Turning complex mixtures into usable products
Petroleum and the Environment, Part 16/24
Written by E. Allison and B. Mandler for AGI, 2018
Download Print Version
Introduction
Raakaöljy ja maakaasu ovat monimutkaisia kemiallisia seoksia, jotka eivät yleensä sovellu suoraan käyttöön. Öljynjalostus ja kaasunjalostus muuttavat nämä seokset monenlaisiksi polttoaineiksi ja muiksi tuotteiksi ja poistavat samalla vähäarvoiset ja saastuttavat komponentit.
Jalostuksella ja jalostuksella on sekä myönteisiä että kielteisiä ympäristövaikutuksia: vaikka ne poistavat haitallisia epäpuhtauksia ja tuottavat puhtaammin palavia polttoaineita, jalostamoiden ja jalostuslaitosten toiminnoista voi vapautua haitallisia epäpuhtauksia ympäristöön, mikä vaikuttaa paikalliseen ilman- ja vedenlaatuun.
Raakaöljyn tislauksen aikana eri polttoainetyypit kondensoituvat ja ne uuttuvat erilaisissa lämpötiloissa. Image Credit: Wikimedia Commons users Psarianos and Theresa Knott.1
Oil Refining
Raakaöljy on monien erikokoisten hiilivetyjen molekyylien seos. Pienemmät molekyylit höyrystyvät alhaisemmissa lämpötiloissa, joten raakaöljy voidaan tislata eri hiilivetyjen erottamiseksi toisistaan. Tislausprosessissa raakaöljy höyrystetään ja kuuma höyry nousee pylvästä ylöspäin ja jäähtyy noustessaan. Eri hiilivedyt höyrystyvät eri lämpötiloissa, joten ne tiivistyvät nestemäiseen muotoon pylvään eri kohdissa, jolloin raakaöljy erotetaan eri komponentteihin, joita voidaan sitten jatkokäsitellä niiden optimoimiseksi loppukäyttöä varten.
Bensiini ja diesel ovat tuottavimpia raakaöljystä saatavia tuotteita, joten jalostamot käyttävät erilaisia tekniikoita näiden polttoaineiden tuotannon maksimoimiseksi. Tällaisia tekniikoita voivat olla krakkaus (suurempien molekyylien pilkkominen pienemmiksi molekyyleiksi2), vetykäsittely (epäpuhtauksien, kuten rikin, korvaaminen vedyllä polttoaineen laadun parantamiseksi3), reformointi (pienempien molekyylien muuttaminen bensiiniksi2), alkylointi (hapon käyttäminen korkean oktaaniluvun bensiinin tuottamiseksi pienemmistä molekyyleistä4) ja sekoittaminen (erilaisten nesteiden sekoittaminen toisiinsa yhtenäisten tuotteiden tuottamiseksi, jotka täyttävät lakisääteiset standardit5). Sekoitusvaiheessa teollisuusetanolitehtaiden etanolia sekoitetaan myös bensiiniin sen oktaanipitoisuuden nostamiseksi, hiilimonoksidipäästöjen vähentämiseksi ja uusiutuvia polttoaineita koskevan standardin vaatimusten täyttämiseksi.6
Öljynjalostuksen tuotteet
Erilaiset raakaöljyt ovat koostumukseltaan erilaisia, ja ne sisältävät erilaisia hiilivetyjen seoksia sekä vaihtelevia määriä rikkiä ja muita epäpuhtauksia. Eri jalostettujen tuotteiden osuudet vaihtelevat jalostettavien öljytyyppien, eri tuotteiden kysynnän ja kysyntään vaikuttavien säädösten muuttuessa. Noin 80-85 prosenttia kaikesta raakaöljystä päätyy bensiiniksi, dieseliksi tai lentopetroliksi. Loput käytetään nestekaasujen, petrokemian raaka-aineiden ja monien muiden tuotteiden valmistukseen.7 Vuonna 2016 141 yhdysvaltalaista jalostamoa tuotti päivittäin keskimäärin 9,3 miljoonaa tynnyriä bensiiniä, 3,7 miljoonaa tynnyriä vähärikkistä dieseliä ja 1,6 miljoonaa tynnyriä lentopetrolia8 .
Yhdysvaltojen öljynjalostamot (avoimet neliöt) ja kaasunjalostuslaitokset (sininen) helmikuussa 2018. Ei kuvassa: kaksi jalostamoa Havaijilla ja viisi Alaskassa. Image credit: U.S. Energy Information Administration.17
Natural Gas Processing
Vuonna 2017 Yhdysvalloissa tuotettiin 33 biljoonaa kuutiojalkaa maakaasua.9 Pieni osa tästä käytettiin kenttätoiminnoissa, palautettiin maanalaisiin varastoihin, poistettiin tai poltettiin soihduttamalla; loput käsiteltiin 550:ssä maakaasunjalostuslaitoksessa, joista saatiin 27 biljoonaa kuutiojalkaa putkijohtokelpoista maakaasua.10,11 Putkijohtolaatuisen maakaasun on täytettävä tiukat energiasisältö- ja puhtausvaatimukset12 kotitalous-, kauppa- ja teollisuuskäyttöä varten, mukaan lukien maakaasuvoimalat.
Ennen käsittelyä maakaasu koostuu enimmäkseen metaanista, jossa on vaihtelevassa määrin muita hiilivetyjä, hiilidioksidia (CO2), rikkidioksidia, typpeä, vesihöyryä ja heliumia.13 Kaasun käsittelyssä maakaasusta poistetaan osa muista kuin metaanikomponenteista, jotta:
- parannetaan palamista ja vähennetään korroosiota poistamalla vettä
- estetään haitallisten happojen muodostuminen poistamalla haitallisia tai syövyttäviä kaasuja – erityisesti rikkiä ja hiilidioksidia – jotka muutoin saattaisivat reagoida pienten vesimäärien kanssa muodostaen happoja
- vakioidaan kaasun energiasisältö, jotta varmistetaan tasainen palaminen uuneissa ja muissa laitteissa, erityisesti poistamalla palamattomia kaasuja, kuten CO2:ta ja typpeä
- Extraktoimalla arvokkaita sivukaasuja muihin käyttötarkoituksiin (esim.g., muut hiilivedyt ja helium)
Kaasunkäsittelyn aikana talteen otettuja muita kuin metaanihiilivetyjä kutsutaan yhteisesti ”maakaasunesteiksi” (NGL), koska ne muodostavat nesteitä helpommin kuin metaani korkeassa paineessa tai alhaisessa lämpötilassa. NGL-yhdisteistä yleisimmät ovat etaani, propaani ja butaani. Etaania ja propaania jatkojalostetaan suuria määriä muovien raaka-aineiksi (ks. tämän sarjan kohta ”Öljyn ja kaasun muut kuin polttoainetuotteet”), kun taas propaani ja butaani puristetaan nesteiksi, jotta niistä saadaan energiatiheä kaasupolttoaineen lähde verkon ulkopuoliseen käyttöön.
Tärkeimmät menetelmät, joita käytetään muiden kuin metaanikomponenttien poistamiseksi maakaasusta, ovat absorbaattorit ja jäähdytys. Absorbentteja voidaan käyttää erilaisia, kuten erikoisöljyjä (NGL-yhdisteiden osalta), glykolia (veden osalta), amiineja (rikin ja CO2:n14 osalta) ja zeoliitti- tai öljyabsorptiota (typen15 osalta). Maakaasun jäähdyttäminen eri lämpötiloihin mahdollistaa eri komponenttien poistamisen, kun ne tiivistyvät nesteiksi. Tämä on yleisin typenpoistomenetelmä: maakaasua jäähdytetään, kunnes metaani nesteytyy, jolloin typpikaasu voidaan poistaa.16 Maakaasun maakaasukomponentit voidaan poistaa yhdestä seoksesta, joka sitten kuumennetaan eri lämpötiloihin kunkin maakaasukomponentin eristämiseksi vuorollaan18 . Käsittelyn jälkeen kaasu katsotaan ”kuivaksi” ja valmiiksi kuljetettavaksi putkistoja pitkin loppukäyttäjille.
Jalostus, jalostus ja ympäristö
Jalostus ja jalostus vähentävät öljy- ja kaasuperäisten polttoaineiden ympäristövaikutuksia poistamalla haitallisia epäpuhtauksia ja parantamalla niiden luotettavuutta polton aikana. Jalostamoilla ja jalostuslaitoksilla on kuitenkin omat ympäristövaikutuksensa ja vastaavat menettelyt näiden vaikutusten minimoimiseksi. Näistä on lisätietoja tämän sarjan muissa osissa: ”Metaanipäästöjen vähentäminen ja sääntely” ja ”Öljyn ja kaasun vaikutukset ilmanlaatuun.”
Hiilidioksidia (CO2) esiintyy maakaasussa vaihtelevassa määrin, ja se poistetaan käsittelylaitoksissa kaasun laadun parantamiseksi. Suurin osa tästä hiilidioksidista päästetään ilmakehään, ja sen osuus Yhdysvaltain kasvihuonekaasujen kokonaispäästöistä on noin 0,4 prosenttia (vertailun vuoksi voidaan todeta, että maakaasun tuotanto- ja jakeluketjun metaanivuodot ovat arviolta noin 3 prosenttia Yhdysvaltain päästöistä).19 Pieni määrä kaasunjalostuslaitoksia ottaa talteen maakaasusta jalostuksen aikana poistetun hiilidioksidin; talteen otettu hiilidioksidi ruiskutetaan öljykentille öljyn talteenoton tehostamiseksi.20
1 Tiedosto:Raakaöljyn tislaus -fi. Wikimedia Commonsin käyttäjät Psarianos & Theresa Knott. Jäljennetty CC BY-SA 3.0 -lisenssin mukaisesti.
2 Centre for Industry Education Collaboration, University of York (2014). Krakkaus ja siihen liittyvät jalostusprosessit. The Essential Chemical Industry – online.
3 Kokayeff, P. et al. (2014). Hydrotreating in Petroleum Processing. In: Treese, S., Jones, D., Pujado, P. (toim.). Handbook of Petroleum Processing. Springer, Cham.
4 U.S. Energy Information Administration (2013). Alkylointi on tärkeä oktaanin lähde bensiinissä. Today in Energy, 13. helmikuuta 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. 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 (Maakaasun jalostuskapasiteetti laitoksittain), 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). CO2:n ja N2:n poisto maakaasusta: Katsaus perinteisiin ja uusiin prosessitekniikoihin. 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 Ninks: 1990-2015.
20 Global CCS Institute – Projects Database: Large-scale CCS facilities.
Petroleum and the Environment
Lataa Petroleum and the Environment -teoksen koko PDF-tiedosto (ilmainen) tai osta painettu versio (19,99 dollaria).
Sarjan muut osat:
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. Water Sources for Hydraulic Fracturing
5. Tuotetun veden käyttö
6. Pohjaveden suojelu öljyn- ja kaasuntuotannossa
7. Hylätyt kaivot
8. Mikä määrää kaivon sijainnin?
9. Maankäyttö öljy- ja kaasuteollisuudessa
10. Pinedalen kaasukenttä, Wyoming
11. Raskas öljy
12. Öljy ja kaasu Yhdysvaltain arktisella alueella
13. Offshore-öljy ja -kaasu
14. Vuodot öljy- ja maakaasukentillä
15. Öljyn, kaasun ja jalostettujen tuotteiden kuljetus
16. Öljynjalostus ja kaasunjalostus
17. Öljyn ja kaasun muut kuin polttoainetuotteet
18. Öljyn ja kaasun vaikutukset ilmanlaatuun
19. Öljy- ja kaasuteollisuuden metaanipäästöt
20. Metaanipäästöjen vähentäminen ja sääntely
21. Öljy- ja kaasutoiminnan sääntely
22. Terveys ja turvallisuus öljyn ja kaasun louhinnassa
23. Öljyn- ja kaasuteollisuuden pinnanalaisuustiedot
24. Geoscientists in Petroleum and the Environment
Termien sanasto
Päivitetty: Kirjoittanut E. Allison ja B. Mandler AGI:lle, 2018
Kirjoittanut E. Allison ja B. Mandler AGI, 2018
.