Raffinerien | Umweltbundesamt

Raffinerien

In Deutschland sind zurzeit 14 Raffinerien in Betrieb, die im Jahr 2005 ca. 115 Mio t (davon 3,5 Mio t in Deutschland gefördertes) Rohöl verarbeiteten. Hinzu kam ein Wiedereinsatz raffinerieeigener Produkte von ca. 11 Mio t. Daraus entstanden 125 Mio t Produkte, was einer Auslastung der Produktionskapazitäten von 99,1 % entspricht.

Hauptprodukte einer Raffinerie sind Rohbenzin, Otto- und Dieselkraftstoffe, Heizöle und Heizölkomponenten. Den größten Anteil hat die Produktion von Dieselkraftstoff mit fast 28 % und gegenwärtig steigender Tendenz. ⁠Nebenprodukte⁠ sind Raffinerie- und Flüssiggas, Flugturbinenkraftstoffe, Spezialbenzine, Bitumen u.a.

Allgemeine Beschreibung des Herstellungsprozesses

Erdöl ist ein natürlich vorkommendes ⁠Gemisch⁠ aus Kohlenwasserstoffen verschiedenster Zusammensetzung (besonders Paraffine, Naphthene, Aromaten) mit unterschiedlichen Molekülgrößen, das unter Lagerstättenbedingungen flüssig ist. Außer Kohlenstoff und Wasserstoff sind im Wesentlich geringe Mengen und in unterschiedlicher Konzentration Schwefel, Stickstoff und Sauerstoff vorhanden. In chemischer Bindung sind außerdem die Metalle Vanadium und Nickel in Spuren enthalten.

Rohöle aus verschiedenen Lagerstätten weisen unterschiedliche Qualitätsmerkmale auf. Aus leichten Rohölen lassen sich überdurchschnittlich hohe Benzinanteile gewinnen, während schwere Rohöle im Allgemeinen zu einem höheren Anteil an schwerem Heizöl führen.

Das grundlegende Prinzip der Auftrennung des Erdöls in Komponenten verschiedener Siedebereiche ist die fraktionierte Destillation.

Wesentliche Produktionsanlagen und Teilanlagen einer Raffinerie:

• Feuerungsanlagen
• Trennverfahren
• Atmosphärische Destillation
• Vakuumdestillation
• Gastrennung
• Umwandlungsverfahren
• Thermisches Spalten (Visbreaking)
• Petrolkoksherstellung (Delayed Cokoing) und Kalzinierung
• Katalytisches Spalten (Fluid Catalytc Cracking - FCC)
• Hydrierendes Spalten (Hydrocracken)
• Blasbitumen-Herstellung
• Reformieren
• Isomerisieren
• Erzeugung von Methyltertiär-butylether (MTBE)
• Raffinationsverfahren
• Hydrierende Entschwefelung
• Mercaptanumwandlung (Süßen)
• Gaswäsche
• Extraktionen
• Schmierölraffination

Für alle genannten Prozesse existieren spezialisierte Verfahren, deren technische Ausgestaltung einerseits stark vom eingesetzten Rohstoff abhängt und andererseits von den örtlichen Gegebenheiten bestimmt wird.

Neben den Anlagen zur direkten Verarbeitung des Erdöls gehören zu einer Raffinerie Tanklager (Anlieferung, Ein-/Umlagerung und Verladung, Lagertanks), Fackeln, Abwasserbehandlung, Abgasreinigung und ggf. weitere.

In der einschlägigen Literatur sind diese angewendeten Verfahren beschrieben, z.B. in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Beilstein.

Umweltauswirkungen

Emissionen in die Luft

Die relevantesten Emissionen in die Luft sind Staub, SO₂, NO_x und Kohlenwasserstoffe. Emissionsfaktoren, bezogen auf den Rohöldurchsatz (ohne Kraftwerk und Petrochemie), sind in einer Vorstudie zu den besten verfügbaren Techniken in der Raffinerieindustrie zu finden.

Die Emissionen an Schwefeldioxid stammen aus Feuerungsanlagen, FCC und Clausanlagen. Stickoxide entstammen im Wesentlichen den Feuerungsanlagen. Staub wird hauptsächlich aus FCC-Anlagen und Kalzinierungen emittiert. Die wesentlichen Emissionen an Kohlenwasserstoffen (⁠VOC⁠) fallen im Prozessfeld und im Tanklager an.

Grundsätzlich stehen Raffineriebetreibern folgende Möglichkeiten zur Minderung von SO₂-Emissionen zur Verfügung, die entweder einzeln oder in Kombination eingesetzt werden können:

• Senkung des Schwefelgehalts der eingesetzten Brennstoffe, Vergasung von schweren Brennstoffen
• Einsatz von Rohöl mit niedrigem Schwefelgehalt
• Steigerung des Wirkungsgrads der Schwefelrückgewinnung (Clausanlagen)
• Anwendung von Sekundärmaßnahmen zur Abscheidung von SO₂ aus Rauchgasen       (d.h.Rauchgasentschwefelung)

Zur Emissionsminderung von Kohlenwasserstoffen werden folgende Verfahren eingesetzt:

• Gaspendelverfahren in Verbindung mit Unterspiegelbefüllung,
• Zuführung der Abgase zu einer Rückgewinnungs- und/oder Verbrennungsanlage

Emissionen in Gewässer

Anfall und Beschaffenheit von Abwasser aus der Erdölverarbeitung hängen von der Raffineriegröße, von der Art der Rohölverarbeitung und von den eingesetzten Rohölqualitäten sowie auch vom Alter einer Raffinerie ab. Prozesskondensate aus Strippern oder Dampfstrahlern fallen in der Destillation (atmosphärisch und Vakuum), beim Cracken und Coking, bei der hydrierenden Entschwefelung und bei der Bitumenherstellung an. Sie enthalten Kohlenwasserstoffe, Schwefelwasserstoff, Mercaptane, Phenole, Thiophenole, Ammoniumverbindungen, Cyanide, Naphtensäuren und Thiosulfate.

Direkte Kühlwässer (Abschreck- oder Quenchwässer) fallen bei der Gas- und Flüssigproduktkühlung nach thermischen Crackverfahren an. Sie enthalten Kohlenwasserstoffe, Phenole, Schwefelverbindungen und Thiosulfate. Wasch- und Sperrwässer fallen bei der Rohölentsalzung, bei den physikalischen Trennverfahren, bei der chemischen Raffination und in den Fackelanlagen an. Sie enthalten Kohlenwasserstoffe, Schwefelwasserstoff, Alkanolamine und andere Extraktionsmittel, Mercaptane, Ammoniumverbindungen sowie Säuren und Laugen.

Allen genannten Abwässern gemeinsam sind eine erhöhte Temperatur, der vom Neutralbereich abweichende ⁠pH-Wert⁠, die Feststoffbelastung und eine signifikante Toxizität gegenüber Wasserorganismen.

Schwermetalle in den Abwässern der Erdölverarbeitung stammen aus den Begleitstoffen des Rohöles (vor allem Nickel, Vanadium und Kupfer) sowie aus eingesetzten Säuren, Laugen oder Waschflüssigkeiten (Blei, Kupfer). Quecksilber kann als Begleitstoff von Erdgas auftreten. Eisen stammt vor allem aus der Anlagenkorrosion.

Die Cyanide entstehen bevorzugt in den Hochtemperatur-Raffinerieprozessen (insbesonders Cracken). Der gesamte gebundene Stickstoff erfasst sowohl die Stickstoffkomponenten des Rohöles, aber auch die über Arbeits- und Hilfsstoffe ins Abwasser eingetragenen Stickstoffverbindungen.

Organische Verbindungen des Abwassers werden summarisch über die Parameter CSB und BSB5 erfasst. Halogenierte organische Verbindungen (gemessen als AOX) können durch Reaktion von Salzen aus dem Rohöl mit organischen Verbindungen während der Verarbeitungsvorgänge, aber auch durch Einsatz derartiger Substanzen als Arbeits- oder Hilfsstoffe entstehen. Als Kohlenwasserstoffe treten Aliphaten, ein- und mehrkernige Aromaten wie auch Isoalkane im Abwasser auf. Phenole stammen vorwiegend aus thermischen und/oder katalytischen Crackprozessen.

Die Grenzwerte für die Beschaffenheit des Gesamtabwassers an der Einleitungsstelle sind im Anhang 45 der Abwasserverordnung zu finden.

Abfallmanagement

Typische Raffinerieabfälle sind Schlämme, verbrauchte Katalysatoren, Filterton und Asche aus der Verbrennung. Als weitere Abfallfraktionen fallen Reaktionsprodukte aus der Rauchgasentschwefelung, Flugasche, Grobasche, erschöpfte Aktivkohle, Filterstaub, anorganische Salze wie Ammoniumsulfat sowie Kalk aus der Wasservorbehandlung, ölkontaminierter Boden, Bitumen, Kehricht, verbrauchte Säuren und Laugen, Chemikalien u.v.m. an.

Die Entsorgung dieser Abfälle erfolgt durch thermische Behandlung, externe biologische Behandlung, Ablagerung auf dem Raffineriegelände und auf externen Deponien, chemische Immobilisierung, Neutralisierung und andere Methoden.

Maßnahmen, die die Auswirkungen der industriellen Tätigkeit einer Raffinerie reduzieren können, sind im BVT-Merkblatt über beste verfügbare Techniken für Mineral- und Gasraffinerien ausführlich beschrieben ( Zusammenfassung in Kapitel 5).

Neue Techniken

In einem Raffineriekomplex laufen enorme Energie- und Stoffströme ab. Rohstoffqualitäten und Anforderungen an die Raffinerieprodukte verändern sich. Grundlegende Schwerpunkte sowohl für den wirtschaftlichen Erfolg als auch für das Erreichen der ökologischen Ziele sind:  

• Sparsamer Umgang mit Ressourcen;
• Entwicklung von umweltverträglichen Produkten;
• Reduzierung von Schadstoffen in der Luft, im Wasser und im Boden;
• sachgerechte Information über Eigenschaften und sichere Anwendung der Produkte;
• Bemühen um Beseitigung von Schäden aus der Vergangenheit.

Auch im Mineralölsektor wird die Umsetzung der Unternehmensziele bereits unterstützt z.B. durch das Umweltmanagementsystem ISO14001 und ⁠EMAS⁠ oder auch das Qualitätsmanagementsystem DIN EN ISO 9000ff, wozu Transparenz und Risikokommunikation sowie betriebliche Umweltleistungskennzahlen gehören.

Die technische Entwicklung konzentriert sich gegenwärtig auf die Optimierung der vorhandenen Systeme um höhere Ausbeuten zu erzielen (Katalysatorforschung), die Energie noch effizienter einzusetzen (z.B. durch verbessertes Reaktordesign, Abwärmenutzung) und  die Stillstandszeiten für Wartung und Reparatur zu verkürzen.

Das BVT-Merkblatt über beste verfügbare Techniken benennt einige Prozesse/Bereiche, in denen zukünftig Entwicklungspotenzial zu erwarten ist ( siehe hierzu Kapitel 6).

Innovationen

Das Internetportal „Cleaner Production Germany” (CPG) des Umweltbundesamtes veröffentlicht umfangreiche Daten von Forschungsprojekten zu innovativen Techniken zum Schutz der Umwelt.