DE2202394A1

DE2202394A1 - Integriertes Fluid-Verkokungs- und Vergasungsverfahren

Info

Publication number: DE2202394A1
Application number: DE19722202394
Authority: DE
Inventors: Lahn Gerard C
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co; Esso Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1971-01-22
Filing date: 1972-01-19
Publication date: 1972-08-03
Also published as: CA968290A; US3759676A; NL7200893A; GB1378023A; JPS5544792B1; IT946811B

Description

Integriertes Fluid-Verkokungs- und Vergasungsverfahren

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Treibgas oder Brenngas aus Koks mit Hilfe eines neuen Vergasungsverfahrens, insbesondere besteht das Vergasungsverfahren aus einem dreistufigen Verfahren, bei dem kalter Koks in eine Wärmeübergangszone injiziert wird, bevor er in eine Gas/Feststoff-Trennzone von 480 bis 98O C hochgefördert und dann mindestens teilweise in eine Vergasungszone von 870 bis 1200⁰C überführt wird.

Gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein integriertes Verkokungs- und Vergasungsverfahren vorgeschlagen, und Insbesondere wird schweres kohlenstoffhaltiges Material, wie Erdölrückstände, mittels eines üblichen Fluid-Verkokungsreaktors in flüssige und gasförmige Erdöldestillate und Koks umgewandelt und der Koks dann zur Herstellung von Brenngas in einen verbesserten, dreistufigen Vergasungsreaktor eingebracht.

Beim üblichen Fluid-Verkokungsverfahren wird eine Schwefel-

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kohlenwasserstoff-Fraktion, wie beispielsweise ein Vakuum-Erdölrückstand in einen Fluid-Verkokungsreaktor eingeleitet, wobei flüssiges und gasförmiges Destillat und Koks erzeugt wird. Der Koks wird dann vorzugsweise in einen getrennten Brennreaktor geleitet, wo ein Teil des Koks verbrannt wird, um den restlichen Koks auf eine ausreichend hohe Temperatur zu erwärmen, um die erforderliche Wärmemenge zu liefern, die im Verkokungsreaktor notwendig ist, wenn der Koks in den Verkokungsreaktor zurückgeführt wird.

Bei derartigen fluiden Verkokungsverfahren ergeben sich mehrere Schwierigkeiten. Im allgemeinen wird mehr Koks in dem Verkokungsreaktor erzeugt als es für den Brennreaktor erforderlich ist. Da dieser Koks als Nebenprodukt wertlos ist, ergeben sich Schwierigkeiten bei der Lagerung bzw. Entfernung dieses überschüssigen Koks. Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich bei dem Verbrennen des Koks in dem Brennreaktorj hierbei entsteht als Nebenprodukt SOp, das die Luftverschmutzung erheblich erhöht. ^y

Diese Schwierigkeiten kann man dadurch beheben, daß man die Fluid-Verkokungsreaktoren mit weiteren Vergasungsreaktoren ausrüstet, um überschüssigen Koks in Brenngas (H₂ und CO) durch Umsetzung mit Dampf umzuwandeln. Hierbei wird der Schwefel im Koks leicht als HpS aus dem Brenngas entfernt. Die hier-

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für erforderlichen zusätzlichen Materialtransportleitungen und die erforderlichen weiteren Reaktorgefäße machen ein derartiges Verfahren jedoch unwirtschaftlich.

Als Alternative zu dem oben erwähnten System aus drei Reaktionsgefäßen wurde gemäß französischer Patentschrift 1 O4l yj2 ein neuer zweistufiger Reaktor in Form eines einzigen Gefäßes zum Erhitzen und Vergasen vorgeschlagen. Diese Anlage hat jedoch andere Nachteile, die mit der vorliegenden Erfindung behoben werden sollen. Bei dieser Anlage besteht die Möglichkeit, daß das Heizbett in das Vergasungsbett abfällt, wenn die Schieber oder Ventile sich festsetzen oder der Gasverteiler durchbrennt. In diesem Fall muß der zweistufige Reaktor abgeschaltet werden, wodurch die Möglichkeit entsteht, daß der Sauerstoff durch die Betten^ durchbricht und eine Explosion verursacht. Ein weiterer Nachteil ist die Unzuverlässigkeit des Gasverteilers, der die Gase in dem oberen Brennerbett gleichmäßig verteilen soll. Hieraus ergibt sich eine schlechte Fluidisierung des oberen Bettes, wodurch wiederum überhitzte Bereiche im Bett entstehen, insbesondere im Bereich des Gasverteilers, wodurch der Reaktor zerstört wird, und insbesondere der Gasverteiler zu dem oben erwähnten Einbrechen führt.

Gemäß der Erfindung wird in einer Hinsicht ein Verfahren vor-

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geschlagen, bei dem kohlenstoffhaltiges Einsatzprodukt, insbesondere Koks, in einem Dreizonenreaktor vergast wird, und zwar auf eine Weise, bei der die Produktion an Brenngas durch ein neues Vorheizverfahren des Einsatzmaterials maximal gesteigert wird. Insbesondere wird das kohlenstoffhaltige Material in eine zwischengeschaltete Wärmeübertragungszone injiziert, wo das Material mit den hei3en Gasen aus einer niedrigeren Vergasungszone in Kontakt kommen und nach oben transportiert werden, bis dieses nunmehr heißere kohlenstoffhaltige Material die obere Trennzone erreicht und sich dort ablagert, während die jetzt kühleren Gase aus dem Reaktorgefäß durch Niedrigtemperatur-Zyklone entweichen.

Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein integriertes Fluid-Verkokungs- und Vergasungsverfahren vorgeschlagen, bei dem der in einem Koksreaktor erzeugte Koks in ein Dreizonen-Reaktionsgefäß injiziert wird, um Brenngas zu erzeugen und, wenn gewünscht, ein im wesentlichen entschwefeltes heißes Koksprodukt, das in den Pluid-Verkokungsreaktor injiziert werden kann, um die erforderliche Wärme zu liefern, die in diesem Reaktor benötigt wird; das Koksprodukt kann auch direkt in die untere Vergasungszone des Reaktorgefäßes injiziert werden, um mehr Brenngas zu erzeugen; beide Möglichkeiten können auch zusammen durchgeführt werden. Insbesondere wird der in dem Verkokungsreaktor erzeugte Koks in eine zwischengeschaltete Wärme-

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Übergangszone injiziert, wo er mit den heißen Gasen in Kontakt gebracht und von diesen nach oben transportiert wird, die in einer unteren Vergasungszone erzeugt werden, bis der nunmehr heißere Koks die obere Trennzone erreicht, wo das gekühlte Gas und der erhitzte Koks getrennt werden. Der erhitzte Koks sammelt sich in dem Trennzonenbett an, wobei ein Teil dieses Koks wieder in den Verkokungsreaktor zurückgeführt wird und der Rest in die Vergasungszone geleitet wird, wo er zu Brennstoff umgewandelt oder teilweise aus dem Reaktor abgezogen wird. Die abgekühlten Gase treten aus dem Reaktor durch Niedrigtemperatur-Zyklone aus.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schematisch zeigt.

Das schwere kohlenstoffhaltige Einsatzprodukt wird über Zufuhrvorrichtungen 102 in einen konventionellen Fluid-Verkokungsreaktor 101 eingeleitet. Das Einsatzprodukt kann jedes beliebige kohlenstoffhaltige Produkt sein, wobei aus wirtschaftlichen Gründen die leicht zur Verfügung stehenden Vakuumrückstände oder Destillationsrückstände von Erdöl bevorzugt werden. Das Bett 103 kann aus inerten Teilchen, wie Siliciumdioxid, Tonerde, Zirkonoxid, Magnesiumoxid, künstlichem Korund oder Alundum oder aus Mullit bzw. aus synthetisch hersgestellten oder natürlich vorkommenden Produkten bestehen, wie Bimeatein, Ton, Kieselgur, Dlatomeaierde, Bauxit und dergleichen. Vorzugsweise besteht das„Bett aus Koksteilchen und

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insbesondere aus Koksteilchen mit einem Durchmesser zwischen 40 und 400 Micron. Das Bett wird durch ein Gas, wie Dampf oder auch durch Luft oder andere sauerstoffhaltige Gase in einem fluiden Zustand gehalten; die Gase werden bei 104 eingeleitet. Dieses Fließbett 103 wird durch Koks aus der Trennzone 11} des Dreizonen-Heiz- und Vergasungsreaktors 110 auf eine Temperatur von 480 bis 600 C gebracht. Dieser Koks von dem Reaktor 110 wird über eine Leitung 105 in das Fließbett 103 eingeleitet. Die Temperatur von 480 bis 600° wird gegebenenfalls auch durch Verbrennen des Rückstands mit Sauerstoff oder Luft, die über die öffnung 104 eingeleitet werden, bewirkt. Das Einsatzmaterial kann auch in einem hier nicht gezeigten Ofen vorerhitzt werden, bevor es in den Verkokungsreaktor 101 injiziert wird.

In dem Fluid-Verkokungsreaktor 101 wird der Rückstand gecrackt, wobei leichte flüssige und gasförmige Destillate erhalten werden, die über einen Zyklon 106 aus dem Reaktor entfernt werden. Bei den Umsetzungen in Fließbett 103 fällt auch Koks als Nebenprodukt an, das über die Leitung 107 entfernt und in den Dreizonen-Heiz- und Vergasungsreaktor 110 überführt wird, und zwar durch ein fluidisierendes Gas, wie Dampf, der über die Leitung 108 in die Transportleitung 107 eingespeist wird. Um die individuellen Zonentemperaturen einzuhalten, kann über die Leitung 109 noch zusätzlich Sauerstoff oder Luft eingespeist werden.

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Der Koks wird dann mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 60 Tonnen je Minute in eine zwisehengeschaltete Wärmeübergangszone 111 eingebracht und vorzugsweise in einer Menge zwischen 10 und 3>5 Tonnen je Minute. In dieser Wärmeübergangszone 111 gelangt der Koks in Kontakt mit den heißen Gasen, die durch Umsetzung in einer unteren Vergasungszone 112 erzeugt werden.

Die Menge und die Geschwindigkeit dieser aufsteigenden heißen Gase sollen so bemessen sein, daß der Koks, der in die mittlere Wärmeübergangszone 111 eingebracht wird, durch diese Zone vorzugsweise in einem Zugrohr 122 nach oben transportiert wird, so daß der Koks sich in einer oberen Trennzone 113 ablagert, wo er nicht in die untere Vergasungszone 112 abfallen kann, da die Trennwände 121 und das Steigrohr oder Zugrohr 122 mit dem Reaktor 110 verbunden sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren genügen Gasgeschwindigkeiten von mehr als 7>5 m/sek. Um eine angemessene Wärmeübertragung von den heißen Gasen auf den verhältnismäßig kalten Koks zu ermöglichen, werden Gasgeschwindigkeiten von 9 bis 18 und insbesondere 12 bis 15 m/sek. bevorzugt. Der in der oberen Trennzone II3 durch ein System von Prallwänden 114 und Niedrigtemperatur-Zyklonen 115 abgelagerte Koks kann nun über eine Transportierung 116 in die untere Vergasungszone 112 geleitet werden, wobei die Menge durch ein Niedrigtemperatur-Gleitventil 119 eingestellt wird; der abgelagerte Koks kann auch über die Leitung lly in den Fluid-Verkokungsreaktor 101 ge-

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leitet werden, wobei man diesen Transport durch über die Leitung 118 eingeleiteten Dampf unterstützen kann.

Der Koks, der über die Leitung 116 mittels des Niedrig-Temperatur-Gleitventlls 119 in die untere Vergasungszone 112 gelangt, wird mit Luft oder Sauerstoff aus der Leitung 123 und Dampf aus der Leitung 124 in Kontakt gebracht, so daß die Temperatur in der Zone 112 zwischen 870 und 1200°C, vorzugsweise bei 98O C liegt, um hier eine maximale Menge an Brenngas zu erzeugen. Der Wasserdampf und die Luft bzw. der Sauerstoff dienen auch als Fluidisierungsgas, um den Koks in der unteren Vergasungszone 112 in einem fluidisierten Zustand zu halten, so daß er Fließbett bildet. Dadurch, daß man die Zone 112 als Fließbett aufrecht erhält, ergibt sich eine gleichmäßigere Wärmeverteilung innerhalb dieser-Zone, ferner wird verhindert, daß sich überhitzte Bereiche ausbilden, die die Reaktorwand zerstören könnten. Die Temperatur wird so eingestellt, daß man die eingeführte Luftoder Sauerstoffmenge reguliert, die mit dem Koks exotherm nach der Gleichung C+0₂= CO₂ + 94052 Kalorien reagiert, und indem man die Menge des eingeleiteten Dampfes reguliert, der endothermisch mit dem Koks nach der folgenden Gleichung reagiert

C + H₂O = H₂ + CO - 31 382 Kalorien.

Hierdurch läßt sich das gewünschte Gleichgewicht einstellen.

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Um die Temperatur in dem gewünschten Bereich zu halten, arbeitet man vorzugsweise bei der Op/Dampf-Vergasung mit 0,25 bis 0, 4 Mol O₂ je Mol C und einer Dampfzufuhrgeschwindigkeit von 0,25 bis 1,0 Mol H₃O je Mol C. Bei einer Luft/Dampfvergasung werden 1,5 bis 3*3 Mol Luft und 0,16 bis 0,5 Mol HgO je Mol C verwendet. Um die Zone 112 in dem bevorzugten Temperaturbereich von 98O⁰C zu halten, beträgt die Sauerstoffzufuhr 0,3 bis 0,35 Mol O₂ und die Dampfzufuhr 0,5 bis 0,8 Mol H₂O je Mol C. Wenn in die Zone 112 Luft eingeblasen wird, so werden 2,0 bis 3,0 Mol Luft und 0,2 bis 0,3 Mol HgO je Mol C bevorzugt verwendet.

Die in der Zone 112 erzeugten Gase, in erster Linie H₂, CO, CO₂ und SO₂ treten aus dieser Zone mit der gleichen Zonentemperatur von etwa 98O C aus. Diese heißen Gase gelangen" dann in Kontakt mit dem Koks von dem Fluid-Verkokungsreaktor 101. Da sich dieser Koks nur bei einer Temperatur von etwa 510⁰C befindet, findet ein Wärmeübergang von den heißen Gasen von etwa 98O C auf den kalten Koks von etwa 5*0 C statt.

Das Aysmaß des Wärmeübergangs kann durch die Kontaktzelt zwischen den heißen Gasen und dem verhältnismäßig kalten Koks kontrolliert werden. Diese Kontaktzeit wird ihrerseits durch die Zufuhrgeschwindigkeit des kalten Kokses in die mittlere Wärmeübergangszone 111, die Gasgeschwindigkeiten von Luft oder Sauerstoff und von Dampf kontrolliert. Bei den bevorzugten

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oben angegebenen Gasgeschwindigkeiten ergibt sich eine Kontaktzeit zwischen 0,25 und 2,0 und vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,0 Sekunden. Während dieser Kontaktzeit kühlen die heißen Gase auf Temperaturen zwischen 65O und 565⁰C ab, wobei bei den bevorzugten Arbeitsbedingungen die aus dem Reaktor 110 austretenden Gase eine Temperatur von 620⁰C haben. Durch Verringerung der Gasteraperatüren auf diesen Bereich kann man Niedrigtemperatur-Zyklone II5 und nicht mehr die verhältnismäßig kostspieligen und unzuverlässigen Hoch-temperatur-Zyklone verwenden, um die Gase aus dem Reaktor 110 zu entfernen. Gleichzeitig mit der Abkühlung der Gase wird der Koks auf eine Temperatur zwischen 650 und 565⁰C erhitzt, wobei unter den bevorzugten Arbeitsbedingungen die Endtemperatur des Kokses bei der Ablagerung im oberen Trennbereich II3 etwa 620°C beträgt. Bei dieser-Temperatur ist ausreichend Koks vorhanden, um in den Fluid-Verkokungsreaktor 101 gebracht zu werden, während der restliche Koks über die Leitung 116 in die untere Vergasungszone 112 geleitet werden kann. Um die untere Vergasungszone 112 bei einer bestimmten maximalen Höhe zu halten, ist im Reaktor 110 eine Uberflußleitung 120 vorgesehen, die überschüssigen heißen Koks aus der unteren Vergasungszone 112 in die Leitung 107 einspeist, so daß der heiße Koks wiederum in die mittlere Wärmeaustausohzone geleitet wird. Der heiße Koks aus dem Uberflußrohr 120 liefert dem Koks in der Transportleitung 107 zu-

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sätzliche Wärme und ermöglicht damit eine weitere Flexibilität bei der Kontrolle des gesamten Wärmehaushalts des Verfahrens.

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Claims

Ansprüche

Integriertes Fluid-Verkokungs- und Vergasungsverfahren zur Herstellung eines flüssigen Erdöldestillates und Brenngas aus schweren Kohlenwasserstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß man

1. das schwere Kohlenwasserstoffmaterial in einem Fluidverkokungsreaktor bei Temperaturen zwischen 480 und 600°C zu einem flüssigen Erdöldestillat und Koks verkokt,

2. das flüssige Erdölprodukt aus dem Fluid-Verkokungsreaktor isoliert,

5. den Koks von dem Fluid-Verkokungsreaktor in eine mittlere Wärmeaustauschzone in einen zweiten Reaktor überführt,

h. kohlenstoffhaltiges Material zusammen mit Dampf und einem Sauerstoff enthaltenden Gas in eine Vergasungszone einleitet, die in dem unteren Bereich des zweiten Reaktors angeordnet ist und bei Temperaturen zwischen 870 und 1200°c betrieben wird, wobei heißes Brenngas und andere heiße Gase erzeugt werden;

5. und man diese heißen Brenngase und andere Gase mit dem Koks in der mittleren WärmeUbergangszone solange in Kontakt bringt, um die Temperatur des Brenngases

und der anderen Gase auf 650 bis 565°C zu verringern 209832/1071

die Temperatur des Koks auf 65O bis 565°C zu erhöhen, wobei die Geschwindigkeit der Gase so groß ist, daß der Koks in eine obere Trennzone in dem zweiten Reaktor gebracht und dort abgelagert wird,·

6. worauf man die gekühlten Gase aus dem zweiten Reaktor isoliert und

7. den erhitzten Koks in den Fluid-Verkokungsreaktor und in die untere Vergasungszone zurückführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Brenngases und der anderen Gase, die mit dem Koks in der mittleren Zone in Kontakt sind, etwa über 7*5 m/sek. liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngas und die anderen Gase auf eine Temperatur von 62O°C abgekühlt und der Koks auf diese Temperatur von 620 C in der Wärmeübergangszone erwärmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch j5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktzeit zwischen 0,25 und 2,0 Sekunden beträgt.

5. Abwandlung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Brenngas aus kohlenstoff-

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haltigem Material In einem einzigen Dreizonenreaktorgefäß den Dampf mit dem kohlenstoffhaltigen Material bei Temperaturen zwischen 870 und 120O⁰C in einer unteren Vergasungszone in Berührung bringt, und daß man das Brenngas durch das kohlenstoffhaltige Material solange in einer Wärmeübergangszone durchleitet, daß das Brenngas auf eine Temperatur unter 98O⁰C abgekühlt und das kohlenstoffhaltige Material auf eine Temperatur über 565⁰C erwärmt wird, worauf man das abgekühlte Brenngas in eine Trennzone einleitet, um Peststoffe des kohlenstoffhaltigen Materials, die von dem abgekühlten Brenngas mitgerissen werden, durch Schwerkraft oder Zyklone trennt und anschließend das gekühlte Brenngas aus der Trennzone isoliert.

6. Verfahren zu Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktzeit 0,25 bis 2,0 Sekunden beträgt.

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