2024-10-07 / Autor: Dominik Wójcicki
Kraking parowy jest jednym z najbardziej emisyjnych procesów w przemyśle petrochemicznym i jednocześnie odpowiada za zużycie około 8% energii pierwotnej w tym sektorze. Stąd też globalne koncerny dążą do stworzenia takich technologii, które doprowadziłyby do redukcji emisji i zużycia energii w piecach do krakingu parowego. Osiągnięcie sukcesu na tym polu stanowiłoby przełom w funkcjonowaniu przemysłu petrochemicznego. Jedną z propozycji jest elektryfikacja krakerów.
Jak pracują krakery parowe?
Krakery parowe, w których produkowany jest etylen, są sercem przemysłu petrochemicznego. Te wysokotemperaturowe piece gazowe są niezbędne do podstawowej produkcji chemicznej, jednak proces w nich zachodzący jest wysoce energochłonny i emituje znaczne ilości CO2. Aby sprostać wyzwaniom klimatycznym i energetycznym, największe koncerny petrochemiczne świata przystąpiły zatem do prac, których celem jest redukcja poziomu emisji z produkcji etylenu. Zanim jednak o tych pracach, to wpierw krótkie przybliżenie tego, jak działają standardowe krakery. Surowcami do produkcji olefin są lekkie węglowodory gazowe, takie jak etan, propan, butan, jak również ciekłe produkty rafineryjne, np. benzyna ciężka, olej gazowy. Cięższe surowce dają większy udział produktów powstających obok etylenu (propylen, butadien, benzen) i wymagają bardziej rozbudowanej instalacji. Niższe olefiny są ważną grupą związków dla przemysłu chemicznego i są podstawowym surowcem do produkcji tworzyw i włókien sztucznych. W Europie zdecydowana większość produkcji etylenu pochodzi z przerobu benzyny ciężkiej – jest to produkt destylacji ropy naftowej.
Sam etylen jest podstawowym surowcem dla przemysłu organicznego. Ponad połowa jego ilości jest zużywana do produkcji polietylenu, oprócz tego jego wykorzystanie obejmuje polistyren (poprzez etylenobenzen i styren), glikole (poprzez tlenek etylenu), octan winylu (poprzez aldehyd octowy i kwas octowy) i polichlorek winylu (poprzez 1,2-dichloroetan i chlorek winylu). Kraking jest procesem przemiany węglowodorów nasyconych w węglowodory nienasycone. Jest to reakcja odwodorniania, którą można prowadzić metodą krakingu katalitycznego lub termicznego. Ogromna większość produkcji etylenu oraz propylenu odbywa się przy pomocy krakingu termicznego, to jest parowego. W wysokiej temperaturze, w obecności pary wodnej, wyższe węglowodory ulegają podziałowi na pożądane cząsteczki olefin.
Produkcja etylenu odbywa się w warunkach wysoce endotermicznych, w temperaturze przekraczającej 850 °C. Wymaga zatem nakładu dużej ilości energii, aby nastąpiła dysocjacja węglowodorów, a równocześnie trzeba stosować niskotemperaturowy rozdział produktów poprzez głębokie schładzanie do -150 °C. Kraker parowy musi być zaprojektowany jako instalacja wysoko zintegrowana energetycznie.
Całkowita energia zużyta w procesie krakingu jest najważniejszym składnikiem kosztu konwersji wybranego surowca dla uzyskania potrzebnych olefin. Pomimo tego, kraking parowy jest jedynym dostępnym na skalę przemysłową procesem produkcji pełnego zakresu olefin (etylen, propylen, butadien) i jest traktowany jako najlepsza dostępna technika. Jednocześnie też instalacje krakingu to zawsze bardzo duże jednostki produkcyjne, zużywające – jak wspomniano – potężne ilości energii w zakresie 15-50 GJ na tonę etylenu.
Literatura przedmiotu – "Charakterystyka technologiczna produkcji wielkotonażowch związków organicznych w Unii Europejskiej" (pod redakcją Mariusza Mihułki) – wskazuje, że istnieje wiele konfiguracji instalacji krakingu parowego, w zależności od wybranego surowca i produktów, jakie mają być uzyskane, ale wszystkie z nich składają się z czterech podstawowych sekcji:
Pionierski projekt BASF
Dążenie do obniżenia energochłonności produkcji i redukcji emisji gazów cieplarnianych to jeden z najistotniejszych wysiłków podejmowanych aktualnie przez branżę petrochemiczną. Spośród najbardziej intensywnych procesów chemicznych to właśnie przekształcenie procesów obejmujących kraking parowy i odejście od wykorzystania w nim paliw kopalnych uważane jest za najbardziej realistyczne do przeprowadzenia. W grę wchodzi tutaj elektryfikacja krakerów, to jest przestawienie ich na energię elektryczną, najlepiej pochodzącą z odnawialnych źródeł i w ten sposób osiągnięcie temperatury niezbędnej do produkcji podstawowych chemikaliów. W 2019 r. konsorcjum przedsiębiorstw petrochemicznych: Borealis, BP, LyondellBasell, Total, Versalis i Repsol ogłosiło wspólne badanie dotyczące możliwości eksploatacji krakerów parowych na benzynę lub gaz, wykorzystując energię odnawialną zamiast paliw kopalnych. W 2020 roku Dow i Shell podpisały porozumienie rozwojowe mające na celu przyspieszenie technologii elektryfikacji krakerów parowych. W marcu 2021 r. firmy BASF, SABIC i Linde ogłosiły zawarcie porozumienia w sprawie opracowania i demonstracji rozwiązań dla elektrycznie podgrzewanych pieców do krakingu parowego. Chociaż zaczęły najpóźniej, to na dzisiaj ich prace wydają się być najbardziej zaawansowane.
BASF, SABIC i Linde wyszły z założenia, że ich celem jest zbudowanie ogrzewanej elektrycznie jednostki demonstracyjnej krakingu parowego, która działa bez potrzeby stosowania paliwa węglowodorowego, a konkretnie spalania gazu ziemnego. Jeśli do zasilania e-pieca wykorzystywana będzie energia elektryczna ze źródeł odnawialnych, to nowa technologia krakingu parowego może potencjalnie zmniejszyć bezpośrednią emisję dwutlenku węgla o 95% lub więcej. Pozostała emisja dwutlenku węgla obejmie emisję powstającą w wyniku odkoksowania lub nieuniknionych działań związanych z niewielkim spalaniem na pochodniach podczas rozruchu i wyłączania w celu regularnych przestojów. Obiekt powstał w Ludwigshafen, gdzie BASF ma swoją siedzibę i został w pełni zintegrowany z jednym z dwóch istniejących w tamtej lokalizacji krakerów parowych BASF.
– Nasz projekt pokazuje, jak globalne firmy mogą współpracować, łącząc wiedzę specjalistyczną w zakresie rozwoju technologii, inżynierii, zaopatrzenia, budowy jednostek i ich eksploatacji. Pomyślna eksploatacja tej instalacji demonstracyjnej będzie kamieniem milowym na drodze do udostępnienia zrównoważonych rozwiązań przemysłowi petrochemicznemu. Naszym celem jest wykazanie wykonalności ciągłej produkcji olefin przy użyciu energii elektrycznej, jako źródła ciepła oraz zapewnienie punktu odniesienia dla zakładu na skalę przemysłową. Proces krakingu w elektrycznie podgrzewanym piecu parowym jest zasadniczo taki sam, jak w konwencjonalnej instalacji. Dlatego opracowujemy koncepcję, która umożliwi modernizację już istniejących zakładów. Biorąc to pod uwagę, elektryfikacja krakera parowego stanowić ma imponujący przełom techniczny. Technologia e-pieca niemal całkowicie eliminuje emisję CO2 z sekcji pieca podczas normalnej pracy ze względu na brak emisji bezpośredniej. Możliwe jest ograniczenie emisji dwutlenku węgla o 95% lub więcej. Korzystanie z energii odnawialnej obniży także emisję pośrednią. Inne oczekiwane korzyści wynikające z konstrukcji e-pieca obejmują ulepszony i bardziej równomierny dopływ ciepła, co poprawia wydajność krakingu i zmniejsza gromadzenie się koksu w reaktorze. Może to wydłużyć czas pomiędzy operacjami dekoksowania, co dodatkowo przyczyni się do obniżenia całkowitej emisji CO2 – tłumaczy Jürgen Nowicki, wiceprezes wykonawczy Linde i dyrektor generalny Linde Engineering.
Konstrukcja pieca elektrycznego ma być w stanie poradzić sobie ze wszystkimi rodzajami surowców stosowanych w przemyśle petrochemicznym. Mowa tutaj o surowcach, począwszy od etanu po ciężkie frakcje z przetwarzania rafineryjnego, w tym bionaftę/olej napędowy i olej pirolityczny – surowiec wtórny uzyskiwany z chemicznego recyklingu odpadów z tworzyw sztucznych.
Z informacji przedstawianych przez zaangażowane strony można się dowiedzieć, że w zakładzie demonstracyjnym badane są dwie różne koncepcje ogrzewania: bezpośrednie i pośrednie. W przypadku ogrzewania bezpośredniego prąd elektryczny doprowadzany jest bezpośrednio do rur procesowych wewnątrz reaktora. Zapewnia to energię cieplną wymaganą do zajścia reakcji chemicznej, przekształcającej surowiec w olefiny i związki aromatyczne. Ogrzewanie pośrednie polega na przepływie prądu elektrycznego do poszczególnych elementów grzejnych, które doprowadzane są do wymaganej temperatury. Wydajność instalacji demonstracyjnej dobrano tak, aby umożliwić bezproblemowe zwiększenie wydajności pieca do krakingu do rozmiarów komercyjnych. Instalacja demonstracyjna e-pieców będzie zużywać do 6 MW energii odnawialnej i przetwarzać około czterech ton surowca węglowodorowego.
Na początku 2024 roku instalacja w Ludwigshafen została ukończona i od tego czasu pracuje. BASF niedawno ogłosił, że technologia nadaje się do użytku w nowych zakładach, a także w istniejących krakerach parowych poprzez wymianę starszych pieców, modernizację istniejących lub dodanie nowych.
Nad innowacjami pracują także inni. Borealis, BP i TotalEnergies są zaangażowani w projekt „Kraker Przyszłości”. Nowa koncepcja pieca będzie wykorzystywać odnawialne i neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla źródła energii zamiast paliw kopalnych, aby znacznie zmniejszyć emisję dwutlenku węgla.
Patrząc na zagadnienie nieco szerzej, władze Borealisa podkreślają, iż przejście na gospodarkę niskoemisyjną wymaga instalacji znacznych wolumenów odnawialnych źródeł energii. Koszty energii odnawialnej wprawdzie maleją, ale zapotrzebowanie na odnawialne źródła stale rośnie. Borealis obawia się zatem pewnego rodzaju biznesowego kanibalizmu. Podaż nie podąża bowiem tą samą trajektorią, co popyt, więc może to prowadzić do wyższych kosztów operacyjnych. Znaczące udoskonalenia technologiczne, takie jak właśnie elektryfikacja krakerów, zwiększą zapotrzebowanie na energię elektryczną i mogą jeszcze bardziej zaostrzyć nierównowagę popytu i podaży energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, a w efekcie cenę tejże energii. Brak poprawy efektywności energetycznej może skutkować wyższymi kosztami w wyniku niepewności dotyczącej zapotrzebowania na uprawnienia i kosztów redukcji emisji, a także zużycia energii. Niemniej firma jest zdania, że wdrażanie technologii alternatywnych, takich jak elektryfikacja krakerów, zmniejszy bezpośrednie emisje dwutlenku węgla przez Borealis, co zapewni koncernowi przewagę rynkową i zwiększy jego udział w rynku dzięki obniżonym kosztom certyfikatów CO2 w ramach systemu EU ETS.
"Chemia i Biznes” to dwumiesięcznik biznesowo-gospodarczy, stworzony z myślą o firmach poszukujących rzetelnej, aktualnej i profesjonalnie przygotowanej informacji na temat rynku chemicznego i sektorów powiązanych.
WięcejSklep
Książka: Surfaktanty i ich zastosowanie w produktach kosmetycznych
95.00 zł
“Chemia i Biznes” nr 5/2024
30.00 zł
"Kosmetyki i Detergenty" nr 3/2024
30.00 zł
Książka: Atlas Mikrobiologii Kosmetyków
94.00 zł
Książka: Zagęstniki (modyfikatory reologii) w produktach kosmetycznych
78.00 zł
Emulsje i inne formy fizykochemiczne produktów kosmetycznych. Wprowadzenie do recepturowania
108.00 zł
WięcejNajnowsze
WięcejNajpopularniejsze
WięcejPolecane
WięcejW obiektywie
Targi Packaging Innovations stałym punktem w branży opakowaniowej
W dniach 9-10 października br. w EXPO Kraków, odbyła się 16. edycja Międzynarodowych Targów...
Targi Warsaw Pack ważne dla sektora opakowań
Warsaw Pack to wydarzenie, gdzie liderzy branży prezentują najnowsze technologie pakowania i...
Workshops&Networking PIPC „Cyfrowa i Bezpieczna Chemia” – podsumowanie II edycji
19-20 września 2024 r. w Hotelu Novotel City West w Krakowie odbyło się wydarzenie Polskiej Izby Przemysłu...
Wpływ zmian legislacyjnych na strategię rozwoju produktu
W Warszawie odbyła się konferencja „Wpływ zmian legislacyjnych na strategię rozwoju produktu – o...