устойчивой и циклической экономике [2-6].
Ежегодно в мире призводится более 0,2 млрд т растительных масел в год, треть из которых выбрасывается в виде отходов пищевой промышленности в канализацию [7]. В то же время потребление нефти в мире составляет 4,39 млрд т в год (2022 [8]). Чтобы соответствовать ожидаемым законодательным требованиям многих развитых стран о содержании 6-10% биотоплива в бензине и дизельном топливе [9], растительные масла также могут быть использованы в сочетании с традиционным топливом [10]. Кроме этого, одними из самых многотоннажных отходов являются отходы автомобильных шин: примерно 3,27 млн т образуется в Европейском союзе, 3,87 млн т в США и 1,01 млн т в Японии [11]. Прогнозируется, что к 2030 году будет образовываться более 200 млн т отходов шин каждый год [12]. Следовательно, как в настоящее время, так и в перспективе мир сталкивается с огромной проблемой - эффективным управлением годовым потоком отходных растительных масел и выбрасываемых шин, что обязывает разработку всеобъемлющего решения для их переработки и утилизации. Отработанные шины являются сырьем вторичной переработки, содержащим 65-70% каучука, 15-25% технического углерода, 10-15% металла, поэтому эффективная их переработка является одним из перспективных производственных процессов [13-15].
Объект исследования
С учетом вышесказанного проведен процесс термического крекинга вакуумного газойля (ВГ) с содержанием в нем 10% растительного масла при температуре 500°С, массовой скорости подачи сырья 1 ч-1 с добавлением 10% масс. шинной крошки с целью одновременного получения зеленого бензина и зеленого дизеля.
Качественные показатели использованного вакуумного газойля и использованного в пищевой промышленности хлопкового масла приведены в табл. 1 и 2.
Процесс термического крекинга приведенного выше сырья проведен на лабораторной проточной установке, схема которой приведена на рис. 1.
Мелко измельченная шинная крошка в требуемом количестве была выдержана в смеси вакуумного газойля с заданным количеством использованного хлопкового масла в течение трех суток, после чего был проведен термический крекинг данной сырьевой смеси на лабораторной проточной установке при 500°С, массовой скорости подачи сырья 1 ч-1.
В реактор 3, помещенный в нагревательную печь 11, загружается кварцевая крошка, и начинается нагрев с одновременной подачей азота через осушитель 8 с верха реактора. Температура печи и реактора поддерживается с помощью термопары ТХК.
Таблица 1
Физико-химические свойства использованного вакуумного газойля
Показатель Вакуумный газойль
Плотность, кг/м3 900,5
Содержание:
сера, м.ч. 800
азот, м.ч. 1053
водород, % масс. 11,94
углерод, % масс. 83,67
кислород, % масс. 1,94
Фракционный состав, °С:
начало кипения 280,0
10% 348,5
50% 410,0
90% 485,5
конец кипения 504,0
Йодное число, г в/100 г -
Кислотное число, мг КОН/г -
Кинематическая вязкость при 40 °С, 7,1
мм2/с
Температура вспышки, °С 175
Температура застывания, °С 10
Средняя молекулярная масса, г/моль 205
Углеводородный состав:
непредельные, % масс. -
ароматические, % масс. 36,0
парафины + нафтены, % масс. 64,0
Технологическая схема проточной установки для проведения процесса термического крекинга ВГ в смеси с растительным маслом и шинной крошкой
Таблица 2
Качественные показатели использованного хлопкового масла
Рис. 1
п Йодное число Кислотное число Молекулярная Плотность при т °г Коэффициент
1Юказатель г иг/100 г мг КОН/1 г масса, г/моль 20 °С, кг/м3 т застыв., с преломления
Хлопковое масло (отработанное) 110,0 2,50 780 923,0 -18 1,4758
1 •2024
НефтеГазоХимия 57
После этого прекращается подача воздуха и система вновь продувается азотом. Затем включается сырьевой микронасос 2; дроссельным вентилем В1 регулируется объемная скорость потока сырья.
Газовая фаза и жидкий катализат, образующиеся в ходе процесса, с низа реактора 3 поступают в конденсатор-холодильник 4, затем направляются в дегазатор 5, откуда после прохождения газового счетчика газовая фаза может быть отобрана для дальнейшего анализа посредством газометра. По линии III жидкий катализат поступает в приемник жидких продуктов 7.
Результаты
Материальный баланс процесса термического крекинга ВГ в чистом виде и при содержании в нем 10% растительного масла и 10% шинной крошкой приведен в табл. 3.
Как видно из представленных в табл. 3 результатов, добавление в состав вакуумного газойля 10% масс. растительного масла и шинной крошки способствует увеличению дизельной фракции с одновременным уменьшением количества фракции тяжелого газойля. При этом прирост в выходе дизельной фракции составляет 3,8% масс., конверсия смесевого сырья увеличивается от 67,3 до 71,4% масс., из чего можно сделать вывод о том, что
Таблица 3
Материальный баланс процесса термического крекинга ВГ в чистом виде и при содержании в нем 10% растительного масла и 10% шинной крошки
Сырье
Показатель ВГ ВГ+10% растительное масло+10% шинная крошка
Взято, % масс.:
вакуумный газойль 100 80
растительное масло 0 10
шинная крошка 0 10
Получено, % масс.:
газы до с4 16,5 13,8
бензиновая фракция н.к. 200°С 18,2 16,2
легкий газойль 200-350°С 24,8 28,6
тяжелый газойль 32,7 28,6
кокс 5,7 9,8
Потери 2,1 3,0
Конверсия, % масс. 67,3 71,4
Таблица 4
Качественные показатели бензиновой фракции от процесса термического крекинга вакуумного газойля и его смеси с 10% растительного масла и 10% шинной крошки
Сырье
Показатель ВГ ВГ+10% растительное масло+10% шинная крошка
Плотность при 20°C, кг/м3 739,4 746,0
Фракционный состав, °С:
начало кипения, 35,0 32
10% перегоняется при t 68,0 41
50% 109,0 121
90% 195,0 175
конец кипения, 203,0 181
Йодное число 12/ г 43,9 65,8
Кислотность мг КОН/ 100 см3 0,56 0,12
Концентрация фактических смол, мг/100 см3 1,19 1,25
Содержание серы, % масс. 0,010 0,0246
Испытание на медной пластине + +
Углеводородный состав, % масс.:
н-парафины 16,5 20,4
изо-парафины 22,7 24,2
нафтены 6,5 12,9
олефины 18,3 20,7
ароматика, в том числе 36,0 21,8
бензол 1,7 2,1
Октановое число (и.м.) 78 79
Таблица 5
Качественные показатели дизельной фракции от процесса термического крекинга вакуумного газойля и его смеси с 10% растительного масла и 10% шинной крошки
Сырье
Показатели ВГ ВГ+10% растительное масло+10% шинная крошка
Цетановое число 40 42
Плотность при 20°C, кг/м3 856,5 846,2
Фракционный состав, °C:
начало кипения 197 182
10% перегоняется при t 230 208
50% 245 280
96% 332 350
конец кипения 347 355
Углеводородный состав, %:
ароматические 29,2 27,6
парафино-нафтеновые 60,0 52,7
непредельные 10,8 19.7
Кинематическая вязкость при 20°С, мм2 с 3,24 3.8
Кислотность, мг К0Н/100 см3 топл. 2,7 3.6
Йодное число, г 1/100 г топл/ 6.4 12,8
Температура вспышки, °С 71 72
Температура застывания, °С -21 -35
Общее содержание серы, % масс. 0,1180 0,1842
Коксуемость 10 %-го остатка % масс. 0,021 0,038
Зольность, % масс. 0,0011 0,0024
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
£
введение в состав вакуумного газойля указанных выше добавок способствует большей конверсии тяжелой части вакуумного газойля.
Качественные показатели полученных в процессе бензиновых и дизельных фракций представлены в табл. 4 и 5.
Анализ данных табл. 4 показывает, что в составе бензина, полученного с добавками, содержится несколько больше изопарафиновых и олефиновых и существенно меньше (на 14,2% масс.) ароматических углеводородов. Для использования полученной бензиновой фракции в качестве компонента товарных бензинов рекомендуется стадия предварительной гидроочистки.
Сравнение качественных показателей полученных дизельных фракций показывает, что при переработке вакуумного газойля в смеси с растительным маслом и шинной крошкой получаемые дизельные фракции содержат в своем составе значительное количество ароматических
углеводородов (29,2% и 27,6%), достаточно высокое количество непредельных соединений (10,8% и 19,7% масс.) и высокое содержание серосодержащих углеводородов, в связи с чем могут быть использованы в качестве компонентов дизельных топлив только после предварительной гидроочистки.
Выводы
Результаты проведенных экспериментов доказали возможность одновременного получения зеленого дизеля и зеленого бензина при совместной переработке вакуумного газойля и растительного масла в процессе термического крекинга при 500 °С, массовой скорости подачи сырья 1 ч-1 с добавлением 10% шинной крошки. После предварительной гидроочистки полученные бензиновые и дизельные фракции могут быть использованы в качестве компонентов моторных топлив.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. N. Asikin-Mijan, J.C. Juan, Y.H. Taufiq-Yap, Hwai Chyuan Ong, Yu-Chuan Lin, G.AbdulKareem-Alsultan, H.V. Lee. Towards sustainable green diesel fuel production: Advancements and opportunities in acid-base catalyzed H2-free deoxygenation process. Catalysis Communications 182 (2023) 10674
2. Mammadova T.A., M.M. Abbasov, N.E. Movsumov,T.S. Latifova, E.N.Askerova, N.E.Asgerli, R.T. Samedov, V.M.Abbasov, S.A.Salmanova. The Activation of the Catalytic Cracking Process of Vacuum Gasoil with Vegetable Oils under the Influence of Magnetic Field. International Journal of Emerging Engineering Research and Technology Volume 4, Issue 1, January 2016, PP 100-104
3. Mustafa Al-Sabawi, Jinwen Chen, and Siauw Ng Fluid Catalytic Cracking of Biomass-Derived Oils and Their Blends with Petroleum Feedstocks: A Review. Energy Fuels, 2012, Vol.26, No.9, pp.5355-5372
4. P. V. Lipina, O. V. Potapenko, T. P. Sorokina, and V. P. Doronin Catalytic Cracking of a Mixture of Vacuum Gas Oil and Vegetable Oil in the Presence of Mixed Mg-Al Oxide of Various Compositions. Russian Journal of Applied Chemistry, 2019, Vol.92, No.10, pp.1383-1391
5. V.P. Doronin, O.V. Potapenko, P.V. Lipin, T.P. Sorokina Catalytic cracking of vegetable oils and vacuum gas oil. Fuel, 2013, Vol.106, No.2, pp.757-765
6. Shelly Biswas, D.K. Sharma. A review on the co-processing of biomass with other fuels sources. International Journal of Green Energy 2021, Vol. 18 No.8, pp.793-811
7. Statista, • Worldwide production major vegetable oils, 2012-20211 Statista, (2021). URL: https://www.statista.com/statistics/263933/production-of-vegetable-oils-worldwide-since-2000/ (дата обращения 06.03.2024).
8. R. Gopinath, A. K. Dalai, and J. Adjaye, "Effects of ultrasound treatment on the upgradation of heavy gas oil," Energy and Fuels, 2006, vol. 20 (1), pp. 271-277.
9. Official Journal of the European Union (2018) Directive (EU)2018/2001 of the European Parliament and of the Council of 11 December 2018on the promotion of the use of energy from renewable sources. URL: http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=uriserv:0J.L_.2018.328.01.0082.01.ENG (дата обращения 06.03.2024).
10. Mustafa Al-Sabawi, Jinwen Chen, and Siauw Ng 'Fluid Catalytic Cracking of Biomass-Derived Oils and Their Blends with Petroleum Feedstocks: A Review' I Energy Fuels 2012, 26, 5355 5372, dx.doi.org/10.1021/ef3006417
11. Kumar S.R., Ruj B., Jana A., Jana B., Mondal S., Kumar S.A., Gupta P. Pyrolysis of three different categories of automotive tire wastes: Product yield analysis and characterization. J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2018;135:379-389
12. Thomas B.S., Panicker V.J. Gupta R.C., Recycling of waste tire rubber as aggregate in concrete: Durability-related performance. J. Clean. Prod. 2016;112:504-513.
13. Иванов В.В. Состояние, проблемы сбора и переработки вышедших из эксплуатации шин в Москве // Тез. докл. междунар. науч.-практ. конф. «Проблемы экологии и ресурсосбережения при переработке и восстановлении изношенных шин». М.: Изд-во НИИТЭХИМ, 2014. С. 4-5.
14. Горовец В.Г. Утилизация шин. Проблема и ее аспекты // Автотранспортное предприятие. 2015. № 4. С. 40-41.
15. Утилизация шин - рентабельность, простота и надежность // Твердые бытовые отходы. 2007. № 4. С. 14-17.
REFERENCES
1. Asikin-Mijan N., Juan J.C.,. Taufiq-Yap Y.H, Hwai Chyuan Ong, Yu-Chuan Lin, AbdulKareem-Alsultan G., Lee H.V. Towards sustainable green diesel fuel production: Advancements and opportunities in acid-base catalyzed H2-free deoxygenation process. Catalysis Communications, 2023, vol. 182, p. 10674.
2. Mammadova T.A., Abbasov M.M., Movsumov N.E. Latifova T.S., Askerova E.N., Asgerli N.E., Samedov R.T., Abbasov V.M., Salmanova S.A. The Activation of the catalytic cracking process of vacuum gasoil with vegetable oils under the influence of magnetic field. International Journal of Emerging Engineering Research and Technology, 2016, vol. 4, no. 1, pp. 100-104.
3. Mustafa Al-Sabawi, Jinwen Chen, Siauw Ng. Fluid catalytic cracking of biomass-derived oils and their blends with petroleum feedstocks: A review. Energy Fuels, 2012, vol. 26, no. 9, pp. 5355-5372.
4. Lipina P. V., Potapenko O. V., Sorokina T. P., Doronin V. P. Catalytic cracking of a mixture of vacuum gas oil and vegetable oil in the presence of mixed Mg-Al oxide of various compositions. Russian Journal of Applied Chemistry, 2019, vol. 92, no. 10, pp. 1383-1391.
5. Doronin V.P., Potapenko O.V., Lipin P.V., Sorokina T.P. Catalytic cracking of vegetable oils and vacuum gas oil. Fuel, 2013, vol. 106, no. 2, pp. 757-765.
6. Shelly Biswas, Sharma D.K. A review on the co-processing of biomass with other fuels sources. International Journal of Green Energy, 2021, vol. 18, no. 8, pp. 793811.
7. Statista. Worldwide production major vegetable oils, 2012-2021. Statista, (2021) Available at: https://www.statista.com/statistics/263933/production-of-vegetable-oils-worldwide-since-2000/ (accessed 6 March 2024).
8. Gopinath R., Dalai A. K., Adjaye J. Effects of ultrasound treatment on the upgradation of heavy gas oil. Energy and Fuels, 2006, vol. 20 (1), pp. 271-277.
9. Official Journal of the European Union (2018) Directive (EU) 2018/2001 of the European Parliament and of the Council of 11 December 2018 on the promotion of the use of energy from renewable sources Available at: http://eur-lex.europa.eu/ legal-content/EN/TXT/?uri=uriserv:0J.L_.2018.328.01.0082.01.ENG (accessed 6 March 2024).
10. Mustafa Al-Sabawi, Jinwen Chen, Siauw Ng. Fluid catalytic cracking of biomass-derived oils and their blends with petroleum feedstocks: A review. Energy Fuels, 2012, vol. 26, pp. 5355-5372.
11. Kumar S.R., Ruj B., Jana A., Jana B., Mondal S., Kumar S.A., Gupta P. Pyrolysis of three different categories of automotive tire wastes: Product yield analysis and characterization. J. Anal. Appl. Pyrolysis, 2018, vol. 135, pp. 379-389.
12. Thomas B.S., Panicker V.J. Gupta R.C., Recycling of waste tire rubber as aggregate in concrete: Durability-related performance. J. Clean. Prod, 2016, vol. 112, pp. 504-513.
13. Ivanov V.V. Sostoyaniye, problemy sbora i pererabotki vyshedshikh iz ekspluatatsii shin v Moskve [State, problems of collection and recycling of end-of-life tires in Moscow]. Trudy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Problemy ekologii i resursosberezheniya pri pererabotke i vosstanovlenii iznoshennykh shin» [Proc. of the International Scientific and Practical Conference "Problems of Ecology and Resource Saving in the Processing and Retreading of Worn Tires"]. Moscow, 2014, pp. 4-5.
14. Gorovets V.G. Tire recycling. Problem and its aspects. Avtotransportnoye predpriyatiye, 2015, no. 4, pp. 40-41 (In Russian).
15. Tire recycling - profitability, simplicity and reliability. Tverdyye bytovyye otkhody, 2007, no. 4, pp. 14-17 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ / INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Маммадова Тарана Аслан, д.т.н., проф., завотделом химии и технологии нефти и газа, завлабораторией возобновляемых видов топлив, Институт нефтехимических процессов им. академика Юсифа Мамедалиева. Самадов Рафаэль Таги, докторант Бакинской Высшей школы нефти и Института нефтехимических процессов им. академика Юсифа Мамедалиева. Латифова Тарана Серафим, технолог лаборатории возобновляемых видов топлив, Институт нефтехимических процессов им. академика Юсифа Маме-далиева.
1 •2024
Tarana A. Mammadova, Dr. Sci. (Tech.), Head of the Department of Chemistry and
Technology of Oil and Gas, Head of the Laboratory of Renewable Fuels, Institute of
Petrochemical Processes named after Academician Yusif Mammadaliyev.
Rafael T. Samadov, PhD candidate at Baku Higher Oil Schooland the Institute of
Petrochemical Processes named after Academician Yusif Mamedaliev.
Tarana S. Latifova, Technologist of the Laboratory of Renewable Fuels, Institute of
Petrochemical Processes named after Academician Yusif Mammadaliyev.
He$Tera3oXMMMH 59
