3. témakör. Szénhidrogén energetika

Átírás

1 3. témakör Szénhidrogén energetika

2 Tartalom 1. Kıolaj, energetikai olajtermékek 1.1. Termelés 1.2. Szállítás, tárolás 2. Földgáz 2.1. Termelés 2.2. Szállítás, tárolás 2.3. Szénelgázosítás

3 3.1. Kıolaj, energetikai olajtermékek

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

5 1. Kıolaj Termelés elsıdleges (saját telepnyomás, a készlet %-a), másodlagos (gáz vagy víz besajtolás, további 30 %), harmadlagos (vegyszerek alkalmazása, további %, reménybeli). Telep: - gázzal vagy - vízzel elıforduló. A termelés mindaddig folyik amíg p réteg p felszín p kút = f ( V&, talaj, teleptípus,...)

6 A kıolaj elıfordulása a rétegekben

7 1.1. Termelés: elsıdleges Gázzal mőködı telep (legtipikusabb példája az antiklinális (győrıdéssel keletkezett boltozat) rendszerben elıforduló kıolaj): a kıolajtest felett gázsapka foglal helyet, s ha az antiklinálist megfúrták, és az olajtestben végezték el a kút perforálását, akkor az olajtest felett levı gázsapka az olajat a felszínre hajtja. Vízzel mőködı telep (kıolajtest alatt víz foglal helyet): ha a kıolajtestnél végzik el a perforálást, akkor a rétegbıl 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 mezı hirtelen elvizesedik, a termelés lecsökken ill. befejezıdik.

8 Elsıdleges termelési technológia

9 1.1. Termelés: másodlagos A gáz és víz visszanyomást kombináltan használják az egyes mezıkben. Gázzal termelı mezıknél a termeléssel egyidejőleg meg kell kezdeni a gáz visszanyomását. A felszínre kerülı gázt (kezelés után) visszajuttatják a gázsapkába, biztosítva a rétegnyomást. Jelentıs a víz visszanyomása is. Míg a visszanyomott gáz a réteg pórusaiból és repedéseibıl az olajnak csak kis részét nyomja ki maga elıtt, 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 Elıkészítés a szállításhoz A kıolaj nem tisztán kerül a felszínre, nyersolaj + szennyezı anyagok: sós víz (vízmentesítés), ásványi anyagok (elektromos sómentesítés), illékony (CH 4, C 2 H 6, C 3 H 8, C 4 H 10 ) szénhidrogének (stabilizálás: ellenáramban száraz földgáz (CH 4 ) magával ragadja az illékony gázokat). Termék: - szállítható stabil olaj, - nedves gáz (gazolin): CH 4 + nagyobb molekulasúlyú CH-ek feldolgozás (pl. PB gáz).

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

14 Vegyes szénhidrogén jelleg, melyik vegyületcsoportba tartozó CH van túlsúlyban A nyersolaj minısítése a két kulcspárlat alapján történik. Nyersolaj típus Parafinos Elsı kulcspárlat (p=1 bar, t s = o C) sőrősége 15,5 o C-on [kg/dm 3 ] <0,830 Második kulcspárlat (p=0,05 bar, t s = o C) sőrősége 15,5 o C-on [kg/dm 3 ] <0,874 Intermedier 0,83-0,86 0,874-0,928 Nafténes >0,86 >0,928

15 Összetétel, csoportosítás Aszfaltos anyagok: hidrogénszegény győrős szerkezető, 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 sőrősége.

16 A kıolaj finomítása nyersolaj olefinben gazdag gázok krakkbenzin krakkfőtıolaj termikus krakkolás atmoszférikus desztilláció pakura vákuumos desztilláció könnyő és nehéz benzin petróleum gázolaj gázolaj kenıolaj párlatok katalitikus krakkolás gázok benzin (40%) gyenge gázolaj gudron hidrokrakkolás (kénmentesítés) benzin gázolaj tüzelıolaj gudron (nagy kéntartalommal)

17 Atmoszférikus desztilláció Frakcionális desztilláció: a nyersolajban levı, különbözı forráspontú vegyületek szétválasztása. Atmoszférikus (p=1 bar) a t s <300 o C párlatok leválasztása. A párlatok: fehérárú párlatok (könnyő és nehéz benzin, petróleum, gázolaj) lepárlási maradék (pakura). Mo 2 Mt/év. A termékek arányát és összetételét a hımérséklet, a tartózkodási idı 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, t s >350 o C) kenıolaj párlatok desztillációs maradék: bitumen és parafinos kenıolajok 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= o C mellett következik be a bomlás): kiinduló anyag: pakura termékek: olefinben (C n H 2n ) gazdag gázok, kb. 20 % krakkbenzin és krakkfőtıolaj (petrolkoksz). Ma már visszaszorult.

20 Katalitikus krakkolás Katalitikus krakkolás ( o C hımérsékleten, zeolit alapú katalizátorokkal): kiinduló anyag: gázolaj vagy nagy hımérséklető 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, kenıolaj párlatok termékek: szelektív és jó minıségő középtermékek (benzin, gázolaj, tüzelıolaj), jó kénmentesítés. Új finomító eljátások: Alkilálás és polimerizáció: könnyő szénhidrogén gázokból folyadék elıállítás. Hidrogénes kezelések: az aromások arányának csökkentése, S, N, O szennyezıdések eltávolítása, Katalitikus reformálás: benzinek oktánszámának növelése, az ólomvegyületek adagolásának megszüntetése.

22 Kıolajtermékek A keletkezı párlatok nem késztermékek, további feldolgozás szükséges: kivonják a nem kívánatos szennyezı anyagokat, módosítják a molekulaszerkezetet, adalékokkal javítják a tulajdonságokat. Technikai szempontból a párlatok: motorhajtó üzemanyagok, tüzelıanyagok, kenıanyagok, petrolkémiai termékek. Energetika: üzemanyagok és főtıolajok.

23 Üzemanyagok benzin (t s = o C), petróleum (t s = o C), gáz (dízel) olaj (t s = o C), könnyő (t s = o C, ρ=0,625-0,840 kg/dm 3 ), nehéz (t s >300 o C, ρ>0,840 kg/dm 3 ), könnyő (t s =40 o C, ρ=0,625 kg/dm 3 ), közepes (t s =250 o C, ρ=0,825 kg/dm 3 ), nehéz (t s =350 o C, ρ=0,9 kg/dm 3 ) határpontokkal.

24 Üzemanyagok speciális petróleum = kerozin (t s = o C). A csoportosításon belül a frakciók széles skálája, pl. benzin: gázbenzin (t s <65 o C), könnyőbenzin (t s = o C), középbenzin (t s = o C), nehézbenzin (t s = o C).

25 Üzemanyagok Motorbenzin: optimális illékonyság a karburáláshoz, ne legyen korrózióagresszív, ne képzıdjön gyanta, jó kompressziótőrés. Gázolaj: megfelelı viszkozitás (szivattyúzás), alacsony dermedéspont, ne legyen hajlamos a kokszképzıdésre, jó legyen a gyulladási hajlama. Kerozin: a nagy magasságra jellemzı hidegben is folyékony maradjon, nyomokban se tartalmazzon vizet, ami megfagyhat, magas hımérsékleten ne oxidálódjon, ne legyen hajlamos a kokszképzıdésre (fúvóka eltömıdés). Szigorú termékszabványok, egyezményes mérıszámok, s újabban számos környezetvédelmi követelmény.

26 Tüzelı- és főtıolajok Tüzelıolajok: desztillációs párlatok, gyakran gázolajjal és más komponensekkel keverve. Környezeti hımérsékleten folyékonyak és jól porlaszthatók, azaz kis dermedésponttal és viszkozitással. háztartási (gázolaj) lakások főtése, könnyő (gázolaj + parafinos nehéz párlatok keveréke + kénmentesítés) igényesebb nagyobb berendezések (pl. hıkezelı kemence), kénmentes ((gázolaj + parafinos nehéz párlatok keveréke + kénmentesítés) környezetvédelmi igény, általános (gázolaj + pakura keveréke) központi főtések, kisebb ipari kemencék (tüzelés elıtt o C-ra fel kell melegíteni.)

27 Főtıolajok Főtıolajok: visszamaradó maradványolajok nagy dermedésponttal és viszkozitással. Minimális viszkozitások: lefejtés: 50 o E (380 mm 2 /s), vezetéken való szállítás: 22 o E (167 mm 2 /s), porlasztás: 2-3 o E (11-22 mm 2 /s) A követelmények kielégítéséhez a főtıolajat fel kell melegíteni csak nagyobb tüzelıberendezésekben. A főtıolaj megnevezés: lefejtéshez/porlasztáshoz szükséges minimális hımérséklet (pl. F60/130). - könnyő kénmentes (S<1 %): bizonyos olajok pakurája, - könnyő kénes (S=1-3 %): pakura + desztillációs termékek keveréke, - közepes (S=3-4 %): könnyő + nehéz termékek keveréke, - nehéz (S=4-6 %): bitumen tartalmú pakura.

28 Főtıolajok A főtıolajok főtıértéke (40-42 MJ/kg) között nincs számottevı különbség, de az anyagjellemzıik és összetételükben jelentıs különbségek: ρ, µ, t dermedés, t lobbanás, t manipulációk növekvı tendencia, kéntartalom (S többnyire a nagy molekulákhoz kapcsolódik, a nehéz frakciók kénben dúsulnak) kénmentesítés, V (Na)-tartalom: magas hımérséklető korrózió. A külföldi gyakorlatban a tüzelı- és főtıolajok megkülönböztetése nem általános, a terméket legtöbbször a fı jellemzıkre utaló számokkal adják meg. A gudron a nehéz főtıolajnál is nagyobb viszkozitású, ezért a finomító melletti erımőben tüzelik el.

29 1.2. Szállítás, tárolás Stabil olaj szállítása (az állandó igényeket képviselı nagy finomítókhoz): csıvezeték (szivattyú), tanker, (vasúti tartálykocsik). Kıolajtermékek szállítása: Csıvezeték (szivattyú), vasúti tartálykocsik, tankautók. Mo: olajvezeték hossza 1500 km, stabil olaj 98 %-a, kıolajtermékek 50 %-a. A csıvezetékben 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 megfelelı tömítıgyőrővel, amely a szintnek megfelelıen fel-le mozog. Kevésbé illékony folyadékok kúpos, rögzített tartályokban. Felszíni tartályok V= m 3, földbe süllyesztett tartályok V= m 3. Mo 1,8 Mt tárolt stratégiai tömeg, kb. 2 Mm 3 térfogat. Biztonságtechnika (tőz- és robbanás veszély!)

31 Nagy tárolótartály

32 3.2. Földgáz

33 Tulajdonságok Kitőnı tüzeléstechnikai tulajdonságok, viszonylag homogén összetétel legnemesebb primer energiahordozó. Főtıértéke MJ/Nm 3 (N: p=101 kpa, t=15 o C, mert ρ=var (p,t), ezért mindig erre az állapotra átszámolva) annál nagyobb, minél nagyobb molekulatömegő komponensek találhatók a földgázban. Megkülönböztethetı: földgáz (H ü >32-34 MJ/Nm 3, inert gáz < 8 %) inertes gáz (H ü MJ/Nm 3, inert gáz %), inert gáz (H ü <10 MJ/Nm 3, inert gáz >70 %). Jelenleg a földgáz energetikai hasznosítása, a másik kettı egyelıre gazdaságtalan.

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

35 1.1. Termelés A földkéregben található gázelıfordulások összetétele nagyon változatos. A földgáz (energetikai szempontból): túlnyomóan egyszerő parafin-tartalmú gázok (C n H 2n+2 ) keveréke. Elıfordulnak nedves gázok is, amelyekben normál körülmények között cseppfolyós pentán, hexán, heptán van jelen akár 300 g/m 3 koncentrációig. A földgázleletek kb. 1/3-a a kıolajjal együtt, 2/3-a külön, de ahhoz hasonló geológiai formációban fordul elı. 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 o C-on nyomással cseppfolyósíthatók, s összetétele: CH 4 (80-99 %), C 2 H 6 (1-15 %), C 3 H 8, C 4 H 10, C 5 H 12 (<1 %). nedves földgáz: a kıolajat kísérı nedves gáz döntıen az olajban oldva kerül a felszínre, s abból nyomáscsökkentéssel lehet kiléptetni. Nemcsak C 3 H 8, C 4 H 10, C 5 H 12, hanem C 6 H 14, C 7 H 16, stb. is, amelyek légköri viszonyok között cseppfolyósak. A kıolajból elpárolgott gızök koncentrációja a 300 g/m 3 -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 kıolaj kísérıgázát visszanyomják a mezıbe 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 egyidejő 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 elıállítva, és palackozva, de PB-gáz a kıolaj-finomítás melléktermékeibıl is. másrészt t s = o C komponensekbıl stabilizált gazolin. A földgázban éghetetlen komponensek (N 2, CO 2, H 2 S) néha ipari nyersanyagként gazdaságosan kinyerhetık, de tüzeléstechnikai szempontból nem kívánatos alkotók. Mo-on fıleg CO 2.

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

39 Elıkészítés a szállításhoz A kitermelt földgázt a szállításra elı kell készíteni, ami a mezık közelében létrehozott földgázüzemben történik: szeparálás (a folyadékok leválasztása szeparátorokban), a szilárd szennyezı anyagok leválasztása elektrosztatikus leválasztókkal, a különbözı frakciók szétválasztása a gazolinüzemben (propántól felfelé a szállítás nagyobb nyomásán a komponensek kondenzálódnak), vízgız leválasztása (szárítással vagy hőtéssel), H 2 elválasztása hőtéssel, kén-hidrogén és szén-dioxid eltávolítása abszorbensekkel.

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

41 Gázturbinával hajtott kompresszor (pl. Mo) üg l fg g g g FK mt fg FK T mkt fg l l T K m m m h h m h h m W W h h m h h m W W & & & & & & & & & & & + = = = = = = = ) ( ) ( ) ( ) ( η η E K FK T1 T2 3 g l g 2

42 Földgázhálózat

43 Cseppfolyósított földgáz tengeri szállítása LNG (Liquified Natural Gas, LNG) tengeri szállítása megfelelıen hıszigetelt (CH 4, t s =- 161 o C), t szállítókapacitású hajókkal: feladó kikötı: cseppfolyósító berendezés (hőtés o C-ra), fogadó kikötı: tengervízzel melegített elpárologtató. A folyadékfázis felett annyi metángızt szívnak el, hogy annak párolgási hıje megfeleljen a hıszigetelésen keresztül bejutó hınek. Ez a napi 0,25-0,3 %-nyi veszteség a hajó hajtására szolgál. A hajópark (kb. 90 hajó) összes kapacitása 10 Gm 3.

44 Tárolás A fogyasztás idıbeli változásának kiegyenlítése, a csúcsigényeknél kisebb szállítókapacitások kiépítése: V & áll = V& + V& ± sz Szezonális: nyár: tárolás, főtési szezon: kitárolás. i ht Nagy kapacitású földalatti gáztárolók. V& t Más országokban kisebb cseppfolyósított földgáz tárolók is vannak.

45 Földalatti gáztárolás

46 Földalatti gáztároló kimerült gázmezıben 1 porózus tároló réteg, 2 nem áteresztı fedıréteg, 3 felsı ellenırzı vízréteg, 4 tárolt gáz, 5 rétegvíz, 6 szőrık, 7 besajtoló/termelı kutak, 8 elferdített kút, 11 megfigyelı kút, 12 gáz/víz határ, 13 neutron szelvényezı kút, F zárómagasság

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

48 1.3. Szénelgázosítás Energetikai szintézisgáz = CO + H 2 keverék (ismert technológia, városi gáz) korszerősített technológiákkal. Szintetikus földgáz (Substitute Natural Gas, SNG) = CH 4 többlépcsıs eljárása. (USA-ban PB-gázból is elıállítják). Elgázosítás egyelıre kıszénbıl, jó minıségő barnaszénbıl (gyenge barnaszén, lignit elgázosítását vizsgálják).

49 Szintetikus földgáz elıállítása

50 Szintézisgáz elıállítása