CN103547657A - 用于能量有效且环境友好地从来自油页岩和／或油砂的粗沥青提取轻油和／或燃料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及，通过热利用在获得过程期间产生的含碳残余物，能量有效和环境友好地从来自油页岩和／或油砂(1)的粗沥青出发获得轻油和／或燃料的方法，其中在用散装物质移动床驱动的逆流气化器(19)中，在加入碱性物质下，通过用含氧气体进行超化学计量的氧化，在低于1800℃的温度将含碳残余物转化为低硫气态裂解产物(31)。然后，通过超化学计量氧化将裂解产物转化为可感知的热，并且用来产生加热的含水过程介质(2)，其用于物理研细油砂和／或油页岩(1)和／或用于从岩石物质分离粗沥青(7)和／或作为用于粗沥青(7)热分级(12)的过程热。

Description

用于能量有效且环境友好地从来自油页岩和/或油砂的粗沥青提取轻油和/或燃料的方法
本发明涉及用于能量有效且环境友好地，通过热利用提取过程中产生的含碳化合物，从来自油页岩和／或油砂的粗沥青获取轻油和／或燃料的方法。
因为全世界强烈需求化石燃料和基于石油的原料，以及传统石油的预期中的长期缺乏，从油页岩和／或油砂资源回收能量载体和原料变得日渐重要。
天然油砂或油页岩包含天然岩石并且含有多至20％的沥青混合物。该沥青混合物主要含有不同分子量和沸点的有机碳化合物。
发明背景
为了能够实现这些碳化合物的针对性回收，必须首先将沥青混合物与天然岩石组分分离。
沥青从这些天然岩体的分离能够主要通过两种技术完成。
露天采矿：
在该方法中，将含有沥青的岩体用载重采捞船或轮式装载机破除下来，并且用载重运输工具运至处理工厂。一般来说，处理以下述过程步骤完成：
1.破碎／研细岩石，一般同时供给水蒸气或热水。
2.将所产生的悬浮液送至第一提取步骤，其中沉淀和水形成下部分离层，和沥青与沫状物形成上部分离层。
3.通常，将下部沉淀和水层送至人工湖泊或水泻湖。
4.将上沥青层送至第二提取步骤，其中水和细颗粒残余物被分开。通常，将沥青溶于有机溶剂(一般为″石脑油″，是轻油获取过程的产物)。获得所谓的粗沥青。
5.将粗沥青送至随后的沥青处理(″提质″)。
所谓的″原位方法″的获取：
在该技术中，已从土壤中、表层下并且不破碎岩体地获得粗沥青。该技术如下实现：
6.将高压水蒸气注射如深的含沥青岩层。由此实现粗沥青的热液化。
7.将该液化粗沥青针对性地送至地下收集点，并从其通过适宜泵送技术泵送至地表。
8.一般地，如此获得的粗沥青进行上述步骤5的相应程序。
从粗沥青提取轻油和液体燃料：
在后续处理工厂(″提质″)中，合并粗沥青(可能来自两种获得方法)。其中通常进行下述过程步骤：
9.从包含粗沥青和石脑油的混合物，蒸除挥发性烃。最后剩余的是不溶的残余物，称为石油焦炭。取决于所用物质，其能够含有多至10％的硫组分。
10.通过分级冷凝将来自蒸馏的气态烃分离为石脑油，煤油和粗柴油；一般将石脑油至少部分地返回至过程中。
11.取决于单独级分需要的品质，脱硫化能够在其余步骤中完成。这通常通过氢化并分离除去元素硫而完成。
12.过程的终点是贮藏并运送液体级分。
然而，用于从油页岩和／或油砂获得轻油和燃料的上述方法具有显著缺点。
例如，从岩体提取粗沥青需要可观量的热水和水蒸气。对于每体积单元轻油，必须使用多至6体积单元的水。蒸汽和热水的制备通常在燃烧天然气的锅炉中完成。对天然气的需求极高并且导致整个过程中极端不利的能量平衡。此外，获得的每桶轻油对应的特定CO2排放量虑及环境问题且鉴于有价值稀少资源是基本无法接受的。
在蒸馏粗沥青(步骤9)之后的剩余的石油焦炭含有浓度多至10％的硫。这基本上是有价值的能量载体。然而，因为高硫含量，其不能容易地用于燃烧过程，比如产生水蒸气或热水。因此，确保环境友好的热利用是有问题的，即使可能也仅仅是以不成比例的烟道气脱硫化成本为代价。
因此，本发明的任务是提供不具有现有技术缺点的方法，其允许能量有效地利用在油砂和／或油页岩中含有的碳载体，其节省地处理化石燃料(比如天然气)，并且自身能够产生充足的能量载体以至少部分地供给利用过程所需的能量要求。
根据本发明通过下述方法解决上述问题，其中含碳化合物含硫，并且在用散装物质移动床驱动的逆流气化器中，在加入碱性物质下，在＜1800℃的温度，通过用含氧气体进行亚化学计量氧化转化为低硫气态裂解产物，然后通过超化学计量氧化将这些裂解产物转化为可察觉的热，并且用来产生用于物理研细油砂和／或油页岩的加热的含水过程介质和／或用于从岩体分离出粗沥青和／或作为用于粗沥青热分级的过程热。
已证实因为硫问题迄今未利用的残余物能够显著地改善从油页岩和／或油砂获得轻油和／或燃料中的能量平衡。通过适当利用碳成分，迄今仍存在的残余物中余留的碳化合物对环境的威胁也得以解除。
例如，作为含碳化合物，还能够使用来自岩体的粗沥青水性分离的固体残余物和／或来自粗沥青热分级的固体残余物。
方法的进一步改进是特别有利的，其中逆流气化器作为具有煅烧区和氧化区的垂直过程室，其中用含氧气体氧化经煅烧的含碳和硫残余物，其中于以垂直井式炉形式构成的垂直反应室顶部抽取气态反应产物，本身未氧化的散装物质自其由顶部至底部连续流动，而将含氧气体至少部分地引入氧化区之下，由此促进上升气流。惰性散装物质的优势是能够更容易地改变散装物质的机械特性并适应方法必需的方面。
能够使用的碱性物质的实例是金属氧化物，金属碳酸盐，金属氢氧化物或其混合物，将其计量加入煅烧区上方的气相和／或在进入垂直过程室之前与含碳化合物混合。碱金属的元素或碱土金属的元素，特别是钙，优选用于形成金属氧化物、金属碳酸盐和金属氢氧化物，原因是尤其是以氧化钙形式的催化效果有利地影响方法过程。
加入至少部分细颗粒形式的颗粒尺寸＜2mm的碱性物质是有利的，而λ＜0.5、特别优选＜0.3的亚化学计量氧化也同样有利。
硫结合机理特别有利地进行：通过在还原性条件下加入碱性物质，将逆流气化器中在高于400℃的温度自含碳和含硫残余物的成分产生的气态硫化合物，通过与碱性物质进行化学反应转化为固态硫化合物，这些固态硫化合物至少部分地与气态反应产物一起排出，并且在高于300℃的温度通过细物质分离自气相除去。这样一来，硫能够从过程中特别经济地除去。
在希望的方法过程中，在垂直过程室和／或在排出的气态反应产物的气相中，在水蒸气和氧化钙和／或碳酸钙和／或氢氧化钙存在下，在高于400℃的温度进行钙催化重整，将产生的含有油和／或焦油的具有大于C4的链长的裂解产物的主要成分转化为一氧化碳、二氧化碳和氢。
散装物质移动床优选通过额外计量加入粗物质形成，以便增加散装物质的流动性和／或其气体渗透性，其中在进入垂直过程室之前将粗物质与含碳化合物混合。作为粗物质，可以使用颗粒尺寸2mm至300mm的矿物质和／或其它无机物质或物质混合物，特别优选油砂和／或油页岩。后一情况是特别优选的，原因是由此使得其中能够直接使用且利用原位产生的资源的方法过程成为可能。
还能够有利的是用具有适宜颗粒尺寸的木料和／或其它生物源的物质作为粗物质。常常，这些物质在进行方法的场所附近就可获得，由于短运输距离其应用有利于能量效率的总体平衡。
惰性散装物质能够在垂直过程室的下端处分离除去细物质和灰分，并且能够作为粗物质至少部分返回至过程中，从而能够保持短物料移动距离。还能够有利的是，在用于逆流气化器之前通过聚结将含碳化合物转化为颗粒尺寸2mm至300mm的颗粒，以便如额外计量加入粗物质那样改善散装物质的流动性和／或其气体渗透性。
对于气体逆流，在垂直过程室中于顶部与底部之间形成50至100毫巴(ü)的压力差是有利的。
图1显示，通过在露天采矿中分解油砂和油页岩，用于产生轻油和燃料的整合方法的一种实施例。
通过露天采矿采出的油砂和油页岩(A)经由破碎系统(1)得以机械粉碎。这通常通过混入热水或水蒸气(2)来完成。热水／水蒸气在锅炉系统(3)中产生。
将机械粉碎产生的悬浮液输送至第一提取阶段(4)。此处一般再次加入热水／水蒸气(5)。在密切混合之后，在提取阶段(4)中通过沉淀进行各相的分离。水／沉淀相(B)形成下部相。将其分离出来，并通常沉积在人工泻湖或湖泊(6)中。
上部相(7)主要含有粗沥青。将其分离出来，并输送至后续过程步骤(C)。
在第一提取阶段中，一般形成中间相(8)，除水／沉淀之外，其还能够含有显著份额的粗沥青。能够将该中间相输送至第二提取阶段(9)。此处，进行第二分离，其中将下部水／沉淀相(D)分离出来并类似地沉积在人工泻湖或湖泊(6)中。上部相(10)主要含有粗沥青并将其类似地输送至后续过程阶段(C)。
在过程步骤(C)中，能够将粗沥青与有机溶剂比如作为后续沥青精制过程的产品获得的石脑油(11)混合。取决于沥青的品质，此处能够产生未溶解的残余物(E)，也称为石油焦炭。
将溶解的粗沥青输送至蒸馏阶段(12)，在此通过来自锅炉系统的热蒸汽(13)加热并使用适宜蒸馏设备将挥发性成分蒸出，其中额外的石油焦炭(E)作为非挥发成分余留。此处具有高热值的富碳残余物仍能够含有多至10％的硫。
例如，挥发性成分(14)经由分级冷凝(15)分离为各种沸腾级分，其尤其能够包括轻油(16)、石脑油(11)和各种燃料(17)。
所描述的方法能耗很高，原因是锅炉系统(3)中必须产生非常大量的热水／水蒸气。迄今，已将显著量的化石燃料特别是天然气(18)用于该目的。
本发明方法提供的是，完全或部分用逆流气化器(19)中产生的合成气(20)替换该天然气，并且用该合成气作为锅炉系统(13)中的燃料。
合成气的制备通过在作为垂直过程室构造的逆流气化器(19)中气化含碳物质来进行。散装物质(21)由顶部至底部流经该过程室。散装物质能够优选包含粗颗粒尺寸的物质，其中作为散装物质，还适宜的是使用沉淀(B)和／或(D)。特别有利的是，散装物质还能够部分通过油砂／油页岩(A)形成，其中还能够有利的是，在用作散装物质之前，将物质(A)机械粉碎为小于20cm的颗粒尺寸。在散装物质进入逆流气化器之前，来自上述方法的额外的残余物能够加至其中。为此特别适合的是石油焦炭(E)，原因是其具有高热值的高碳含量。散装物质和残余物的混合物借助重力由顶部至底部流经垂直过程室(19)。逆流气化器在中间区域具有燃烧器喷枪(22)，其确保垂直过程室中恒定载量的燃烧和灼烧区(23)的静态进展。这些燃烧器喷枪能够通过化石燃料(24)和含氧气体(25)提供燃料。备择于化石燃料，还能够使用来自逆流气化器(20)的合成气，或溶于石脑油的粗沥青(C)。
在垂直过程室下端，引入含氧气体(26)。该气体首先，在散装物质离开垂直过程室之前，将其在冷却区(27)中冷却。从而，含氧气体随着在垂直过程室中继续向上流动而得到预热。根据逆流气化原理，来自含氧气体的氧与散装物质中的含碳物质发生氧化反应，并且调节含氧气体的量使得调节垂直过程室中的总λ小于0.5。由此，形成第一灼烧区(23)，其中含碳物质的残余物与氧反应以形成CO2。向上更远，氧进一步减少，从而最终仅能发生低温碳化，直至向上更远，全部氧最终耗尽，和形成裂解区(28)。
相反地，如果观察散装物质和含碳物质由顶部至底部的流动，裂解区(28)中首先发生的是一般所用的湿润物质的干燥，直至达到100℃的内部温度。此后，物质的内部温度进一步升高，导致气化过程开始，并且在内部温度多至500℃时开始形成甲烷、氢和CO。在广泛脱气之后，向下移动的物质的内部温度因为热气体从灼烧区(23)上升而进一步上升，从而最终含碳物质得以完全脱气，并且仅包含残余焦炭，所谓的裂解焦炭，和灰组分。裂解焦炭与散装物质在垂直过程室中向下更远地运输，其中其在高于800℃温度与来自灼烧区的CO2组分通过Boudouard转化部分转化为CO，并且类似地气化。裂解焦炭中的某些也在该区域与同样存在于热气体中的水蒸气发生水煤气反应，形成CO和氢。最终，在低于1800℃的温度，在灼烧区(23)中，裂解焦炭的残余物随从下方流入的含氧气体实际上完全燃尽且得以热利用。由此，逆流气化器可能得到实质上全部气化所需能量的供给。这也称为自热气化过程。
作为额外的冷却和气化媒介，水(29)还能够经由水喷枪(30)计量加入冷却区。
垂直过程室中形成的合成气在上端通过抽吸(31)提取，从而在上部气体室(32)中调节出0至200毫巴的轻度低压。
取决于所用物质的品质，能够在气化过程期间产生显著量的气态硫化合物。因此有利的是，在散装物质进入垂直过程室之前将碱性物质(33)与散装物质混合。出于该意图，金属氧化物、金属氢氧化物、或金属碳酸盐是特别适宜的，并且使用细颗粒氧化钙是特别优选的，原因是其由于反应性和大表面积自发地与形成的气态硫化合物反应并由此形成固态硫化合物，其最主要地从垂直过程室与提取的合成气一起通过抽吸除去。其它污染物比如氯、氯化氢或甚至重金属能够高度有效地与CaO结合并以相同方式从过程中除去。
额外地，能够适当的是使用粗颗粒金属氧化物、金属氢氧化物或金属碳酸盐作为散装物质，一方面以便增加散装物质与含碳物质的比例而另一方面以便也使得在垂直过程室的下部也可获得碱性反应伴侣以结合气态硫化合物。
通过抽吸提取的合成气含有粉尘，其主要包含固态硫化合物，细颗粒碱性物质，其它污染物，和惰性颗粒。含有粉尘的该合成气能够在垂直过程室的气体室中加以处理；或者在离开垂直过程室之后，在水蒸气和细颗粒氧化钙存在下，在高于400℃的温度加以处理。该温度能够通过在垂直过程室的下端适宜地调节含氧气体(26)的量加以调节，或者通过灼烧区的燃烧器喷枪(30)的产热输出加以调节。然而，特别有利的是，经由用燃料和含氧气体或甚至过量含氧气体化学计量地操作的燃烧器喷枪(34)，使用合成气中的直接燃烧。在水蒸气和氧化钙存在下的这种热后处理确保合成气中仍然存在的油和焦油通过氧化钙的催化作用裂解。
然后，含粉尘合成气在高于300℃的温度通过热气过滤(35)脱粉尘。含硫的过滤粉尘(36)从过程中滤出，并废弃或用于备择用途。
所产生的合成气实际上不含硫，并且能够用作锅炉系统(3)中的燃料。取决于位置条件或锅炉系统的要求，可能必需在能够用于锅炉系统中之前，用气体冷却器(38)冷却合成气并且除去冷凝物。
产生的冷凝物(39)能够再次至少部分地经由水喷枪(30)在垂直过程室中用作冷却和气化媒介。
清洁的合成气(20)的燃烧允许操作锅炉系统，而不需通过复杂的烟道气脱硫化处理烟道气(40)。
从垂直过程室下端出现的散装物质混合物(41)主要含有粗颗粒散装物质、灰分残余物和细颗粒散装物质。细颗粒散装物质可以仍含有少量的硫产物和其它污染物。
整个散装物流能够整体储存(42)。然而，特别优选的是筛选散装物质混合物(43)，优选将粗级分(44)至少部分引入循环并再次作为散装物质用于垂直过程室在。
细过筛级分(45)，与含硫的过滤粉尘(36)一起从过程中除去，弃去或用于备择用途。
图2显示用于获得轻油和燃料的整合方法的一种实施例，其中通过地表下原位方法采出粗沥青。
在该原位方法中，粗沥青并非通过分解土壤并加以提取而获得；相反，其通过在地壳中熔化而液化并经由泵送系统输送至地表。
在该过程中，通过特别的喷枪系统(2)，将锅炉系统(3)的高压蒸汽注入沥青土壤(1)。由此，沥青液化(4)并导至地下收集点(5)。由该地点，经由上升管线(6)以及特别的传送器系统(7)，将液态粗沥青送至地表。然后，将该液态粗沥青用于后续过程阶段C。
进一步的技术提供特别的燃烧器喷枪(8)，由此引发地壳中粗沥青的部分燃烧。这能够例如通过化石燃料(9)与含氧气体(10)的超化学计量燃烧实现，由此过量含氧气体(10)引起土壤中粗沥青的部分燃烧并由此提供液化粗沥青的能量。
根据本发明，在该实例中也可能产生所需的用合成气(20)作燃料的锅炉系统(3)中的高压蒸汽。经由特别的燃烧器系统(8)，合成气还能够用作部分燃烧的燃料。
通常，原位方法也与图1的露天采矿相结合。在两种情况中均获得粗沥青，然后将其在过程阶段(C)中合并且进一步精制。
在过程阶段(C)之后的进一步方法过程类似于图1的描述。

Claims (15)

1.通过热利用提取过程中产生的含碳化合物(E)，用于能量有效且环境友好地从来自油页岩和／或油砂(A)的粗沥青出发提取轻油和／或燃料的方法，其特征在于，含碳化合物含硫，并且在用散装物质移动床(21)驱动的逆流气化器(19)中，在加入碱性物质下，在＜1800℃的温度，通过用含氧气体(26)进行亚化学计量氧化转化为低硫气态裂解产物，然后通过超化学计量氧化将这些裂解产物转化为可察觉的热，并且用来产生用于物理研细油砂和／或油页岩(A)的加热的含水过程介质和／或用于从岩体分离出粗沥青和／或作为用于粗沥青热分级的过程热。
2.权利要求1的方法，其特征在于，作为含碳化合物，使用来自从岩体水性分离粗沥青的固体残余物和／或来自粗沥青热分级的固体残余物。
3.前述权利要求之一的方法，其特征在于，所述逆流气化器(19)作为具有煅烧区和氧化区(23)的垂直过程室，其中用含氧气体(26)氧化经煅烧的含碳和硫残余物(E)，其中于垂直反应室顶部抽取气态反应产物，垂直反应室构成为垂直井式炉的形式，本身未氧化的散装物质(21)自其由顶部至底部连续流动，而将含氧气体(26)至少部分地引入氧化区(23)之下，由此促进上升气流。
4.前述权利要求之一的方法，其特征在于，作为碱性物质使用金属氧化物，金属碳酸盐，金属氢氧化物或这些物质中2种或3种的混合物，并且针对性地计量加入垂直过程室(19)和／或计量加入煅烧区上方的气相，和／或在进入垂直过程室之前与含碳化合物混合。
5.权利要求4的方法，其特征在于，金属氧化物，金属碳酸盐，和金属氢氧化物含有碱金属的元素或碱土金属的元素，特别优选含有钙作为阳离子。
6.前述权利要求之一的方法，其特征在于，至少部分地以颗粒尺寸小于2mm的细颗粒形式使用碱性物质。
7.前述权利要求之一的方法，其特征在于，以小于0.5、特别优选小于0.3的λ进行亚化学计量氧化。
8.前述权利要求之一的方法，其特征在于，通过在还原性条件下加入碱性物质，将逆流气化器(19)中在高于400℃的温度自含碳和含硫残余物的成分产生的气态硫化合物，通过与碱性物质进行化学反应转化为固态硫化合物，这些固态硫化合物至少部分地与气态反应产物排出，并且在高于300℃的温度通过细物质分离自气相除去。
9.前述权利要求之一的方法，其特征在于，在垂直过程室(19)和／或在排出的气态反应产物的气相中在水蒸气和氧化钙和／或碳酸钙和／或氢氧化钙存在下，在高于400℃的温度进行钙催化重整，将产生的含有油和／或焦油的具有大于C4的链长的裂解产物的主要成分转化为一氧化碳、二氧化碳和氢。
10.前述权利要求之一的方法，其特征在于，部分地通过额外计量加入粗物质形成散装物质移动床(21)，以便增加散装物质的流动性和／或其气体渗透性，其中在进入垂直过程室之前将粗物质与含碳化合物混合。
11.权利要求10的方法，其特征在于，作为粗物质使用颗粒尺寸2mm至300mm的矿物质和／或其它无机物质或物质混合物，特别优选油砂和／或油页岩。
12.权利要求10的方法，其特征在于，作为粗物质使用具有2mm至300mm的颗粒尺寸的木料和／或其它生物源物质。
13.权利要求10的方法，其特征在于，将粗物质在垂直过程室的下端与细物质和粉尘分离并且至少部分再次作为粗物质返回至过程中。
14.前述权利要求之一的方法，其特征在于，在用于逆流气化器中之前，通过聚结将含碳化合物转化为颗粒尺寸2mm至300mm的颗粒。
15.前述权利要求之一的方法，其特征在于，在垂直过程室中，在顶部与底部之间形成50至1000毫巴(ü)的压力差。
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