Turning af komplekse blandinger til brugbare produkter
Petroleum and the Environment, Part 16/24
Skrevet af E. Allison og B. Mandler for AGI, 2018
Download Print Version
Introduktion
Råolie og naturgas er komplekse kemiske blandinger, der generelt er uegnede til direkte brug. Olieraffinering og gasforarbejdning omdanner disse blandinger til en lang række brændstoffer og andre produkter, samtidig med at lavværdige og forurenende komponenter fjernes.
Raffinering og forarbejdning har både positive og negative miljøvirkninger: Selv om de fjerner skadelige forurenende stoffer og producerer renere brændsler, kan driften på raffinaderier og forarbejdningsanlæg frigive skadelige forurenende stoffer til miljøet og påvirke den lokale luft- og vandkvalitet.
Ved destillation af råolie kondenserer forskellige brændstoftyper og udvindes ved forskellige temperaturer. Image Credit: Wikimedia Commons users Psarianos and Theresa Knott. 1
Olieraffinering
Råolie er en blanding af mange forskellige kulbrintemolekyler af forskellige størrelser. Mindre molekyler fordamper ved lavere temperaturer, så råolie kan destilleres for at skille de forskellige kulbrinter fra hinanden. I destillationsprocessen fordampes råolie, og den varme damp stiger op ad en kolonne og afkøles undervejs. De forskellige kulbrinter fordamper ved forskellige temperaturer, så de kondenserer til flydende form på forskellige punkter i kolonnen, hvorved råolien adskilles i forskellige komponenter, som derefter kan behandles yderligere for at optimere dem til deres endelige anvendelse.
Benzin og diesel er de mest lukrative produkter, der udvindes af råolie, så raffinaderierne anvender en række teknikker til at maksimere produktionen af disse brændstoffer. Det kan omfatte krakning (nedbrydning af større molekyler til mindre molekyler2), hydrobehandling (udskiftning af urenheder som f.eks. svovl med brint for at forbedre brændstofkvaliteten3), reforming (omdannelse af mindre molekyler til benzin2), alkylering (anvendelse af en syre til at fremstille benzin med højt oktan fra mindre molekyler4) og blanding (blanding af forskellige væsker for at fremstille ensartede produkter, der opfylder lovmæssige standarder5). Under blandingsfasen blandes ethanol fra industrielle ethanolanlæg også i benzin for at øge oktanindholdet, reducere kulilteemissionerne og opfylde kravene i Renewable Fuel Standard.6
Produkter fra olieraffinering
De forskellige råolier har forskellige sammensætninger og indeholder forskellige blandinger af kulbrinter og varierende mængder af svovl og andre urenheder. Andelen af de forskellige raffinerede produkter varierer med ændringer i de typer olie, der raffineres, efterspørgslen efter forskellige produkter og de bestemmelser, der påvirker denne efterspørgsel. Omkring 80-85 % af al råolie ender som benzin, diesel eller jetbrændstof. Resten bruges til at fremstille flydende petroleumsgasser, petrokemiske råmaterialer og en række andre produkter.7 I 2016 producerede 141 amerikanske raffinaderier i gennemsnit dagligt 9,3 mio. tønder benzin, 3,7 mio. tønder diesel med lavt svovlindhold og 1,6 mio. tønder jetbrændstof.8
Olieraffinerier (åbne firkanter) og gasforarbejdningsanlæg (blå) i USA pr. februar 2018. Ikke vist: to raffinaderier på Hawaii og fem i Alaska. Image credit: U.S. Energy Information Administration.17
Naturgasforarbejdning
I 2017 producerede USA 33 billioner kubikfod naturgas.9 En lille del af dette blev brugt i marken, genindsprøjtet i underjordiske reservoirer, udluftet eller brændt; resten blev forarbejdet af 550 gasforarbejdningsanlæg til at producere 27 billioner kubikfod naturgas af rørledningskvalitet.10,11 Gas af rørledningskvalitet skal opfylde strenge standarder for energiindhold og renhed12 til brug i boliger, erhverv og industri, herunder naturgaskraftværker.
For behandling består naturgas hovedsagelig af metan med varierende andele af andre kulbrinter, kuldioxid (CO2), svovldioxid, nitrogen, vanddamp og helium.13 Ved gasbehandling fjernes nogle af de komponenter i naturgassen, der ikke er methan, med henblik på at:
- Forbedre forbrændingen og reducere korrosion ved at fjerne vand
- Forebygge dannelse af skadelige syrer ved at fjerne skadelige eller korrosive gasser – især svovl og CO2 – som ellers kunne reagere med små mængder vand og danne syrer
- Standardisere gasens energiindhold for at sikre ensartet forbrænding i ovne og andet udstyr, bl.a. ved at fjerne ikke-brændbare gasser som CO2 og kvælstof
- Ekstraherer værdifulde mindre gasser til andre formål (f.eks.g., andre kulbrinter og helium)
Non-methan-kulbrinter, der udvindes under gasbehandling, kaldes samlet set “naturgasvæsker” (NGL’er), fordi de lettere danner væsker end methan ved højt tryk eller lav temperatur. Blandt NGL’erne er de mest almindelige ethan, propan og butan. Ethan og propan videreforarbejdes i store mængder til råmaterialer til plast (se “Ikke-brændstofprodukter fra olie og gas” i denne serie), mens propan og butan komprimeres til væsker for at give en energitæt kilde til gasbrændstof til brug uden for elnettet.
De vigtigste metoder, der anvendes til at fjerne ikke-metanholdige komponenter fra naturgas, er absorbenter og køling. Der kan anvendes en række forskellige absorbenter, herunder specielle olier (for NGL’er), glykol (for vand), aminer (for svovl og CO214) og zeolit- eller olieabsorption (for kvælstof15). Nedkøling af naturgas til forskellige temperaturer gør det muligt at fjerne forskellige komponenter, når de kondenserer til væsker. Dette er den mest almindelige metode til fjernelse af kvælstof: naturgassen afkøles, indtil metanen bliver flydende, så kvælstofgassen kan udluftes16 . NGL’er kan fjernes i en enkelt blanding, som derefter opvarmes til forskellige temperaturer for at isolere hver enkelt NGL på skift18 . Efter behandlingen anses gassen for at være “tør” og klar til at blive sendt via rørledninger til slutbrugerne.
Raffinering, forarbejdning og miljøet
Raffinering og forarbejdning reducerer miljøpåvirkningen fra olie- og gasbaserede brændstoffer ved at fjerne skadelige forurenende stoffer og forbedre deres pålidelighed under forbrændingen. Raffinaderier og forarbejdningsanlæg har imidlertid deres egne miljøpåvirkninger med tilhørende procedurer til minimering af disse påvirkninger. Der kan findes flere oplysninger om disse i andre dele af denne serie: “Mitigering og regulering af metanemissioner” og “Luftkvalitetspåvirkninger fra olie og gas”.”
Koldioxid (CO2) forekommer i varierende mængder i naturgas og fjernes på forarbejdningsanlæg for at forbedre gassens kvalitet. Det meste af denne CO2 udledes til atmosfæren og tegner sig for ca. 0,4 % af USA’s samlede drivhusgasemissioner (til sammenligning anslås metanlækager fra naturgasproduktions- og distributionskæden at tegne sig for ca. 3 % af USA’s emissioner).19 Et lille antal gasbehandlingsanlæg opfanger den CO2, der fjernes fra naturgassen under behandlingen; denne opfangede CO2 injiceres i oliefelter for at forbedre olieudvindingen.20
1 File:Crude Oil Distillation-en. Wikimedia Commons-brugere Psarianos & Theresa Knott. Reproduceret i henhold til en CC BY-SA 3.0-licens.
2 Centre for Industry Education Collaboration, University of York (2014). Cracking og relaterede raffinaderiprocesser. The Essential Chemical Industry – online.
3 Kokayeff, P. et al. (2014). Hydrotreating in Petroleum Processing (Hydrobehandling i olieforarbejdning). In: Treese, S., Jones, D., Pujado, P. (eds.). Handbook of Petroleum Processing. Springer, Cham.
4 U.S. Energy Information Administration (2013). Alkylering er en vigtig kilde til oktan i benzin. Today in Energy, 13. februar 2013.
5 U.S. Environmental Protection Agency – Gasoline Standards: Gasoline Reid Vapor Pressure.
6 U.S. Energy Information Administration – Biofuels: Ethanol and Biodiesel Explained – Use of Ethanol.
7 U.S. Energy Information Administration – Oil: U.S. Energy Information Administration: Crude and Petroleum Products Explained – Refining Crude Oil.
8 U.S. Energy Information Administration: Petroleum & Other Liquids: U.S. Energy Information Administration – Petroleum & Other Liquids: U.S. Energy Information Administration – 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: Naturgassammensætning og specifikationer.
14 Rufford, T.E. et al. (2012). Fjernelse af CO2 og N2 fra naturgas: En gennemgang af konventionelle og nye procesteknologier. J. Pet. Sci. Eng., 94-95, 123-154.
15 Sep-Pro Systems – Nitrogen Rejection Units.
16 U.S. Energy Information Administration (2006). Natural Gas Processing: 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: 1990-2015.
20 Global CCS Institute – Projects Database: Large-scale CCS facilities.
Petroleum and the Environment
Download en komplet PDF-fil af Petroleum and the Environment (gratis) eller køb en trykt udgave (19,99 USD).
Andre dele i denne serie:
1. Petroleum and the Environment: an Introduction
2. Water in the Oil and Gas Industry
3. Induced Seismicity from Oil and Gas Operations
4. Water Sources for Hydraulic Fracturing
5. Anvendelse af produceret vand
6. Beskyttelse af grundvandet i forbindelse med olie- og gasproduktion
7. Forladte boringer
8. Hvad bestemmer placeringen af en boring
9. Arealanvendelse i olie- og gasindustrien
10. Pinedale-gasfeltet, Wyoming
11. Tung olie
12. Olie og gas i det amerikanske arktiske område
13. Offshore-olie og -gas
14. Udslip i olie- og naturgasfelter
15. Transport af olie, gas og raffinerede produkter
16. Olieraffinering og gasforarbejdning
17. Ikke-brændstofprodukter af olie og gas
18. Olie og gas’ indvirkning på luftkvaliteten
19. Metanemissioner i olie- og gasindustrien
20. Begrænsning og regulering af metanemissioner
21. Regulering af olie- og gasaktiviteter
22. Sundhed og sikkerhed i forbindelse med olie- og gasudvinding
23. Data under overfladen i olie- og gasindustrien
24. Geoscientists in Petroleum and the Environment
Glossary of Terms
Dato for opdatering: Opdateret: 2018-06-01
Petroleum and the Environment, Part 16/24
Skrevet af E. Allison og B. Mandler for AGI, 2018