سیستم‌های کراکینگ نفتی با انتشار کم که با قوانین کربن سال 2025 هماهنگ هستند

درک فشارهای تنظیمی برای استفاده از سیستم‌های شکستن نفتی با انتشار کم

پدیده: افزایش فشارهای تنظیمی در مورد انتشارات تصفیه‌خانه‌ها

پالایشگاه‌های سراسر جهان اکنون بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته‌اند، زیرا دولت‌ها به تشدید قوانین کربنی خود ادامه می‌دهند. به عنوان مثال، سیستم معامله انتشارات اتحادیه اروپا (EU ETS) اکنون شرکت‌ها را با جریمه‌ای بالغ بر 110 دلار به ازای هر تن متريك در صورت تجاوز از محدوده CO2 آن‌ها تحت فشار قرار داده است. همچنین مقررات یورو VI هدف دارد تا میزان ذرات ریز در هوا را تا سال 2025 نسبت به سطح سال 2020 (طبق گزارش ICCT از سال گذشته) تقریباً 30 درصد کاهش دهد. این نوع مقررات تنها در اروپا اتفاق نمی‌افتد. تقریباً یک چهارم ایالت‌های آمریکا به طور عمده برنامه استاندارد سوخت کم‌کربن کالیفرنیا را تقلید کرده‌اند. در همین حال، در سوی دیگر اقیانوس آرام، چین سیستم بازار ملی کربن خود را راه‌اندازی کرده که شامل تقریباً 2200 واحد صنعتی مختلف است، بسیاری از آن‌ها عملیات پالایش نفت خام را از طریق فرآیند کرکینگ انجام می‌دهند.

چگونه سیستم‌های کرکینگ نفت بر ردپای کربنی تأثیر می‌گذارند

واحدهای کراکینگ کاتالیستی متالورژیکی (FCC) به دلیل مصرف بالای انرژی در فرآیندهای حرارتی و چرخه‌های متعدد بازیابی کاتالیست، مسئول حدود 40 تا 60 درصد از ردپای کربنی یک پالایشگاه هستند. بر اساس تحقیقات اخیر منتشر شده در سال 2024 از مطالعه تعادل مواد و انرژی، مدرن‌سازی سیستم‌های قدیمی کراکینگ می‌تواند به طور متوسط 34 درصد از انتشارات دسته یک را برای هر بشکه نفت فرآورش شده کاهش دهد. چندین حوزه وجود دارد که بهبودهایی در آن‌ها می‌تواند تفاوت واقعی ایجاد کند. برای شروع، تنظیم صحیح دمای راکتور می‌تواند از کوکینگ بیش از حد جلوگیری کند و به تنهایی مصرف گاز سوختی را 12 تا 18 درصد کاهش دهد. یکی دیگر از دستاوردهای بزرگ، نصب سیستم‌های بازیابی گرمای اتلافی است که به طور قابل توجهی نیاز به بخار را تا حدود 25 درصد کاهش می‌دهند. همچنین نباید از اهمیت تغییر به خوراک‌های ورودی حاصل از مواد زیستی غفلت کرد. این تغییر به تنهایی می‌تواند انتشارات چرخه عمر را تقریباً به میزان 52 درصد کاهش دهد و یکی از موثرترین راهکارهای موجود امروز باشد.

مطالعه موردی: پالایشگاه‌های اروپایی که با استانداردهای یورو VI و سیستم معامله انتشارات اتحادیه اروپا (EU ETS) همراهی می‌کنند

یک کنسورسیوم از پالایشگاه‌های راین-روهر موفق شدند انتشارات خود را در شش واحد کراکینگ در سال 2023 از طریق مداخلات مراحل مختلف 22% کاهش دهند:

همراهی با استانداردهای یورو VI و EU ETS، با سرمایه‌گذاری 740 میلیون دلاری، منجر به صرفه‌جویی 210 میلیون دلاری در هزینه‌های کربن و بهبود بهره‌وری شد و اثباتی بر این ادعا بود.

ادغام استراتژیک ESG و همراهی با استانداردها در عملیات پالایشگاهی

اپراتورهایی که می‌خواهند پیش قدم بمانند استراتژی‌های کنترل انتشار خود را با استانداردهای ESG همراه می‌کنند که شدت کربن را در مرکز توجه قرار می‌دهند. بر اساس آخرین پیشنهادات مؤسسه انرژی برای سال 2024، شرکت‌ها باید ردیابی انتشارات در زمان واقعی را به‌صورت مستقیم در صفحه‌های عملیاتی روزانه خود ادغام کنند. برخی از شرکت‌ها حتی شروع کرده‌اند تا حدود یک‌سوم از پاداش مدیران ارشد خود را به میزان دستیابی موفق به اهداف کاهش کربن پیوند دهند. این رویکرد به چیزی پاسخ می‌دهد که سرمایه‌گذاران امروزه بیشترین نگرانی را در مورد گزارش‌دهی محیطی دارند، اما زاویه دیگری نیز وجود دارد. شرکت‌هایی که این روش‌ها را امروز به کار می‌گیرند در موقعیت بهتری قرار دارند وقتی قیمت‌های کربنی افزایش پیدا کنند، چیزی که بسیاری از کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند در سال‌های آینده با سخت‌تر شدن مقررات دولت‌ها نسبت به گازهای گلخانه‌ای اتفاق خواهد افتاد.

نوآوری‌های موجود در فرآیندهای شکست کم انتشار و فناوری کاتالیزورها

فرآیندهای شکست دوستدار محیط زیست: پیشرفت‌های موجود در هیدروکراکینگ و FCC

امروزه هیدروکراکینگ در دمایی حدود 15 تا 20 درصد سردتر از روش‌های سنتی انجام می‌شود، معمولاً در محدوده 300 تا 400 درجه سانتی‌گراد. این کاهش دما به معنای استفاده کمتر از انرژی کلی است، در حالی که سطح تولید همچنان حفظ می‌شود. واحدهای کراکینگ کاتالیستی تورم‌پذیر نیز بهبودهایی را در اخیراً شاهد بوده‌اند، به‌طوری‌که طراحی‌های جدید محفظه احتراق کارایی احتراق را به‌طور قابل توجهی افزایش داده است. این تغییرات به کاهش حدود 12 تا 18 درصدی انتشار دی‌اکسید کربن در هر چرخه پردازش کمک می‌کنند. در مورد کاتالیست‌ها، نسخه‌های سیلیکا-آلومینا نیز امکان واقعی دارند. بر اساس تحقیقات منتشر شده توسط میزونو و همکارانش در سال 2023، این کاتالیست‌ها میزان تبدیل هیدروکربن‌ها را به‌طور تقریبی 25 درصدی نسبت به گذشته افزایش می‌دهند. چنین پیشرفت‌هایی باعث می‌شود که پالایشگاه‌ها بتوانند به‌راحتی الزامات سیستم معامله انتشارات اتحادیه اروپا را رعایت کنند.

کاتالیست‌های نسل جدید برای کاهش CO− در سیستم‌های کراکینگ نفت

نوآوری در زمینه کاتالیستورها برای کاهش کربن بسیار حیاتی است. زئولیت‌های نانوساختار با فلزات گران‌بها به بهبود کارایی شکستن هیدروکربن‌ها کمک می‌کنند و موجب افزایش ۳۰ تا ۴۰ درصدی سرعت واکنش‌های شیمیایی می‌شوند. کاتالیستورهای انتخابی امروزه تولید اولفین را به عنوان محصول اصلی در اولویت قرار می‌دهند و تشکیل کُک را که یکی از منابع عمده انتشارات مستقیم کربن است، به حداقل می‌رسانند. این امر منجر به افزایش ۱۰ تا ۱۵ درصدی انتخاب‌پذیری محصول و کاهش نیاز به بازپردازش و هدررفت انرژی مرتبط با آن می‌شود.

مطالعه موردی: کاتالیستورهای انتخابی با کاهش ۱۸ تا ۲۲ درصدی خروجی CO₂

در اواخر سال 2023، یک پالایشگاه در نزدیکی هامبورگ آزمایش‌هایی را روی کاتالیزورهای FCC اصلاح‌شده با کبالت در همان محیط تولید واقعی خود انجام داد. حدود شش ماه بعد، آن‌ها مشاهده کردند که انتشار گاز CO2 در مقایسه با استفاده از کاتالیزورهای قدیمی بین 18 تا 22 درصد کاهش یافته است. بهترین بخش این بود که تولید دیزل در تمام این مدت دقیقاً ثابت مانده بود. آنچه اتفاق افتاد این بود که این کاتالیزورهای جدید فلزات را به‌طور یکنواخت‌تری روی سطوح پخش کردند، که باعث شد واکنش‌های انتقال هیدروژن به‌مراتب بهتر عمل کنند. همچنین مقدار کمتری گاز سوختی به دود تبدیل شد. در مجموع، این امر به‌طوری معادل صرفه‌جویی سالانه حدود 2.7 میلیون یورویی از خرید کربن کریدیت‌های اتحادیه اروپا منجر شد. بنابراین در اینجا شاهد اثباتی هستیم که سبز شدن لزوماً به معنای هزینه بیشتر نیست.

یکپارچه‌سازی ذخیره‌سازی و جذب کربن در سیستم‌های شکستن نفت

فناوری‌های CCUS در پالایشگاه‌ها: کاربرد در واحدهای شکستن

سیستم‌های CCUS نقش مهمی در کاهش انتشارات CO₂ از پالایشگاه‌های نفت ایفا می‌کنند، به ویژه در مورد واحدهای کراکینگ. در اصل، این سیستم‌ها انتشارات را دقیقاً در محل تولید آنها جمع‌آوری می‌کنند، آنها را به شکل قابل حمل فشرده می‌کنند و به مکان‌هایی مانند مخازن آب شور عمیق زیرزمینی برای ذخیره بلندمدت ارسال می‌کنند. کمیته تغییرات آب و هوایی بریتانیا سال گذشته گزارش داد که اگر صنایع به فناوری CCUS به جدیت بپردازند، شاید تا سال 2035 شاهد کاهش حدود نیمی از انتشارات کل پالایشگاه‌ها باشیم. بیایید این موضوع را در چارچوب واقعیت قرار دهیم: واحدهای کراکینگ هیدروکربن‌های ضخیم و سنگین را گرفته و به سوخت‌های سبک‌تری تبدیل می‌کنند که مردم تمایل به خرید آنها را دارند. این بخش‌های خاص از پالایشگاه‌ها حدود 15 تا 25 درصد از کل انتشارات کربنی را تولید می‌کنند، بنابراین تعجب‌آور نیست که شرکت‌ها هنگام نصب مجدد واحدهای خود با راهکارهای دستگیر کردن کربن، اولویت بالایی به آنها می‌دهند.

راهکارهای CCS به طور خاص برای واحدهای کاتالیستی سیال کراکینگ (FCC)

واحدهای کراکینگ کاتالیستی سیال (FCC) که هدف آنها تبدیل نفت گاز سنگین به بنزین قابل استفاده است، شروع به به‌کارگیری فناوری جمع‌آوری و ذخیره‌سازی کربن (CCS) کرده‌اند که به‌طور خاص برای این فرآیندهای دمای بالا و کاتالیزوری طراحی شده است. نسل جدیدی از حلال‌های مبتنی بر آمین قادرند در حدود 90 تا 95 درصد از انتشارات CO2 را جذب کنند، بدون اینکه بیش از حد انرژی اضافی از سیستم بکشند. بر اساس تحقیقات اخیر منتشر شده توسط Inspenet در سال 2024، وقتی CCS در عملیات FCC ادغام می‌شود، انتشارات کلی را به میزان 18 تا 22 تن در هر ساعت کاهش می‌دهد. همچنین شاهد محبوبیت بیشتر سیستم‌های ترکیبی هستیم، جایی که روش‌های جذب پس از احتراق با تکنیک‌های احتراق اکسی‌سوختی ترکیب می‌شوند. این رویکردهای ترکیبی معمولاً در مناطقی که قیمت کربن از 80 دلار به ازای هر تن بالاتر رفته است، بهترین عملکرد را دارند و این سرمایه‌گذاری را از نظر اقتصادی برای بهره‌برداران نیروگاهی که به دنبال کاهش پایبندی زیست‌محیطی خود هستند، مقرون به صرفه می‌کنند.

تعادل بین هزینه و پایداری در به کارگیری CCS

CCS به طور قطع مزایای زیست محیطی دارد، اما گسترش گسترده آن به کاهش هزینه‌ها و هماهنگ کردن سیاست‌های حمایتی بستگی دارد. در حال حاضر، پیاده‌سازی CCS حدوداً ۱۲ تا ۱۸ دلار هزینه را برای هر بشکه نفت خام به همراه دارد و بیشتر این هزینه مربوط به ساخت تسهیلات ذخیره‌سازی و شبکه‌های حمل و نقل است. خبر خوب این است که شاهد برخی پیشرفت‌های امیدوارکننده هستیم. سیستم‌های جذب ماژولار و شبکه‌های لوله‌کشی اشتراکی CO2 در بسیاری از موارد هزینه‌های اولیه سرمایه‌گذاری را تا حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد کاهش داده‌اند. با توجه به آنچه دولت بریتانیا در استراتژی CCS خود برای سال ۲۰۲۴ برجسته کرده است، ترکیب معافیت‌های مالی مانند کسر مالیاتی ۸۵ دلاری برای هر تن با تلاش‌های گسترده در تولید هیدروژن می‌تواند پروژه‌های CCS در پالایشگاه‌ها را از لحاظ مالی در سال ۲۰۲۷ قابل سرمایه‌گذاری کند.

رقمندگی و هوش مصنوعی برای بهینه‌سازی انتشار در عملیات کراکینگ

بهینه‌سازی فرآیند مبتنی بر هوش مصنوعی در سیستم‌های کراکینگ نفت

امروزه سیستم‌های یادگیری ماشینی پیشرفته به انواع داده‌های خروجی از عملیات تجزیه نفت نگاه می‌کنند. آنها چیزهایی مانند نوع مواد اولیه‌ای که استفاده می‌شود، تغییرات دما در طول زمان و عملکرد کاتالیزورها را قبل از انجام تنظیمات لحظه‌ای پیگیری می‌کنند. برخی الگوریتم‌های خیلی هوشمند می‌توانند زمان‌های مناسب برای فرآیندهای تجزیه را پیش‌بینی کنند، معمولاً یکی دو روز قبل از آن. این امر به کاهش مصرف انرژی هدر رفته در هنگام انتقال از یک فرآیند به فرآیند دیگر کمک می‌کند. بر اساس یافته‌های اخیر سازمان انرژی بین‌المللی، واحدهایی که از هوش مصنوعی برای واحد تجزیه خود استفاده کرده‌اند، معمولاً ۱۲ تا ۱۸ درصد در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌کنند، نسبت به روش‌های قدیمی که کنترل آنها به صورت دستی بوده است. این تفاوت بسیار قابل توجه است، به ویژه با توجه به گرانی اخیر انرژی.

اتوماسیون و نظارت لحظه‌ای برای بهره‌وری انرژی

واحدهای شکست کاتالیستی سیال اکنون با سنسورهای اینترنت اشیا مجهز شده‌اند که سطح دی‌اکسید کربن، الگوهای توزیع حرارتی و عملکرد کاتالیست‌ها را ردیابی می‌کنند. این سیستم‌های هوشمند به‌صورت خودکار مواردی مانند مخلوط هوا و سوخت، زمان تزریق بخار و دمای بهره‌برداری راکتورها را در حین انجام عملیات تنظیم می‌کنند. تحقیقات سال گذشته در مورد کنترل انتشارات از طریق سنسورها چیزی بسیار قابل توجه آشکار کرد: در واقع این تنظیمات کوچک می‌توانند گازهای گلخانه‌ای تولید شده در طی فرآیند تصفیه را تا حدود بیست درصد کاهش دهند. برای تصفیه‌خانه‌هایی که سعی دارند استانداردهای محیط زیستی را بدون قربانی کردن تولید رعایت کنند، این نوع نظارت در زمان واقعی تفاوت بسیاری ایجاد می‌کند.

مطالعه موردی: واحدهای FCC بهینه‌سازی شده با هوش مصنوعی که مصرف انرژی را تا ۱۵ درصد کاهش می‌دهند

یکی از پالایشگاه‌های اروپایی اخیراً کنترل‌های پیش‌بینی‌کننده مبتنی بر هوش مصنوعی را برای واحد FCC خود به‌کار گرفته است، به‌ویژه با تمرکز بر چرخه‌های تولید انرژی‌بر. سیستم‌های یادگیری ماشین، بهترین تنظیمات مشعل‌ها و سرعت گردش کاتالیزورها را بر اساس نوع خوراکی که در هر لحظه وارد می‌شد، به‌دست آوردند. پس از گذشت حدود 18 ماه از راه‌اندازی این سیستم، مصرف گاز طبیعی به‌طور قابل‌توجهی کاهش یافت، حدود 15 درصد، که معادل تقریباً 3.2 میلیون واحد حرارتی بریتانیایی (MMBtu) در هر بشکه خوراک فرآورش‌شده است. چیزی که حتی بهتر است این است که موفق به حفظ کارایی کراکینگ در سطح بسیار عالی 99.2 درصد شدند. این داستان موفقیت‌آمیز نشان می‌دهد که رویکردهای مشابه می‌توانند در مقیاس بزرگ‌تر نیز به‌خوبی کار کنند، به‌ویژه برای واحدهای بزرگی که روزانه بیش از 200 هزار بشکه خوراک فرآورش می‌کنند و در عین حال استانداردهای عملکردی خود را حفظ می‌کنند.

سوالات متداول

چه عواملی اصلی‌ترین دلیل فشارهای نظارتی برای استفاده از سیستم‌های کراکینگ کم‌انبعاث نفتی هستند؟

مقررات سختگیرانه کربن و انتشارات، مانند سیستم معامله انتشارات اتحادیه اروپا و استاندارد یورو VI، باعث می‌شوند تا پالایشگاه‌ها سیستم‌های کم انتشار را به منظور جلوگیری از جریمه‌ها و تضمین انطباق پذیرش کنند.

سیستم‌های شکستن نفت چگونه بر ردپای کربنی یک پالایشگاه تأثیر می‌گذارند؟

سیستم‌های شکستن، به ویژه واحدهای شکستن کاتالیستی سیال (FCC)، به دلیل نیاز بالای به انرژی و چرخه‌های نوسازی کاتالیزور، سهم قابل توجهی در ردپای کربنی یک پالایشگاه دارند.

چه فناوری‌هایی را می‌توانند پالایشگاه‌ها اجرا کنند تا انتشارات خود را کاهش دهند؟

پالایشگاه‌ها می‌توانند از سیستم‌های بازیابی گرمای اتلافی استفاده کنند، به مواد اولیه حاصل از بیومس تغییر مسیر دهند و همچنین از CCUS و بهینه‌سازی‌های مبتنی بر هوش مصنوعی به منظور کاهش مؤثر انتشارات استفاده کنند.

چگونه می‌توانند پالایشگران هنگام به کارگیری فناوری‌های CCS هزینه و پایداری را با یکدیگر ترکیب کنند؟

تشویقات مالی، سیستم‌های مدولار دستگیری کننده و شبکه‌های اشتراکی لوله‌های CO2 می‌توانند به پالایشگاه‌ها در ترکیب هزینه با پایداری کمک کنند و این امر باعث می‌شود کاربرد CCS امکان‌پذیرتر شود.