CN101939404B - 提炼含有有机成分的原材料的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
根据本发明，提炼含有有机成分的原材料例如含有油和/或沥青的固体具体地为油砂或焦油砂或者油页岩由以下步骤来实现：将所述原材料供应到反应器，并在约300℃至1000℃的温度、优选地约500℃至800℃的温度下排出燃料气体；将留在所述反应器中的包括未蒸发的重烃馏分在内的固体引入到炉中；在所述炉中在600℃至1500℃、优选地700℃至900℃的温度下燃烧留在固体中的所述重烃；使热的固体从所述炉再循环到所述反应器中，其中，通过阻挡设备将所述炉的氧化气氛与所述反应器的气氛隔开。
Description
技术领域
本发明涉及提炼含有有机成分的原材料的方法和装置，所述含有有机成分的原材料例如含有油、沥青和/或油母质的固体，具体为油砂或焦油砂或油页岩。
背景技术
鉴于石油矿藏的日益短缺，含有有机成分的原材料例如油砂或焦油砂或者油页岩的经济开采已备受关注。油砂或焦油砂是粘土、砂、水和烃的混合物。后者可以具有从沥青到正常原油的不同组成和范围。砂中的烃含量在约1％和18％之间。开采的经济效益随烃含量而增加。油砂或焦油砂通过表层采矿来回收。当从较深的土层中提取它们时，已经现场实现了油砂或焦油砂的最初处理。将蒸汽引入到矿藏中，以使烃液化。因此，这种油回收需要非常多的水，另外，这些水不能从油中完全排出。
油页岩是含有沥青或低挥发性油的岩石。有机物(油母质)的含量在约10％和30％之间。从岩石学含义讲，油页岩不是页岩，而是分层的非片岩状的沉积岩。从油页岩中回收烃(例如油)传统上通过采矿和随后的热解(在500℃进行干馏)来实现。可选地，还使用地下回收(现场)，通过将蒸汽-空气混合物挤压到先前通过爆破而松散的岩石中，并点燃火焰前缘，从而使烃诸如油排出。
因此，先前从油砂或焦油砂或者油页岩中回收烃诸如原油相对而言成本高。随着油价格上涨，从油砂或焦油砂和油页岩中回收诸如原油的烃在经济方面变得日益重要。当前从油砂或焦油砂和油页岩中回收诸如原油的烃的主要问题是需要消耗大量的水，并排出含有残油的废水。
根据美国专利4,507,195，已知的是用于使在曲颈瓶中蒸馏的固体上的被污染的油页岩或焦油砂油焦化的方法。这里，使烃质固体与热的热传递物质混合，以将固体的温度升高至适合于烃热解的温度。使混合物保持在热解区，直到释放出足够量的烃蒸气为止。在热解区中，汽提气体穿过混合物，从而降低得到的烃蒸气的露点，并夹带细颗粒。因此，从热解区获得被污染的烃蒸气、汽提气体和夹带的细颗粒的混合物。从被污染的烃蒸气中分离重馏分，并在由细颗粒组成的流化床中进行热裂化，由此杂质与焦炭一起沉积在流化床中的细颗粒上。从焦化容器中排出产物油蒸气。使用来自热解的油页岩或焦油砂的再循环的固体残渣作为热传递物质，其被引导穿过燃烧区，从而使剩余的碳燃烧，并为原材料的热解提供热量。因为在燃烧区和热解炉之间没有压力密封，燃烧区的氧化气氛可以进入热解炉，并对油蒸气的品质造成不利影响。焦化容器中的热裂化还消耗大量的能量，因此成本高。
根据EP 1 015 527B1，已知的是用于含挥发性、易燃成分的原料的热处理的方法，其中，原料在具有相对高的温度的热解反应器中与来自收集仓的热的粒状固体混合。这会导致反应器中的气体和蒸气的裂化反应。
除了在上述方法中使用的热裂化之外，还已知的是催化裂化方法。在流体催化裂化(FCC)中，将炼油厂的重馏出物分解成气体、液化气体和汽油，优选地分解成长链正烷烃和异烷烃。裂化通常借助于硅酸铝基沸石催化剂在450℃和550℃之间的温度和1.4巴的反应器压力下实现。例如，在US 7,135,151B1、US 2005/0118076A1或US2006/0231459A1中描述了FCC裂化器。在WO 2006/131506A1中公开了示例性的催化剂。
作为用于进一步处理烃馏分的其它可能性，通过实施例提及了加氢处理和加氢裂化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于使用原材料的有机成分的更有效的方法，所述原材料例如为含有油和/或沥青的材料，具体为油砂或焦油砂或者油页岩。
这一目的基本上使用本发明由具有以下步骤的方法来解决：
-将原材料供应到反应器中，并在约300℃至1000℃、优选地约500℃至800℃的温度下排出燃料气体，
-将留在所述反应器中的包括重烃的未蒸发馏分在内的固体引入到炉中，
-在600℃至1500℃、优选地700℃至900℃的温度下在炉中燃烧留在所述固体中的重烃，
-使热的固体从所述炉再循环到所述反应器中，其中，通过流化固体密封将所述炉的氧化气氛与所述反应器的气氛隔开。
在反应器中，包含在原材料中的烃可以优选地在400℃至790℃的温度下作为燃料气体挥发优选地60％至80％，特别优选地65％至70％，并且经气体净化后，有利地用在例如冶金方法(例如，含铁矿石的还原)、煅烧方法(例如，金矿等)、煅烧炉(Al2O3、明矾土、石膏、壤土等)或造粒装置中。留在固体中的剩余量的烃在被构造成热发生器的炉中燃烧，从而提供在反应器中需要的热，该热进而通过从炉中取出的固体传递到反应器中。在炉和反应器之间提供密封，从而将炉的氧化气氛与反应器的蒸馏段隔开，避免在反应器中产生的燃料气体发生氧化、燃烧或者甚至爆炸。根据本发明的优选方面，在被引入到反应器中之前，在一级或多级方法中将原材料干燥和/或预热。干燥可以在约80℃至120℃的温度下进行，预热可以在约110℃至300℃的温度下进行。在相当低的有机成分损失下，应当从原材料中除去大量的水含量，其中，例如通过蒸馏分离包含在原材料中的超轻烃，并作为产物供应到源自反应器的燃料气体。可以将水提供到污水处理装置。预热是为了使从炉再循环到反应器中的作为热传递介质的质量流量最少化。因此，可能被另外供应到反应器中的热能减少，或相应地悬浮预热器。作为预热器，可以使用具有热传递介质的流化床，或者还可以间接地传递热量。
反应器用于具体地蒸馏脱出包含在干燥后的和/或预热后的原材料中的有机成分作为燃料气体。为了使供应到反应器中的固体的热传递最优化，例如可以使用循环流化床、固定流化床、环形流化床或传送反应器或闪蒸反应器。
在随后的步骤中，可以例如通过脱硫或裂化将获得的燃料气体处理成一致的或不同的品质和/或状况。
根据本发明，使反应器流化是使用气流来实现，该气流从干燥器/预热器和/或反应器自身中获得，并含有轻烃，具体地为源自反应器的一定量的燃料气体。然而，还可以将氮气、氢气、含有空气或氧气的二氧化碳气体混合物或者一定量的废气从炉供应到反应器作为流化气体。可以使用气体混合物中的空气或氧气的一部分用于调节或引发部分燃烧，以改变温度和/或产率。还可以借助于诸如氮气的惰性气体进行流化。可以将冷的或预热后的流化气体供应到反应器。
根据本发明的开发，可以将用于排出烃的反应器分为若干个单独的反应器，从而更精确地调节限定的温度和气体组成。
为了提高效率，反应器可以在范围为0.001巴至1巴(绝对值)的减压下操作。降低压力促进了燃料气体从固体中的排出，并减小了下降到露点以下的风险。
为了在反应器中提高或控制产率，可以使用例如电磁波(例如，微波)、超声等等。同样，可以在反应器中使用催化活性物质，这可以提高并控制或调节反应器中的有机成分的蒸发或控制并改变它们的组成。
炉用于产生用于反应器的热量，其中，将在反应器中需要的例如300℃至800℃的温度经由在炉中加热的固体引入到反应器中。根据本发明，在可以通过供应空气、富氧空气或纯氧气产生的氧气过量的气氛中在炉中进行燃烧，以确保留在固体中的有机成分具体而言重油组分或油产物几乎完全燃烧。可以供应冷的或预热的含氧气体，以使得炉温度优选地处于700℃和900℃之间。
根据本发明，可以使用循环流化床、环形流化床、固定流化床、传送或闪蒸反应器、回转窑或炉条燃烧作为炉。为了提高能量的使用率，优选的是分级燃烧。例如，可以以未处理的原材料、煤、焦炭、废弃物质、生物质等或者在反应器中获得的一定量的燃料气体的形式，将额外的燃料供应到炉中。
在分级燃烧中，优选的是进行至少一级亚化学计量燃烧(即，缺少氧气)和至少一级超化学计量燃烧(即，氧气过量)。
在分级燃烧中，还可以将来自亚化学计量燃烧级的一部分或全部废气与来自反应器的燃料气体相混合，或者在另一装置(例如，冶金装置)中或装置的另一部件(例如，反应器或预热)中单独使用它。由此，可以改变并调节或控制由燃料气体产生的气体的产率和/或气体品质。
应当调节炉中的温度，以使得在反应器中实现排出燃料气体所需的最佳温度。在更高的温度下，较少的含有有机成分的固体被从反应器传送到炉中，从而可能需要额外的燃料。最佳情形通过所使用的原材料的特性来确定。
还可以将废气从炉或从需要燃料气体的下游装置(例如，冶金装置)引入到所述炉中，以操作炉或者调节或控制温度。
根据本发明的开发，为了提高能量平衡，可以从废气和/或煅烧残渣中回收在炉中产生的热量。按照本身已知的方式，这可以借助于例如流化床冷却器/加热器、热回收旋风器、余热锅炉或悬浮预热器(文丘里管/旋风器)组合的形式的热回收系统来实现。还可以使用在炉中产生的热来预热干燥器/预热器和/或反应器的流化料流或者间接地加热干燥器/预热器。还可以使用热来生成蒸汽，例如，用于进一步发电。
本发明还延伸到用于提炼含有有机成分的原材料的装置，所述含有有机成分的原材料例如为含有油和/或沥青的固体，具体地为油砂或焦油砂或者油页岩，而且还有含油的可流化物质或废料，所述装置包括：反应器，原材料供应到该反应器中；炉，来自反应器的固体和燃料供应到该炉中；返回管，在炉中产生的热的固体经由该返回管再循环到反应器中；和阻挡装置，用于将炉的气体气氛和反应器的气体气氛隔开，反应器可以为流化床反应器。
根据本发明的开发，所述装置还可以包括用于干燥/预热引入的原材料的干燥器/预热器。
所述炉可以是流化床炉、回转窑或闪蒸反应器。
优选地，在炉的下游提供用于废气和/或煅烧残渣的循环流化床、热回收系统。
此外，可以为产生的气体(废气或燃料气体)提供气体净化单元或气体处理级。
在本发明的优选方面，炉和反应器之间的阻挡设备包括：下输管，经由该下输管从炉中排出固体料流；提升管，其接近于下输管的底部，从该底部向顶部分支；和位于提升管下方的输送气体供应，其中，从所述炉排出的固体料流由输送气体流化，并经由所述提升管传送到反应器。这不仅提供了供应到反应器的热传递介质的质量流量的调节，其可以经由输送气体的供应来控制，而且提供了炉的氧化气氛和反应器之间的可靠压力密封。因此，可以可靠地避免在反应器中排出的燃料气体发生氧化、燃烧或者甚至爆炸。除了上面描述的所谓密封罐构造之外，还可以使用闭锁料斗、止回阀或这些元件的组合。
可以根据实施方案和附图的以下描述获得本发明的其它目的、特征、优点和可能的应用。描述的和/或示出的全部特征本身或以任何组合方式形成本发明的主题，并且与它们是否包含在权利要求中或它们的背景文献中无关。
附图说明
图1示意性地示出了用于执行根据本发明的方法的示例性装置，以及
图2示意性地示出了布置在炉和反应器之间的可能的阻挡设备。
具体实施方式
在图1中示意性地示出的用于提炼含有有机成分的原材料的装置包括：一级或多级干燥器/预热器2，经由供应管1将诸如油砂或焦油砂或者油页岩的原材料供应到该一级或多级干燥器/预热器2。在例如200℃的温度下，将经过干燥/预热的固体供应到适合于蒸馏的反应器6，在反应器6中，将该固体加热到500℃至750℃，由此使有机成分作为燃料气体排出。穿过净化和/或处理8时，所获得的燃料气体被排出用于进一步使用。
在排出燃料气体之后留在反应器6中的含有一定量的重烃的固体经由管11供应到例如构造为循环流化床炉的炉12，例如空气和源自反应器6的一定量的燃料气体可以经由管13、14供应到炉12用于起动炉12或用于控制炉12。
返回管15从炉12通至在图2中详细示出的密封设备16，密封设备16用于将炉气氛和反应器气氛隔开，并经由管17与反应器6相连。
来自炉12的废气经由管18供应到热回收19，然后经由管20供应到气体净化21。炉12的煅烧残渣还可以经由管22供应到热回收23。经由管24，在热回收19、23中获得的加热了的气体(例如，空气或其它具有氧气的混合物)可以作为氧化剂引入到炉6中。
可以在能量上将净化和处理级8与热回收19相耦合，以实现最大能量集成或能量使用率。
在图2中，将所谓的密封罐示为适当的密封设备16的一个实例。从炉12分支出下降的返回管15，还可以将返回管15称为下输管50或下料器，热的固体经由返回管15排出，作为用于反应器6的热传递介质。下输管50的入口区域还被称为下输管的头部51。刚好在下输管50的底部52之前，还被称为提升管52或上升管的指向上方的管从下输管50分支出来，并基本上对抗重力而延伸。下输管50的直径大于提升管53的直径，优选地，为提升管53的直径的约两倍大。提升管53的入口区域或末端54可以略微突出到下输管50中或者与下输管的壁平齐地终止。在提升管53的上端或头部55处，提升管通向排放罐56，固体可从排放罐56经由管17流入到反应器6中。在下输管50的底部52处，在提升管的末端54下方，输送气体经由连接到供应管58的喷嘴57进行供应，以使得提升管53中的固体料流流化。作为流化气体，原则上可以使用各种合适的输送气体。第三，具体而言，优选地使用诸如氮气的惰性气体，以确保炉12中的流化床与提升管53的头部之间的气体气氛的隔开。
根据本发明的用于提炼含有有机成分(烃)的原材料的装置基本上如上所述来构造。下面，将更详细地解释其操作方式、功能和动作。
将经由供应管1供应的研磨的或未研磨的例如含油原材料加热至105℃至160℃的温度，并例如借助于经由流化管25a供应的流化气体在干燥器/预热器2中进行干燥，并预热至约450℃。含有超轻油组分的气流经由排放管26供应到气体净化和处理8。在反应器6中，通过从炉12再循环的热的固体将预热的固体加热到例如650℃至700℃的温度，从而使包含在固体中的61-75重量％的烃作为燃料气体排出。所获得的燃料气体经由管7供应到气体处理8，并且在净化后，在例如约200℃至300℃的温度下作为燃料气体排出，以用于其它用途。源自干燥器/预热器2的一定量的燃料气体和轻烃组分经由流化管25b再循环至反应器6。
留在反应器中的包括未蒸发的重烃组分在内的固体经由管11引入到炉12中，并在例如约850℃的温度下在炉12中燃烧。仅燃烧仍包含在固体中的烃，并由此使固体升至高温，从而使它们用作用于反应器6的热传递介质。
将经由管22输送到热回收23的煅烧残渣经由排放管27排放到外面。
附图标记列表
1用于固体的供应管
2干燥器/预热器
3用于干燥/预热后的固体的管
6用于固体的反应器
7用于燃料气体的管
8用于燃料气体的净化/处理
11用于固体的管
12炉(热发生器)
13用于燃烧气体的管
14用于燃料气体的管
15用于固体的返回管
16阻挡设备(密封罐)
17用于固体的管
18用于废气的管
19用于废气的热回收
20用于废气的管
21用于废气的气体净化
22用于煅烧残渣的管
23用于煅烧残渣的热回收
24用于燃烧气体的管
25a流化管(例如，空气、废气)
25b流化管(燃料气体)
26用于燃料气体的排放管
27用于煅烧残渣的排放管
50下输管
51下输管的头部
52下输管的底部
53提升管
54提升管的末端
55提升管的头部
56排放罐
57喷嘴
58供应管
Claims (10)
1.一种用于提炼含有油和/或沥青的原材料的方法，所述方法采用以下步骤：
-在至少一个干燥器中干燥所述原材料，和/或在至少一个预热器中将所述原材料预热，
-将所述干燥后的/预热后的原材料供应到反应器，并在300℃至1000℃的温度下挥发燃料气体，
-将留在所述反应器中的包括未蒸发的重烃馏分在内的固体引入到炉中，
-在所述炉中在600℃至1500℃的温度下燃烧留在所述固体中的所述重烃，
-使热的固体从所述炉再循环到所述反应器中，
其中所述反应器是在范围为0.001巴至1巴的减压下操作的流化床反应器，且通过密封设备将所述炉的氧化气氛与所述反应器的气氛隔开，其中在所述炉中借助于亚化学计量级和超化学计量级进行分级燃烧，且将从所述干燥器/预热器和/或从所述反应器获得的含有轻烃的气流作为流化气体供应到所述反应器。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述原材料在所述至少一个干燥器中在105-120℃干燥，和/或在所述至少一个预热器中预热至110℃-300℃的温度。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，将来自所述炉的氮气、空气、氧气、氢气和/或废气作为流化气体供应到所述反应器。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，在所述反应器中，通过蒸馏将所述燃料气体从所述固体中排出。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述炉中的燃烧在含氧气氛中进行。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于，将额外的燃料以未经处理的原材料、煤和/或在所述反应器中获得的一定量的燃料气体的形式供应到所述炉中。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于，从所述废气和/或煅烧残渣中回收在所述炉中产生的热。
8.一种使用根据前述权利要求任一项的方法提炼含有有机成分的原材料的装置，所述装置包括：反应器(6)，将所述原材料供应到所述反应器(6)中；炉(12)，将来自所述反应器(6)的固体和燃料供应到所述炉(12)中；返回管(15)，经由所述返回管(15)将在所述炉(12)中产生的热的固体再循环到所述反应器(6)中；特征在于在所述反应器(6)之前的至少一个干燥器和/或预热器(2)，密封设备(16)，其用于将所述炉(12)的气体气氛和所述反应器(6)的气体气氛隔开，其中所述密封设备(16)包括：位于所述炉(12)和所述反应器(6)之间的下输管(50)，经由所述下输管(50)从所述炉(12)排出固体料流；提升管(53)，其接近于下输管(50)的底部(52)，从所述底部(52)向顶部分支；和位于所述提升管(53)下方的输送气体供应，其中，从所述炉(12)排出的固体料流被所述输送气体流化，并经由所述提升管(5)传送到所述反应器(6)，其中所述反应器(6)是流化床反应器，其中所述炉设计用于借助于亚化学计量级和超化学计量级进行分级燃烧，且其中用于流化气体的导管(26，25b)将预热器/干燥器(2)和/或反应器(6)与反应器(6)相连。
9.根据权利要求8的装置，其特征在于，所述炉(12)是循环流化床炉、流化床反应器、回转窑或闪蒸反应器。
10.根据权利要求8的装置，其特征在于，在所述炉(12)的下游提供热回收系统(19、23)。
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