Результат интеллектуальной деятельности: АЛЬТЕРНАТИВНОЕ АВТОМОБИЛЬНОЕ ТОПЛИВО И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к альтернативному топливу, предназначенному для использования в автомобилях, оснащенных двигателями внутреннего сгорания с искровым зажиганием с универсальным потреблением топлива (FFV-автомобили) и способу его получения.

Этиловый спирт уже давно находит применение в качестве компонента различных видов моторных топлив. Его использование способствует уменьшению зависимости от ископаемых углеводородов и развитию сельского хозяйства или нефтехимии, снижению выбросов парниковых газов в жизненном цикле топлива. Важнейшим достоинством этанола является его способность к повышению стойкости топлива к детонации (октанового числа), а также, благодаря наличию атома кислорода, к более полному сгоранию топлива - тем самым снижается концентрация несгоревших углеводородов и монооксида углерода в отработавших газах - нормируемые показатели стандартов для автомобилей Евро-5/6.

Этанолсодержащие топлива по концентрации этилового спирта можно разделить на 4 группы: стандартный бензин, содержащий до 5-15% (Е5-Е15), среднеэтанольные топлива - от 20 до 40% (Е20, Е30, Е40), а также топлива для специальных «бензиновых» и «дизельных» автомобилей - от 50 до 100% спирта (Е85, Е100, ED95).

Топлива с высоким содержанием этанола (более 50%), предназначенные для использования в автомобилях с универсальным потреблением топлива (flexible-fuel vehicle (FFV) - автомобили, работающие как на стандартном бензине, так и на любом виде этанолсодержащего топлива), получили значительное распространение в различных странах.

В США разработан стандарт ASTM D5798, который устанавливает требования к топливам, предназначенным для использования в FFV-автомобилях и содержащим от 51 до 83% об. этанола. Согласно этому стандарту денатурированный топливный этанол смешивается с углеводородной фракцией, удовлетворяющей требованиям ASTM D4814, однако состав этой фракции не регламентируется. В США топливо Е85 реализуется более чем на 3000 АЗС.

В Бразилии топливо Е85 получило наибольшее распространение, наряду с ними применяется топливо Е100, представляющее собой денатурированный этанол с пакетом присадок. В 2015 году 68% легкового автопарка Бразилии составляли автомобили с универсальным потреблением топлива, которые могут использовать топливо Е85 или стандартный бензин и их смеси.

Топливо Е85 также получило распространение в Канаде и Тайланде.

В странах Европейского союза топлива с высоким содержанием этанола (более 50% об.) должны соответствовать стандарту EN 15293. Согласно нему денатурированный топливный этанол смешивается с товарным бензином, удовлетворяющим требованиям EN 228. Следует отметить, что общий уровень потребления топлив с высоким содержанием этанола ниже, чем в США, однако в некоторых государствах, например в Швеции и Франции, он относительно высок.

В России имеется нормативно-техническая документация, необходимая для производства топлив с высоким содержанием этанола: ГОСТ Р 54290-2010 «Топливный этанол (Ed75-Ed85) для автомобильных двигателей с принудительным зажиганием. Технические условия». Однако на данный момент подобные топлива в России не производятся.

Представленные данные по применению в различных странах топлив с высоким содержанием этанола подтверждают актуальность данного направления и практическую применимость изобретения.

Известна композиция топлива, в состав которой входят от 80 до 99% этанола и от 1 до 20% углеводородной фракции, которая включает в себя пентан, изопентан, бутан, изобутан и пропан. Дополнительно в составе может присутствовать вода от 1 до 20%.

(Патент GB 2433265 А, 2005 г.)

Недостаток этой композиции заключается в использовании в качестве углеводородной фракции пентана, изопентана, бутана, изобутана и пропана, которые являются ценными компонентами товарных бензинов, особенно в зимний период, и сырьем для ряда процессов нефтепереработки.

Наиболее близким по составу к заявляемому является топливо, состоящее из 15-25% об. низкооктановой фракции прямой перегонки нефти или газового конденсата, выкипающей внутри интервала температур НК-200°С и до 100% об. этилового спирта, содержащего до 4% об. воды.

(Патент RU 2549179 С1, 2015 г.)

Недостатками этого топлива является использование низкооктановой фракции прямой перегонки нефти, которая может содержать большое количество серы.

Наиболее близким способом получения альтернативного топлива является способ, в котором смешивается этиловый спирт от 55 до 70% об. и прямогонный бензин или бензин марки А-76 от 45 до 30% об. Компоненты топлива смешиваются при температуре 50-70°С в смесителе в течение 20-30 минут.

(Патент RU 2327732 С1, 2008 г.)

Недостатками указанного изобретения является использование в качестве углеводородной фракции товарного бензина марки А-76, который на данный момент не производится в России, или прямогонного бензина, содержание серы в котором варьируется в широких пределах. Еще одним недостатком является нагрев при смешении до 50-70°С в течение 20-30 минут, что увеличивает себестоимость топлива и может привести к потерям легкокипящих фракций

Задачей изобретения является разработка на основе этилового спирта и малосернистой, дешевой и доступной углеводородной фракции альтернативного автомобильного топлива и способа его получения с высокой детонационной стойкостью, низким содержанием серы (не более 50 мг/кг) и непромытых смол (не более 5 мг/100 см³), а также дополнительно улучшенными антикоррозионными свойствами. Альтернативное автомобильное топливо должно удовлетворять основным требованиям к характеристикам топлив для FFV-автомобилей по ASTM D5798, EN 15293 и ГОСТ Р 54290.

Для решения поставленной задачи предлагается альтернативное автомобильное топливо с октановым числом не менее 85,0 ед., определенным по моторному методу, состоящее из этилового спирта и углеводородной фракции, которое отличается тем, что в качестве углеводородной фракции содержит бензиновую фракцию процесса гидрокрекинга, выкипающую в интервале температур 28-225°С, при следующем соотношении компонентов, % масс.:

Альтернативное автомобильное топливо может дополнительно содержать прямогонный бензин в количестве до 20% масс. и/или побочные продукты производства этилового спирта: эфироальдегидную фракцию и сивушные масла в количестве до 3% масс., а также присадку с антикоррозионными свойствами от 18 до 350 мг/л.

Для решения поставленной задачи предлагается также способ получения альтернативного автомобильного топлива смешением этилового спирта с углеводородной фракцией, который отличается тем, что в качестве углеводородной фракции используют базовый углеводородный компонент с содержанием серы не более 92 мг/кг, давлением насыщенных паров (ДНП) не менее 50,0 кПа и концом кипения не выше 225°С, который содержит бензиновую фракцию процесса гидрокрекинга, или смесь бензиновой фракции процесса гидрокрекинга с прямогонным бензином, затем базовый углеводородный компонент смешивают с этиловым спиртом или со смесью этилового спирта с побочными продуктами производства этилового спирта: эфироальдегидной фракцией и сивушными маслами.

В полученное топливо дополнительно вводят присадку с антикоррозионными свойствами.

Все компоненты топливной композиции, используемые в предлагаемом изобретении, промышленного производства.

Этиловый спирт может быть получен из сельскохозяйственных культур и отходов переработки древесины и сельского хозяйства (биоэтанол) или путем гидратации этилена (синтетический этиловый спирт). В настоящее время в России действуют следующие стандарты на этиловый спирт: ГОСТ Р 53200-2008 «Денатурированный топливный биоэтанол. Технические условия», ГОСТ Р 56146-2014 «Этанол денатурированный, используемый в качестве компонента топлива для двигателей с искровым зажиганием. Технические требования», ГОСТ EN 15376-2014 «Топлива автомобильные. Этанол в качестве компонента моторного топлива» и ГОСТ Р 51999-2002 «Спирт этиловый синтетический ректификованный и денатурированный. Технические условия».

В качестве малосернистого и доступного сырья предлагается бензиновая фракция процесса гидрокрекинга, выкипающая в пределах 28-225°С. Данная фракция, несмотря на низкие значения октановых чисел (60-81 ед.), практически не содержит серы (до 10 мг/кг) и имеет низкую концентрацию ароматических (до 15% об.) и олефиновых (до 3% об.) углеводородов. Благодаря относительно высокому содержанию нафтеновых углеводородов, бензиновая фракция процесса гидрокрекинга обладает более высокой удельной низшей теплотой сгорания (не менее 32,0 МДж/л), чем прямогонный бензин.

Использование подобной фракции в стандартном автомобильном бензине ограничено из-за низких антидетонационных характеристик, однако ее применение в составе этанольного топлива согласно предлагаемому изобретению позволяет максимально использовать антидетонационные и экологические преимущества этилового спирта. Практическая применимость предлагаемого изобретения объясняется хорошими перспективами наращивания мощностей процесса гидрокрекинга в мире и в особенности в России. К 2020 году в России планируется ввод более 20-ти установок гидрокрекинга вакуумного газойля и остаточного сырья суммарной мощностью более 50 млн тонн в год, на которых будет вырабатываться более 6 млн тонн в год бензиновой фракции процесса гидрокрекинга.

Себестоимость предлагаемого альтернативного топлива может быть дополнительно снижена за счет использования дешевых прямогонных бензиновых фракций (в том числе бензина газового стабильного, пентановой, изопентановой и гексановой фракций), а также побочных продуктов производства этилового спирта (биоэтанола).

Прямогонные бензиновые фракции производятся путем перегонки нефти или газового конденсата или их смесей и являются фракциями, выкипающими в интервале температур 28-180°С. Для прямогонных бензинов характерны низкие значения октановых чисел и высокая концентрация серы, что ограничивает предельную концентрацию их использования. Предварительно гидроочищенную прямогонную фракцию можно использовать в более высоких концентрациях.

Эфироальдегидная фракция (ЭАФ) - побочный продукт спиртового брожения, получаемый при ректификации спирта-сырца, произведенного брожением органических продуктов, содержащих углеводы, и представляет собой спиртовой раствор головных примесей. Выход эфироальдегидной фракции составляет 1-5% об. от выхода спирта-ректификата.

Сивушное масло - побочный продукт спиртового брожения. Его основными составными частями являются высшие спирты: амиловый, изобутиловый и другие. Количество сивушного масла, содержащегося в спирте-сырце, составляет около 0,2-0,5% масс., от безводного спирта.

В топливо дополнительно рекомендуется вводить присадку с антикоррозионными свойствами. В качестве примеров в образцах были использованы многофункциональные присадки DCI-11 и BioStable Е85 G-Plus производства компании Innospec. Возможно использование присадок других производителей.

В таблицах 1 и 2 представлены основные характеристики компонентов, использованных для приготовления альтернативного автомобильного топлива. В качестве базовой углеводородной фракции использованы 3 бензиновые фракции процесса гидрокрекинга, отличающиеся температурами выкипания: 28-225°С, 35-170°С и 40-85°С. При этом могут быть использованы и другие бензиновые фракции процесса гидрокрекинга, выкипающие в пределах 28-225°С.

В качестве этилового спирта использованы два его вида с различным содержанием воды - 0,4 и 1,9% масс.

Для приготовления образцов были использованы два образца прямогонного бензина с различным содержанием серы 18 мг/кг и 400 мг/кг.

В качестве примеров предлагаемого изобретения и подтверждения способа получения было приготовлено 6 образцов альтернативного автомобильного топлива, результаты испытаний которых представлены в таблице 3, в которой также приведены нормы на показатели качества для топлив для FFV-автомобилей (Е85) ASTMD5798. Необходимо отметить, что ASTM D5798 аналогичен европейскому стандарту EN 15293, а также национальному российскому стандарту ГОСТ Р 54290.

Результаты испытаний, представленные в табл. 3, показывают, что образцы альтернативного автомобильного топлива удовлетворяют основным требованиям ASTM D5798.

Образцы обладают высокими антидетонационными характеристиками (ОЧМ более 85 ед.) и высокой фазовой стабильностью (температура помутнения ниже минус 45°С).

Кроме того, образцы показали высокую окислительную стабильность (индукционный период более 360 минут) за счет использования компонентов, не содержащих непредельных или склонных к окислению углеводородов.

Добавление специальных присадок позволяет получить топлива с высокими антикоррозионными свойствами. Это подтверждает наличие сильной коррозии стальных стержней в образцах без присадок (3 балла) и отсутствие коррозии в образцах с присадками (0 баллов). Испытание проводилось по методике на основе ASTM D665 и ASTM D7577. Полированные стальные стержни погружаются в смесь образца испытуемого топлива с водой в соотношении 10:1 и выдерживаются 4 часа при температуре 38±1°С. Степень коррозии оценивается визуально по шкале от 0 до 3 баллов.

Базовый углеводородный компонент с содержанием серы не более 92 мг/кг, давлением насыщенных паров не менее 50,0 кПа и концом кипения не выше 225°С готовится на основе бензиновой фракции процесса гидрокрекинга и дополнительно может содержать прямогонный бензин, а также присадку с антикоррозионными свойствами. Прямогонный бензин и присадка с антикоррозионными свойствами могут также вводиться непосредственно на стадии смешения этанола и базового компонента.

Этиловый спирт дополнительно может содержать побочные продукты производства (эфироальдегидную фракцию и сивушные масла). Эфироальдегидная фракция и сивушные масла могут также вводиться непосредственно на стадии смешения этанола и базового компонента.

Стадия смешения альтернативного автомобильного топлива может осуществляться на спиртовом заводе, на нефтеперерабатывающем заводе или на отдельном предприятии, имеющем необходимое оборудование (терминале смешения). Базовый углеводородный компонент может готовиться непосредственно на предприятии, осуществляющем производство альтернативного автомобильного топлива или же на нефтеперерабатывающем заводе и поставляться в готовом виде для последующего смешения с этиловом спиртом.

Для подтверждения заявляемого способа получения альтернативного автомобильного топлива были приготовлены образцы топлив №1-6 из таблицы 3 с использованием базовых углеводородных компонентов, составы и характеристики которых представлены в таблице 4.

Из данных таблицы 4 следует, что используемые в составе альтернативного автомобильного бензина базовые углеводородные компоненты по характеристикам соответствуют заявляемым: содержание серы не более 92 мг/кг, давление насыщенных паров не менее 50,0 кПа и конец кипения не выше 225°С.

Таким образом, разработано альтернативное автомобильное топливо на основе этилового спирта и малосернистой, дешевой и доступной углеводородной фракции, и способ его получения. Топливо обладает высокой детонационной стойкостью (октановыми числами не менее 85 ед., определенными по моторному методу), низким содержанием серы (не более 50 мг/кг) и непромытых смол (не более 5 мг/100 см³), а также дополнительно улучшенными антикоррозионными свойствами и соответствует основным требованиям к характеристикам топлив для FFV-автомобилей по ASTM D5798, EN 15293 и ГОСТ Р 54290.