Přeměna složitých směsí na použitelné produkty
Napsali E. Allison a B. Mandler pro AGI, 2018
Stáhnout verzi pro tisk
Úvod
Ropa a zemní plyn jsou složité chemické směsi, které jsou obecně nevhodné pro přímé použití. Rafinace ropy a zpracování plynu mění tyto směsi na širokou škálu paliv a dalších produktů, přičemž odstraňují málo hodnotné a znečišťující složky.
Refinace a zpracování mají jak pozitivní, tak negativní dopady na životní prostředí: přestože odstraňují škodlivé znečišťující látky a vyrábějí paliva s čistším spalováním, mohou operace v rafinériích a zpracovatelských závodech uvolňovat škodlivé znečišťující látky do životního prostředí a ovlivňovat kvalitu místního ovzduší a vody.
Při destilaci ropy dochází ke kondenzaci různých druhů paliv, která se extrahují při různých teplotách. Obrázek: Uživatelé Wikimedia Commons Psarianos a Theresa Knott.1
Refinace ropy
Ropa je směs mnoha různých uhlovodíkových molekul různých velikostí. Menší molekuly se odpařují při nižších teplotách, proto lze ropu destilovat a oddělit tak jednotlivé uhlovodíky. Při destilaci se ropa odpařuje a horké páry stoupají vzhůru po sloupci a při stoupání se ochlazují. Různé uhlovodíky se odpařují při různých teplotách, takže v různých místech sloupce kondenzují do kapalné formy, čímž se ropa rozdělí na různé složky, které se pak mohou dále zpracovávat, aby se optimalizovaly pro konečné použití.
Benzín a nafta jsou nejlukrativnějšími produkty získávanými z ropy, takže rafinerie používají řadu technik, aby maximalizovaly výrobu těchto paliv. Může jít o krakování (rozklad větších molekul na menší molekuly2), hydrogenaci (nahrazení nečistot, jako je síra, vodíkem za účelem zlepšení kvality paliva3), reforming (přeměna menších molekul na benzín2), alkylaci (použití kyseliny k výrobě vysokooktanového benzínu z menších molekul4) a míchání (míchání různých kapalin dohromady za účelem výroby jednotných produktů, které splňují regulační normy5). Ve fázi míchání se do benzinu přimíchává také etanol z průmyslových závodů na výrobu etanolu, aby se zvýšil jeho oktanový obsah, snížily emise oxidu uhelnatého a splnily požadavky normy pro obnovitelná paliva.6
Produkty rafinace ropy
Různé surové ropy mají různé složení, obsahují různé směsi uhlovodíků a různá množství síry a dalších nečistot. Poměry různých rafinovaných produktů se mění v závislosti na změnách druhů rafinované ropy, poptávce po různých produktech a předpisech, které tuto poptávku ovlivňují. Zhruba 80-85 % veškeré ropy končí jako benzín, nafta nebo letecké palivo. Zbytek se použije na výrobu zkapalněných ropných plynů, petrochemických surovin a řady dalších produktů.7 V roce 2016 vyrobilo 141 amerických rafinerií denně v průměru 9,3 milionu barelů benzinu, 3,7 milionu barelů nízkosirné nafty a 1,6 milionu barelů leteckého paliva.8
Repfinerie ropy (otevřené čtverce) a závody na zpracování plynu (modře) ve Spojených státech k únoru 2018. Nezobrazeno: dvě rafinerie na Havaji a pět na Aljašce. Obrázek: U.S. Energy Information Administration.17
Zpracování zemního plynu
V roce 2017 bylo ve Spojených státech vytěženo 33 bilionů krychlových stop zemního plynu.9 Malá část z toho byla využita v polních provozech, znovu vtlačena do podzemních zásobníků, vypuštěna nebo spálena; zbytek byl zpracován v 550 závodech na zpracování plynu, z nichž bylo vyrobeno 27 bilionů krychlových stop zemního plynu v kvalitě pro plynovody.10,11 Plyn v potrubní kvalitě musí splňovat přísné normy pro energetický obsah a čistotu12 pro použití v domácnostech, komerčních a průmyslových zařízeních, včetně elektráren na zemní plyn.
Před zpracováním se zemní plyn skládá převážně z metanu s různým podílem dalších uhlovodíků, oxidu uhličitého (CO2), oxidu siřičitého, dusíku, vodní páry a helia.13 Při zpracování plynu se odstraňují některé nemetanové složky zemního plynu, aby se:
- Zlepšit spalování a snížit korozi odstraněním vody
- Zabránit vzniku škodlivých kyselin odstraněním škodlivých nebo korozivních plynů – zejména síry a CO2 – které by jinak mohly reagovat s malým množstvím vody za vzniku kyselin
- Standardizovat energetický obsah plynu, aby se zajistilo rovnoměrné spalování v pecích a dalších zařízeních, zejména odstraněním nespalitelných plynů, jako je CO2 a dusík
- Extrahovat cenné minoritní plyny pro další použití (např.g., jiné uhlovodíky a helium)
Nemethanové uhlovodíky extrahované při zpracování plynu se souhrnně nazývají „kapalný zemní plyn“ (NGL), protože při vysokém tlaku nebo nízké teplotě tvoří kapaliny snadněji než metan. Z NGL se nejčastěji vyskytují etan, propan a butan. Etan a propan se dále zpracovávají ve velkých množstvích na suroviny pro výrobu plastů (viz „Nepalivové produkty ropy a zemního plynu“ v této sérii), zatímco propan a butan se stlačují na kapaliny, aby poskytly energeticky hustý zdroj plynového paliva pro použití mimo síť.
Hlavními metodami používanými k odstranění nemethanových složek ze zemního plynu jsou absorbenty a chlazení. Lze použít různé absorbenty, včetně speciálních olejů (pro NGL), glykolu (pro vodu), aminů (pro síru a CO214) a zeolitu nebo olejové absorpce (pro dusík15). Chlazení zemního plynu na různé teploty umožňuje odstraňovat různé složky, které kondenzují na kapaliny. Jedná se o nejběžnější metodu odstraňování dusíku: zemní plyn se chladí, dokud metan nezkapalní, což umožňuje vypouštění plynného dusíku.16 NGL lze odstraňovat v jedné směsi, která se pak zahřívá na různé teploty, aby se postupně izolovaly jednotlivé NGL.18 Po zpracování se plyn považuje za „suchý“ a je připraven k přepravě potrubím ke konečným uživatelům.
Refinace, zpracování a životní prostředí
Refinace a zpracování snižují dopad paliv získaných z ropy a zemního plynu na životní prostředí tím, že odstraňují škodlivé znečišťující látky a zvyšují jejich spolehlivost při spalování. Rafinérie a zpracovatelské závody však mají své vlastní dopady na životní prostředí a odpovídající postupy pro minimalizaci těchto dopadů. Více informací o nich naleznete v dalších částech tohoto seriálu: „Zmírňování a regulace emisí metanu“ a „Vlivy ropy a zemního plynu na kvalitu ovzduší“
Dioxid uhličitý (CO2) se v zemním plynu vyskytuje v různém poměru a ve zpracovatelských závodech se odstraňuje, aby se zlepšila kvalita plynu. Většina tohoto CO2 je vypouštěna do atmosféry, což představuje zhruba 0,4 % celkových emisí skleníkových plynů v USA (pro srovnání, odhaduje se, že úniky metanu z řetězce výroby a distribuce zemního plynu představují zhruba 3 % emisí v USA).19 Malý počet závodů na zpracování plynu zachycuje CO2 odstraněný ze zemního plynu během zpracování; tento zachycený CO2 se vstřikuje do ropných polí, aby se zvýšila těžba ropy.20
1 File:Crude Oil Distillation-en. Uživatelé Wikimedia Commons Psarianos & Theresa Knott. Reprodukováno podle licence CC BY-SA 3.0.
2 Centre for Industry Education Collaboration, University of York (2014). Krakování a související rafinérské procesy. The Essential Chemical Industry – online.
3 Kokayeff, P. et al. (2014). Hydrotreating in Petroleum Processing (Hydrogenační úprava při zpracování ropy). In: Zprávy z konference, která se uskutečnila v roce 2014: Treese, S., Jones, D., Pujado, P. (eds). Handbook of Petroleum Processing. Springer, Cham.
4 U.S. Energy Information Administration (2013). Alkylace je důležitým zdrojem oktanového čísla v benzinu. Today in Energy, 13. února 2013.
5 U.S. Environmental Protection Agency – Gasoline Standards (Agentura pro ochranu životního prostředí USA): Gasoline Reid Vapor Pressure (Reidní tlak par benzínu).
6 U.S. Energy Information Administration (Správa energetických informací USA) – Biofuels: Ethanol and Biodiesel Explained – Use of Ethanol.
7 U.S. Energy Information Administration – Oil: Crude and Petroleum Products Explained – Rafining Crude Oil.
8 U.S. Energy Information Administration – Petroleum & Other Liquids: U.S. Product Supplied, Total Crude Oil and Petroleum Products.
9 U.S. Energy Information Administration – U.S. Natural Gas Gross Withdrawals.
10 U.S. Energy Information Administration – Natural Gas Annual Respondent Query System, EIA-757: Natural Gas Processing Capacity by Plant, Data through 2014.
11 U.S. Energy Information Administration – U.S. Dry Natural Gas Production.
12 North American Energy Standards Board.
13 Penn State College of Earth and Mineral Sciences, e-Education Institute – Petroleum Processing: Natural Gas Composition and Specifications.
14 Rufford, T.E. et al. (2012). The removal of CO2 and N2 from natural gas [Odstraňování CO2 a N2 ze zemního plynu]: A review of conventional and emerging process technologies. J. Pet. Sci. Eng. 94-95, 123-154.
15 Sep-Pro Systems – Nitrogen Rejection Units.
16 U.S. Energy Information Administration (2006). Zpracování zemního plynu: The Crucial Link between Natural Gas Production and Its Transportation to Market.
17 U.S. Energy Information Administration – U.S. Energy Mapping System.
18 U.S. Department of Energy (2017). Natural Gas Liquids Primer, with a Focus on the Appalachian Region.
19 U.S. Environmental Protection Agency (2017). Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks (Přehled emisí a propadů skleníkových plynů v USA): 1990-2015.
20 Global CCS Institute – Projects Database (Globální institut CCS – databáze projektů):
Petroleum and the Environment
Stáhněte si celý PDF dokument Petroleum and the Environment (zdarma) nebo si zakupte tištěnou verzi (19,99 USD).
Další díly této série:
1. Ropa a životní prostředí: úvod
2. Voda v ropném a plynárenském průmyslu
3. Indukovaná seismicita při těžbě ropy a zemního plynu
4. Zdroje vody pro hydraulické štěpení
5. Vodní zdroje pro hydraulické štěpení. Využití vytěžené vody
6. Ochrana podzemních vod při těžbě ropy a zemního plynu
7. Opuštěné vrty
8. Co rozhoduje o umístění vrtu
9. Ochrana podzemních vod při těžbě ropy a zemního plynu? Využití půdy v ropném a plynárenském průmyslu
10. Plynové pole Pinedale, Wyoming
11. Těžká ropa
12. Ropa a zemní plyn v americké Arktidě
13. Ropa a zemní plyn na moři
14. Úniky ropy a zemního plynu na polích
15. Přeprava ropy, zemního plynu a rafinovaných produktů
16. Rafinace ropy a zpracování plynu
17. Nepalivové produkty z ropy a zemního plynu
18. Vlivy ropy a zemního plynu na kvalitu ovzduší
19. Emise metanu v ropném a plynárenském průmyslu
20. Zmírňování a regulace emisí metanu
21. Regulace provozu těžby ropy a zemního plynu
22. Zdraví a bezpečnost při těžbě ropy a zemního plynu
23. Podpovrchové údaje v ropném a plynárenském průmyslu
24. Geologové v ropném průmyslu a životní prostředí
Slovníček pojmů
Datum aktualizace: 2018-06-01
Petrolejáři a životní prostředí, část 16/24
Napsali E. Allison a B. Mandler pro AGI, 2018