3. témakör

Szénhidrogén energetika

Tartalom

1. Kıolaj, energetikai olajtermékek

1.1. Termelés

1.2. Szállítás, tárolás

2. Földgáz

2.1. Termelés

2.2. Szállítás, tárolás

2.3. Szénelgázosítás

3.1.

Kıolaj, energetikai olajtermékek

1. Kıolaj: vertikum

kıolaj

bányászat

feldolgozás a

telephelyen

szállítás

(tárolás)stabil

olaj

főtıolajokolajfinomításüzemanyagok

szállítás

(tárolás)felhasználásra

vegyipari

alapanyagok

gazolin

feldolgozás

szállítás

(tárolás)

PB-gáz

felhasználásra

1. Kıolaj

• Termelés– elsıdleges (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 elıforduló.

A termelés mindaddig folyik amíg

,....),,( teleptípustalajVfppp kútfelszínréteg&=∆≥−

A kıolaj elıfordulása a rétegekben

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.

Elsıdleges termelési technológia

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.

Másodlagos termelési technológia

Rotary fúrórendszer és olajfúrás

1.1.1. Elıkészítés a szállításhoz

• A kıolaj nem tisztán kerül a felszínre, nyersolaj + „szennyezı” 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).

1.1.2. Összetétel, csoportosítás

• Kıolaj: (döntı 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 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.

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

>0,928>0,86Nafténes

0,874-0,9280,83-0,86Intermedier

<0,874<0,830Parafinos

Második kulcspárlat

(p=0,05 bar,

ts=275-300 oC)

sőrősége 15,5 oC-on[kg/dm3]

Elsı kulcspárlat

(p=1 bar,

ts=250-275 oC)

sőrősége 15,5 oC-on[kg/dm3]

Nyersolaj típus

1.1.2. 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.

1.1.3. A kıolaj finomítása

termikus

krakkolás

atmoszférikus

desztilláció

pakura

gudron

nyersolaj

vákuumos

desztilláció

könnyő és nehéz benzin

petróleum

gázolaj

olefinben gazdag gázok

krakkbenzin

krakkfőtıolaj

kenıolaj párlatok

gudron

(nagy kéntartalommal)

hidrokrakkolás

(kénmentesítés)

katalitikus

krakkolás

gázolaj

gyenge gázolaj

benzin (40%)

gázok

tüzelıolaj

gázolaj

benzin

Atmoszférikus desztilláció

• Frakcionális desztilláció: a nyersolajban levı, különbözı forráspontú vegyületek szétválasztása.– Atmoszférikus (p=1 bar) a ts<300 oC 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.

Vákuumos desztilláció

– Vákuumos (p=0,025-0,07 bar) desztilláció:• kiinduló anyag: pakura,

• termék: gázolaj és (p=1 bar, ts>350 oC) kenıolaj párlatok

• desztillációs maradék: bitumen és parafinos kenıolajok 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 oC

mellett következik be a bomlás):• kiinduló anyag: pakura• termékek: olefinben (CnH2n) gazdag gázok, kb. 20 %

krakkbenzin és krakkfőtıolaj (petrolkoksz).Ma már visszaszorult.

Katalitikus krakkolás

– Katalitikus krakkolás (200-300 oChımérsékleten, zeolit alapúkatalizátorokkal):

• kiinduló anyag: gázolaj vagy nagy hımérséklető 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, 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.

1.1.4. 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.

1.1.4.1. Üzemanyagok

– benzin (ts=40-200 oC),

– petróleum (ts=160-300 oC),

– gáz (dízel) olaj (ts=200-350 oC),

– könnyő (ts=40-300 oC, ρ=0,625-0,840 kg/dm3),

– nehéz (ts>300 oC, ρ>0,840 kg/dm3),

– könnyő (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.

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),

• könnyőbenzin (ts=65-100 oC),

• középbenzin (ts=100-150 oC),

• nehézbenzin (ts=150-200 oC).

1.1.4.1. 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.

1.1.4.2. 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 50-60 oC-ra fel kell melegíteni.)

Főtıolajok

• Főtıolajok: 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 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.

Főtıolajok

• A főtıolajok főtıértéke (40-42 MJ/kg) között nincs számottevı különbség, de az anyagjellemzıik és összetételükben jelentıs különbségek:– ρ, µ, tdermedés, tlobbanás, tmanipulációk → 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.

1.2. Szállítás, tárolás

• Stabil olaj szállítása (az állandó igényeket képviselınagy 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).

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=104-105 m3, földbe süllyesztett tartályok V=102-103 m3. Mo 1,8 Mttárolt stratégiai tömeg, kb. 2 Mm3 térfogat.

• Biztonságtechnika (tőz- és robbanás veszély!)

Nagy tárolótartály

3.2.

Földgáz

Tulajdonságok

• Kitőnı tüzeléstechnikai tulajdonságok, viszonylag homogén összetétel → legnemesebb primer energiahordozó.

• Főtıértéke 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 molekulatömegő komponensek találhatók a földgázban. Megkülönböztethetı:– 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 kettı

egyelıre gazdaságtalan.

1. Földgáz: vertikum

földgáz

bányászat

feldolgozás a

telephelyen

szállítás

(tárolás)földgáz

(száraz)

nedves gáz

gazolin telep

PB-gáz stabilizált

gazolin

felhasználás

1.1. Termelés

• A földkéregben található gázelıfordulások összetétele nagyon változatos.

• A földgáz (energetikai szempontból): túlnyomóan egyszerőparafin-tartalmú gázok (CnH2n+2) keveréke.

• Elıfordulnak 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 kıolajjal együtt, 2/3-a külön, de ahhoz hasonló geológiai formációban fordul elı.

• A földgázok vizet is tartalmaznak, amely a gázállapotúszénhidrogénekkel 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

oC-on nyomással cseppfolyósíthatók, s összetétele:• CH4 (80-99 %),• C2H6 (1-15 %),• C3H8, C4H10, C5H12 (<1 %).

– nedves földgáz: a kıolajat kísérı nedves gáz döntıen 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 kıolajból elpárolgott gızök 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 kıolaj kísérıgázát visszanyomják a mezıbe 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

egyidejő növelése → a propánnál több C-atomot tartalmazómolekulák 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 ts=35-100 oC komponensekbıl → stabilizált gazolin.• A földgázban éghetetlen komponensek (N2, CO2, H2S) néha ipari

nyersanyagként gazdaságosan kinyerhetık, de tüzeléstechnikai szempontból nem kívánatos alkotók. Mo-onfıleg CO2.

1.1. Termelés

• Száraz kutakból a gáz 60-80 %-át a rétegnyomás a felszínre hajtja (néha 100 bar, 7,5 km mélységbıl), vízelárasztással 85-95 % is a felszínre hozható. Új forszírozott módszerek a mélyben levı, kis áteresztıképességő szerkezetek fellazítását, áttörését célozza:– a rétegek hidraulikus repesztése,

– a szerkezet fellazítása robbantással.

1.1.1. 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),– H2 elválasztása hőtéssel, kén-hidrogén és szén-dioxid

eltávolítása abszorbensekkel.

1.2. Szállítás, tárolás

• A tisztított száraz földgáz döntıen csıvezetéken 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)

üglfg

gggFKmTfgFKT

mKTfgllTK

mmm

hhmhhmWW

hhmhhmWW

&&&

&&&&

&&&&

+=

−=−==

−=−==

)()(

)()(

212322

12141

η

η

E

K

FK

T1

T2

3

g1

2

14

l

g2

Földgázhálózat

Cseppfolyósított földgáz tengeri szállítása

• LNG (Liquified Natural Gas, LNG) tengeri szállítása megfelelıen hıszigetelt (CH4, ts=-161 oC), 104-105 t szállítókapacitású hajókkal:– feladó kikötı: cseppfolyósító berendezés (hőtés -

160-200 oC-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 Gm3.

Tárolás

• A fogyasztás idıbeli változásának kiegyenlítése, a csúcsigényeknél kisebb szállítókapacitások kiépítése:

• Szezonális:– nyár: tárolás,

– főtési szezon: kitárolás.

Nagy kapacitású földalatti gáztárolók.

Más országokban kisebb cseppfolyósított földgáz tárolók is vannak.

thtisz VVVállV &&&& ±+=≈

Földalatti gáztárolás

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

Földalatti gáztároló sóüregben

1 kısó réteg,

2 mesterségesen

kialakított tároló üreg,

3 nem oldódó maradék,

4 termelı/besajtoló kút,

5 a sóréteg felsı határa

1.3. Szénelgázosítás

• Energetikai szintézisgáz = CO + H2 keverék (ismert technológia, városi gáz) →korszerősített technológiákkal.

• Szintetikus földgáz (Substitute Natural Gas, SNG) = CH4 többlépcsıs eljárása. (USA-ban PB-gázból is elıállítják).

• Elgázosítás egyelıre kıszénbıl, jó minıségőbarnaszénbıl (gyenge barnaszén, lignit elgázosítását vizsgálják).

Szintetikus földgáz elıállítása

Szintézisgáz elıállítása