3 tmakr Sznhidrogn energetika Tartalom 1 Kolaj energetikai

3. témakör Szénhidrogén energetika

Tartalom 1. Kőolaj, energetikai olajtermékek 1. 1. Termelés 1. 2. Szállítás, tárolás 2. Földgáz 2. 1. Termelés 2. 2. Szállítás, tárolás 2. 3. Szénelgázosítás

3. 1. Kőolaj, energetikai olajtermékek

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

1. Kőolaj • Termelés – elsődleges (saját telepnyomás, a készlet 10 -20 %-a), – másodlagos (gáz vagy víz besajtolás, további 30 %), – harmadlagos (vegyszerek alkalmazása, további 40 -50 %, reménybeli). Telep: - gázzal vagy - vízzel előforduló. A termelés mindaddig folyik amíg

A kőolaj előfordulása a rétegekben

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.

Elsődleges termelési technológia

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.

Másodlagos termelési technológia

Rotary fúrórendszer és olajfúrás

1. 1. 1. Előkészítés a szállításhoz • A kőolaj nem tisztán kerül a felszínre, nyersolaj + „szennyező” 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).

1. 1. 2. Összetétel, csoportosítás • Kőolaj: (döntő részben) szénhidrogének + (kis mennyiségben) S, N, O-vegyületek. • CH-k: – nyílt szénláncú: telített (Cn. H 2 n+2, parafinok) és telítetlen (Cn. H 2 n, 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.

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=250 -275 o. C) sűrűsége 15, 5 o. C-on [kg/dm 3] Második kulcspárlat (p=0, 05 bar, ts=275 -300 o. C) sűrűsége 15, 5 o. C-on [kg/dm 3] Parafinos <0, 830 <0, 874 Intermedier 0, 83 -0, 86 0, 874 -0, 928 Nafténes >0, 86 >0, 928

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.

1. 1. 3. A kőolaj finomítása nyersolaj atmoszférikus könnyű és nehéz benzin petróleum desztilláció gázolaj olefinben gazdag gázok krakkbenzin krakkfűtőolaj termikus krakkolás pakura vákuumos desztilláció gázolaj kenőolaj párlatok katalitikus krakkolás gázok benzin (40%) gyenge gázolaj hidrokrakkolás (kénmentesítés) benzin gázolaj tüzelőolaj gudron (nagy kéntartalommal)

Atmoszférikus desztilláció • Frakcionális desztilláció: a nyersolajban levő, különböző forráspontú vegyületek szétválasztása. – Atmoszférikus (p=1 bar) a ts<300 o. C 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.

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

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=400 -600 o. C mellett következik be a bomlás): • kiinduló anyag: pakura • termékek: olefinben (Cn. H 2 n) gazdag gázok, kb. 20 % krakkbenzin és krakkfűtőolaj (petrolkoksz). Ma már visszaszorult.

Katalitikus krakkolás – Katalitikus krakkolás (200 -300 o. C 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.

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.

1. 1. 4. 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.

1. 1. 4. 1. Üzemanyagok – benzin (ts=40 -200 o. C), – petróleum (ts=160 -300 o. C), – gáz (dízel) olaj (ts=200 -350 o. C), – könnyű (ts=40 -300 o. C, ρ=0, 625 -0, 840 kg/dm 3), – nehéz (ts>300 o. C, ρ>0, 840 kg/dm 3), – könnyű (ts=40 o. C, ρ=0, 625 kg/dm 3), – közepes (ts=250 o. C, ρ=0, 825 kg/dm 3), – nehéz (ts=350 o. C, ρ=0, 9 kg/dm 3) határpontokkal.

1. 1. 4. 1. Üzemanyagok – speciális petróleum = kerozin (ts=140 -180 o. C). – A csoportosításon belül a frakciók széles skálája, pl. benzin: • • gázbenzin (ts<65 o. C), könnyűbenzin (ts=65 -100 o. C), középbenzin (ts=100 -150 o. C), nehézbenzin (ts=150 -200 o. C).

1. 1. 4. 1. Üzemanyagok • Motorbenzin: – – 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.

1. 1. 4. 2. 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 50 -60 o. C-ra fel kell melegíteni. )

Fűtőolajok • Fűtőolajok: 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 fűtőolajat fel kell melegíteni → csak nagyobb tüzelőberendezésekben. A fűtőolaj megnevezés: lefejtéshez/porlasztáshoz szükséges minimális hőmérséklet (pl. F 60/130). - 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.

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.

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).

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=104 -105 m 3, földbe süllyesztett tartályok V=102 -103 m 3. Mo 1, 8 Mt tárolt stratégiai tömeg, kb. 2 Mm 3 térfogat. • Biztonságtechnika (tűz- és robbanás veszély!)

Nagy tárolótartály

3. 2. Földgáz

Tulajdonságok • Kitűnő tüzeléstechnikai tulajdonságok, viszonylag homogén összetétel → legnemesebb primer energiahordozó. • Fűtőértéke 33 -38 MJ/Nm 3 (N: p=101 k. Pa, t=15 o. C, 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/Nm 3, inert gáz < 8 %) – inertes gáz (Hü≈20 -25 MJ/Nm 3, inert gáz ≈ 20 -30 %), – inert gáz (Hü<10 MJ/Nm 3, inert gáz >70 %). Jelenleg a földgáz energetikai hasznosítása, a másik kettő egyelőre gazdaságtalan.

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

1. 1. Termelés • A földkéregben található gázelőfordulások összetétele nagyon változatos. • A földgáz (energetikai szempontból): túlnyomóan egyszerű parafin-tartalmú gázok (Cn. H 2 n+2) keveréke. • Előfordulnak 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 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).

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 kőolajat kísérő nedves gáz döntően 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 kőolajból elpárolgott gőzök koncentrációja a 300 g/m 3 -t is elérheti, és • a metán részaránya 30 -40 % alá csökken, • közel ennyi az etán is, • a propán elérheti a 20 -25 %-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.

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=35 -100 o. C komponensekből → stabilizált gazolin. • A földgázban éghetetlen komponensek (N 2, CO 2, H 2 S) néha ipari nyersanyagként gazdaságosan kinyerhetők, de tüzeléstechnikai szempontból nem kívánatos alkotók. Mo-on főleg CO 2.

1. 1. Termelés • Száraz kutakból a gáz 60 -80 %-át a rétegnyomás a felszínre hajtja (néha 100 bar, 7, 5 km mélységből), vízelárasztással 85 -95 % 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.

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), – H 2 elválasztása hűtéssel, kén-hidrogén és szén-dioxid eltávolítása abszorbensekkel.

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 (150 -200 km-ként) gázturbinával vagy villanymotorral hajtott kompresszorokkal. A földgáz áramlási sebessége 10 -15 m/s.

Gázturbinával hajtott kompresszor (pl. Mo)

Földgázhálózat

Cseppfolyósított földgáz tengeri szállítása • LNG (Liquified Natural Gas, LNG) tengeri szállítása megfelelően hőszigetelt (CH 4, ts=161 o. C), 104 -105 t szállítókapacitású hajókkal: – feladó kikötő: cseppfolyósító berendezés (hűtés 160 -200 o. C-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 Gm 3.

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.

Földalatti gáztárolás

1. 3. Szénelgázosítás • Energetikai szintézisgáz = CO + H 2 keverék (ismert technológia, városi gáz) → korszerűsített technológiákkal. • Szintetikus földgáz (Substitute Natural Gas, SNG) = CH 4 többlépcsős eljárása. (USA-ban PB-gázból is előállítják). • Elgázosítás egyelőre kőszénből, jó minőségű barnaszénből (gyenge barnaszén, lignit elgázosítását vizsgálják).

Szintetikus földgáz előállítása

Szintézisgáz előállítása