Umwandlungsprozesse und -produkte von Erdgas, Erdöl, Kohle

Inhalt

Dieser Artikel befasst sich mit den Umwandlungsprodukten von Kohle, Erdgas und Erdöl, und den damit verbundenen Prozessen.

Kohle

Kohle ist ein bräunlich-schwarzes oder komplett schwarzes Sedimentgestein, welches durch die Karbonisierung von Pflanzenresten entsteht. Die bekanntesten Kohlearten stellen die Braunkohle und die Steinkohle dar. Die zu 50-70 % aus Kohlenstoff (C)bestehende Kohle ist ein wichtiger fossiler Brennstoff.

Entstehung

Die Karbonisierung von Pflanzenresten (auch als Inkohlung bekannt) ist der Entstehungsprozess der Kohle. Dieser Prozess dauert Jahrmillionen an und ist grob in zwei Phasen unterteilt.

Umwandlungsprozesse

Allgemein kann man die beiden Phasen wie folgt zusammenfassen:

Pflanzenmaterial -> Huminsäuren -> Torf -> Braunkohle/Steinkohle -> Anthrazit (-> Graphit)

Die einzelnen Umwandlungsphasen sind durch eine fortlaufende Abnahme ihres Wassergehaltes und flüchtigen Bestandteilen gekennzeichnet. Ihr C-Anteil nimmt währenddessen relativ zu.

Phase 1 (Biochemische Phase)
In der ersten Phase der Inkohlung, der Biochemischen Phase (auch Vertorfung) wandeln Pilze und Bakterien Zellulose und Lignin in Huminstoffe um. Der Kohlenstoffzunahme beträgt hier von 40 % auf 60 % circa 20 %. Durch Auflast entsteht Torf.

Phase 2 (Geochemischen Phase)
In dieser Phase nimmt der Wassergehalt auf bis zu 10 % ab. Der C-Anteil nimmt weiterhin zu, da CO2, H2O und CH4- abgegeben werden. Im Laufe der Geochemischen Phase verschwinden Zellulose und Lignin nahezu komplett.

Voraussetzungen
Folgende Rahmenbedingungen müssen gegeben sein, damit es zur Inkohlung kommen kann: neben einem feuchtwarmen Klima, üppiges Pflanzenwachstum, Sümpfe oder Moore (Aufnahmeort der Pflanzenreste, unter Luftabschluss) und Senken beziehungsweise Becken muss es durch Auflast oder gebirgsbildender Prozesse zu einer Druck- und Temperaturerhöhung kommen.

Umwandlungsprodukte

Koks
Koks dient als Brennstoff und Reduktionsmittel (in der Eisenproduktion). Asche und schwefelarme Fettkohle sind die Ausgangsstoffe für die Koksherstellung. Kohle wird auf Temperaturen > 1000°C erhitzt, sodass sich die Asche mit dem festen Kohlenstoff verschmelzen kann.

Briketts
Briketts werden vor allem aus gepresster Braunkohle gewonnen und dienen als Brennstoff.

Erdgas

Entstehung

Erdgas entsteht aus abgestorbenem und abgesunkenem, meist marinem organischem Material. Voraussetzung, damit sich aus dem abgelagertem Material Kohlenwasserstoffe bilden sind anoxische Bedingungen, sowie hohe Temperatur-und Druckverhältnisse nötig. Während dieses Prozesses entsteht Gas, das aufgrund der geringeren Dichte nach oben steigt und sich in einem porösen Speichergestein ansammelt. Außer durch geogene Prozesse, kann Erdgas auch durch die mikrobielle Zersetzung von organischer Substanz entstehen.

Eigenschaften

Erdgas ist ein brennbares, farb- und geruchloses Gas, mit einer Zündtemperatur von ca. 600°C. Da es eine geringere Dichte als Luft besitzt, sind 10 m³ von dieser nötig, um 1m³ Erdgas zu verbrennen. Erdgas besteht überwiegend aus Methan (ca.80%), kann jedoch auch höhere Kohlenwasserstoffe, Wasser, Schwefel, Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und weitere Zusätze enthalten.

Umwandlungssprozesse- und Produkte von Erdgas

Erdgas wird überwiegend zur Verbrennung genutzt, um die dabei entstehende Energie zu nutzen. Dies geschieht mittels Oxidation unter Zuführung von Sauerstoff und Flammenbildung und kann durch folgende Reaktionsgleichung beschrieben werden.

$\mathrm {CH_{4}+2O_{2}\longrightarrow CO_{2}+2H_{2}O}$

Die Umwandlungsprodukte dabei sind Kohlenstoffdioxid und Wasser.

Verarbeitung

Das geförderte Erdgas kann durch verschiedene Verfahren aufbereitet bzw. veredelt werden.

Trocknung

Bei der Trocknung werden unerwünschtes Wasser und höhere Kohlenwasserstoffe entfernt. Erreicht werden kann dies durch eine Absorptionstrocknung mit Triethylenglycol oder mittels Molekularsiebtrocknung.

Abtrennung von Kohlenstoffdioxid und Schwefelwasserstoff

Um Kohlenstoffdioxid und Schwefelwasserstoffe aus dem Erdgas zu abzutrennen, werden sie mit Hilfe eines hochsiedenden Lösungsmittel gebunden. Zusätzlich lässt sich der Schwefelwasserstoff nach dem Claus-Verfahren durch Zugabe von Sauerstoff unter hoher Temperatur zu Schwefel umsetzen.

Abtrennung von Stickstoff

Stickstoff lässt sich durch Tieftemperaturtrennung vom Erdgas abtrennen. Dabei steigt ein teil des Gases zusammen mit dem leichteren Stickstoff nach oben, während das Methangas sich nach unten absetzt.

Erdöl

Umwandlungsprozesse von Erdöl

Destillation von Rohöl

Das Rohöl wird zur Abtrennung der unterschiedlichen Bestandteile destilliert. Das Rohölgemisch wird in einem Röhrenofen auf über 360°C erhitzt, damit die Bestandteile gasförmig werden. Im an den Röhrenofen anschließenden Destillationsturm, der aus Glockenböden aufgebaut ist, sammeln sich die Destillate der Fraktionen. Im Destillationsturm nehmen die Temperaturen der Glockenböden von unten nach oben ab, weshalb die aufsteigenden Dämpfe abgekühlt werden und sich verflüssigen Die nicht verdampften schwersten Anteile im Destillationsturm fließen zum Boden der Kolonne und werden dort abgezogen. Es folgt erneut eine Fraktionierung bei niedrigem Druck und bei einem angelegten Vakuum. Durch den niedrigen Druck wird der Siedepunkt herabgesetzt, sodass es nicht zum Zerfall der Kohlenwasserstoffe kommt. Als Produkte der Erdöldestillation entstehen z.B. Gase (Methan, Ethan, Propan), Benzine, Heizöle, Schmieröle oder Bitum.

Raffination von Rohöl

Hydrotreating: Die Fraktionen aus der Destillation enthalten noch viele Schwefelverbindungen, die Katalysatoren in späteren Verfahren wie z.B. dem katalytischen Cracken zerstören würden. Die Verbindungen müssen entfernt werden. Dafür werden die Destillationskomponenten mit Wasserstoff vermischt und auf etwa 350°C erhitzt. Das heiße Gemisch gelangt in einen Reaktor mit speziellen Katalysatoren, in dem der Wasserstoff mit Schwefel-, Stickstoff- oder Sauerstoffverbindungen zu ungefährlichem Schwefelwasserstoff, Ammoniak und Wasser reagiert.

Cracken: Bei den verschiedenen Methoden des Crackens werden langkettige Kohlenwasserstoffe in kurzkettige gespalten, da der heutige Markt danach verlangt. Im Allgemeinen lässt sich das Cracken in zwei Gruppen einteilen: Das thermische und das katalytische Cracken.

Thermisches Cracken: Bei diesem Prozess werden keine Katalysatoren eingesetzt, weshalb auch die Rückstände der Destillation genutzt werden können die wegen hoher Schwefel- oder Schwermetallgehalte Katalysatoren schädigen würden. Gespalten werden die Kohlenwasserstoffe durch Druck und Erhitzen auf Temperaturen von 450-800°C. Edukte sind schwere Rückstandsöle aus dem Destillationsverfahren und Produkte sind z.B. Gasöl oder Petrolkoks.

Katalytisches Cracken: Beim katalytischen Cracken kommt es zum Einsatz von Katalysatoren. Somit erhöht sich die Ablaufgeschwindigkeit des Crack-Prozesses und es werden geringere Temperaturen und niedrigere Drücke als beim thermischen Cracken benötigt. Edukte sind schwere Gasöle und Produkte kurzkettige Olefine und Alkane.

Hydrocracken: Das Hydrocracken ist auch ein katalytisches Crackverfahren unter Zufuhr von Wasserstoff, bei dem aus langkettigen Alkanen (z.B. Vakuumgasöl) kurzkettige (z.B. Benzine) entstehen. Nebenprodukte die Anfallen sind Ammoniak und Schwefelwasserstoff.

Claus-Verfahren: Die Crack-Prozesse produzieren immense Mengen an Schwefelwasserstoff, der aus Umweltschutzgründen nicht ohne unkontrolliert verbrannt werden darf. Beim Claus-Verfahren wird der Schwefelwasserstoff unterstöchiometrisch unter Sauerstoffzufuhr in einem Reaktor verbrannt. Das Endprodukt nach weiteren Teilschritten ist Schwefel.

Umwandlungsprodukte von Erdöl

Flüssiggas: Enthält die leichtesten Bestandteile des Rohöls. Flüssige Lagerung unter geringem Druck in Tanks. Dient zu Heiz- und Kochzwecken, aber auch als Treibstoff.
Benzin: Ist der weltweit meistverkaufte Treibstoff der aus leichten, flüssigen Fraktionen des Rohöls besteht. Findet Verwendung als Motoren-, Flug- und Spezialbenzin. Aus Umweltschutzgründen wird das Benzin bereits in der Raffinerie entschwefelt.
Kerosin: Ist schwerer als Benzin und siedet bei höheren Temperaturen. Wurde früher zum Heizen und für die Beleuchtung genutzt. Heute hingegen als Betriebsstoff in der Luftfahrt.
Dieselöl: Dient als Treibstoff für Landwirtschafts- und Baumaschinen, Busse, Schiffe und Schwerverkehr. Es besteht aus „längerkettigen“ Kohlenwasserstoffen. Auch das Dieselöl wird aus Umweltschutzgründen weitestgehende in der Raffinerie entschwefelt.
Heizöle: Extraleichtes Heizöl besteht aus „längerkettigen“ Kohlenwasserstoffen und besitzt im Gegensatz zu vielen anderen Brennstoffen einen hohen Heizwert. Das schwere Heizöl besteht aus langkettigen Kohlenwasserstoffen und findet in der Industrie Anwendung.
Bitumen: Der zähflüssige, feste Rückstand aus der Destillation ist das Bitumen, welches als Dichtungs- oder Isolationsmaterial oder im Straßenbau verwendet wird.
Schmiermittel: Werden aus speziellen Basisölen aus dem Raffinationsprozess hergestellt. Sie verringern den Verschleiß und die Abnutzung bei Maschinen bzw. Motoren.
Ausgangsprodukt der chemischen Industrie: Weniger als 10% der Produkte aus Rohöl werden in der chemischen Industrie verwendet. Verwendung finden unter anderem Aromate, Weissöle oder der Schwefel aus der Entschwefelung.