DE102011014345A1 - Verfahren zur energieffizienten und umweltschonenden Gewinnung von Leichtöl und/oder Treibstoffen ausgehend von Roh-Bitumen aus Ölschifer und /oder Ölsanden - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur energieeffizienten und umweltschonenden Gewinnung von Leichtoel und/oder Treibstoffen ausgehend von Roh-Bitumen aus Oelschiefer und/oder Oelsanden (1) durch thermische Verwertung von bei dieser Gewinnung anfallenden kohlenstoff-haltigen Rückständen, indem die kohlenstoff-haltigen Rückstände durch unterstöchiometrische Oxidation mit sauerstoffhaltigem Gas in einem mit einem Schüttgutwanderbett betriebenen Gegenstromvergaser (19) unter Zusatz von alkalischen Stoffen bei Temperaturen < 1800°C in schwefelarme gasförmige Spaltprodukte (31) umgewandelt, und diese Spaltprodukte anschließend durch überstöchiometrische Oxidation in fühlbare Wärme umgewandelt, und zur Erzeugung aufgeheizter wässriger Prozessmedien (2) für die physikalische Zerkleinerung der Ölsande und/oder Ölschiefer (1) und/oder zur Abtrennung des Rohbitumens (7) aus der Gesteinsmasse und/oder als Prozesswärme für die thermische Fraktionierung (12) des Roh-Bitumens (7) eingesetzt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur energieeffizienten und umweltschonenden Gewinnung von Leichtoel und/oder Treibstoffen ausgehend von Roh-Bitumen aus Oelschiefer und/oder Oelsanden durch thermische Verwertung von bei dieser Gewinnung anfallenden kohlenstoff-haltigen Verbindungen.
  • Aufgrund des weltweit stark steigenden Bedarfs an fossilen Brennstoffen und Erdöl-basierten Rohstoffen, sowie die langfristig zu erwartende Verknappung konventioneller Erdölvorkommen, erlangt die Gewinnung von Energieträgern und Rohstoffen aus Ölschiefer- und/oder Ölsandvorkommen zunehmend an Bedeutung.
  • Natürlich vorkommende Ölsande oder Ölschiefer bestehen aus Erdgestein und enthalten bis zu 20% eines Bitumengemisches. Dieses Bitumengemisch enthält im Wesentlichen organische Kohlenstoffverbindungen unterschiedlicher Molgewichte und Siedepunkte.
  • Stand der Technik:
  • Um diese Kohlenstoffverbindungen einer gezielten Gewinnung zugänglich zu machen, muss das Bitumengemisch zunächst vom Erdgesteinsanteil abgetrennt werden.
  • Die Abtrennung des Bitumens aus diesen Erdgesteinsmassen kann im Wesentlichen über zwei Technologien erfolgen.
  • Gewinnung im Tagebau:
  • Bei dieser Methode wird die Bitumen-haltige Gesteinsmasse mit Abräumbaggern bzw. Radladern abgetragen und mittels Schwerlastfahrzeugen zu den Aufbereitungsanlagen transportiert. Die Aufbereitung erfolgt in der Regel in folgenden Prozessschritten:
    • 1. Brechen/Zerkleinern des Gesteins in der Regel unter Zuführung von Wasserdampf bzw. Heißwasser
    • 2. Überführung der dabei entstehenden Suspension in den ersten Extraktionsschritt, wo sich Sediment und Wasser als untere Trennschicht, und Bitumen mit Schaum als obere Trennschicht ausbildet.
    • 3. Abführen der unteren Sediment- und Wasserschicht in zumeist künstlich angelegte Stauseen oder Wasserlagunen
    • 4. Abführen der oberen Bitumenschicht in den zweiten Extraktionsschritt, wo Reste von Wasser und Feinpartikel abgetrennt werden. Der Bitumen wird zumeist in einem organischen Lösungsmittel (in der Regel „Naphtha”, welches ein Produkt des Leichtölgewinnungsprozesses ist) gelöst. Man erhält den sogenannten Roh-Bitumen.
    • 5. Der Roh-Bitumen wird in eine nachfolgende Bitumenaufbereitung („Upgrading”) überführt.
  • Gewinnung über die sogenannte „Insitu-Methode”:
  • Bei dieser Technologie wird der Roh-Bitumen bereits im Erdreich, unterhalb der Erdoberfläche und ohne Abbau der Gesteinsmassen gewonnen. Dies geschieht wie folgt:
    • 6. Hochdruck-Wasserdampf wird in tiefe Bitumen-haltige Gesteinsschichten injiziert. Dadurch wird eine thermische Verflüssigung des Roh-Bitumens erreicht.
    • 7. Dieser verflüssigte Roh-Bitumen wird gezielt in unterirdische Sammelpunkte geleitet und von dort mittels geeigneter Pump-Fördertechnik an die Erdoberfläche gefördert.
    • 8. Der so gewonnene Roh-Bitumen folgt dann in der Regel dem weiteren Vorgehen entsprechend dem o. g. Punkt 5.
  • Gewinnung von Leichtöl und flüssiger Treibstoffe aus Roh-Bitumen:
  • Der Roh-Bitumen wird (ggf. aus beiden Gewinnungsmethoden) in die nächste Aufbereitungsanlage („Upgrading”) zusammengefahren. Dort werden zumeist folgende Prozessschritte durchgeführt:
    • 9. Aus der Mischung bestehend aus Roh-Bitumen und Naphtha werden die flüchtigen Kohlenwasserstoffe abdestilliert. Am Ende bleibt ein unlöslicher Rückstand, der sogenannte Pet-Koks zurück. Dieser kann je nach Einsatzmaterial bis zu 10% Schwefelanteile enthalten.
    • 10. Die gasförmigen Kohlenwasserstoffe aus der Destillation werden durch fraktionierte Kondensation in Naphtha, Kerosin und Gasöl aufgetrennt, wobei Naphtha in der Regel zumindest teilweise in den Prozess zurückgeführt wird.
    • 11. Je nach Qualitätsanforderung an die einzelnen Fraktionen kann im weiteren Schritt eine Entschwefelung erfolgen. Dies geschieht zumeist mittels Hydrierung und Abtrennung von elementarem Schwefel.
    • 12. Am Ende des Prozesses steht die Lagerung und der Abtransport der flüssigen Fraktionen.
  • Das oben beschriebene Verfahren zur Gewinnung von Leichtöl und Treibstoffen aus Ölschiefer und/oder Ölsanden weist jedoch erhebliche Nachteile auf.
  • So erfordert die Extraktion des Roh-Bitumens aus den Gesteinsmassen erhebliche Mengen an Heißwasser und Wasserdampf. Pro Volumeneinheit gewonnenem Leichtöl müssen bis zu 6 Volumeneinheiten Wasser eingesetzt werden. Die Bereitung von Dampf und Heißwasser erfolgt zumeist in Heizkesseln mit Erdgasfeuerung. Der Bedarf an Erdgas ist extrem hoch und führt zu einer außerordentlich ungünstigen Energiebilanz des Gesamtprozesses. Weiterhin ist dadurch der spezifische CO2-Ausstoss pro Barrel gewonnenem Leichtöl im Grunde ökologisch und im Hinblick auf notwendige Schonung wertvoller Ressourcen inakzeptabel.
  • Der bei der Destillation des Roh-Bitumens (Schritt 9.) zurückbleibende Pet-Koks enthält Schwefel in Konzentrationen von bis zu 10%. Hierbei handelt sich im Grunde um einen wertvollen Energieträger. Dieser kann jedoch aufgrund seines hohen Schwefelgehaltes nicht ohne weiteres in Verbrennungsprozessen, z. B. zur Erzeugung von Wasserdampf oder Heißwasser eingesetzt werden. Die Gewährleistung einer Umweltgerechten, thermischen Verwertung ist daher fraglich und wenn überhaupt nur mit unverhältnismäßigem Aufwand für eine Rauchgasentschwefelung möglich.
  • Für die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, sondern das eine energieeffiziente Verwertung von Kohlenstoffträgern, enthalten in Ölsanden und/oder Ölschiefer erlaubt, das fossile Ressourcen (z. B. Erdgas) schont und das aus sich selber heraus ausreichend Energieträger generieren kann, um den Verwertungsprozess zumindest teilweise mit dem notwendigen Eigenenergiebedarf zu versorgen.
  • Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die kohlenstoffhaltigen Verbindungen Schwefel enthalten und durch unterstöchiometrische Oxidation mit sauerstoffhaltigem Gas in einem mit einem Schüttgutwanderbett betriebenen Gegenstromvergaser unter Zusatz von alkalischen Stoffen bei Temperaturen < 1800°C in schwefelarme gasförmige Spaltprodukte umgewandelt und diese Spaltprodukte anschließend durch überstöchiometrische Oxidation in fühlbare Wärme umgewandelt und zur Erzeugung aufgeheizter wässriger Prozessmedien für eine physikalische Zerkleinerung der Ölsande und/oder Ölschiefer und/oder zur Abtrennung des Rohbitumens aus der Gesteinsmasse und/oder als Prozesswärme für eine thermische Fraktionierung des Rohbitumens eingesetzt werden.
  • Es hat sich gezeigt, dass die bislang aufgrund der Schwefel-Problematik nicht verwerteten Reststoffe die Energiebilanz bei der Gewinnung von Leichtöl und/oder Treibstoffen aus Ölschiefer und/oder Ölsanden beträchtlich verbessern können. Durch die sinnvolle Verwertung der Kohlenstoffbestandteile wird auch die Umweltgefährdung durch bislang in den Reststoffen verbleibenden Kohlenstoffverbindungen beseitigt.
  • Beispielsweise können als kohlenstoffhaltige Verbindungen auch feste Rückstände aus der wässrigen Abtrennung von Rohbitumen von der Gesteinsmasse und/oder feste Rückstände aus der thermischen Fraktionierung des Rohbitumens eingesetzt werden.
  • Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung des Verfahrens, bei welcher der Gegenstromvergaser als vertikaler Prozessraum mit einer Kalzinierzone und einer Oxidationszone, in welcher die kalzinierten kohlenstoff- und schwefelhaltigen Rückstände mit sauerstoffhaltigem Gas oxidieren, wobei die gasförmigen Reaktionsprodukte an der Oberseite des vertikalen Reaktionsraumes abgezogen werden, in der Form eines Vertikalschachtofens ausgebildet wird, der von einem Schüttgut, das selbst nicht oxidiert wird, kontinuierlich von oben nach unten durchströmt wird, und das sauerstoffhaltige Gas wenigstens teilweise unterhalb der Oxidationszone eingeleitet wird, wodurch der aufsteigende Gasstrom gefördert wird. Der Vorteil eines inerten Schüttgutes besteht darin, dass sich die mechanischen Eigenschaften der Schüttung leichter beeinflussen und an die verfahrenswesentlichen Aspekte anpassen lassen.
  • Beispiele für einsetzbare alkalische Stoffe sind Metalloxide, Metallcarbonate, Metallhydroxide oder Mischungen davon, die in die Gasphase oberhalb der Kalzinierzone eindosiert und/oder vor Eintritt in den vertikalen Prozessraum den kohlenstoff- und schwefelhaltigen Rückständen beigemischt werden. Besonders bevorzugt sind Elemente der Alkalimetalle oder Elemente der Erdalkalimetalle, insbesondere Kalzium, zur Bildung der Metalloxide, -carbonte oder -hydroxide, da insbesondere in der Form von Kalziumoxid katalytische Wirkungen die Verfahrensabläufe positiv beeinflussen.
  • Ein Zusetzen der alkalischen Stoffe zumindest teilweise in feinkörniger Form mit einer Korngröße von < 2 mm hat sich als vorteilhaft erwiesen, ebenso eine unterstöchiometrische Oxidation bei einem Λ von < 0,5, besonders bevorzugt von < 0,3.
  • Die Schwefelbindungsmechanismen laufen besonders vorteilhaft durch Zusatz von alkalischen Stoffen unter reduktiven Bedingungen ab, wobei die im Gegenstromvergaser bei Temperaturen von oberhalb von 400°C aus den Bestandteilen der kohlenstoff- und schwefelhaltigen Rückstände entstehenden gasförmigen Schwefelverbindungen durch chemische Reaktion mit den alkalischen Stoffen in feste Schwefelverbindungen überführt, diese festen Schwefelverbindungen zumindest teilweise mit den gasförmigen Reaktionsprodukten ausgetragen und bei Temperaturen oberhalb von 300°C aus der Gasphase durch Feingutabtrennung entfernt werden. Auf diese Weise lässt sich der Schwefel in besonders wirtschaftlicher Weise dem Verfahren entziehen.
  • Bei einem angestrebten Verfahrensablauf wird im vertikalen Prozessraum und/oder in der Gasphase der abgezogenen gasförmigen Reaktionsprodukte in Gegenwart von Wasserdampf und Kalziumoxid und/oder Kalziumcarbonat und/oder Kalziumhydroxid eine Kalzium-katalysierte Reformierung von wesentlichen Anteilen der entstehenden Öl- und/oder teerhaltigen Spaltprodukte, die eine Kettenlänge von > C4 aufweisen, zu Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff bei Temperaturen von oberhalb 400°C durchgeführt.
  • Das Schüttgutwanderbett wird vorzugsweise durch zusätzliche Dosierung von Grobgut gebildet, um die Fließfähigkeit des Schüttgutes und/oder dessen Gasdurchlässigkeit zu erhöhen, wobei das Grobgut den kohlenstoff-haltigen Verbindungen vor Eintritt in den vertikalen Prozessraum beigemischt wird. Das Grobgut kann Mineralstoffe und/oder andere anorganische Stoffe, z. B. Stoffgemische mit einer Korngröße im Bereich von 2 mm bis 300 mm oder unmittelbar in der Form von Ölsand und/oder Ölschiefer eingesetzt werden. Letzter Fall ist besonders bevorzugt, weil dadurch ein Verfahrensablauf ermöglicht ist, bei dem vor Ort vorkommende Ressourcen unmittelbar eingesetzt und verwertet werden können.
  • Vorteilhaft kann auch der Einsatz von Holz und/oder sonstigen biogenen Materialien als Grobgut mit einer entsprechenden Korngröße sein. Oftmals liegen diese Materialien in der Nähe der Verfahrensstandorte vor, so dass ihre Verwertung aufgrund kurzer Transportwege der Gesamtbilanz der Energieeffizienz zugute kommt.
  • Inertes Schüttgut kann am unteren Ende des vertikalen Prozessraums von enthaltenem Feingut und Asche abgetrennt und zumindest teilweise wieder als Grobgut in den Prozess zurückgeführt werden, so dass die Wegstrecken für die zu bewegenden Massen gering gehalten werden können. Vorteilhaft kann es auch sein, die kohlenstoff-haltigen Verbindungen vor Einsatz im Gegenstromvergaser durch Agglomierung in Partikel mit einer Korngröße im Bereich zwischen 2 mm und 300 mm zu überführen, um, wie bei der zusätzlichen Dosierung von Grobgut, die Fließfähigkeit des Schüttgutes und/oder dessen Gasdurchlässigkeit zu verbessern.
  • Für den Gasgegenstrom hat sich die Ausbildung eines Differenzdruckes in einem Bereich von 50 bis 1.000 mbar (ü) im vertikalen Prozessraum zwischen der Oberseite und der Unterseite als vorteilhaft erwiesen.
  • 1 zeigt ein Beispiel für ein integriertes Verfahren zur Gewinnung von Leichtöl und Treibstoffen durch Abbau der Ölsande bzw. Ölschiefer im Tagebau.
  • Der im Tagebau gewonnenen Ölsande bzw. Ölschiefer (A) werden über Brecheranlagen (1) mechanisch zerkleinert. Dies geschieht zumeist durch Zumischung von Heißwasser oder auch Wasserdampf (2). Heißwasser/Wasserdampf wird in Kesselanlagen (3) erzeugt.
  • Die in der mechanischen Zerkleinerung entstandene Suspension wird einer ersten Extraktionsstufe (4) zugeführt. Hier wird in der Regel nochmals Heißwasser/Wasserdampf (5) zugeführt. Nach intensiver Durchmischung wird in der Extraktionsstufe (4) durch Absitzen eine Trennung der Phasen durchgeführt. Als untere Phase bildet sich eine Wasser-/Sedimentphase (B) aus. Diese wird abgetrennt und zumeist in künstlich angelegte Lagunen oder Seen verbracht (6).
  • Die obere Phase (7) enthält im Wesentlichen Roh-Bitumen. Diese wird abgetrennt und dem nachfolgenden Prozessschritt (C) zugeführt.
  • In der ersten Extraktionsstufe bildet sich in der Regel noch eine Mittelphase (8) aus, die neben Wasser/Sediment auch noch signifikante Anteile an Roh-Bitumen enthalten kann. Diese Mittelphase kann einer zweiten Extraktionsstufe (9) zugeführt werden. Hier wird eine zweite Trennung durchgeführt, wobei die untere Wasser-/Sediment-Phase (D) abgetrennt und ebenfalls in künstlich angelegten Lagunen oder Seen verbracht wird (6). Die obere Phase (10) enthält im Wesentlichen Roh-Bitumen und wird ebenfalls der nachfolgenden Prozessstufe (C.) zugeführt.
  • Im Prozessschritt (C) kann der Roh-Bitumen mit organischen Lösungsmitteln, beispielsweise mit Naphtha (11), welches als Produkt bei der späteren Bitumen-Veredelung gewonnen wird, vermischt werden. Hierbei können je nach Bitumen-Qualität ungelöste Rückstände (E) anfallen, die auch als Pet-Koks bezeichnet werden.
  • Der gelöste Roh-Bitumen wird einer Destillation (12) zugeführt, wo die verdampfbaren Anteile durch Wärmezufuhr mittels Heißdampf (13) aus den Kesselanlagen und unter Nutzung geeigneter Destillationsvorrichtungen abgedampft werden, wobei als nicht verdampfbarer Anteil weiterer Pet-Koks (E) zurückbleibt. Hierbei handelt es um kohlenstoffreiche Rückstände, die einen hohen Heizwert haben, jedoch bis zu 10% Schwefel enthalten können.
  • Die verdampfbaren Anteile (14) werden beispielsweise über fraktionierte Kondensation (15) in verschiedene Siedefraktionen aufgetrennt, die unter anderem aus Leichtöl (16), Naphtha (11), und verschiedenen Treibstoffen (17) bestehen können.
  • Das beschriebene Verfahren ist sehr energieintensiv, da sehr grosse Mengen an Heißwasser/Wasserdampf in Kesselanlagen (3) erzeugt werden müssen. Hierfür wurden bislang erhebliche Mengen fossiler Brennstoffe, insbesondere Erdgas (18) eingesetzt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dieses Erdgas ganz oder teilweise mit in einem Gegenstromvergaser (19) erzeugten Synthesegas (20) zu ersetzen und dieses Synthesegas als Brennstoff in den Kesselanlagen (3) zu nutzen.
  • Die Erzeugung des Synthesegases erfolgt durch Vergasung von kohlenstoffhaltigen Materialien in einem Gegenstromvergaser (19), der als vertikaler Prozessraum ausgebildet ist. Dieser Prozessraum wird von einem Schüttgut (21) von oben nach unten durchströmt. Das Schüttgut kann vorzugsweise aus grobkörnigem Material bestehen, wobei sich als Schüttgut auch der Einsatz von Sediment (B) und/oder (D) eignet. Besonders vorteilhaft kann das Schüttgut auch teilweise aus dem Ölsand/Ölschiefer (A) gebildet werden, wobei es in diesem Fall auch vorteilhaft sein kann, das Material (A) vor Einsatz als Schüttgut auf eine Korngrösse von kleiner als 20 cm mechanisch zu zerkleinern. Diesem Schüttgut können weitere Reststoffe aus dem weiter oben beschriebenen Verfahren vor Eintritt in den Gegenstromvergaser zugesetzt werden. Insbesondere eignet sich hierfür der Pet-Koks (E), der aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehaltes einen hohen Heizwert aufweist. Das Gemisch aus Schüttgut und Reststoffen durchströmt den vertikalen Prozessraum (19) durch eigene Schwerkraft von oben nach unten. Der Gegenstromvergaser weist im mittleren Bereich Brennerlanzen (22) auf, die für eine Grundlastfeuerung im vertikalen Prozessraum und für die stationäre Ausbildung einer Brennzone (23) sorgen. Diese Brennerlanzen können mit fossilen Brennstoffen (24) und sauerstoffhaltigem Gas (25) betrieben werden. Alternativ zu den fossilen Brennstoffen kann auch Synthesegas aus dem Gegenstromvergaser (20) oder auch der in Naphtha gelöste Roh-Bitumen (C) eingesetzt werden.
  • Am unteren Ende des vertikalen Prozessraums wird sauerstoffhaltiges Gas (26) eingeleitet. Dieses Gas dient zunächst zur Abkühlung des Schüttgutes vor Verlassen des vertikalen Prozessraums in einer Kühlzone (27). Dabei wird das sauerstoffhaltige Gas vorgewärmt, während es weiter im vertikalen Prozessraum nach oben strömt. Entsprechend des Gegenstromvergasungsprinzips reagiert der Sauerstoff aus dem sauerstoffhaltigen Gas mit den kohlenstoffhaltigen Materialien im Schuttgut durch Oxidation, wobei die Menge an sauerstoffhaltigem Gas so eingestellt wird, dass sich im vertikalen Prozessraum ein Gesamt-Lamda von kleiner 0,5 einstellt. Dadurch bildet sich zunächst eine Brennzone (23) aus, in der Reste des kohlenstoffhaltigen Materials mit Sauerstoff zu CO2 reagieren. Weiter oben nimmt der Sauerstoff weiter ab, sodass schliesslich nur noch Verschwelung zu CO stattfinden kann, bis noch weiter oben schliesslich der gesamte Sauerstoff verbraucht ist und sich eine Pyrolysezone (28) ausbildet.
  • Betrachtet man umgekehrt den Fluss des Schüttgutes und der kohlenstoff-haltigen Materialien von oben nach unten, so findet in der Pyrolysezone (28) zunächst eine Trocknung der üblicherweise feuchten Einsatzmaterialien bis zu einer Eigentemperatur von 100°C statt. Danach steigt die Eigentemperatur der Materialien weiter an, sodass der Vergasungsprozess einsetzt und bei einer Eigentemperatur von bis zu 500°C die Bildung von Methan, Wasserstoff und CO einsetzt. Nach weitgehender Entgasung steigt die Eigentemperatur der sich nach unten bewegenden Materialien durch die aus der Brennzone (23) aufsteigenden Heißgase weiter an, sodass die kohlenstoffreichen Materialien schliesslich vollständig entgast sind und nur noch aus Restkoks, dem sogenannten Pyrolysekoks, und Ascheanteilen bestehen. Der Pyrolysekoks wird mit dem Schüttgut im vertikalen Prozessraum weiter nach unten transportiert, wo er bei Temperaturen oberhalb von 800°C mit den CO2-Anteilen aus der Brennzone durch Boudouard-Umwandlung teilweise in CO umgewandelt und ebenfalls vergast wird. Ein Teil des Pyrolysekokses reagiert in dieser Zone auch gemäß der Wassergasreaktion mit Wasserdampf, der ebenfalls in den Heißgasen enthalten ist, unter Bildung von CO und Wasserstoff. Reste des Pyrolysekokses werden schliesslich in der Brennzone (23) mit dem von unten einströmenden sauerstoffhaltigen Gas bei Temperaturen unterhalb von 1800°C praktisch vollständig verbrannt und thermisch genutzt. Dadurch ist es möglich, dass sich der Gegenstromvergaser praktisch vollständig mit der für die Vergasung notwendigen Energie versorgen kann. Man spricht hierbei auch vom autothermen Vergasungsverfahren.
  • In die Kühlzone kann auch Wasser (29) über Wasserlanzen (30) als weiteres Kühl und Vergasungsmittel eindosiert werden.
  • Das im vertikalen Prozessraum gebildete Synthesegas wird am oberen Ende abgesaugt (31), sodass sich im oberen Gasraum (32) vorzugsweise ein leichter Unterdruck von 0 bis –200 mbar einstellt.
  • Während des Vergasungsprozesses können je nach Qualität der Einsatzstoffe erheblich Anteile an gasförmigen Schwefelverbindungen entstehen. Daher ist es vorteilhaft, wenn dem Schüttgut vor Eintritt in den vertikalen Prozessraum alkalische Stoffe (33) zugemischt werden. Hierbei eignen sich besonders Metalloxide, Metallhydroxide oder Metalcarbonate, wobei der Einsatz von feinkörnigem Calciumoxid besonders bevorzugt ist, da dieses durch seine Reaktivität und grosse Oberfläche spontan mit den gebildeten gasförmigen Schwefelverbindungen reagiert und dabei feste Schwefelverbindungen bildet, die ganz überwiegend zusammen mit dem abgesaugten Synthesegas aus dem vertikalen Prozessraum ausgetragen werden. Weiterhin können auch andere Schadstoffe, beispielsweise Chlor, Chlorwasserstoff oder auch Schwermetalle sehr effektiv am CaO gebunden und in gleicher Weise aus dem Prozess ausgetragen werden.
  • Zusätzlich kann es sinnvoll sein, auch grobkörnige Metalloxide, Metallhydroxide oder Metalcarbonate als Schüttgut einzusetzen, um einerseits das Schüttgut anteilig zu den kohlenstoff-haltigen Materialien zu vergrößern und andererseits auch alkalische Reaktionspartner im unteren Teil des vertikalen Prozessraums für die Bindung der gasförmigen Schwefelverbindungen zur Verfügung zu stellen.
  • Das abgesaugte Synthesegas enthält Staub, der im Wesentlichen aus den festen Schwefelverbindungen, feinkörnigen alkalischen Stoffen, weiteren Schadstoffen und inerten Partikeln besteht. Dieses staubhaltige Synthesegas kann im Gasraum des vertikalen Prozessraums oder nach Verlassen des vertikalen Prozessraums in Gegenwart von Wasserdampf und feinkörnigem Calciumoxid bei Temperaturen von oberhalb 400°C behandelt werden. Diese Temperatur kann durch entsprechende Einstellung der Menge an sauerstoffhaltigem Gas (26) am unteren Ende des vertikalen Prozessraums oder durch die Heizleistung der Brennerlanzen (30) in der Brennzone eingestellt werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Verwendung einer Direktfeuerung in das Synthesegas über Brennerlanzen (34), die stöchiometrisch mit Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas oder auch mit einem Überschuss an sauerstoffhaltigem Gas betrieben werden. Diese thermische Nachbehandlung in Gegenwart von Wasserdampf und Calciumoxid gewährleistet die Spaltung von im Synthesegas noch in geringen Mengen vorhandenen Ölen und Teeren durch katalytische Wirkung des Calciumoxids.
  • Das staubhaltige Synthesegas wird anschliessend bei Temperaturen oberhalb von 300°C über eine Heißgasfiltration (35) vom Staub befreit. Der Schwefelhaltige Filterstaub (36) wird aus dem Prozess ausgeschleust und einer Entsorgung oder alternativen Verwendung zugeführt.
  • Das resultierende Synthesegas ist praktisch Schwefelfrei und kann als Brennstoff in den Kesselanlagen (3) eingesetzt werden. Je nach Standortbedingungen oder den Anforderungen der Kesselanlagen kann es erforderlich sein, das Synthesegas mittels Gaskühler (38) abzukühlen und von Kondensaten zu befreien, bevor der Einsatz in den Kesselanlagen erfolgen kann.
  • Das anfallende Kondensat (39) kann zumindest teilweise wieder als Kühl- und Vergasungsmittel über die Wasserlanzen (30) im vertikalen Prozessraum eingesetzt werden.
  • Die Verbrennung des gereinigten Synthesegases (20) gestattet den Betrieb der Kesselanlagen, ohne dass eine Behandlung des Rauchgases (40) durch eine aufwendige Rauchgasentschwefelung erforderlich ist.
  • Das am unteren Ende des vertikalen Reaktionsraums austretende Schüttgutgemisch (41) enthält im Wesentlichen grobkörniges Schüttgut, Reste an Aschen und feinkörniges Schüttgut. Das feinkörnige Schüttgut kann noch geringe Anteile an Schwefelprodukten und anderen Schadstoffen enthalten.
  • Der gesamte Schüttgutstrom kann insgesamt abgelagert werden (42). Besonders bevorzugt ist jedoch eine Siebung des Schüttgutgemisches (43), wobei die Grobfraktion (44) vorzugsweise zumindest teilweise im Kreislauf geführt, und erneut als Schüttgut im vertikalen Prozessraum eingesetzt wird.
  • Die feine Siebfraktion (45) wird zusammen mit dem Schwefelhaltigen Filterstaub (36) aus dem Prozess ausgeschleust und einer Entsorgung oder alternativen Verwendung zugeführt.
  • 2 zeigt ein Beispiel für ein integriertes Verfahren zur Gewinnung von Leichtöl und Treibstoffen, wobei der Rohbitumen durch die Insitu-Methode unter Tage gewonnen wird.
  • Bei der Insitu-Methode wird der Roh-Bitumen nicht durch Abbau des Erdreiches und dessen Extraktion gewonnen, sondern durch Aufschmelzung in der Erdkruste verflüssigt und über Pumpsysteme nach über Tage gefördert.
  • Dabei wird in bitumenhaltiges Erdreich (1) mittels spezieller Lanzensysteme (2) Hochdruckdampf aus den Kesselanlage (3) injiziert. Dadurch wird der Bitumen verflüssigt (4) und in unterirdische Sammelpunkte (5) abgeleitet. Von dort wird der flüssige Roh-Bitumen über Steigleitungen (6) und spezielle Fördersysteme (7) über Tage gefördert. Dieser flüssige Roh-Bitumen wird anschliessend in der nachfolgenden Prozessstufe C eingesetzt.
  • Eine weitere Technologie sieht die Verwendung spezieller Brennerlanzen (8) vor, über die eine Teil-Verbrennung des Roh-Bitumens in der Erdkruste initiiert wird. Dies kann beispielsweise durch überstöchiometrische Verbrennung von fossilen Brennstoffen (9) mit sauerstoffhaltigem Gas (10) erfolgen, wodurch der Überschuss an sauerstoffhaltigem Gas (10) eine Teilverbrennung des Roh-Bitumens im Erdreich bewirkt und dadurch Energie für die Verflüssigung des Roh-Bitumens bereit gestellt wird.
  • Erfindungsgemäß kann auch bei diesem Beispiel der benötigte Hochdruckdampf in den Kesselanlagen (3) mit Synthesegas (20) als Brennstoff erzeugt werden. Weiterhin kann Synthesegas auch als Brennstoff für die Teilverbrennung über die speziellen Brennersysteme (8) eingesetzt werden.
  • Oftmals wird die Insitu-Methode auch mit dem Tagebau gemäß 1 kombiniert. In beiden Fällen wird Roh-Bitumen gewonnen, der dann in der Prozessstufe (C) vereinigt und weiter veredelt wird.
  • Die weitere Prozessverlauf ab der Prozessstufe (C) ist analog der Beschreibung entsprechend 1.

Claims (15)

  1. Verfahren zur energieeffizienten und umweltschonenden Gewinnung von Leichtoel und/oder Treibstoffen ausgehend von Roh-Bitumen aus Oelschiefer und/oder Oelsanden (A) durch thermische Verwertung von bei dieser Gewinnung anfallenden kohlenstoffhaltigen Verbindungen (E), dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoffhaltigen Verbindungen Schwefel enthalten und durch unterstöchiometrische Oxidation mit sauerstoffhaltigem Gas (26) in einem mit einem Schüttgutwanderbett (21) betriebenen Gegenstromvergaser (19) unter Zusatz von alkalischen Stoffen bei Temperaturen < 1800°C in schwefelarme gasförmige Spaltprodukte umgewandelt, und diese Spaltprodukte anschließend durch überstöchiometrische Oxidation in fühlbare Warme umgewandelt, und zur Erzeugung aufgeheizter wässriger Prozessmedien für eine physikalische Zerkleinerung der Ölsande und/oder Ölschiefer (A) und/oder zur Abtrennung des Rohbitumens aus der Gesteinsmasse und/oder als Prozesswärme für eine thermische Fraktionierung des Roh-Bitumens eingesetzt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als kohlenstoffhaltige Verbindungen feste Rückstände aus der wässrigen Abtrennung von Roh-Bitumen von der Gesteinsmasse und/oder feste Rückstände aus der thermischen Fraktionierung des Roh-Bitumens eingesetzt werden.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstromvergaser (19) als vertikaler Prozessraum mit einer Kalzinierzone und einer Oxidationszone (23), in welcher die kalzinierten kohlenstoff- und schwefelhaltigen Rückstände (E) mit sauerstoffhaltigem Gas (26) oxidieren, wobei die gasförmigen Reaktionsprodukte an der Oberseite des vertikalen Reaktionsraumes abgezogen werden, der vertikale Prozessraum in der Form eines Vertikalschachtofens ausgebildet wird, der von einem Schüttgut (21), das selbst nicht oxidiert wird, kontinuierlich von oben nach unten durchströmt wird, und das sauerstoffhaltige Gas (26) wenigstens teilweise unterhalb der Oxidationszone (23) eingeleitet wird, wodurch der aufsteigende Gasstrom gefördert wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als alkalische Stoffe Metalloxide, Metallcarbonate, Metallhydroxide oder Mischungen aus zwei oder drei dieser Stoffe eingesetzt, und gezielt in den vertikalen Prozessraum (19) und/oder in die Gasphase oberhalb der Kalzinierzone eindosiert, und/oder vor Eintritt in den vertikalen Prozessraum den kohlenstoffhaltigen Verbindungen beigemischt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxide, Metallcarbonate und Metallhydroxide Elemente der Alkalimetalle oder Elemente der Erdalkalimetalle und besonders bevorzugt Calcium als Kation enthalten.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die alkalischen Stoffe zumindest teilweise in feinkörniger Form mit einer Korngrösse von kleiner als 2 mm eingesetzt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterstöchiometrische Oxidation bei einem Lambda von kleiner 0,5 und besonders bevorzugt von kleiner 0,3 durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Zusatz von alkalischen Stoffen unter reduktiven Bedingungen, die im Gegenstromvergaser (19) bei Temperaturen von oberhalb von 400°C aus den Bestandteilen der Kohlenstoff- und Schwefelhaltigen Rückstände entstehenden gasförmigen Schwefelverbindungen durch chemische Reaktion mit den alkalischen Stoffen in feste Schwefelverbindungen überführt, diese festen Schwefelverbindungen zumindest teilweise mit den gasförmigen Reaktionsprodukten ausgetragen, und bei Temperaturen oberhalb von 300°C aus der Gasphase durch Feingutabtrennung entfernt werden.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im vertikalen Prozessraum (19) und/oder in der Gasphase der abgezogenen gasförmigen Reaktionsprodukte in Gegenwart von Wasserdampf und Calciumoxid und/oder Calciumcarbonat und/oder Calciumhydroxid eine Calcium-katalysierte Reformierung von wesentlichen Anteilen der entstehenden Öl- und/oder Teer-haltigen Spaltprodukte, die eine Kettenlänge von größer C4 aufweisen, zu Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff bei Temperaturen von oberhalb 400°C durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgutwanderbett (21) teilweise durch zusätzliche Dosierung von Grobgut gebildet wird, um die Fließfähigkeit des Schüttgutes und/oder dessen Gasdurchlässigkeit zu erhöhen, wobei das Grobgut den kohlenstoff-haltigen Verbindungen vor Eintritt in den vertikalen Prozessraum beigemischt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Grobgut Mineralstoffe und/oder andere anorganische Stoffe bzw. Stoffgemische mit einer Korngrösse im Bereich von 2 mm bis 300 mm und besonders bevorzugt Ölsande und/oder Ölschiefer eingesetzt werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Grobgut Holz und/oder sonstige biogene Materialien mit einer Korngrösse im Bereich von 2 mm bis 300 mm eingesetzt werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Grobgut am unteren Ende des vertikalen Prozessraums von enthaltenem Feingut und Asche abgetrennt und zumindest teilweise wieder als Grobgut in den Prozess zurückgeführt wird.
  14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kohlenstoff-haltigen Verbindungen vor Einsatz im Gegenstromvergaser durch Agglomerierung in Partikel mit einer Korngrösse im Bereich zwischen 2 mm und 300 mm überführt werden.
  15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im vertikalen Prozessraum zwischen der Oberseite und der Unterseite ein Differenzdruck in einem Bereich von 50 bis 1000 mbar (ü) ausgebildet wird.
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