Chemie Technik - Einsatz von Stickstoff-Generatoren in der Öl- und Gasindustrie

Artikel Chemie Technik 06/2019

Stickstoffproduktion in Eigenregie

Wer Öl und Gas fördert oder weiterverarbeitet, benötigt Stickstoff – etwa um Explosionen zu vermeiden oder um Formationswasser aufzubereiten und zu entölen. Für eine unterbrechungsfreie Versorgung kann es sich lohnen, dieses Gas mit Stickstoff-Generatoren selbst herzustellen. Das zeigen zwei Beispiele aus Russland und Österreich.

Die Ölraffinerie im russischen Orsk befindet sich knapp 2.000 km hinter Moskau und weit entfernt von den üblichen Transportwegen. Die Anlage stellt neben Ottokraftstoff, Dieselkraftstoff, Heizöl und Kerosin auch Flüssiggase wie Propan und Butan her. Dafür durchlaufen das über Pipelines gelieferte Erdöl und die späteren Zwischenprodukte eine Reihe von Verfahren zur Reinigung, Destillation und Konversion. Bei vielen dieser Verarbeitungsprozesse muss dabei mit Stickstoff inertisiert werden, um zu vermeiden, dass es durch die Kombination aus Sauerstoff, einer Zündquelle und einem Zündgas zur Explosion kommt. Der Stickstoff verdrängt den Sauerstoff und unterbindet damit wirksam die Entstehung von Explosionen.

PSA-Technologie sorgt für hochreinen Stickstoff vor Ort

Der hierfür benötigte Stickstoff wurde bis vor einigen Jahren als Flüssigstickstoff per Lkw in die Ölraffinerie geliefert. Gerade in der abgelegenen Gegend an der Grenze zu Kasachstan war diese Lieferung jedoch nicht immer zuverlässig und mit hohen Kosten verbunden. Das Risiko eines Produktionsstillstandes aufgrund von Stickstoff-Lieferengpässen stellte ein enormes Risiko für den Raffineriebetreiber dar. Dessen Management verfolgte daher das Ziel, durch die Stickstofferzeugung vor Ort ist Kosten zu sparen. Der Anlagenbauer Inmatec plante daraufhin auf Basis der benötigten Mengen eine Stickstoffanlage für die Erdölraffinerie in Orsk. Mit der Anlage lassen sich bis zu 2.500 m3/h Stickstoff mit einer Reinheit von 99,95 % und 8,1 bar Ausgangsdruck erzeugen. Die Anlage PN PAN 48.000 verfügt über eine Zertifizierung nach dem Regelwerk der russischen Zollunion TR CU 032 für Produkte, die mit Überdruck arbeiten, und erfüllt die Anforderungen der Atex-Richtlinien der EU für Explosionsschutz. Mit den Maßen von 8,5 m Länge x 7,8 m Höhe x 5 m Breite ist sie in der Raffinerie in einer eigenen Halle untergebracht. Sie ist ausgestattet mit zwölf Adsorptionsbehältern zur Trennung der Sauerstoffmoleküle von den Stickstoffmolekülen auf Basis der Druckwechsel-Technologie (PSA). Dabei wird die Umgebungsluft mit zwei Turboverdichtern auf 9,1 bar verdichtet und anschließend mit einer Druckluftaufbereitung von Öl, Staub und Wasser gereinigt. Anschließend wird die saubere und trockene Luft über speziell konstruierte Ventile geleitet, die mit je zwei Aktivkohlebehältern verbunden sind. Die Ventile regeln automatisch die abwechselnde Befüllung der mit einem Kohlenstoff-Molekularsieb gefüllten Adsorptionsbehälter. Die Behälter schalten wechselweise vom Produktions- in den Regenerationsmodus. Auf diese Weise werden in einem Behälter Sauerstoff- sowie Kohlendioxidmoleküle aus der Umgebungsluft adsorbiert, während der zweite Behälter unter Druckluftentlastung regeneriert. Der so hergestellte kontinuierliche Stickstoffstrom gelangt schließlich zur Pufferung in verschiedene Produktbehälter mit einem Volumen von mehreren Tausend Kubikmetern. Um selbst Stromausfälle in der Raffinerie überbrücken zu können, wird darüber hinaus ein Hochdruckverdichter mit 500 m3 unter 40 bar Druck befüllt. So stehen zusätzlich bis zu 20.000 m3 Stickstoff als Reserve zur Verfügung, um im Notfall die erdölverarbeitenden Prozesse der Raffinerie sicher herunterfahren zu können.

Stickstoffeinsatz in verschiedenen Bereichen der Raffinerie

Der selbst erzeugte Stickstoff kommt in der Raffinerie in unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz. Nicht nur wird der Kopfraum der Öltanks mit Stickstoff befüllt, um hier beim Lagern kein explosionsfähiges Gemisch entstehen zu lassen. Der Stickstoff spielt auch beim Reinigen der Tanks eine wichtige Rolle: Insbesondere in Öl-Lagertanks setzt sich eine Schlacke am Boden ab, wodurch der Tank an Lagerkapazität verliert. Daher muss der Betreiber die Öltanks in regelmäßigen Intervallen reinigen. Um dabei entzündliche Reaktionen zwischen Ölrückständen und Reinigungsmittel zu vermeiden, werden die Tanks mit Stickstoff leergedrückt und ausgeblasen. Darüber hinaus dient der Stickstoff als Sperrgas im Turboverdichter. Dieser erhöht den Druck der in der Raffinerie produzierten Gase bei der Einleitung in die Pipelines auf 55 bar. Hier überlagert der Stickstoff die Gleitringdichtung, welche die rotierenden Wellen gegenüber dem Maschinengehäuse abdichtet. Dies verhindert, dass das Prozessgas in den Motor eindringt oder sich entzündet.
Die nicht benutzten Rohrleitungen des Raffinerie- Rohrleitungsnetzes werden ebenfalls mit Stickstoff inertisiert, damit Gasrückstände keine explosionsfähige Atmosphäre bilden. Ferner werden die Leitungen mit Stickstoff auf Leckagen geprüft, um Schäden und Ausfall der Produktion im Vorfeld zu unterbinden.

Einen weiteren Einsatzzweck von Stickstoff in der Öl- und Gasproduktion zeigt das Beispiel eines österreichischen Erdölproduzenten. Dieser fördert im Wiener Becken bis zu 700.000 t/a Erdöl. Dabei kommt auch eine große Menge Wasser zu Tage, das sich in den Erdöllagerstätten in Tiefen zwischen 500 und 4.000 m über Millionen von Jahren gebildet hat.

Aufbereitung und Entölung von Formationswasser

Der Anteil dieses sogenannten Formationswassers beträgt bis zu 93 % der Fördermenge. In den Gewinnungsstationen des Erdölunternehmens in Matzen wird das Formationswasser, das einen Ölanteil von 300 ppm enthält, abgetrennt und über Leitungen in die Wasseraufbereitungsanlage Schönkirchen weiterbefördert. Ziel ist es zum einen, das Formationswasser zu reinigen, wieder in die Lagerstätten zurückzuführen und so den natürlichen Kreislauf zu schließen. Zum anderen gelangt das abgezogene Öl zur Weiterverwertung an die Gewinnungsstationen zurück.
Stickstoff spielt bei der Formationswasser-Aufbereitung in verschiedenen Prozessen eine wichtige Rolle. So dient es hier nicht nur als Inertgas zur Vermeidung von Explosionen, sondern unterstützt auch als Prozessgas verschiedene Verfahren zur Reinigung des Formationswassers. Die Formationswasser-Aufbereitungsanlage in Schönkirchen reinigt das Wasser in einem dreistufigen Prozess. Die Überlagerung durch Stickstoff schließt Sauerstoff aus und unterbindet somit die biologische Aktivität von Mikroorganismen sowie Korrosionen in Anlagenteilen. Dies steigert die Ausfallsicherheit der Anlage, die eine Verfügbarkeit von 99,9 % erreichen soll. In der Flotationszelle der Anlage heben außerdem eingemischte Stickstoffblasen künstlich generierte Flocken aus Ölpartikeln und Polymeren an die Oberfläche. Der entstehende Flotatschlamm lässt sich so leicht abschöpfen und weiterverarbeiten. Das in den verschiedenen Prozessschritten in Schönkirchen abgetrennte Öl gelangt anschließend über Pipelines zurück zu den Gewinnungsstationen. Die Rohrleitungssysteme werden dabei ebenfalls mit Stickstoff beaufschlagt. Von hier aus wird das Öl zu einem großen Tanklager in Auersthal und schließlich zur Raffinerie in Schwechat geleitet.

Um die erforderlichen Stickstoffmengen für diese Prozesse zu produzieren, kommen zwei IMT-PN- 2150-Generatoren von Inmatec zum Einsatz. Darüber hinaus beinhaltet die Stickstoffanlage, die in einer eignen Halle untergebracht ist, zwei Druckluftkompressoren und redundante Ventilblöcke, um für eine hohe Ausfallsicherheit zu sorgen. Die Anlage liefert 50 m3/h Stickstoff mit einer Reinheit von 99,9 %. Zur Pufferung des Gases stehen zwei Produktbehälter mit je 1.500 l, zwei Produktbehälter mit je 4.000 l sowie ein 10.000-l- Pufferspeicher für Produktionsspitzen zur Verfügung.

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