AT508831A1 - Verfahren zur aufbereitung von erdölbegleitgas - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Begleitgas bei der Erdölförderung, welches Methan, Ethan, Propan, Kohlenwasserstoffe mit mehr als drei Kohlenstoffatomen und gegebenenfalls Propen enthält, wobei eine gasförmige Fraktion und eine flüssige Fraktion durch teilweises Kondensieren des Begleitgases gewonnen werden.

Bei der Erdölförderung aus Erdöllagerstätten mittels Erdölförderstationen fällt ein Begleitgas an, das fast ausschließlich aus Kohlenwasserstoffen besteht. Dabei handelt es sich um eine Mischung unterschiedlicher gasförmiger Kohlenwasserstoffe, hauptsächlich Alkane und Alkene. Dieses Begleitgas wird häufig als .Associated Petroleum Gas“ APG, früher auch als „Flare Gas“ bezeichnet. Für die Einspeisung in eine Gaspipeline ist dieses Begleitgas allerdings ungeeignet, da es im Vergleich zu Erdgas, das als Hauptkomponente Methan enthält, eine komplexe Mischung aus unterschiedlichen Kohlenwasserstoffen aufweist. Auf bestimmte Gaszusammensetzungen und Gasqualitäten hin optimierte Abnehmer können mit solchen Mischungen nicht optimal betrieben werden. Für die energetische Nutzung war dieses Begleitgas daher lange Zeit von geringer Bedeutung. Über viele Jahre hindurch wurde dieses ungenutzt verbrannt, woraus sich auch der frühere Begriff „Flare Gas“ ableitet. Diese Methode ist nicht nur umweltschädlich, sondern stellt auch eine Verschwendung wertvoller Ressourcen dar.

Eine Möglichkeit das Begleitgas zu nutzen liegt in der Verbrennung in mit Gasbrennern betriebenen Boilern. Der thermische Energiebedarf an den meist exponiert situierten Erdölförderstationen ist allerdings meist nicht so groß, wie Begleitgas vorhanden ist. Eine direkte Verwertung des Gases, indem es in ottomotorisch betriebenen Gasmotoren verbrannt wird, um in weiterer Folge Strom mittels eines Generators zu erzeugen, scheitert an der zu geringen Methanzahl des Begleitgases. Die Methanzahl ist ein Maß für die Klopffestigkeit und eine zu geringe Methanzahl bedeutet, dass die Klopffestigkeit des Begleitgases zu niedrig ist, um es mit Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen in Strom und Wärme umzuwandeln.

Um das Begleitgas für ottomotorische Verbrennung in einem Gasmotor nutzbar zu machen, muss dem Gasmotor in der Regel eine Gasaufbereitungsanlage vorgeschaltet werden. Hierfür sind unterschiedliche Technologien bekannt, unter anderem die Membrantechnologie oder das Abkühlen des Gases auf extrem niedrige Temperaturen. Dabei ist es üblich, 66734 38/sk

beinahe Erdgasqualität zu erzeugen, d.h. auf einen Methangehalt von über 85% zu erhöhen. Abgeschiedene höhenwertige Kohlenwasserstoffe können als Wertstoff durch Cracken oder durch direkte thermische Verwertung weiter verwendet werden.

Die Membrantechnologie zur Aufbereitung von Begleitgasen stellt einen relativ hohen technischen und finanziellen Aufwand dar. Auch die Alternative, das Abkühlen des Gases mit dem Ziel, dass die höherwertigen Kohlenwasserstoffe auskondensieren, ist sehr aulwendig, werden sie doch sehr niedrige Temperaturen in der Größenordung benötigt. So wird zum Beispiel Propan (C3H8) bei -42 Grad Celsius, Ethan (C2He) sogar erst bei -89 Grad Celsius flüssig. Derartige Temperaturen lassen sich zum Beispiel mit Turboexpandem erzeugen. Auch hierfür muss ein sehr hoher technischer und finanzieller Aulwand getrieben werden.

In der WO 2007/070198 A2 wird ein Verfahren zur Aufbereitung von Begleitgas bei der Erdölförderung vorgestellt. Bei diesem Verfahren geht es primär darum, eine methanreiche gasförmige Phase und eine methanarme flüssige Phase herzustellen. Dabei werden unterschiedliche Druck- und Temperaturverhältnisse genannt, wobei primär auf sehr niedrige Temperaturen und sehr hohe Drücke abgestellt wird, sodass eine gasförmige Phase entsteht, die beinahe ausschließlich Methan und geringe Spuren an Ethan enthält. Die dabei entstehende flüssige Phase weist allerdings immer noch einen hohen Methan- und Ethangehalt auf, was sich aus den beschriebenen Verfahrensbedingungen und beispielen ableiten lässt. Dies ist aber auch verständlich, da in der WO 2007/070198 A2 die Gewinnung einer flüssigen Phase mit hohem Energienutzwert im Vordergrund steht.

Die bisher angewendeten Verfahren, bei denen das Begleitgas auf so niedrige Temperaturen und Drücke abgekühlt wurde, dass beinahe reines gasförmiges Methan und ein Kondensat mit den übrigen Kohlenwasserstoffen entsteht, ist energetisch extrem aufwändig, da eine Abkühlung bis zum Siedepunkt von Ethan bzw. Ethen erforderlich ist, um eine Anreicherung von Methan in der Gasphase zu erzielen. Die WO 2007/070198 A2 erlaubt gewisse Rückstände an Kohlenwasserstoffverbindungen mit zwei Kohlenstoffatomen im Gas. Die Wahl der Verfahrensbedingungen sieht allerdings vor, dass die flüssige Phase einen sehr hohen Methangehalt aulweist, der natürlich auf Kosten der Qualität der gewonnen Gasphase geht. Die gewonnene Gasphase ist daher für die Umsetzung in einem Gasmotor angesichts der Methanzahl geeignet, die aufwendigen Verfahrensbedingungen machen den Betrieb des Gasmotors aber unwirtschaftlich. Die hochwertige gewonnene flüssige Phase muss außerdem noch abtransportiert werden. 3

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass die gewonnenen Produkte in der weiteren Verwertung besser einsetzbar sind. Insbesondere soll erzielt werden, dass die erhaltene gasförmige Fraktion in einem ottomotorisch betriebenen Gasmotor verbrannt werden kann, um über eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage Strom und Wärme zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, dass der Kondensationsvorgang bei solche Druck- und Temperaturverhältnissen ausgeführt wird, dass die gewonnene flüssige Phase im Wesentlichen frei von Methan, Ethan, Propan und gegebenenfalls Propen ist, und dass in der gewonnenen gasförmigen Phase im Wesentlichen das gesamte Methan, Ethan, Propan und gegebenenfalls Propen enthalten ist.

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, der Aufbereitung von Begleitgas Kohlenwasserstoffe mit hoher Methanzahl in die Gasphase zu überführen und Kohlenwasserstoffe mit niedriger Methanzahl auszukondensieren. Dabei wird ein gasförmiges Gemisch bereit gestellt, das im Wesentlichen das gesamte Methan, Ethan, Propan und allenfalls Propen enthält. Auf diese Art kann die Methanzahl in der gasförmigen Phase und somit auch die Klopffestigkeit des Gases erhöht werden. Die besondere Erkenntnis liegt dabei darin, dass Kohlenwasserstoffe mit mehr als drei Kohlenstoffatomen die Klopffestigkeit enorm erniedrigen, während Kohlenwasserstoffe mit bis zu drei Kohlenstoffatomen hervorragend in einem Gasmotor umgesetzt werden können. Insbesondere n-Butan und Isobutan sind dafür verantwortlich, dass die Klopffestigkeit verringert wird, während ein Gas mit den Hauptbestandteilen Methan, Ethan und Propan (gegebenenfalls auch Propen) eine Methanzahl aufweist, die sich für die Umsetzung in Gasmotoren, insbesondere auch mit vorgeschalteten Verdichtungseinrichtungen, hervorragend eignet. Ziel ist also die Abtrennung von n-Butan und Isobutan.

Im Gegensatz zum Stand der Technik kann also so eine besonders hochwertige gasförmige Phase gewonnen werden mit den wertvollen Bestandteilen Methan, Ethan und Propan, während die flüssige Phase die höherwertigen Kohlenwasserstoffe enthält, wobei sich diese Phase für eine allfällige Weiterverwertung immer noch hervorragend eignet. Unter diesem Gesichtspunkt stellt die flüssige Phase mit hohem Methangehalt, wie sie gemäß WO 2007/070198 A2 gewonnen wird energetisch betrachtet eine Verschwendung dar, da Gasmotoren deutlich sensibler sind, als Anlagen zur Verbrennung der gewonnenen flüssigen Phase. Auch das gemäß WO 2007/070198 A2 gewonnene Gas ist hinsichtlich der Energieausbeute nicht optimal, da ein hoher Teil des Methans verloren geht. 4

Bevorzugt ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass der Kondensationsvorgang bei einer Temperatur von -5 Grad Celsius bis -14 Grad Celsius durchgeführt wird. Besonders bevorzugt liegt der Temperaturbereich zwischen -7 Grad Celsius und -14 Grad Celsius. Da der Siedepunkt von Isobutan bei -11,7 Grad Celsius liegt, ist es also günstig wenn die Temperatur unterhalb von -11,7 Grad Celsius liegt.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Kondensationsvorgang mehrstufig erfolgt, wobei in einer Stufe auf eine Temperatur von -5 bis -8 Grad Celsius und in einer anderen Stufe auf eine Temperatur von -8 bis -14 bzw -12 Grad Celsius gekühlt wird. Auf diese Art können niedrig siedende Kohlenwasserstoffe in einer ersten Fraktion und höher siedende Kohlenwasserstoffe in einer zweiten flüssigen Fraktion gesammelt werden. Auf diese Art und Weise ist es aber auch möglich, in einem ersten Schritt allfälliges Wasser, das im Begleitgas enthalten ist, zu kondensieren.

Unter den oben gewählten Temperaturbedingungen ist es vorteilhaft, wenn gleichzeitig bestimmte Druckbedingungen eingestellt sind, da Temperatur und Druck für das Kondensationsverhalten von Gasen verantwortlich sind. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass der Druck beim Kondensationsvorgang zwischen 1 Bar und 16 Bar beträgt.

Bevorzugt ist weiters vorgesehen, dass die gasförmige Fraktion eine Methanzahl von wenigstens 40, vorzugsweise wenigstens 45 aufweist. Die Methanzahl als Maß für die Klopffestigkeit des Motors ist für den weiteren Verwendungszweck wichtig. Im vorliegenden Fall soll die gewonnene gasförmige Fraktion ja in einem Gasmotor umgesetzt werden, sodass eine Methanzahl von wenigstens 40, vorzugsweise wenigstens 45 gegeben sein soll.

Weiters kann in einer Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass die gasförmige Phase im Wesentlichen frei von n-Butan und Iso-Butan ist.

In einer weiteren Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass gegebenenfalls im Begleitgas vorhandener Wasserdampf entfernt wird. Dabei können Absorptionsmittel und Molekularsiebe wie Zeolithe oder bekannte Trocknungsmittel wie anorganische Salze beispielsweise eingesetzt werden. In der folgenden Tabelle 1 sei an einem Beispiel eine Zusammensetzung eines möglichen Begleitgases einer Erdölförderstation beschrieben:

Tabelle 1: Zusammensetzung eines Begleitgases (Beispiel):

Verbindung Mol. % co2 0.05 n2 3.78 Methan CH4 36.67 Ethan 15.29 Propan 23.17 Isobutan 6.16 n-Butan 9.73 Isopenta) 2.08 n-Pentan 1.88 Hexan 0.76 Cyclohexan 0.06 Heptane 0.18 Octane 0.14 Nonane 0.04 Decane und höherwertige Kohlenwasserstoffe 0.01 Total • 100

Das in der Tabelle beschriebene Gemisch weist eine Methanzahl von 32,7 auf und ist nicht für die Verbrennung in einem Gasottomotor geeignet. Nach einer Abkühlung auf etwa -14 Grad Celsius ergab sich ein gasförmiges Gemisch, das fast ausschließlich aus Methan, Ethan und Propan bestand und eine Methanzahl von 45 aufweist. Zusätzlich enthält das Gas Spuren an Kohlendioxid, sowie Stickstoff. Die übrigen Bestandteile sind fast vollständig im Kondensat enthalten. Die nachfolgenden Tabellen 2 und 3 zeigen außerdem noch einmal den Unterschied zwischen der gegenständlichen Erfindung und dem Stand der Technik.

Tabelle 2: Gasaufbereitung durch Abkühlung auf -12 Grad Celsius

Verbindung Siedepunkt (°Celsius) h2 Wasserstoff -253 n2 Stickstoff -196 CO Kohlenmonoxid -192 02 Sauerstoff -183 ch4 Methan -162 c2h4 Ethen -104 6 C2He Ethan -89 1 CM o o Kohlendioxid -79 C3He Propen -48 C3H8 Propan -42 o X ü Isobutan -12 c4h10 n-Butan -1 C5H12 Isopentan 28 C5H12 Pentan 36 c5h12 n-Pentan 36 c6h14 Hexan 69 CeHe Benzol 80 C7Hie Heptan 98

Tabelle 3: Gasaufbereitung durch Abkühlung auf -48 Grad Celsius

Verbindung Siedepunkt (°Celsius) h2 Wasserstoff -253 n2 Stickstoff -196 CO Kohlenmonoxid -192 o2 Sauerstoff -183 ch4 Methan -162 c2h4 Ethen -104 C2He Ethan -89 CM O O Kohlendioxid -79 C3H8 Propen -48 c3h8 Propan -42 C4H10 Isobutan -12 O X 0 n-Butan -1 C5H12 Isopentan 28 c5h12 Pentan 36 C5H12 n-Pentan 36 c8h14 Hexan 69 c8h8 Benzol 80 c7h18 Heptan 98

Wie aus den Tabellen 2 und 3 ersichtlich, werden bei der gegenständlichen Erfindung (Tabelle 2) alle gasförmigen Bestandteile mit Siedepunkten unterhalb von Isobutan in der Gasphase und darüber liegendem Siedepunkt im Kondensat gesammelt. Beim Stand der Technik (Tabelle 3), wo eine Abkühlung auf -48 Grad Celsius vorgesehen ist, erfolgt eine Anreicherung in der Gasphase an ausschließlich jenen Verbindungen, die einen Siedepunkt von C02 und darunter aufweisen, im Kondensat erfolgt eine Aufkonzentrierung der übrigen Bestandteile. Gemäß WO 2007/070198 A2 wäre überhaupt nur eine Anreicherung an CH4 in der Gasphase zu beobachten, eine saubere Auftrennung erfolgt nicht.

Berechnungen der Anmelderin ergaben, dass man bei typischen Begleitgas, das bei Ölförderstationen auftritt, nur wenige höherwertige Kohlenwasserstoffe abspalten muss, um moderne Verbrennungskraftmaschinen, die speziell für klopffreudige Gase konstruiert bzw. abgestimmt wurden, betreiben zu können. Hierzu zählen Heptan (C7H16), Benzol (CeHe), n-Pentan und Isopentan (C5H12) sowie n-Butan und Isobutan (C4H10). All diese Komponenten kondensieren bereits bei -12 Grad Celsius, sodass es ausreicht, das Gas bis zu dieser Temperatur abzukühlen. Das lässt sich mit handelsüblichen Kältemaschinen wie zum Beispiel Kaltwassersätzen sowie mit am Markt verfügbaren Wärmetauschern und Kondensatschleusen mit geringem Aufwand kostengünstig bewerkstelligen.

Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass das Gas nicht wie sonst üblich auf sehr niedere Temperaturen abgekühlt werden muss, sondern nur auf ca. -5 bis -14 Grad Celsius, vorzugsweise -12 Grad Celsius, um das Gas speziell für Verbrennungskraftmaschinen hinsichtlich Klopffestigkeit tauglich zu machen. Dadurch wird eine deutliche Kostenreduktion erreicht.

Innsbruck, am 01. Oktober 2009

Claims (9)

1 ·· φφ • · φ · · • · · · · φ φ φ · • # φ # φφ φφ φφ φφ • φ φ φ φ φ φ φφ φφ φ • φ φ φ φ φ • · φ φ φ φ φφ φφ Patentansprüche 1. Verfahren zur Aufbereitung von Begleitgas bei der Erdölförderung, welches Methan, Ethan, Propan, Kohlenwasserstoffe mit mehr als drei Kohlenstoffatomen und gegebenenfalls Propen enthält, wobei eine gasförmige Fraktion und eine flüssige Fraktion durch teilweises Kondensieren des Begleitgases gewonnen werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensationsvorgang bei solche Druck- und Temperaturverhältnissen ausgeführt wird, dass die flüssige Phase im Wesentlichen fiei von Methan, Ethan, Propan und gegebenenfalls Propen ist, und dass in der gasförmigen Phase im Wesentlichen das gesamte Methan, Ethan, Propan und gegebenenfalls Propen enthalten ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensationsvorgang bei einer Temperatur von -5 Grad Celsius bis -14 Grad Celsius durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensationsvorgang bei einer Temperatur von -7 Grad Celsius bis -12 Grad Celsius durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensationsvorgang mehrstufig erfolgt, wobei in einer Stufe auf eine Temperatur von -5 bis -8 Grad Celsius und in einer weiteren Stufe auf eine Temperatur von -8 bis -12 Grad Celsius gekühlt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck beim Kondensationsvorgang zwischen 1 bar und 16 bar beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gasförmige Fraktion eine Methanzahl von wenigstens 40, vorzugsweise wenigstens 45, aufweist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gasförmige Phase im Wesentlichen frei von n-Butan und Isobutan ist. 66734 38/sk ·· ·· »· ·· • · · · · · • ·· ·· · • · · » • · · · ·· ··

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8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Begleitgas gegebenenfalls vorhandener Wasserdampf entfernt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserdampf durch Kondensation, Absorption oder Kombinationen daraus entfernt wird. Innsbruck, am 01. Oktober 2009