VOC Volatile Organic Compounds Prosjekt i fag TPG4140 Naturgass Andreas Nysterud Bjørnar Strand Jim Erik Strand

Transkript

1 VOC Volatile Organic Compounds Prosjekt i fag TPG4140 Naturgass Andreas Nysterud Bjørnar Strand Jim Erik Strand

2 I: Sammendrag Rapporten tar for seg noen problemer med utslipp av VOC og vinklet spesielt fra petroleumsindustrien der oljetankere står for størsteparten av utslippene. Noen teknologier som omfatter behandling av VOC, for eksempel Coolsorption til Aker Kværner ASA er diskutert. Den største motstanderen av reduksjon i utslippene er den økonomiske belastningen en reduksjon i utslipp gir. Vi ser litt på dette sett fra oljeselskapenes side. Disse stoffene står også bak en del helsemessige problemer, samt påvirkning av miljøet generelt, bl.a. dyre- og plantelivet i og rundt de store byene. Rapporten peker på de vanligste skadene relatert til VOC og bakkenært ozon som er en bivirkning av utslippene. Myndighetene har her et stort ansvar i henhold til regulering av utslipp og varsling av befolkningen. I tillegg ser vi på hva som gjøres fremover i forbindelse med utslipp. 1

3 1. Innholdsfortegnelse I: Sammendrag.1 1. Innholdsfortegnelse Innledning: Volatile Organic Compounds (VOC) 3 3. Økonomi Miljøpåvirkning 4.1 Miljømessige konsekvenser Miljøtiltak Systemer for å fange opp VOC-gasser 5.1 Coolsorption Moss VOC Venturie Cargo System Konklusjon Kilder 14 2

4 2. Innledning: Volatile Organic Compounds (VOC) VOC-gasser, eller flyktige organiske forbindelser, er med å bidra til bakkenært ozon sammen med NOx og sollys. Ozon er som kjent gunstig i atmosfæren, hvor den filtrerer ut skadelig UV-stråling, men på bakkenivå er ozon giftig. NMVOC (non-methane volatile organic compounds) er regulert av Gøteborg-protokollen. Metan bidrar til økt bakgrunnsnivå av bakkenært ozon, men har liten betydning for de ozonepisodene som Gøteborg-protokollen har hovedfokus på. Derimot så blir utslipp av metan regulert i henhold til Kyoto-avtalen. Figur 1: Fordeling av NMVOC-utslipp. Kilde. SFT I Norge kommer om lag 55 prosent av NMVOC-utslippene fra avdamping ved lasting og lagring av råolje i Nordsjøen. Kilden er med dette den absolutt største med hensyn til NMVOC-utslipp i Norge. Andre store kilder er veitrafikk og bruk av løsemidler, som hver bidrar med ca. 15 prosent. 3

5 På grunn av økt aktivitet i oljeproduksjonen har de norske utslippene av NMVOC økt med ca. 15 prosent fra 1990 til 1999, da utslippet var tonn. Selv om det ikke iverksettes tiltak, forventes utslippene å gå ned fram mot år 2010 på grunn av redusert produksjon av råolje samt økt effekt av avgasskrav til kjøretøy. Figur 2:Historisk NMVOC-utslipp. Kilde: SFT 4

6 3. Økonomi Hvert år slippes det ut 3,75 M tonn VOC fra oljetankere på verdensbasis ifølge Venture AS. Dette tilsvarer en salgsverdi på over 700* millioner USD pr år. Ifølge Petroleum Review (oktober 2002 utgave) og PM-L-4 er gjennomsnittlig massetap på en oljetanker ca 0,2 %. Transport over store avstander kan gi tap opptil 0,28 %. Disse tallene er avhengige av oljesammensetning og transportlengde. I et økonomisk perspektiv bidrar dette med en økonomisk gevinst på ca * NOK per transport for en stor tanker som lastes med tonn olje. Oljeselskapene på norsk sokkel har beregnet at kutt i oljedamputslippene vil koste industrien fra 1,5 til 2 milliarder NOK fram til 2010 Ifølge Marie Norby (SFT) er et gjenvinningsanlegg for VOC på en oljetanker anslått til å koste ca 100 mill NOK. Oljeselskapene på norsk sokkel har inngått en avtale med Navion om å installere gjenvinningsanlegg for oljedamp på tre tankskip som laster olje på feltene på norsk sokkel. Kontrakten er på 230 millioner kroner, den inneholder gjenvinningsanlegg på fartøyene Navion Scandia, Navion Hispania og Nordic Stavanger, med opsjon på to til. Teknologien som er valgt for de nye anleggene er kondensasjonsanlegg i kombinasjon med dampkjeler. Dette skal redusere utslippene av oljedamp under lasteoperasjoner med 100 prosent. I Norge er de årlige kostnadene for å nå målsettingen i Gøteborg- protokollen beregnet av SFT til millioner kroner per år. Marginalkostnaden er beregnet til 2-4 kroner per kilo NMVOC. De flyktige gassene kan brukes som drivstoff for oljetankere og andre maskiner tilknyttet oljeindustrien, i tillegg kan VOC transportere til land for å videreforedles. Istedenfor at gassene lekker til atmosfærene er det gunstigere å bruke gassen som drivstoff for tankere. *Med en Oljetetthet på 800 kg/m3, oljepris på 20$/fat, gjenvinningsgrad på 50 % og 7,5 USD/NOK. 5

7 4. Miljøpåvirkning 4.1 Miljømessige konsekvenser Utslipp av VOC forekommer overalt men noen spesielle industrier er skyld i størsteparten av disse stoffene, bl.a. petroleumsindustrien. Stoffene har en stor miljømessig påvirkning og de mest vanligste er spesielle flyktige (volatile) stoffer, som betyr at de fordamper ved overflatebetingelser. Dette fører til at luften over fluidet i tankere mettes med VOC under transport og slippes senere ut i atmosfæren. VOC reagerer med nitrogenoksider (NOx) i atmosfæren og danner ozon ved jordoverflaten. Nitrogenoksider dannes i store mengder bl.a ved forbrenning av olje/petroleum (motorer) og biltrafikk, shipping og flytrafikk er det som bestemmer disse stoffenes utbredelse. Siden ozon er et produkt av disse stoffene vil diskusjonen videre også ta for seg problemer rundt ozon. VOC gasser forekommer også i andre produkter som maling, løsemidler og kosmetikk mm. Disse kildene kan gi et bidrag til den totale mengden i atmosfæren dermed gi ytterligere skade. Det er påvist en rekke akutte og kroniske symptomer pga direkte kontakt med VOC bl.a.: Akutte symptomer Kroniske symptomer - Øye-irritasjon - Kreft - Neseirritasjon - Leverskade - Sår hals - Nyreskade - Hodepine - Skadet sentralnervesystem - Kvalmhet - Svimmelhet - Astmautbrudd (anfall) I tillegg til disse symptomene så reagerer VOC med andre gasser som gir ytterligere skade bl.a. Ozon som er et problem i store byer. Reaksjonen mellom VOC og NOx er en såkalt fotokjemisk reaksjon som skjer i sollys og utbredelsen av ozon ved overflaten er derfor større i sydlige strøk. Av ulike årsaker er også utslippene av disse stoffene også størst der. 6

8 Vitenskapelige undersøkelser indikerer at ozon ved overflatenivå er skadelig, ikke bare for miljøet men også på menneskehelsen. Nærkontakt gir mennesker med astma forverrede symptomer, for friske gir det en målbar redusert lungefunksjon etter bare 6-7 timer. Etterfulgte symptomer kan være vondt i brystet, hosting, kvalmhet og oppkast. Studier viser at antall innlagte på sykehusopphold stiger i perioder med høye O 3 -verdier i de store byene. Kontakt med ozon i flere måneder vil gi permanente lungeskader. En rapport fra Departement of Health Commitee fra England 1995 estimerte at mellom 700 og dødsfall skyltes kontakt med ozon sommeren Avlinger, skog og annen vegetasjon blir også skadet av høye O 3 konsentrasjoner. Høye konsentrasjoner eller langtidskontakt med lave konsentrasjoner kan gi akutte og varige skader på disse miljøene. Det er primært fotosyntesen som blir påvirket og dette gir utslag i redusert vekst og økt aldring. Ødelagte avlinger for bøndene pga av ozon beløper seg til flere milliarder dollar hvert år bare i USA. I Norge er skadene fra direkte kontakt med ozon relativt små, men man estimerer likevel kostnaden til et sted mellom millioner kroner hvert år. Det er hovedsaklig hvete og potetavlinger som ligger til grunn for dette tallet. 4.2 Miljøtiltak Norske myndigheter har skrevet under en avtale om at den må gi informasjon til befolkningen hvis innholdet av ozon i luften overgår 160 µg\m 3. I visse søreuropeiske storbyer har man målt verdier over 360 µg\m 3 i enkelte perioder og dette kan ha stor innvirkning på befolkningen der. O 3 fungerer i tillegg som en katalysator på VOC på grunn av oksideringseffekten slik at utslipp i luft med høy O 3 -verdi gir en mer dramatisk økning i O 3 enn hvis det er lav verdi fra før. Norske målinger utført av Norsk Institutt for Luftforskning (NILU) konkluderer med at overskridelsene i Norge blir færre og færre. 162 µg \m 3 ble målt ved Osen i Hedmark i påsken 2003 men dette er en ganske beskjeden overtredelse. Målingene viser imidlertid at bakgrunnsnivået øker, noe som kan være problematisk da langtidseksponering for lave verdier 7

9 kan påvirke vegetasjon. Konstant import av forurenset luft fra Europa bidrar sterkt til denne endringen. For å få bukt med disse problemene, krever norske myndigheter at 70 prosent av lasteoperasjonene til havs skal foregå med reduksjonssystem for VOC fra Fra 2006 er kravet 95 prosent. Norge har vært en pådriver i europeisk sammenheng med å få redusert utslippene av VOC og NOx samt SO 2. Norge har signert Gøteborgprotokollen, en avtale der man forplikter seg til å redusere utslippene til et maksimum på tonn NOx og tonn VOC innen Det er allikevel viktigst at de andre landene i Europa holder avtalen siden utslippene fra Norge er forholdsmessig små. EU har kontraktfestet en reduksjon på 41 % av NOx og 40 % av VOC i løpet av Blir disse tallene innfridd blir det sannsynligvis slutt på advarsler pga høyt ozoninnhold i atmosfæren men det er meget sannsynlig at kvotene vil bli overtrådt i mange år. Figur 3: Illustrering av Ozonmolekylet. Kilde: SFT 8

10 5. Systemer for å fange opp VOC-gasser 5.1 Coolsorption Coolsorption er et danskgrunnlagt selskap, men som Aker Kværner nå eier 67% av. Aker Kværner har 25 års erfaring fra offshore olje og gass. Coolsorption produserer gassgjenvinningsenheter for drivstoff, kjemikalier og råoljedamp. Det originale Coolsorptionproduktet, er et gjenvinningsprodukt basert på den patenterte Cold Liquid Absorption -prosessen. Denne har blitt videreutviklet og i dag kan Coolsorption tilby flere løsninger bl.a. Carbon Vacuum Adsorption og Cold Liquid Pressure Absorption. Sistnevnte prosess kan gjenvinne store mengder gass og har små behov for areal. Prosessen er designet for å gjenvinne råoljedamp i størrelsesorden større enn 1000 kubikkmeter/time. Dette er typisk for lasting av oljetankere. Fordi avgassene settes under trykk, blir de komprimert slik at systemet tar liten plass i forhold til avgassvolumet. CLPA-prosessen er veldig fleksibel og robust, den tåler avgasser med høyt svovelinnhold og andre stoffer som er uakseptable i karbonfiltre. I CLPA-prosessen er gassen først komprimert til 3-6 bara. De komprimerte gassene blir så vasket med råolje i en preabsorber, eller en førabsorbsjon, hvor hydrokarbonene blir tatt opp i oljen. Gassene fra førabsorbasjonen blir så vasket med kald kerosen i en absorber. Gjennom en ventil, blir den rensede gassen sluppet ut fra absorberen. Ved hjelp av destillasjon, kan kerosen bli gjenvunnet i en separator. De konsentrerte gassene fra separatoren blir ført tilbake til, og blandet med den originale innstrømmen til preabsorberen. Figur 4: Coolsorption VOC recovery. Kilde: 9

11 5.2 MOSS VOC recovery system Kunnskaper om LPG, Ethylene og LNG er bakgrunnen for Hamworthy KSE s utvikling av Moss VOC recovery system. Det første systemet, installert på M/T Navion Viking, har siden vist seg å gjenvinne VOC som forventet. Systemet gir ingen problemer ved overføring av VOC fra en stasjon til en annen og gir alternativer til bruk av gjenvunnet VOC. Et prefabrikert system gjør det lett og installere om bord på skipet, og automatiserte prosesser gir lave utgifter for ekstra personell til styring og vedlikehold. Systemet er bygd opp av enheter som har vist sin kvalitet og har referenser rundt hele verden. Det er ikke nødvendig å slå av systemet under korte stopp i lastinga, og det kan fortsette å gå etter at lastingen har fullført, noe som resulterer i økt VOC-gjenvinning. Når skipet blir lastet, er gassen i tankene en miks av hydrokarbon- og inertgasser. Moss VOC recovery System gjenvinner de blandede hydrokarbonene fra tankene via en dedikert prosess og lagrer den flytende gassen i en separat tank på dekk. I starten er det relative hydrokarboninnholdet lavt, men øker opp til 70-90% under lasteprosessen. Gassen som blir matet fra tankene passerer et filter før den kommer inn i en skruekompressor. Den komprimerte gassen kommer så inn i en sjøvannskjøler, hvor vann og tunge hydrokarboner faller ut. Gass og væske går så inn i en tre-fase separator hvor vann blir tømt til en tank. VOC-gassen blir separert fra vannet og pumpes inn i VOC-tanken. Den gjenværende tørre gassen blir ført til en flerstegs varmeveksler, hvor første steg bruker gass til overs og kald VOC fra steg to som kjølemiddel. Steg to bruker kald propylen som kjølemiddel. Gass- og væskeblandingen blir så matet inn i en separator hvor lette hydrokarboner som etan, propan og butan blir skilt ut som væske. Flytende VOC blir så pumpet og blandet med væske fra førstestegsseparatoren før det blir videresendt til VOC-tanken på dekk. I VOC-tanken kan gjenvunnet gass ved lasting bli lagret under 18 barg trykk ved omgivelsestemperatur. 10

12 Figur 4: MOSS VOC recovery system. Kilde: Rune Bø, Venturie Med et overskudd av energi, og et høyvoltssystem tilgjengelig, kan energien tas rett fra skipet. Dette er ikke alltid standard på eksisterende tankskip, så en separat energikilde må installeres i tillegg. Moss VOC recovery system har en kapasitet på kubikkmeter/time. Systemets trykk er 12 bar, og gjenvinningsprosenten er minimum 78 % ved NMVOC. Gjenvunnet volum pr lasting er fra 250 til 350 kubikkmeter og det brukes alt fra 800 til 3700 kw. 5.3 VENTURIE CARGO SYSTEM Etter to års intensiv forskning og utvikling, samt empiriske forsøk, er nå Venturieenhetene operative på skip over hele verden. Den primære absorpsjonsenheten er konstruert slik at VOC-strømningen danner bobler med så liten radius at overflatearealet til den prosesserte gassen blir enormt. Kontaktarealet mellom gass og olje blir så optimalisert i henhold til massetransformasjon og strømning. En konsekvens av dette er at absorpsjonsprosessen starter øyeblikkelig i den primære absorpsjonsenheten og fortsetter i den sekundære enheten. For å oppnå optimal absorpsjon i begge steg, må oljestrømningen ledes inn i en tilsluttet generator med et minimum av turbulens. I første del av stabiliseringen er gassen brutt ned til ønsket boblestørrelse og stabilisert i oljestrømmen. En vesentlig del av absorpsjonen og stabilisasjonen mellom olje og gass skjer i denne prosessen. 11

13 Hovedstrømningen er indirekte koblet til skipets inertgass via en separator som sikrer en stødig strømning gass til generatoren. Blandingen av olje og gass blir så ledet inn i den sekundære absorpsjonsenheten. Denne enheten innehar den samme funksjonen som en vanlig absorpsjonstårn, men på grunn av lengden på mellom 20 og 30 meter har den et stort potensial ettersom trykket øker på vei ned mot utslippet. Denne enheten har grunnet sitt stabile nivå av turbulens i kombinasjon med økende trykk et økende potensial med absorpsjon. Til slutt bruker systemet den aktuelle trykkdifferansen i oljetanken, ettersom den prosesserte oljen pumpes ned i bunnen av tanken, hvor trykket øker med ca 1 bar pr 10 meter. Valg av pumpe, motor, startfunksjoner og kontrollenheter påvirker det optimaliserte potensialet, og kjøring av systemet som en helhet. Kontrollsystemet er laget i henhold til internasjonale standarder med hensyn til sikkerhet og kvalitet. Det består av et panel som inneholder kontroller, display, operatorbrytere, I/Omoduler og mer. Kontrollsystemets funksjonaliteter er blant annet automatisk/manuell operering av råoljepumpen. Ved automatisk kjøring av pumpen vil den starte på en forvalgt trykkverdi på inertgassen, og stoppes når trykket har sunket en bestemt verdi P. Disse trykkverdiene kan man forandre på kontrollpanelet. Verdier som temperatur og inerttrykk kan man holde øye med på kontrollpanelet. 12

14 6. Konklusjon Det er viktig at hele verden tar problemstillingen rundt VOC-utslipp på alvor. Derfor er det viktig at selskaper i oljeindustrien samarbeider for å redusere VOC-utslipp. I Norge er det et samarbeid mellom 23 rettighetshavere på Norsk sokkel inngått et samarbeid om å redusere utslipp av oljedamp ved bøyelasting på feltene. Norske myndigheter har pålagt oljeindustrien å redusere VOC-utslippene. For å nå kravene til myndighetene kreves store investeringer til gjenvinningsanlegg for VOC-damp. En av utfordringene innenfor VOC er å utvikle teknologi som klarer å gjenvinne metangass. Billigere teknologi er hovedutfordringen innenfor VOC gjenvinning. Først ved små kostnader knyttet til VOC-gjenvinning vil vi se betydelige resultater i form av lave utslipp av VOC. 13

15 7. Kilder: aspx Hanne Marie Øren(SFT) Venturie. AS Rune Bø (Venturie AS) Marie Norby (SFT) Egil Tvedt (Statoil)