3. témakör

1. 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. 3.1. Kőolaj, energetikai olajtermékek

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

5. 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

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. Vegyes szénhidrogén jelleg, melyik vegyületcsoportba tartozó CH van túlsúlyban → A nyersolaj minősítése a két kulcspárlat alapján történik.

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

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=400-600 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 (200-300 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. 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.

23. 1.1.4.1. Üzemanyagok • benzin (ts=40-200 oC), • petróleum (ts=160-300 oC), • gáz (dízel) olaj (ts=200-350 oC), • könnyű (ts=40-300 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=65-100 oC), • középbenzin (ts=100-150 oC), • nehézbenzin (ts=150-200 oC).

25. 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.

26. 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 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=104-105 m3, földbe süllyesztett tartályok V=102-103 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 33-38 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 ≈ 20-30 %), • inert gáz (Hü<10 MJ/Nm3, inert gáz >70 %). Jelenleg a földgáz energetikai hasznosítása, a másik kettő egyelőre gazdaságtalan.

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

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 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.

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=35-100 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 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.

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 (150-200 km-ként) gázturbinával vagy villanymotorral hajtott kompresszorokkal. A földgáz áramlási sebessége 10-15 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), 104-105 t szállítókapacitású hajókkal: • feladó kikötő: cseppfolyósító berendezés (hűtés -160-200 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. 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).

47. Szintetikus földgáz előállítása

48. Szintézisgáz előállítása