Szénhidrogén energetika

Az előadások a következő témára: "Szénhidrogén energetika"— Előadás másolata:

1 Szénhidrogén energetika
3. témakör Szénhidrogén energetika

2 Tartalom Kőolaj, energetikai olajtermékek 1.1. Termelés
1.2. Szállítás, tárolás 2. Földgáz 2.1. Termelés 2.2. Szállítás, tárolás 2.3. Szénelgázosítás

3 Kőolaj, energetikai olajtermékek
3.1. Kőolaj, energetikai olajtermékek

4 1. Kőolaj: vertikum olajfinomítás feldolgozás kőolaj bányászat
feldolgozás a telephelyen szállítás (tárolás) stabil olaj fűtőolajok olajfinomítás üzemanyagok felhasználásra vegyipari alapanyagok gazolin feldolgozás PB-gáz

5 1. Kőolaj Termelés elsődleges (saját telepnyomás, a készlet %-a), másodlagos (gáz vagy víz besajtolás, további 30 %), harmadlagos (vegyszerek alkalmazása, további %, reménybeli). Telep: - gázzal vagy - vízzel előforduló. A termelés mindaddig folyik amíg

6 A kőolaj előfordulása a rétegekben

7 1.1. Termelés: elsődleges Gázzal működő telep (legtipikusabb példája az antiklinális (gyűrődéssel keletkezett boltozat) rendszerben előforduló kőolaj): a kőolajtest felett gázsapka foglal helyet, s ha az antiklinálist megfúrták, és az olajtestben végezték el a kút perforálását, akkor az olajtest felett levő gázsapka az olajat a felszínre hajtja. Vízzel működő telep (kőolajtest alatt víz foglal helyet): ha a kőolajtestnél végzik el a perforálást, akkor a rétegből az olajat az olaj alatti víznyomás sajtolja a kútba, és emeli a kúton keresztül a felszínre. A termelés mindaddig egyenletes, amíg a talpi víz eléri a perforálást, ekkor a mező hirtelen elvizesedik, a termelés lecsökken ill. befejeződik.

8 Elsődleges termelési technológia

9 1.1. Termelés: másodlagos A gáz és víz visszanyomást kombináltan használják az egyes mezőkben. Gázzal termelő mezőknél a termeléssel egyidejűleg meg kell kezdeni a gáz visszanyomását. A felszínre kerülő gázt (kezelés után) visszajuttatják a gázsapkába, biztosítva a rétegnyomást. Jelentős a víz visszanyomása is. Míg a visszanyomott gáz a réteg pórusaiból és repedéseiből az olajnak csak kis részét nyomja ki maga előtt, addig, ha vizet is visszanyomják az olajtest alá, akkor az olaj nagyobb részét szorítja ki a pórusokból.

10 Másodlagos termelési technológia

11 Rotary fúrórendszer és olajfúrás

12 1.1.1. Előkészítés a szállításhoz
A kőolaj nem tisztán kerül a felszínre, nyersolaj + „szennyező” anyagok: sós víz (vízmentesítés), ásványi anyagok (elektromos sómentesítés), illékony (CH4, C2H6, C3H8, C4H10) szénhidrogének (stabilizálás: ellenáramban száraz földgáz (CH4) magával ragadja az illékony gázokat). Termék: - szállítható stabil olaj, - nedves gáz (gazolin): CH4 + nagyobb molekulasúlyú CH-ek → feldolgozás (pl. PB gáz).

13 1.1.2. Összetétel, csoportosítás
Kőolaj: (döntő részben) szénhidrogének + (kis mennyiségben) S,N,O-vegyületek. CH-k: nyílt szénláncú: telített (CnH2n+2, parafinok) és telítetlen (CnH2n, olefinek), zárt szénláncú (ciklikus): telített (naftének vagy cikloparafinok) és telítetlen (aromás vegyületek). A parafinok jelentős, de különböző mennyiségben fordulnak elő a nyersolajban és termékeiben. Az olefinek (pl. etilén) nem vagy csak ritkán fordul elő a nyersolajban, viszont megjelennek a bontási eljárások (krakkolás) termékeiben és melléktermék gázaiban. Nagy reakcióképességük miatt különböző kémiai eljárások alapanyaga. A nafténeknek mély dermedéspontjuk van. Az aromás vegyületek közül legismertebb a benzol.

14 sűrűsége 15,5 oC-on [kg/dm3]
Vegyes szénhidrogén jelleg, melyik vegyületcsoportba tartozó CH van túlsúlyban → A nyersolaj minősítése a két kulcspárlat alapján történik. Nyersolaj típus Első kulcspárlat (p=1 bar, ts= oC) sűrűsége 15,5 oC-on [kg/dm3] Második kulcspárlat (p=0,05 bar, ts= oC) sűrűsége 15,5 oC-on [kg/dm3] Parafinos <0,830 <0,874 Intermedier 0,83-0,86 0,874-0,928 Nafténes >0,86 >0,928

15 1.1.2. Összetétel, csoportosítás
Aszfaltos anyagok: hidrogénszegény gyűrűs szerkezetű, nagy molekulájú vegyületek (nem oszthatók be a CH-k felsorolt fajtái közé). A nyersolajak kéntartalma minden esetben káros, korróziós hatású (egyes országokban e szerint is osztályozzák a nyersolajat). Minél szegényebb H-ben a CH , annál nagyobb a sűrűsége.

16 1.1.3. A kőolaj finomítása termikus krakkolás
atmoszférikus desztilláció pakura gudron nyersolaj vákuumos desztilláció könnyű és nehéz benzin petróleum gázolaj olefinben gazdag gázok krakkbenzin krakkfűtőolaj kenőolaj párlatok (nagy kéntartalommal) hidrokrakkolás (kénmentesítés) katalitikus krakkolás gyenge gázolaj benzin (40%) gázok tüzelőolaj benzin

17 Atmoszférikus desztilláció
Frakcionális desztilláció: a nyersolajban levő, különböző forráspontú vegyületek szétválasztása. Atmoszférikus (p=1 bar) a ts<300 oC párlatok leválasztása. A párlatok: fehérárú párlatok (könnyű és nehéz benzin, petróleum, gázolaj) lepárlási maradék (pakura). Mo 2 Mt/év. A termékek arányát és összetételét a hőmérséklet, a tartózkodási idő és a visszavezetett mennyiségek arányában széles tartományban lehet változtatni.

18 Vákuumos desztilláció
Vákuumos (p=0,025-0,07 bar) desztilláció: kiinduló anyag: pakura, termék: gázolaj és (p=1 bar, ts>350 oC) kenőolaj párlatok desztillációs maradék: bitumen és parafinos kenőolajok keveréke (gudron).

19 Termikus krakkolás A fehéráru kihozatalt növeli a krakkolás: meghatározott körülmények között a nagyobb molekulák kisebbre bomlanak, miközben gáz és koksz keletkezik. A krakkolással 2-3-szor több benzint nyernek, mint frakcionálással. termikus krakkolás (10-70 bar, t= oC mellett következik be a bomlás): kiinduló anyag: pakura termékek: olefinben (CnH2n) gazdag gázok, kb. 20 % krakkbenzin és krakkfűtőolaj (petrolkoksz). Ma már visszaszorult.

20 Katalitikus krakkolás
Katalitikus krakkolás ( oC hőmérsékleten, zeolit alapú katalizátorokkal): kiinduló anyag: gázolaj vagy nagy hőmérsékletű párlatok, termékek: gázok, 40 % benzin és gyenge gázolaj, nehezebb termékeket visszacirkuláltatják a technológiába. Mo 1 Mt/év.

21 Hidrokrakkolás, új eljárások
Hidrokrakkolás: nyomás alatt hidrogénnel bontják a molekulákat: kiinduló anyag: pakura, kenőolaj párlatok termékek: szelektív és jó minőségű középtermékek (benzin, gázolaj, tüzelőolaj), jó kénmentesítés. Új finomító eljátások: Alkilálás és polimerizáció: könnyű szénhidrogén gázokból folyadék előállítás. Hidrogénes kezelések: az aromások arányának csökkentése, S, N, O szennyeződések eltávolítása, Katalitikus reformálás: benzinek oktánszámának növelése, az ólomvegyületek adagolásának megszüntetése.

22 Kőolajtermékek A keletkező párlatok nem késztermékek, további feldolgozás szükséges: kivonják a nem kívánatos szennyező anyagokat, módosítják a molekulaszerkezetet, adalékokkal javítják a tulajdonságokat. Technikai szempontból a párlatok: motorhajtó üzemanyagok, tüzelőanyagok, kenőanyagok, petrolkémiai termékek. Energetika: üzemanyagok és fűtőolajok.

23 1.1.4.1. Üzemanyagok benzin (ts=40-200 oC), petróleum (ts=160-300 oC),
gáz (dízel) olaj (ts= oC), könnyű (ts= oC, ρ=0,625-0,840 kg/dm3), nehéz (ts>300 oC, ρ>0,840 kg/dm3), könnyű (ts=40 oC, ρ=0,625 kg/dm3), közepes (ts=250 oC, ρ=0,825 kg/dm3), nehéz (ts=350 oC, ρ=0,9 kg/dm3) határpontokkal.

24 1.1.4.1. Üzemanyagok speciális petróleum = kerozin (ts=140-180 oC).
A csoportosításon belül a frakciók széles skálája, pl. benzin: gázbenzin (ts<65 oC), könnyűbenzin (ts= oC), középbenzin (ts= oC), nehézbenzin (ts= oC).

25 1.1.4.1. Üzemanyagok Motorbenzin: Gázolaj: Kerozin:
optimális illékonyság a karburáláshoz, ne legyen korrózióagresszív, ne képződjön gyanta, jó kompressziótűrés. Gázolaj: megfelelő viszkozitás (szivattyúzás), alacsony dermedéspont, ne legyen hajlamos a kokszképződésre, jó legyen a gyulladási hajlama. Kerozin: a nagy magasságra jellemző hidegben is folyékony maradjon, nyomokban se tartalmazzon vizet, ami megfagyhat, magas hőmérsékleten ne oxidálódjon, ne legyen hajlamos a kokszképződésre (fúvóka eltömődés). Szigorú termékszabványok, egyezményes mérőszámok, s újabban számos környezetvédelmi követelmény.

26 Tüzelő- és fűtőolajok Tüzelőolajok: desztillációs párlatok, gyakran gázolajjal és más komponensekkel keverve. Környezeti hőmérsékleten folyékonyak és jól porlaszthatók, azaz kis dermedésponttal és viszkozitással. háztartási (gázolaj) → lakások fűtése, könnyű (gázolaj + parafinos nehéz párlatok keveréke + kénmentesítés) → igényesebb nagyobb berendezések (pl. hőkezelő kemence), kénmentes ((gázolaj + parafinos nehéz párlatok keveréke + kénmentesítés) → környezetvédelmi igény, általános (gázolaj + pakura keveréke) → központi fűtések, kisebb ipari kemencék (tüzelés előtt oC-ra fel kell melegíteni.)

27 Fűtőolajok Fűtőolajok: visszamaradó maradványolajok nagy dermedésponttal és viszkozitással. Minimális viszkozitások: lefejtés: 50 oE (380 mm2/s), vezetéken való szállítás: 22 oE (167 mm2/s), porlasztás: 2-3 oE (11-22 mm2/s) A követelmények kielégítéséhez a fűtőolajat fel kell melegíteni → csak nagyobb tüzelőberendezésekben. A fűtőolaj megnevezés: lefejtéshez/porlasztáshoz szükséges minimális hőmérséklet (pl. F60/130). könnyű kénmentes (S<1 %): bizonyos olajok pakurája, könnyű kénes (S=1-3 %): pakura + desztillációs termékek keveréke, közepes (S=3-4 %): könnyű + nehéz termékek keveréke, nehéz (S=4-6 %): bitumen tartalmú pakura.

28 Fűtőolajok A fűtőolajok fűtőértéke (40-42 MJ/kg) között nincs számottevő különbség, de az anyagjellemzőik és összetételükben jelentős különbségek: ρ, µ, tdermedés, tlobbanás, tmanipulációk → növekvő tendencia, kéntartalom (S többnyire a nagy molekulákhoz kapcsolódik, a nehéz frakciók kénben dúsulnak) → kénmentesítés, V (Na)-tartalom: magas hőmérsékletű korrózió. A külföldi gyakorlatban a tüzelő- és fűtőolajok megkülönböztetése nem általános, a terméket legtöbbször a fő jellemzőkre utaló számokkal adják meg. A gudron a nehéz fűtőolajnál is nagyobb viszkozitású, ezért a finomító melletti erőműben tüzelik el.

29 1.2. Szállítás, tárolás Stabil olaj szállítása (az állandó igényeket képviselő nagy finomítókhoz): csővezeték (szivattyú), tanker, (vasúti tartálykocsik). Kőolajtermékek szállítása: Csővezeték (szivattyú), vasúti tartálykocsik, tankautók. Mo: olajvezeték hossza 1500 km, stabil olaj 98 %-a, kőolajtermékek 50 %-a. A csővezetékben áramló olaj sebessége 3-8 km/h (0,8-2,2 m/s), optimális 5-6 km/h (1,4-1,5 m/s).

30 Tárolás Illékony folyadékot tartalmazó tárolók úszófedeles kivitellel (a hengerpalást belsejében fedél megfelelő tömítőgyűrűvel, amely a szintnek megfelelően fel-le mozog. Kevésbé illékony folyadékok kúpos, rögzített tartályokban. Felszíni tartályok V= m3, földbe süllyesztett tartályok V= m3. Mo 1,8 Mt tárolt stratégiai tömeg, kb. 2 Mm3 térfogat. Biztonságtechnika (tűz- és robbanás veszély!)

31 Nagy tárolótartály

32 3.2. Földgáz

33 Tulajdonságok Kitűnő tüzeléstechnikai tulajdonságok, viszonylag homogén összetétel → legnemesebb primer energiahordozó. Fűtőértéke MJ/Nm3 (N: p=101 kPa, t=15 oC, mert ρ=var (p,t), ezért mindig erre az állapotra átszámolva) annál nagyobb, minél nagyobb molekulatömegű komponensek találhatók a földgázban. Megkülönböztethető: földgáz (Hü>32-34 MJ/Nm3, inert gáz < 8 %) inertes gáz (Hü≈20-25 MJ/Nm3, inert gáz ≈ %), inert gáz (Hü<10 MJ/Nm3, inert gáz >70 %). Jelenleg a földgáz energetikai hasznosítása, a másik kettő egyelőre gazdaságtalan.

34 feldolgozás a telephelyen
1. Földgáz: vertikum földgáz bányászat feldolgozás a telephelyen szállítás (tárolás) földgáz (száraz) nedves gáz gazolin telep PB-gáz stabilizált gazolin felhasználás

35 1.1. Termelés A földkéregben található gázelőfordulások összetétele nagyon változatos. A földgáz (energetikai szempontból): túlnyomóan egyszerű parafin-tartalmú gázok (CnH2n+2) keveréke. Előfordulnak nedves gázok is, amelyekben normál körülmények között cseppfolyós pentán, hexán, heptán van jelen akár 300 g/m3 koncentrációig. A földgázleletek kb. 1/3-a a kőolajjal együtt, 2/3-a külön, de ahhoz hasonló geológiai formációban fordul elő. A földgázok vizet is tartalmaznak, amely a gázállapotú szénhidrogénekkel kristályos hidrátokat képez (káros hatásúak, mert kristályos alakban kiválnak a vezetékben, a szelepekben, dugulást okozva).

36 1.1. Termelés Feldolgozás szempontjából:
száraz földgáz: alig tartalmaz olyan komponenseket, amelyek 20 oC-on nyomással cseppfolyósíthatók, s összetétele: CH4 (80-99 %), C2H6 (1-15 %), C3H8, C4H10, C5H12 (<1 %). nedves földgáz: a kőolajat kísérő nedves gáz döntően az olajban oldva kerül a felszínre, s abból nyomáscsökkentéssel lehet kiléptetni. Nemcsak C3H8, C4H10, C5H12 , hanem C6H14, C7H16, stb. is, amelyek légköri viszonyok között cseppfolyósak. A kőolajból elpárolgott gőzök koncentrációja a 300 g/m3-t is elérheti, és a metán részaránya % alá csökken, közel ennyi az etán is, a propán elérheti a %-ot is, míg a bután és pentán részaránya a néhány %-ot. Egyes területeken a kőolaj kísérőgázát visszanyomják a mezőbe a rétegnyomás növelésére, gyakran elégetik (fáklyázás): Közel-keleten 2/3-át, Afrikában 1/3-át.

37 1.1. Termelés A nedves gázt a gazolin-telepen
száraz gázra és nyers gazolinra fizikai eljárásokkal szétválasztják: t csökkentése, p egyidejű növelése → a propánnál több C-atomot tartalmazó molekulák cseppfolyós halmazállapotba kerülnek. A nyers gazolint nyomás alatt desztillálják egyrészt cseppfolyósított PB (Liquid Petroleum Gas, LPG) -gázt előállítva, és palackozva, de PB-gáz a kőolaj-finomítás melléktermékeiből is. másrészt ts= oC komponensekből → stabilizált gazolin. A földgázban éghetetlen komponensek (N2, CO2, H2S) néha ipari nyersanyagként gazdaságosan kinyerhetők, de tüzeléstechnikai szempontból nem kívánatos alkotók. Mo-on főleg CO2.

38 1.1. Termelés Száraz kutakból a gáz %-át a rétegnyomás a felszínre hajtja (néha 100 bar, 7,5 km mélységből), vízelárasztással % is a felszínre hozható. Új forszírozott módszerek a mélyben levő, kis áteresztő képességű szerkezetek fellazítását, áttörését célozza: a rétegek hidraulikus repesztése, a szerkezet fellazítása robbantással.

39 1.1.1. Előkészítés a szállításhoz
A kitermelt földgázt a szállításra elő kell készíteni, ami a mezők közelében létrehozott földgázüzemben történik: szeparálás (a folyadékok leválasztása szeparátorokban), a szilárd szennyező anyagok leválasztása elektrosztatikus leválasztókkal, a különböző frakciók szétválasztása a gazolinüzemben (propántól felfelé a szállítás nagyobb nyomásán a komponensek kondenzálódnak), vízgőz leválasztása (szárítással vagy hűtéssel), H2 elválasztása hűtéssel, kén-hidrogén és szén-dioxid eltávolítása abszorbensekkel.

40 1.2. Szállítás, tárolás A tisztított száraz földgáz döntően csővezetéken szállítják a forrástól a fogyasztókig. A földgázhálózat nagynyomású (p>25 bart), nagy-középnyomású (p=25-4 bart), középnyomású (p=0,1-4 bart), városi szolgáltató (p=0,03-0,08 bart). Nyomásfokozás nagynyomású távvezetékeknél ( km-ként) gázturbinával vagy villanymotorral hajtott kompresszorokkal. A földgáz áramlási sebessége m/s.

41 Gázturbinával hajtott kompresszor (pl. Mo)

42 Földgázhálózat

43 Cseppfolyósított földgáz tengeri szállítása
LNG (Liquified Natural Gas, LNG) tengeri szállítása megfelelően hőszigetelt (CH4, ts=-161 oC), t szállítókapacitású hajókkal: feladó kikötő: cseppfolyósító berendezés (hűtés oC-ra), fogadó kikötő: tengervízzel melegített elpárologtató. A folyadékfázis felett annyi metángőzt szívnak el, hogy annak párolgási hője megfeleljen a hőszigetelésen keresztül bejutó hőnek. Ez a napi 0,25-0,3 %-nyi veszteség a hajó hajtására szolgál. A hajópark (kb. 90 hajó) összes kapacitása 10 Gm3.

44 Tárolás A fogyasztás időbeli változásának kiegyenlítése, a csúcsigényeknél kisebb szállítókapacitások kiépítése: Szezonális: nyár: tárolás, fűtési szezon: kitárolás. Nagy kapacitású földalatti gáztárolók. Más országokban kisebb cseppfolyósított földgáz tárolók is vannak.

45 Földalatti gáztárolás

46 Földalatti gáztároló kimerült gázmezőben
1 porózus tároló réteg, 2 nem áteresztő fedőréteg, 3 felső ellenőrző vízréteg, 4 tárolt gáz, 5 rétegvíz, 6 szűrők, 7 besajtoló/termelő kutak, 8 elferdített kút, 11 megfigyelő kút, 12 gáz/víz határ, 13 neutron szelvényező kút, F zárómagasság

47 Földalatti gáztároló sóüregben
1 kősó réteg, 2 mesterségesen kialakított tároló üreg, 3 nem oldódó maradék, 4 termelő/besajtoló kút, 5 a sóréteg felső határa

48 1.3. Szénelgázosítás Energetikai szintézisgáz = CO + H2 keverék (ismert technológia, városi gáz) → korszerűsített technológiákkal. Szintetikus földgáz (Substitute Natural Gas, SNG) = CH4 többlépcsős eljárása. (USA-ban PB-gázból is előállítják). Elgázosítás egyelőre kőszénből, jó minőségű barnaszénből (gyenge barnaszén, lignit elgázosítását vizsgálják).

49 Szintetikus földgáz előállítása

50 Szintézisgáz előállítása