DE102010060675B4

DE102010060675B4 - Verfahren und Anlage zur Gewinnung von Dieselöl aus kohlenwasserstoffhaltigen Roh- und Reststoffen

Info

Publication number: DE102010060675B4
Application number: DE201010060675
Authority: DE
Inventors: Michael Richter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2014-01-30
Anticipated expiration: 2030-11-20
Also published as: DE102010060675A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Dieselöl aus kohlenwasserstoffhaltigen Roh- und Reststoffen unter Verwendung eines kontinuierlich betriebenen Flüssigkeitsreaktors, der eine Ringverdampfungsanlage umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass während der chemischen Umsetzung der Roh- und Reststoffe die Ringverdampfungsanlage des Flüssigkeitsreaktors dielektrisch beheizt wird, wobei mittels einer Vakuumpumpe (25) in der Ringverdampfungsanlage ein Unterdruck erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem aus kohlenwasserstoffhaltigen Roh- und Reststoffen Dieselöl mit hoher Ausbeute gewonnen werden kann. Die Anlage ermöglicht einen sicheren Betrieb und eignet sich insbesondere für einen dezentralen Einsatz in Recyclingunternehmen, in landwirtschaftlichen Betrieben sowie in Ländern der Dritten Welt.
Im Zuge eines steigenden Umweltbewusstseins und der zunehmenden Rohstoffverknappung gewinnt die Herstellung von Produkten, die als Treibstoff bzw. Brennstoff genutzt werden können, aus Roh- und Reststoffen immer mehr an Bedeutung.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird zwischen den schon länger bekannten, indirekten (mehrstufigen) Verflüssigungsverfahren, bei denen die in den Roh-/Reststoffen enthaltene Kohlenwasserstoffe durch Verbrennung oder Vergasung freigesetzt werden, und den neueren Verfahren der Direktverflüssigung (einstufig) unterschieden, bei denen aus den Roh-/Reststoffen unter Luftabschluss sowie im Ölbad mittels einer katalytischen Behandlung ein Mitteldestillat, das chemisch dem bei der Raffination von Rohöl im Siedebereich 150°C bis 390°C gewonnenen Dieselöl entspricht, hergestellt wird. Mit den Verfahren der Direktverflüssigung können im Vergleich zu den indirekten Verflüssigungsverfahren höhere Ausbeuten erzielt werden; zudem sind sie ökologisch verträglicher.
Die Verfahren der Direktverflüssigung werden ihrerseits in kontinuierliche und diskontinuierliche Verfahren unterschieden. Mit den kontinuierlichen Verfahren können zwar prinzipiell höhere Ausbeuten und Durchsätze erreicht werden als mit den diskontinuierlichen, der Eintrag der für die chemische Umsetzung erforderlichen Prozesswärme führt bei diesen jedoch regelmäßig zu Prozessinstabilitäten, da ein konventionelles Beheizen über die Wände der Reaktionskammern zwangsläufig zur Bildung von Verkokungen führt und bislang auch keine befriedigenden Alternativen aufgezeigt wurden.
So ist aus DE 10 2005 056 735 B3 ein Verfahren zur Herstellung von Mitteldestillat bekannt, bei dem die erforderliche Reaktionswärme durch mechanische Reibung in den Prozess eingebracht wird. Hierzu wird ein sog. Hochleistungskammermischer verwendet, der gleichzeitig als Reaktor für die Umsetzung der organischen Stoffe (Polymerisation und Depolymerisation) dient. Der Hochleistungskammermischer ist bewusst so konstruiert, dass er einen geringen Pumpenwirkungsgrad aufweist, was zur Folge hat, dass ein Großteil der eingesetzten Antriebsenergie in Reibungs- und Vermischungsenergie umgewandelt wird. Die hohen Reibungsenergien in den eingesetzten Anlagen führen jedoch zu einem hohen Verschleiß und letztendlich zu einer mangelhaften Prozessstabilität.
In DE 10 2008 003 209 B3 ist ein Verfahren zur Herstellung von Gasöl (entspricht Dieselöl) aus kohlenstoffwasserstoffhaltigen Substanzen bekannt, bei dem der Energieeintrag mittels Kavitation/Friktion erfolgt. Die hohen Kavitationskräfte führen jedoch zu einer starken Abnutzung der mechanisch beanspruchten Teile (Kavitationsfraß!).
Des Weiteren berichtet die BFT Bionic Fuel Technologies AG (http://www.bionic-world.de) von einem Verfahren zur Herstellung von Dieselöl aus kohlenwasserstoffhaltigen Roh- und Reststoffen, bei dem der Energieeintrag mittels Mikrowellen erfolgt. Das Verfahren arbeitet mit einem Feststoffreaktor, d. h., da es ist prinzipbedingt diskontinuierlich arbeitet, können mit ihm nur vergleichsweise geringe Durchsatzraten erreicht werden.
Die DE 196 31 201 A1 beschreibt ein kontinuierliches Verfahren zur Umwandlung organischen Materials biologischen Ursprungs unter Druck- und Temperaturerhöhung in flüssige, feste oder gasförmige Brennstoffe, wobei die Temperaturerhöhung mittels Mikrowellenstrahlung erfolgt. Mit dem Verfahren können nur biologische Abfälle verarbeitet werden, die einen relativ hohen Wassergehalt von mindestens 50 Gew.-% aufweisen, wobei zusätzlich ein vergleichweise hoher Druck von bis zu 2000 bar benötigt wird. Außerdem werden bei diesem Verfahren die Ausgangsstoffe durch einen linearen Reaktor geführt, was sich nachteilig auf die Ausbeute auswirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, mit dem aus kohlenwasserstoffhaltigen Roh- und Reststoffen Dieselöl mit hohen Ausbeuten gewonnen werden kann, wobei gleichzeitig hohe Durchsatzraten und hohe Prozessstabilitäten möglich sein sollen. An der Anlage sollen während der Durchführung des Verfahrens praktisch keine Verkokungen und lediglich ein geringer mechanischer Verschleiß auftreten.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 5 gelöst; weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 4 sowie 6 bis 8.
Ausgegangen wird von einem Verfahren zur Herstellung von Dieselöl aus kohlenwasserstoffhaltigen Roh- und Reststoffen, bei dem ein in einen Flüssigkeitskreislauf eingebundener, kontinuierlich betriebener Flüssigkeitsreaktor verwendet wird.
Nach Maßgabe der Erfindung wird der Flüssigkeitsreaktor dielektrisch, bevorzugt mit Mikrowellen, beheizt.
Durch den Einsatz eines Flüssigkeitsreaktors in Kombination mit einer Beheizung durch Mikrowellen können einerseits die Vorteile von Flüssigkeitsreaktoren, nämlich hohe Ausbeuten, Durchsatzraten und die Möglichkeit einer kontinuierlichen Betriebsweise, erreicht und andererseits die mangelhafte Prozessstabilität, die bislang verfahrensimmanent entweder durch die Bildung von Verkokungen (direktes Beheizen) oder durch hohen mechanischen Verschleiß (Eintrag durch Wärme durch Friktion/Kavitation) verursacht wurde, vermieden werden.
Das Prozessgut sollte keine größeren Mengen von Metall, mineralischem Material (Keramik, Steine) oder Glas enthalten. Außerdem dürfen die im Prozessgut enthaltenen Partikel eine Partikelgröße von 5 mm nicht überschreiten. Sofern diese Voraussetzungen nicht erfüllt sind, müssen vor Beginn des Verfahrens die störenden Stoffe aus dem das Prozessgut entfernt bzw. die Partikel des Prozessguts (im Verfahren prozessiertes Material) zerkleinert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst im Wesentlichen die folgenden Schritte: Zuerst wird das Prozessgut (Roh- und Reststoffe), abhängig von seiner chemischen Zusammensetzung, mit mindestens einem Katalysator und/oder mindestens einem Neutralisator versetzt.
Anschließend wird in einer Vormischkammer mit Hilfe eines Zwangsmischers eine solche Menge an Trägeröl zugemischt, dass ein pumpfähiges Gemisch entsteht. Gleichzeitig wird das Prozessgut (Gemisch) mit der aus einem Blockheizkraftwerk gewonnenen Wärme auf 90° bis 130° erwärmt. Das Prozessgut enthaltene Wasser verdampft und wird mit einer Kolonne abgezogen.
Das Prozessgut wird in eine Ringverdampfungsanlagetransportiert, in der es durch den Wärmeeintrag eines Mikrowellen-Durchlauferhitzers auf eine Temperatur von 250° bis 360°C erhitzt wird. Aus den kurzkettigen Kohlenwasserstoffen, die sich in der Ringverdampfungsanlage durch Polymerisation, Depolymerisation und/oder Deoxygenisierung bilden, wird, nach deren Ausdampfen in einem großvolumigen Dampfbehälter, in einer Kolonne, die sich im oberen Teil des Dampfbehälters befindet und mit diesem verbunden ist, durch fraktioniertes Destillieren Dieselöl in Form von Mitteldestillat gewonnen.
Das Dieselöl wird in einem der Kolonne nachgeschalteten Kondensator verflüssigt und schließlich in einen Speichertank geleitet.
Die Ringverdampfungsanlage und die Vormischkammer werden mittels einer Vakuumpumpe, die vom Blockheizkraftwerk mit elektrischer Energie gespeist wird, evakuiert. Die von der Vakuumpumpe abgesaugten Gase werden in das Ansaugsystem des Blockheizkraftwerks geleitet, d. h., die in der Anlage entstehenden Gase werden im Blockheizkraftwerk einer Nachverbrennung zugeführt. Hierdurch wird erreicht, dass beim Betrieb der Anlage, abgesehen von den üblichen Abgasen eines Blockheizkraftwerks, keine Umweltbelastungen verursacht werden.
Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens besteht im Wesentlichen aus einem Vormischeinheit, der sich aus einer Dosiereinheit und einer Vormischkammer zusammensetzt, und aus einem Reaktor, der eine Einrichtung zum Energieeintrag, eine Ringverdampfungsanlage und eine Austragseinheit für die nicht crackbaren Materialien aufweist.
Die erfindungsgemäße Anlage unterscheidet sich von den herkömmlichen, kontinuierlich betriebenen, einstufigen Anlagen dadurch, dass als Einrichtung zum Energieeintrag in den Flüssigkeitsreaktor ein dielektrischer Erhitzer, bevorzugt ein Mikrowellen-Durchlauferhitzer, verwendet ist. Der Einsatz eines Festbettreaktors (diskontinuierlich) ist in keinem Fall vorgesehen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figur, die das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Anlage zeigt, näher erläutert.
Wie aus 1 ersichtlich, wird das aus kohlenstoffhaltigen Roh- oder Reststoffen bestehende Prozessgut mit Hilfe des Becherwerks 1 aus einem Vorratsbehälter 2 in die Dosiereinheit 3 transportiert, die aus einem mit einem sog. Schubboden ausgestatteten Behälter und Dossiereinrichtungen (Vorratsbehälter mit Dosierventilen) besteht. In der Dosiereinheit 3 wird das Prozessgut mittels der Dossiereinrichtungen mit den erforderlichen Mengen eines Katalysators und/oder Neutralisators versetzt und anschließend mit dem Schubboden zur Eingabeseite 4.1 der Fördererschnecke 4 transportiert.
Die Förderschnecke 4 ist horizontal angeordnet, gasdicht durch eine der (senkrechten) Wände 5.1 der Einschleuskammer 5 geführt und endet 30 cm vor der Innenseite der gegenüberliegenden Wand 5.2 der Einschleuskammer 5. In der Decke 5.3 der Einschleuskammer 5 befindet sich eine Revisionsklappe (nicht dargestellt), während der Boden 5.3 vollständig offen ist und in die unterhalb der Einschleuskammer 5 angeordnete Vormischkammer 6 mündet, wodurch ein Fallschacht zwischen den beiden Kammern gebildet wird.
Aufgrund der T-förmigen Anordnung von Förderschnecke 4 und Einschleuskammer 5, bei der die Förderschnecke 4 die horizontal angeordnete, lange Seite und die Einschleuskammer 5 die vertikal angeordnete, kurze Seite repräsentiert, bildet sich beim Betrieb der Anlage zwischen der Ausgabeseite 4.2 der Förderschnecke 4 und der 30 cm von ihr entfernten Wand 5.2 der Einschleuskammer 5 ein Pfropfen, der dynamisch durch das Prozessgut (vor dessen Hinabrutschen in die Vormischkammer 6) gebildet wird. Durch den Pfropfen wird eine Abdichtung zwischen der Umgebung und der Vormischkammer 6 erreicht, sodass Dampfschläge in die 90 bis 130°C heiße Vormischkammer 6 weitgehend unterbunden werden. Durch eine genaue Abstimmung (mittels SPS) der Antriebe des Schubbodens und der Förderschnecke 4 aufeinander werden Verstopfungen der Anlage praktisch vollständig vermieden.
Die Vormischkammer 6 ist doppelwandig ausgeführt. Indem der hierdurch gebildete Zwischenraum mit mittels des Blockheizkraftwerks 7 beheiztem Thermoöl durchströmt wird, wird in der Vormischkammer 6 eine Temperatur von 90 bis 130°C eingestellt. In der Vormischkammer 6 befindet sich ein Zwangsmischer 8, der das aus der Einschleuskammer 5 hinabrutschende Prozessgut erfasst und mit Trägeröl und ggf. weiteren Zusatzstoffen vermischt; hierdurch erhält das Prozessgut eine pumpfähige Konsistenz. Durch die Geometrie des Zwangsmischers 8 wird verhindert, dass das Prozessgut an den Wänden oder dem Boden der Vormischkammer 6 haften bleibt.
Neben ihrer Hauptfunktion, nämlich der Erzeugung eines homogenen, pumpfähigen Gemischs, dient die Vormischkammer 6 auch als Pufferspeicher für das Prozessgut. Das aus dem Prozessgut ausgetriebene Wasser wird mittels einer an der Decke der Vormischkammer 6 installierten Kolonne 7 abgezogen und in einem Speicherbehälter 9 gesammelt.
Im Boden der Vormischkammer 6 befindet sich eine Öffnung, über die das Prozessgut in die Exzenterschneckenpumpe 10 gelangt. Sie transportiert das Prozessgut aus der Vormischeinheit (Dosiereinrichtung und Vormischkammer) in den Vorlagebehälter 11, der zur Einbringung von frischem Prozessgut in den Primärölkreislauf (Flüssigkeitsreaktor) dient.
Der Flüssigkeitsreaktor besteht aus einer Ringverdampfungsanlage, die als Ringleitungssystem 12 mit einer Umwälzpumpe 13 und einem in das Ringleitungssystem 12 eingebundenen Dampfbehälter 14 realisiert ist, aus einem Mikrowellen-Durchlauferhitzer 15, der als Einrichtung zum Energieeintrag dient, sowie aus der als Vorlagebehälter 11 ausgeführten Eintragseinheit für das Prozessgut, aus einer Austragseinheit 16, mit der die nicht crackbaren Materialien mittels einer Pressschnecke 17 in einen als Container ausgeführten Abfallbehälter 18 transportiert werden, und aus einer Kolonne 19, die dem Austrag und der Weiterverarbeitung des gewonnenen Dieselöls dient.
Mithilfe des Mikrowellen-Durchlauferhitzers 15 wird die Temperatur im Primärölkreislauf auf einer Temperatur von 250°C bis 350°C gehalten, sodass im Primärölkreislauf die im Prozessgut enthaltenen Kohlenwasserstoffe während eines oder mehrerer Umläufe polimerisiert, depolimerisiert und/oder deoxigenisiert werden. Beim Durchlauf des Prozessguts durch den Dampfbehälter 14 gasen die so gebildeten, kurzkettigen Kohlenwasserstoffe aus, erreichen die Kolonne 19 (Glockenbodenkolonne), die im oberen Teil des Dampfbehälters 14 angeordnet und über eine Öffnung mit diesem verbunden ist. In der Kolonne 19 wird mittels einer fraktionierten Destillation das Dieselöl separiert und im Tank 20 gespeichert.
Für den Betrieb der Anlage sind ein Hilfskreislauf für Thermoöl, der einen Kondensator mit 150°C 21, einen Kondensator mit 100°C 22 und einen Kühler 23 aufweist, und ein Wasserkreislauf mit einem Kühler 24 erforderlich.
Die gesamte Anlage (ohne Ein- und Austrageinheiten) steht unter Vakuum, das mit der vom Blockheizkraftwerk 7 gespeisten Vakuumpumpe 25 aufrechterhalten wird. Die Saugseite der Vakuumpumpe 25 ist mit dem Kondensator 22 und ihre Druckseite mit dem Ansaugsystem des Blockheizkraftwerks 7 verbunden.
Bezugszeichenliste

1: Becherwerk
2: Behälter für Prozessgut
3: Dosiereinheit
4: Förderschnecke
4.1: Eingabeseite der Förderschnecke
4.2: Ausgabeseite der Förderschnecke
5: Einschleuskammer
5.1: vordere Seite der Einschleuskammer
5.2: hintere Seite der Einschleuskammer
5.3: Decke der Einschleuskammer
5.4: Boden der Einschleuskammer
6: Vormischkammer
7: Blockheizkraftwerk
8: Zwangsmischer
9: Speicherbehälter für Wasser
10: Exzenterschneckenpumpe
11: Vorlagebehälter
12: Ringleitungssystem
13: Umwälzpumpe
14: Dampfbehälter
15: Mikrowellen-Durchlauferhitzer
16: Austragseinheit
17: Pressschnecke
18: Abfallbehälter
19: Kolonne
20: Tank für das Dieselöl
21: Kondensator mit 150°C
22: Kondensator mit 100°C
23: Kühler für Thermoöl
24: Kühler für Prozesswasser
25: Vakuumpumpe

Claims

Verfahren zur Herstellung von Dieselöl aus kohlenwasserstoffhaltigen Roh- und Reststoffen unter Verwendung eines kontinuierlich betriebenen Flüssigkeitsreaktors, der eine Ringverdampfungsanlage umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass während der chemischen Umsetzung der Roh- und Reststoffe die Ringverdampfungsanlage des Flüssigkeitsreaktors dielektrisch beheizt wird, wobei mittels einer Vakuumpumpe (25) in der Ringverdampfungsanlage ein Unterdruck erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsreaktor mittels Mikrowellen beheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte – Mischen des aus Roh- und Reststoffen bestehenden Prozessguts mit mindestens einem Katalysator und/oder mindestens einem Neutralisator, – Zumischen von Trägeröl in einer Vormischkammer (6) mit Hilfe eines Zwangsmischers (8) und gleichzeitiges Entwässern und Erwärmen des Prozessguts mit der aus einem Blockheizkraftwerk (7) gewonnenen Wärme auf 90° bis 130°C, wodurch ein pumpfähiges Gemisch entsteht, – Einbringen des pumpfähigen Prozessguts in die Ringverdampfungsanlage, in der das Prozessgut durch den Wärmeeintrag eines Mikrowellen-Durchlauferhitzers (15) auf eine Temperatur von 250° bis 360°C erhitzt wird, – Abseparieren der in der Ringverdampfungsanlage gebildeten Dieselöl-Bestandteile durch Ausgasen in einem großvolumigen Dampfbehälter (14), in dessen oberem Teil sich eine Kolonne (19) zum fraktionierten Destillieren der ausgegasten Kohlenwasserstoffe befindet, – Verflüssigen des gewonnenen Dieselöls und Speichern in einem Tank (20).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischkammer (6) und die Ringverdampfungsanlage mittels einer Vakuumpumpe (25) evakuiert und die von der Vakuumpumpe (25) abgesaugten Gase in das Ansaugsystem des Blockheizkraftwerks (7) geleitet werden.
Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Vormischeinheit, die sich aus einer Dosiereinheit (3) und einer Vormischkammer (6) zusammensetzt, und mit einem Reaktor, der eine Einrichtung zum Energieeintrag (15), eine Ringverdampfungsanlage, eine Austragseinheit (16) für die nicht crackbaren Materialien und eine Vakuumpumpe (25), die zum Absaugen von zumindest der Vormischkammer (6) und der Ringverdampfungsanlage eingerichtet ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Energieeintrag ein dielektrischer Erhitzer ist.
Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Erhitzer ein Mikrowellen-Durchlauferhitzer (15) ist
Anlage nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überführung des Prozessguts von der Dosiereinheit (3) in die Vormischkammer (6) und zum Verschließen des Eintragsbereichs der Vormischkammer (6) mit einem sich aus Prozessgut dynamisch ausbildenden Pfropfens eine horizontal angeordnete Förderschnecke (4), deren Eingabeseiten (4.1) mit dem Ausgang der Dosiereinheit verbunden ist, gasdicht durch eine der Wände (5.1) einer Einschleuskammer (5) geführt ist und 20 bis 40 cm vor der Innenseite der der Wand (5.1) gegenüberliegenden Wand (5.2) der Einschleuskammer (5 ) endet, wobei der Boden (5.3) der Einschleuskammer (5) vollständig offen ist und in die unterhalb der Einschleuskammer (5) angeordnete Vormischkammer (6) mündet, wodurch ein Fallschacht zwischen den beiden Kammern und durch die Förderschnecke (4) und Einschleuskammer (5) eine T-förmige Anordnung gebildet wird, bei der die Förderschnecke (4) die horizontal angeordnete, lange Seite und die Einschleuskammer (5) die vertikal angeordnete, kurze Seite repräsentiert.
Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Boden der Vormischkammer (6) eine Exzenterschneckenpumpe (10) befindet, die das Prozessgut von der Vormischkammer (6) zum Reaktor fördert.