American Geosciences Institute

Introduction

Ropa naftowa i gaz ziemny są złożonymi mieszaninami chemicznymi, które generalnie nie nadają się do bezpośredniego wykorzystania. Rafinacja ropy naftowej i przetwarzanie gazu przekształcają te mieszaniny w szeroką gamę paliw i innych produktów, usuwając jednocześnie składniki o niskiej wartości i zanieczyszczające środowisko.

Rafinacja i przetwarzanie mają zarówno pozytywny, jak i negatywny wpływ na środowisko: chociaż usuwają szkodliwe zanieczyszczenia i produkują czystsze paliwa do spalania, działania w rafineriach i zakładach przetwórczych mogą uwalniać szkodliwe zanieczyszczenia do środowiska, wpływając na lokalną jakość powietrza i wody.

Podczas destylacji ropy naftowej różne rodzaje paliwa skraplają się i są ekstrahowane w różnych temperaturach. Image Credit: Wikimedia Commons users Psarianos and Theresa Knott.1

Rafinacja ropy naftowej

Ropa naftowa jest mieszaniną wielu różnych cząsteczek węglowodorów o różnych rozmiarach. Mniejsze cząsteczki parują w niższych temperaturach, więc ropa naftowa może być destylowana w celu oddzielenia różnych węglowodorów. W procesie destylacji ropa naftowa jest odparowywana, a gorąca para unosi się w górę kolumny, schładzając się w miarę wzrostu. Różne węglowodory parują w różnych temperaturach, więc skraplają się do postaci ciekłej w różnych punktach kolumny, rozdzielając ropę naftową na różne składniki, które mogą być dalej przetwarzane w celu zoptymalizowania ich do ostatecznego użytku.

Benzyna i olej napędowy są najbardziej lukratywnymi produktami wydobywanymi z ropy naftowej, więc rafinerie wykorzystują szereg technik, aby zmaksymalizować produkcję tych paliw. Może to obejmować kraking (rozbijanie większych cząsteczek na mniejsze2), hydrorafinację (zastępowanie zanieczyszczeń, takich jak siarka, wodorem w celu poprawy jakości paliwa3), reforming (przekształcanie mniejszych cząsteczek w benzynę2), alkilację (wykorzystywanie kwasu do produkcji wysokooktanowej benzyny z mniejszych cząsteczek4) i mieszanie (mieszanie różnych cieczy w celu uzyskania jednolitych produktów spełniających normy prawne5). Podczas etapu mieszania, etanol z przemysłowych zakładów produkcji etanolu jest również mieszany z benzyną w celu zwiększenia jej zawartości oktanowej, zmniejszenia emisji tlenku węgla i spełnienia wymagań Renewable Fuel Standard.6

Produkty rafinacji ropy naftowej

Różne ropy naftowe mają różny skład, zawierają różne mieszaniny węglowodorów i różne ilości siarki i innych zanieczyszczeń. Proporcje różnych produktów rafinowanych będą się zmieniać wraz ze zmianami w rodzajach rafinowanej ropy, popytem na różne produkty i przepisami, które wpływają na ten popyt. Około 80-85% całej ropy naftowej kończy swój żywot jako benzyna, olej napędowy lub paliwo lotnicze. Reszta jest wykorzystywana do produkcji skroplonych gazów ropopochodnych, surowców petrochemicznych i wielu innych produktów.7 W 2016 roku 141 amerykańskich rafinerii produkowało dziennie średnio 9,3 miliona baryłek benzyny, 3,7 miliona baryłek niskosiarkowego oleju napędowego i 1,6 miliona baryłek paliwa lotniczego.8

Rafinerie ropy naftowej (otwarte kwadraty) i zakłady przetwórstwa gazu (niebieskie) w Stanach Zjednoczonych, stan na luty 2018 r. Nie pokazano: dwie rafinerie na Hawajach i pięć na Alasce. Image credit: U.S. Energy Information Administration.17

Przetwarzanie gazu ziemnego

W 2017 roku Stany Zjednoczone wyprodukowały 33 tryliony stóp sześciennych gazu ziemnego.9 Niewielka część z tego została wykorzystana w działaniach terenowych, ponownie zatłoczona do podziemnych zbiorników, odpowietrzona lub spalona; reszta została przetworzona przez 550 zakładów przetwórstwa gazu w celu wyprodukowania 27 trylionów stóp sześciennych gazu ziemnego o jakości rurociągowej.10,11 Gaz o jakości rurociągowej musi spełniać sztywne normy dotyczące zawartości energii i czystości12 dla celów mieszkalnych, handlowych i przemysłowych, w tym dla elektrowni gazowych.

Przed przetworzeniem gaz ziemny składa się głównie z metanu, z różnymi proporcjami innych węglowodorów, dwutlenku węgla (CO2), dwutlenku siarki, azotu, pary wodnej i helu.13 Przetwarzanie gazu usuwa niektóre z niemetanowych składników gazu ziemnego w celu:

• Usprawnić spalanie i zmniejszyć korozję przez usunięcie wody
• Zapobiec tworzeniu się szkodliwych kwasów przez usunięcie szkodliwych lub korozyjnych gazów – zwłaszcza siarki i CO2 – które w przeciwnym razie mogłyby reagować z niewielkimi ilościami wody, tworząc kwasy
• Standaryzować zawartość energii w gazie, aby zapewnić równomierne spalanie w piecach i innych urządzeniach, zwłaszcza przez usunięcie niepalnych gazów takich jak CO2 i azot
• Ekstrahować cenne gazy mniejszościowe do innych zastosowań (np.g., inne węglowodory i hel)

Węglowodory niemetanowe ekstrahowane podczas przetwarzania gazu są wspólnie nazywane „cieczami gazu ziemnego” (NGL), ponieważ pod wysokim ciśnieniem lub w niskiej temperaturze tworzą ciecze łatwiej niż metan. Spośród NGL, najbardziej powszechne są etan, propan i butan. Etan i propan są dalej przetwarzane w dużych ilościach na surowce do produkcji tworzyw sztucznych (patrz „Produkty niepaliwowe ropy naftowej i gazu” w tej serii), podczas gdy propan i butan są sprężane do postaci ciekłej w celu zapewnienia gęstego energetycznie źródła paliwa gazowego do zastosowań pozasieciowych.

Głównymi metodami stosowanymi do usuwania składników niemetanowych z gazu ziemnego są absorbenty i chłodzenie. Można stosować różne absorbenty, w tym specjalne oleje (do NGL), glikol (do wody), aminy (do siarki i CO214) oraz absorpcję zeolitową lub olejową (do azotu15). Schładzanie gazu ziemnego do różnych temperatur umożliwia usuwanie różnych składników w miarę ich kondensacji do postaci ciekłej. Jest to najbardziej powszechna metoda usuwania azotu: gaz ziemny jest schładzany do momentu skroplenia metanu, co pozwala na uwolnienie azotu16. NGL mogą być usuwane w jednej mieszaninie, która jest następnie podgrzewana do różnych temperatur w celu wyizolowania każdego NGL po kolei18. Po przetworzeniu gaz jest uważany za „suchy” i gotowy do wysłania rurociągami do użytkowników końcowych.

Rafinacja, przetwarzanie i środowisko

Rafinacja i przetwarzanie zmniejszają wpływ na środowisko paliw ropopochodnych i gazowych poprzez usuwanie szkodliwych zanieczyszczeń i poprawę ich niezawodności podczas spalania. Jednakże rafinerie i zakłady przetwórcze mają swój własny wpływ na środowisko, z odpowiednimi procedurami minimalizującymi ten wpływ. Więcej informacji na ich temat można znaleźć w innych częściach tej serii: „Łagodzenie i regulacja emisji metanu” oraz „Wpływ ropy i gazu na jakość powietrza.”

Dwutlenek węgla (CO2) występuje w różnych proporcjach w gazie ziemnym i jest usuwany w zakładach przetwórczych w celu poprawy jakości gazu. Większość tego CO2 jest uwalniana do atmosfery, stanowiąc około 0,4% całkowitej emisji gazów cieplarnianych w USA (dla porównania, szacuje się, że wycieki metanu z łańcucha produkcji i dystrybucji gazu ziemnego stanowią około 3% emisji w USA).19 Niewielka liczba zakładów przetwórstwa gazu wychwytuje CO2 usunięty z gazu ziemnego podczas przetwarzania; ten wychwycony CO2 jest wstrzykiwany do pól naftowych w celu zwiększenia wydobycia ropy naftowej.20

1 Plik:Crude Oil Distillation-pl. Wikimedia Commons użytkownicy Psarianos & Theresa Knott. Reprodukowane zgodnie z licencją CC BY-SA 3.0.
2 Centre for Industry Education Collaboration, University of York (2014). Cracking and related refinery processes (Kraking i powiązane procesy rafineryjne). The Essential Chemical Industry – online.
3 Kokayeff, P. et al. (2014). Hydrotreating in Petroleum Processing (Obróbka wodorowa w przetwórstwie ropy naftowej). In: Treese, S., Jones, D., Pujado, P. (eds). Handbook of Petroleum Processing. Springer, Cham.
4 U.S. Energy Information Administration (2013). Alkilacja jest ważnym źródłem oktanów w benzynie. Today in Energy, February 13, 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: 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, 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: 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). 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

Pobierz pełny PDF Petroleum and the Environment (za darmo) lub kup wersję drukowaną ($19.99).

Inne części z tej serii:
1. Petroleum and the Environment: an Introduction
2. Woda w przemyśle naftowym i gazowym
3. Sejsmiczność indukowana operacjami naftowymi i gazowymi
4. Źródła wody do szczelinowania hydraulicznego
5. Wykorzystanie wody wydobytej
6. Ochrona wód gruntowych przy wydobyciu ropy i gazu
7. Opuszczone odwierty
8. Co decyduje o lokalizacji odwiertu
9. Użytkowanie gruntów w przemyśle naftowym i gazowym
10. Pole gazowe Pinedale, Wyoming
11. Ropa ciężka
12. Ropa i gaz w amerykańskiej Arktyce
13. Ropa i gaz na morzu
14. Wycieki na polach naftowych i gazowych
15. Transport ropy, gazu i produktów rafinacji
16. Rafinacja ropy naftowej i przetwarzanie gazu
17. Produkty niepaliwowe z ropy i gazu
18. Wpływ ropy naftowej i gazu ziemnego na jakość powietrza
19. Emisje metanu w przemyśle naftowym i gazowym
20. Łagodzenie i Regulacja Emisji Metanu
21. Regulacja działalności naftowej i gazowej
22. Zdrowie i bezpieczeństwo przy wydobyciu ropy naftowej i gazu ziemnego
23. Dane podpowierzchniowe w przemyśle naftowym i gazowym
24. Geoscientists in Petroleum and the Environment
Glossary of Terms

Data aktualizacji: 2018-06-01
Petroleum and the Environment, Part 16/24
Written by E. Allison and B. Mandler for AGI, 2018

.