DE2530761A1

DE2530761A1 - Verfahren zur herstellung eines brenngases aus oel

Info

Publication number: DE2530761A1
Application number: DE19752530761
Authority: DE
Inventors: Franklin D Hoffert; Harold H Stotler
Original assignee: Hydrocarbon Research Inc
Current assignee: HRI Inc
Priority date: 1974-07-11
Filing date: 1975-07-10
Publication date: 1976-08-12
Also published as: JPS5131704A; FR2277875A1; CA1053902A; FR2277875B1; US3953180A; JPS5835923B2

Description

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Ihr Zeichen

hydrocarbon Research, Inc.

115 Broadway

New York, i\ew York 10006, USA

Verfahren zur Herstellung eines Brenngases aus 01

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Brenngases aus öl.

Die Vergasung von Schwerölen in einer Oxyaations-Crackanlage in Gegenwart von ^r-Jass er dampf und Sauerstoff, besonders von hochreinem Sauerstoff von 90 %iger oder höherer Qualität ist an sich bekannt. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist in der USA-Patentschrift 2 875 150 beschrieben. Bisher befanden sich jedoch die .^suchten Produkte häufig im Benzinsiedebereich oder waren ein Gas von hohen Uärinewert. Katalysatoren waren gewöhnlich erforderlich und mehrere Ver^asungs- und Kontaktstufen in einer Wirbelschicht von Feststoffen wurden verwendet. Die Regenerierung von

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Ni-a Tc'.-N!.-. 57 όΟ ·ό9 609823/0607

OWQiNAL INSPECTS»

Feststoffen mit kontinuierlicher Rückführung großer Massen von Feststoffen und Reformierungsverfahren wurden ebenfalls beschrieben. Andere typische Verfahren sind in den USA-Patentschriften 2 094 94-6, 2 861 943 und 2 861 631 beschrieben. Bekanntlich wird die Behandlung der herkömmlichen Brennstoffquellen in Form von Rückstandsölen immer teurer infolge der verunreinigenden Schwefel- und metallorganischen Verbindungen, die in diesen enthalten sind. Ölrückstände mit hohem Schwefelgehalt können normalerweise in Industriebezirken nicht abgebrannt werden, sofern es nicht zur Entschwefelung mit prohibitiv hohen Kosten abgebrannt worden ist.

Öl mit niedrigem Schwefelgehalt ist nur zu erhöhten Kosten erhältlich. Die üblichen Beschränkungen und die in der Zukunft noch zu erwartenden drastischeren Beschränkungen durch Umweltschutzvorschriften in vielen Gebieten beschränken den Betrieb von Gasturbinen und/oder Kesselanlagen auf flüssige Brennstoffe, die weniger als drei Gewichtsprozent Schwefel enthalten. Dieser niedrige Schwefelgehalt ist im allgemeinen nur in flüssigen Leidrtdestillatbrennstoffen erhältlich, die zunehmend knapp werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Gas von niedrigem Heizwert aus schwefelhaltigen Rückstandsölen zu entwickeln.

Erfindungsgemäß wird das gasförmige Produkt von einem Heizwert im Bereich von 37,8 - 75 kcal je 28,3 1 (150 300 BTU/SCF (British thermal units per standard cubic foot)) durch die sequentielle Vergasung und teilweise Verbrennung von Rohöl oder Rückstandsöl in Gegenwart von Luft und Wasserdampf in mindestens zwei Wirbelschichten aus inerten Teilchen hergestellt. Die zweite Wirbelschicht wird durch ein

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äusseres Fluid, gewöhnlich Wasser oder Abgas gekühlt, um in diesem die Ansammlung von Kohlenstoff-Feinteilchen zu begünstigen. Das Produkt-Gas tritt dann durch die Feststoffabtrennungsstufe und die Entschwefelungsstufe hindurch und ist dann zur Verbrennung in einer Gasturbine zur Energieerzeugung geeignet. Ein Teil der verdichteten Luft aus dem Gasturbinenverdichter kann vorteilhaft abgezogen und zur Lieferung der Verbrennungsluft zu der mit hoher Temperatur betriebenen Wirbelschicht verwendet werden. Das erhaltene Produkt-Gas wird gewaschen und entschwefelt und kann dann in einer Gasturbinenanlage zur Energieerzeugung oder unmittelbar als Betriebsbrennstoff verwendet werden.

Der Vorteil der Verwendung von Rückstandsölen mit hohem Schwefelgehalt als Ausgangsmaterial würde von grösserem wirtschaftlichem Wert sein, wenn sich die Kosten der Behandlung herabsetzen lassen. Die Verwendung solcher Öle in einer Vergasungsanlage von der nachfolgend beschriebenen Art kann als eine der geringsten Kostensteigerungsursachen betrachtet werden, wenn der Bedarf an grossen Energiemengen über lange Zeiträume berücksichtigt wird. Die Wirbelschichttechnik unter Verwendung relativ inerter und billiger Feststoffe wird zur Vergasung und Umwandlung angewendet. Diese Technik wird ferner zur Kühlung der Gase zur Herstellung von Wasserdampf verwendet. Ein weiteres Merkmal besteht jedoch in der im wesentlichen vollständigen Abtrennung aller Teilchen durch eine solche Kühlungsstufe. Es besteht keine Notwendigkeit für einen komplizierten Umlauf von Schichten von einer Zone zu einer anderen und der anfänglich ausgeübte Druck pflanzt sich bis zum gasförmigen Endprodukt fort. Es wurden bereits alle Merkmale einzeln für sich demonstriert, jedoch wurde die besondere

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Kombination von Verfahrensstufen, die zu der besonderen Gaszusammensetzung führt, vorher nicht offenbart. Kohlesupplemente können ebenfalls verwendet werden. Der thermische Wirkungsgrad des Prozesses, bezogen auf die Gesamtwärme in den wiedergewonnenen Produkten beträgt im Vergleich zur Gesamtwärmezufuhr etwa 90 %, Der thermische Wirkungsgrad von Kohleöl zu Gas beträgt über 8 3 %. Hierdurch wird die Wärmeabfuhr zum Kühlwasser wesentlich herabgesetzt, wodurch eine Wasserverunreinigung vermieden wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in den beiliegenden schematischen Zeichnungen beispielsweise dargestellt und zwar zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht der Hauptelemente des Verfahrens bei Verwendung von Rückstandsöl;

Fig. 2 eine Abänderung zu Fig. 1, die sich zur Verwendung von Rückstandsöl mit einem Kohlesupplement eignet, und

Fig. 3 eine weitere Abänderung zu Fig. 1 zur Herstellung von Anlagenbrennstoff.

Eine bevorzugte Art und Weise der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 1 dargestellt, die einen Vergasungsreaktor 10 mit einer unteren Gitterplatte und einer mittleren Gitterplatte 14 zur Auflagerung der unteren Wirbelschicht 16 bzw. oberen Wirbelschicht 18 zeigt. Jede der beiden Wirbelschichten enthält teilchenförmiges Gut, das in einer fluidisierten oder dispersen Phase durch das aufwärtsströmende gasförmige Material gehalten wird. Widerstandsöl 20 wird durch einen Verteiler bzw. Sprinkler 2

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2 5 3 Ü 7

in die untere Wirbelschicht 16 eingeleitet. Wasserdampf wird bei 2 4 und Luft bei 2 6 durch die untere Schicht 16 nach oben geleitet und treten mit dem Öl zur Bildung eines Gasgemisches in Reaktion, das die Fluxdisierungskraft liefert, wobei die Aufwärtsgeschwindigkeit der Dämpfe und Gase derart ist, daß die untere Wirbelschicht ein Feststoffniveau 28 zu haben scheint, das etwas unterhalb der mittleren Gitterplatte IM- liegt.

Die Dämpfe und Gase strömen aus dem Wirbelbett 16 weiter aufwärts durch die zwischenliegende Gitterplatte 14 und fluidisieren das zweite oder obere Bett 18, das ein scheinbares Feststoffniveau bei 30 hat. Die erhaltenen Gase und Dämpfe werden bei 32 abgeleitet, durch Wärmeaustausch bei 34 gekühlt, bei 36 gefiltert und die erhaltenen Feinteilchen werden bei 38 entfernt. Die verbleibenden Gase und Dämpfe 3 7 werden dann durch einen Skrubber 40 zur weiteren Kühlung geleitet, welche weitere Kühlung im Gegenstrom zu Wasser geschieht, das bei 41 eintritt, während das Abwasser bei 42 abgeleitet wird. Das Abwasser 4 2 aus dem Skrubber 40 wird von seinem Druck in einem Ventil 14 2 zum Tank 143 entlastet, dem Wasserdampf bei 144 zugesetzt wird. kLS wird über Kopf bei 145 abgeleitet und Abwasser mit zulässigen KUS-Werten bei 146. Die Dämpfe aus dem Tank 14 3 werden weiter gekühlt und im Wärmeaustauscher 148 gekühlt und zu einem Tank 150 geleitet. Das Kondensat tritt bei 15 2 aus und die Dämpfe werden bei 154 zur Schwefelrückgewinnungsanlage geleitet, in welcher H₃S zu Schwefel oxydiert wird. Die gesättigten Gase und Dämpfe, die bei 4 3 aus dem Wäscher 40 austreten, werden dann durch eine herkömmliche Entschwefelungseinrichtung 44 geleitet. Diese kann eine Stretford-Entschwefelungseinrichtung sein, welche das H„S zu Schwefel und Wasser oxydiert. Die Schwefelverbindung, wie H₂S, wird bei 4 6 als Schwefel abgeleitet, wodurch ein wertvolles Nebenprodukt er-

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halten wird. COS wird, wenn vorhanden, in einer gesonderten Einrichtung entfernt. Die Entschwefelungseinrichtung hat ferner das Bestreben, Feinteilchen abzutrennen, die durch das Filter und den Wäscher hindurchgetreten sein können. Ein Teil des den Wäscher 40 verlassenden Gases kann bei 4 3a nach erneuter Verdichtung bei 4 3b zum Ausblasen des Filters 36 verwendet werden.

Das Produktgas 50, das weniger als 50 ppm H₂S enthält und zur Feststoffabsonderung dreimal behandelt worden ist, wird nun im Wärmeaustauscher 34 von neuem erwärmt und steht nun mit 205⁰C (400⁰F) und 19,60 ata (280 psia) zur Verbrennung im Brenner 52 benachbart der Gasturbine 54 zur Verfügung. Die bei 5 6 eintretende Luft wird durch einen Verdichter verdichtet, der mit der Gasturbine zusammengebaut ist,sodaß ein Hochdruck-Luftstrom 60 dem Brenner 5 2 zugeführt wird. Die Turbine 54 treibt nicht nur den mit ihr zusammengebauten Verdichter 58 an, sondern erzeugt ferner Strom in einem Generator 62.

Ein Merkmal der Erfindung ist die Verwendung von unter massigem Druck stehender Luft bei 64 aus dem Verdichter 58 für die Zufuhr der Luft, die bei 26 zur anfänglichen Vergasung in der ersten Wirbelschicht 16 des Reaktors 10 notwendig ist. Kondensat wird vorzugsweise dem Druckluftstrom bei 6 6 zugeführt, um die Überhitzungswärme der Luft abzuführen, und das Luft- und Wasserdampfgemisch wird bei 70 durch ein Boostergebläse 72 weiter verdichtet. Eine Heizeinrichtung 74 für die Luft- und Wasserdampfzufuhr zum Reaktor 10 ermöglicht die gewünschte Temperaturregelung der Reaktorgase und Dämpfe. Gesättigter Wasserdampf bei 24 kann der Luft bei 26 zugeführt werden.

Die obere Wirbelschicht 18 ist mit einem Wärmeaustauscher

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zur Erzeugung von Wasserdampf aus dem Kesselspeisewasser bei 78 und liefert Wasserdampf bei 80 für den Antrieb von Hilfseinrichtungen, beispielsweise für den Antrieb des Boostergebläses 72. Dieser Wärmeaustauscher dient ferner als hochwirksame Einrichtung zur Kühlung der oberen Wirbelschicht 18, die ihrerseits die ultrafeinen Kohlenstoffteilchen aufnimmt und deren Konzentration in der Wirbelschicht 18 erhöht. Ein Teil der oberenWirbelschicht 18 kann langsam nach unten durch das Ventil 8 2 zur unteren Wirbelschicht 16 fallen, so daß Kohlenstoff plus inerte Feststoffe auf diese Weise von neuem in Umlauf gesetzt werden können. Die Ergänzung an Teilchen wird aus dem Trichter geregelt und die Teilchen aus der unteren Wirbelschicht werden zum Trichter 8 6 abgeleitet.

Was die Betriebsbedingungen betrifft, so wird beispielsweise aus Kuwait stammendes Rückstandsöl mit vollem Siedebereich und einem Schwefelgehalt von etwa 5,5 Gew.% und einer API-Wichte von etwa 7 , bei einer Temperatur der unteren Wirbelschicht 16 in dem Bereich von 871 - 1O9 3°C (1600 - 2000⁰F) gehalten, was unter der Verschlackungstemperatur liegt. Die Drücke liegen normalerweise in dem Bereich von 14 - 28 atü (200 - 400 psig) und vorzugsweise bei 21 atü (300 psig) oder höher.

Der Wärmeaustausch in der oberen Wirbelschicht 18 ist derart, daß die Temperatur der die obere Wirbelschicht 18 verlassenden Gase etwa 260 - 427°C (500 bis 800⁰F etwa) beträgt, während die Austrittstemperatur bei 32 etwa 340⁰C (etwa 645°F) beträgt, wenn Wasserdampf von einem Druck von 28 - 35 atü (400 - 500 psig) hergestellt wird. Nach dem Wärmeaustausch bei 34 beträgt die Temperatur des dem Filter 36 zugeführten Gases etwa 182°C (etwa 360⁰F), während die

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Temperatur nach dem Durchtritt durch den Wäscher 40 des Gases beim Eintritt in die Entschwefelungseinrichtung etwa 4 3,3° C (etwa 110⁰F) beträgt. Dieses Produkt Gas wird dann von neuem im Wärmeaustauscher 34 auf etwa 204 C (etwa 400⁰F) erhitzt, und hat einen Druck von etwa 18,9 19,6 atü (270 - 280 psig), wenn es den Verbrennungskammerbrenner 5 2 erreicht.

Je nach der Zusammensetzung des Beschickungsgutes und der Betriebstemperatur ist die Zusammensetzung des Druckgases auf Trockenbasis im allgemeinen innerhalb des folgenden Bereiches liegend:

Wasserstoff - 17 - 22 %

CO - 23 - 26 %

CO₂ - 2,7 - 5,4 %

COS - 100 - 300 ppm

CH₄ - 4 - 7 %

N₂ und A - 45 - 51 %

H₂S - 0,3 - 0,6 %

Heizwert - etwa 37,8 - 75,6 kcal/28,3

(150 - 300 BTU/SCFHHV (dry).

Eine typische Gasanalyse auf Trockenbasis des entschwefelten Produktgases des Gasstroms 50 nach der selektiven Abtrennung von Schwefelwasserstoff ist wie folgt:

H₂	18,2
CO	21,0
co₂	5,1
cos	300 ppm
CH^	4,8
N₂ und A	50,4
H₂S	- 50 ppm
	f
	*60 9 823/087 GW»**

unterer Heizwert - 40,95 kcl/28,3 1 (trocken)

(162,5 BTU/SCF (dry))

oberer Heizwert - 44,48 kcl/28,3 1 (trocken)

(176,5 BTU/SCF (dry))

Molekulargewicht - 2 3,4

Für die Zwecke der Erfindung können die billigen teilchenförmigen Feststoffe in den Wirbelschichten 16 und 18 Sand oder aktiviertes Aluminiumoxid, wie Porocel sein. Sand ist relativ inert und Porocel wird als leicht absorptionsfähig betrachtet,

Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht in der Aufrechterhaltung eines Wasserstoffpartialdruckes im Reaktor 10 derart, daß die Hauptmenge des Schwefels in eine reduzierte und leicht abtrennbare Form, wie H₂S, mit einem geringstmöglichen Ergebnis an Carbonylsulfid als Nebenprodukt umgewandelt wird. Dies geschieht durch den Zusatz von ausreichend Wasserdampf bei 24 und Kondensat bei 66 zum Luftstrom 56.

Die vorstehenden Merkmale zusammen mit der Verwendung eines gemeinsamen Reaktors 10 und die Verwendung der gleichen (oder ähnlicher) inerter Feststoffe in beiden Zonen 16 und 18 mit einem im wesentlichen gemeinsamen Drucksystem und ohne umständliche Feststoffrückführsysteme ergibt eine Herabsetzung der Umwandlungskcöten von geringwertigen flüssigen Kohlenwasserstoffen in ein hochwirksames von Feststoffen freies Gas mit geringem Schwefelgehalt. Das System ist vom Gesichtspunkt des Wärmeübergangs und des Druckes im wesent-

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lichen ausgeglichen und die Ausnutzung des Leistung abgebenden Wasserdampfes und des Schwefels ergibt eine weitere Herabsetzung der zusätzlichen Kosten der Umwandlung. Es wurde festgestellt, daß der Wirkungsgrad der Wärmeausnutzung vom kalten Öl zum Gas von niedrigem Heizwert 83 % überschreitet; dies beruht zum Teil auf der Wasserdampfverwertung bei 80 im Betrieb der Anlage.

Eine Reihe von Faktoren gewährleisten eine Herabsetzung der NO,-Werte. Da die ölzufuhr zum Vergasungsapparat in einer reduzierend wirkenden Atmosphäre erfolgt, gibt es keine Stickstoffverbindungen im Öl, die Stickoxide bilden. Die vorteilhafte Wirkung von Wasserdampf- oder Wassereinspritzung zur Herabsetzung der Bildung von NO ist ebenfalls bekannt. In der Turbinenverbrennungskammer liegt die Flammentemperatur beim Arbeiten mit Gas von niedrigem Wärmewert beträchtlich unter der Flammentemperatur bei Verwendung von Erdgas und Destillatbrennstoffen, so daß weniger Stiffstoff thermisch unter Bildung von Oxiden in Reaktion tritt. Das Entweichen von Schwefeldioxid liegt ebenfalls unter den bekannten Anforderungen der Umweltschutzbehörden oder -Vorschriften.

Eine abgeänderte Ausführungsform der Erfindung, die unter bestimmten Umständen ebenfalls bevorzugt wird, wird nachfolgend in Verbindung mit Fig. 2 näher beschrieben, in welcher die Elemente der Anlage, die funktionell denjenigen in Fig. ähnlich sind, mit den gleichen Namen und Bezugsziffern bezeichnet sind. Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist besonders geeignet zur Verwendung von festen fossilen Brennstoffen, wie eine der Formen von Kohle, als wesentliche zusätzliche Brennstoffquelle. Wenn gewünscht, kann Kohle allein verwendet werden. Es erweist sich jedoch gewöhnlich als am

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zweckmässigsten, eine Kohle-Öl-Aufschlämmung der nachfolgend beschriebenen Art zu verwenden, da diese sich am leichtesten durch gewöhnliche Rohrleitungen und Pumpen fördern läßt.

Vom Verfahrensgesichtspunkt aus wird die Kohle, welche Bezeichnung als Gattungsbezeichnung für festes kohlenstoffhaltiges Material verwendet wird, bei 100 einer Aufbereitungsanlage 102 zugeführt. Diese Anlage hat mehrere Funktionen zu erfüllen, je nach der Form und dem Zustand der verwendeten Kohle, jedoch besteht ihre Hauptfunktion beim Vermahlungsvorgang, damit die Beschickung von im wesentlichen gleichmässiger Größe ist. Die bisher bekannten Vermahlungsverfahren erfordern gewöhnlich das Trocknen der Kohle auf einen verhältnismässig niedrigen Oberflächenfeuchtigkeitsgehalt, jedoch ist das Trocknen der Kohle auf einen sehr niedrigen inhärenten oder chemisch gebundenen Feuchtigkeitsgehalt hier nicht notwendig. Es gibt daher Einsparungsmöglichkeiten bei dem KohleaufbereitungsVorgang, wenn kein volles Trocknen erforderlich ist. Die innere Feuchtigkeit in der Kohlebeschickung dient in der Schaffung eines Teils des chemisch reagierenden Wasserdampfes innerhalb des Reaktors. Es handelt sich hier daher um ein neuartiges Merkmal der Erfindung.

In der Mischanlage 104 werden aufbereitete Kohle und öl bei 106 gut miteinander zur Bildung einer Aufschlämmung vermischt, die bei 108 austritt. Der gewählte öIschlamm ist gewöhnlich ein Rückstandsöl von der gleichen allgemeinen Art wie das in Verbindung mit Fig. 1 erwähnte Beschickungsöl 20, von dem ein Teil unmittelbar der Beschickungsleitung 120 zugeführt wird. Die Menge des öIschlamms mit Bezug auf die Kohle hängt von der maximalen Menge der Feststoffe ab, die zum Reaktor gepumpt werden kann, und von der gewünschten" Menge, welche den Betriebsbedingungen innerhalb des Re-

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aktors gerecht werden. Es wurde festgestellt, daß ein Gewichtsteil Kohle auf 1,5 Gew.Teile Öl kontinuierlich beschickt werden können. Hierbei ist jedoch zu erwähnen, daß die Reaktorbetriebsbedingungen derart sein können, daß Verhältnisse von bis zu 10 kg Öl je kg Kohle notwendig sein können. Der Gewichtsbereich des Ölschlamms zur Kohle läßt sich daher als von 1,5 zu 1 bis 10 : !betragend ausdrücken, d.h. von 1,5 bis 10 Gew.Teilen Öl je Gew.Teil Kohle.

Die Kohle-Öl-Aufschlämmung 108 und das Beschickungsöl 20, das durch eine Pumpe 110 in geeigneter Weise unter Druck gesetzt wird, wird nun die Brennstoffbeschickung 120 zum Reaktor 10. Wie vorangehend beschrieben, besitzt der Reaktor 10 ein unteres Gitter 12 und ein Gitter 14 in mittlerer Höhe zur Auflagerung von Wirbelschichten 16 und 18 aus teilchenförmigen! Material, das durch das aufwärtsströmende gasförmige Material in einer fluidisierten oder dispersen Phase gehalten wird. Die Brennstoffbeschickung bei 120 wird durch einen Verteiler oder Sprinkler 22 in die untere Wirbelschicht 16 eingeleitet und Wasserdampf bei 24 und Luft bei 26 treten mit dem Brennstoff unter Bildung eines Gasgemisches in Reaktion, welches als Fluidisierungskraft oder -Medium dient. Die aufwärtgerichtete Geschwindigkeit dieser Dämpfe und Gase ist derart, daß die untere Wirbelschicht ein Feststoffniveau 28 zu haben scheint, das etwas unterhalb des mittleren Gitters 14 liegt.

Die Dämpfe und Gase setzen ihre Aufwärtsbewegung durch das mittlere Gitter 14 fort und fluidisieren die obere Schicht 18, das ein scheinbares Feststoffniveau 30 zu haben scheint. Die erhaltenen Gase und Dämpfe werden bei 32 abgeleitet, durch einen Wärmeaustauscher bei 34 gekühlt, bei 3 6 gefiltert und die Feinteilchen werden bei 38 abgetrennt. Die

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restlichen Gase und Dämpfe werden dann über eine Leitung 3 7 einer Waschanlage 4-0 zur weiteren Kühlung im Gegenstrom mit frischem Wasser geleitet, das bei 41 eingeleitet wird, während das Abwasser bei 42 abgeleitet wird. Dieses Abwasser kann wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben, behandelt werden. Die gesättigten Gase und Dämpfe 43 werden dann durch eine Entschwefelungsanlage 44 üblicher Art geleitet, aus der die Schwefelverbindungen, wie H₂S, bei 46 entfernt werden. COS, falls vorhanden, wird gesondert abgetrennt. Das Produktgas 50 von niedrigem Schwefelgehalt (unter 0,3 Gew.%) steht dann nach erneutem Erwärmen bei 34 zur Verbrennung bei 52, wie nachfolgend angegeben, zur Verfügung.

Die Turbine 54, welche durch das heisse Gas aus der Verbrennungskammer 5 2 angetrieben wird, treibt ihrerseits einen angebauten Verdichter 58 an, welcher die bei 56 zugeführte Luft auf einen ausreichend hohen Druck verdichtet, welche verdichtete Luft bei 60 der Verbrennungskammer 5 2 zugeführt wird. Die Turbine 54 treibt ferner den Generator 62 zur Erzeugung elektrischer Energie an.

Ein Merkmal der Erfindung besteht, wie vorangehend beschrieben, in der Verwendung von Luft unter massigem Druck, die aus dem Verdichter bei 6 4 abgeleitet wird und der Kondensat bei 66 zugeführt wird, um die Oberhitzungswärme der Luft bei 6 8 abzuführen, bevor diese in einem Verdichter 7 2 verdichtet wird» Dies ist, wie erkennbar ist, von besonderer Wichtigkeit zum Trocknen der Kohle, da die Zufuhr von noch mehr Feuchtigkeit die Verwendung von sehr trockener Kohle überflüssig macht. Ferner wird, wie bereits erwähnt, das Wasserdampf-Luft-Gemisch durch ein Zwischengefäß 68, ein Boostergebläse 7 2 und eine Heizeinrichtung 74 geleitet, bevor es in den Reaktor 10 als Strom 75 eintritt. Der Wasser-

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dampf 24 kann auch der Heizeinrichtung zugeführt werden.

Bei der Vergasung eines Kohle-Öl-Schlammgemisches haben sich mehrere Probleme ergeben, die die Folge der Gegenwart von festen Verunreinigungen sind, zu denen u.a. Steinkohlenasche, metallorganische Materialien einschließlich Vanadium und Kohlestaub gehören. Die gewünschte Gegenwart eines teilchenförmigen Materials, wie aktiviertes Aluminiumoxid oder Sand in den Wirbelschichten zur Unterstützung der Wärmeübergangs und zur Erleichterung der Vergasung finden mehrere Formen von Agglomeration statt. Jede Agglomeration, die in der Verbrennungskammer 5 2 stattfindet, kann eine nachteilige Wirkung auf die Gasturbine haben und muß daher aus dem Reaktor entfernt werden. Obwohl, wie vorangehend beschrieben, Vorsorge zur Reinigung der Wirbelschichten durch Abziehen in den Trichter 8 6 und Nachfüllen durch den Trichter 81 getroffen ist, besteht eine Notwendigkeit zum kontinuierlichen Abziehen von Kohlestaub und Flugasche, die sich durch die Verwendung der Kohle ergeben.

Es ist daher ferner ein Schlämmapparat 12 4- vorgesehen, der kontinuierlich durch einen schwachen oder Schlupfstrom 126 unter der Regelung eines Ventils 128 betrieben wird, um einen Teil der Teilchen in der oberen Wirbelschicht 18 abzuziehen. Durch die Verwendung einer geregelten Geschwindigkeit des bei 130 zugeführten Gases kann der sehr leichte Kohlestaub über Kopf bei 132 abgeleitet und die Asche bei 134 entfernt werden. Natürlich wird ein Teil des teilchenförmigen Gutes der Wirbelschicht, beispielsweise Porocel, bei 134 ebenfalls abgezogen.

Eine Erklärung für die Konzentration von Feinteilchen in der oberen Wirbelschicht 18 kann aufgrund der beobachteten Phänomene gegeben werden, die manchmal als Thermophoretik

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bezeichnet werden, daß sich Feinteilchen durch Abkühlung der gasförmigen feststoffhaltigen Ströme ablagern. Der Temperaturumschlag des gasförmigen feststoffhaltigen Stroms beim Durchtritt durch das Gitterdeck 14 ist rasch und die in die obere Wirbelschicht 18 eintretenden Feinteilchen werden regellos durch das Stokessche Gesetz beeinflußt, durch das die Absetzgeschwindigkeit betroffen wird. V = k D² _wobei:

V = Absetzgeschwindigkeit der Teilchen

k = eine Konstante

D = Durchmesser der Teilchen

@, - Teilchendichte

q~ = Fluiddichte

u = Fluidviskosität.

Wie ersichtlich, wird durch eine Herabsetzung der Temperatur des Systems eine wesentliche Zunahme der Absetzgeschwindigkeit eines Teilchens erzielt, da die Temperatur die Werte Q^ und u beeinflußt, wodurch die Konzentration von Teilchen in der oberen Wirbelschicht erhöht wird. Ein Vergleich der Absetzgeschwindigkeit V für Reaktorbedingungen unterhalb und oberhalb der mittleren Gitterplatte 14 wurde berechnet, um zu zeigen, daß für eine gegebene Teilchengröße bei einer Temperatur unterhalb und oberhalb des Gitters von 980⁰C bzw. 315°C (1800⁰F bzw. 600⁰F), die Absetzgeschwindigkeit beträgt:

V (unterhalb des Gitters) = 3,05 m/sec (10 ft/sec)

V (oberhalb des Gitters) = 5,49 m/sec (18 ft/sec)

Diese Wirkung ist hauptsächlich durch die nahezu doppelte Än-

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derung in der Gasviskosität mit der Temperatur bedingt. Diese erhöhte Konzentration von Feinteilchen begünstigt die Arbeitsweise des Schlämmapparats 124. Die vorangehend beschriebenen Phänomene treffen auch für das Abtrennen der sehr feinen Teilchen zu, wie in Verbindung mit der Vergasung von Öl festgestellt wurde.

Die Zusammensetzung einer typischen Kohle-Ö!-Aufschlämmung und typische Betriebsbedingungen sind wie folgt:

Kohlebeschickung ° - Wyodak

Teilchengröße - 100 % gehen durch ein

Maschensieb von 2 mm (10 mesh) lichte Maschenweite hindurch

öl : Kohleverhältnis - 3:1

Kohle - innere Feuchtigkeit - 30 %

Öl - Kuwait 7° API - 5,5 Gew. % S

Reaktordruck - 14· - 28 atü

(200 - 400 psig)

Temperatur der .unteren Schicht - 8 70 - 1O9 3°C

(1600 - 2000⁰F)

Temperatur der oberen Schicht - 2 60 - 42 7°C

(500 - 800⁰F)

In der vorangehenden Beschreibung wurde Gewicht auf die wirksamste Verwendung von Gas von niedrigem Wärmewert aus Öl oder aus Öl und Kohle für den Betrieb einer Verbrennungskammer für Gasturbinen und schließlich zur Erzeugung elektrischer Energie gelegt. Hierbei ist jedoch zu erwähnen, daß das Gas von niedrigem Wärmewert auch in anderer Weise verwendet werden kann, beispielsweise unmittelbar als Industriebrennstoff oder als Verdünnungsmittel für Gas von hohem Wärmewert, wenn eine solche Verdünnung notwendig oder wünschenswert ist, z.B. durch Zusetzen zu einer Rohrleitung, die Gas von hohem Wärmewert führt.

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Aus dem Vorangehenden geht besonders hervor, daß die Emissionswerte an Gasen sowie an Abwasser verringert worden sind, um eine Verletzung mit Umweltschutzgesetzen zu vermeiden. Das System ist vollständig und wirtschaftlich so integriert, daß alles verfügbare Rohmaterial ausgenutzt wird und ein Produkt mit sehr geringen Kosten erhalten wird. Dies ist bei einer "Bottom of the barrel"-Beschickung, die normalerweise die höchste Konzentration an Verunreinigungen hat, kritisch.

Die in Fig. 3 gezeigte abgeänderte Ausführungsform ist in erster Linie zur Herstellung eines Gases von niedrigem Wärmewert als Anlagenbrennstoff geeignet. Das Ausgangsmaterial ist in diesem Falle ein hochsiedendes Rückstandsöl.

Das Ausgangsmaterial wird bei 220 und vorzugsweise mit einer Temperatur von etwa 8 2°C (etwa 18 0 F) zugeführt und tritt zuerst durch einen nachfolgend beschriebenen Wärmeaustauscher 2 22 hindurch und wird in einem Gegenstromkohleabsorber 224 weiter erhitzt, um bei 226 ein Besdickungsmaterial zu erhalten, das durch eine Pumpe 2 28 in den Reaktor 10 gefördert wird. Dieser Reaktor ist in seiner Art dem vorangehend beschriebenen Reaktor 10 ähnlich. Er besitzt eine untere Gitterplatte 12 und eine mittlere Gitterplatte IU, um die gesonderte untere Wirbelschicht 16 und die obere Wirbelschicht 18 voneinander zu trennen, von denen jede teilchenförmiges Gut enthält, das durch das aufwärtsströmende gasförmige Material in einer fluidisierten bzw. dispersen Phase gehalten wird.

Die Rückstandsölbeschickung 226 wird duz'ch einen Verteiler bzw. Sprinkler 22 in die untere Wirbelschicht 16 eingeleitet,

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Luft bei 5 6 gesättigt mit Wasser bei 66 strömt durch die untere Wirbelschicht 66 nach oben und tritt mit dem Öl unter Bildung eines Gasgemisches in Reaktion, welches die fluidisierende Kraft bzw. das fluidisierende Medium bildet, wobei die Aufwärtsgeschwindigkeit dieser Dämpfe und Rase derart ist,, daß die untere Wirbelschicht ein Feststoffniveau 28 zu haben scheint, das etwas unterhalb der mittleren Gitterplatte 14 liegt.

Die Dämpfe und Gase aus der Wirbelschicht 12 setzen ihre Bewegung durch die mittlere Gitterplatte 14 fort und fluidisieren die zweite bzw. obere Schicht 18 mit einem scheinbaren Feststoffniveau bei 30. Die erhaltenen Gase und Dämpfe werden bei 32 abgeleitet und durch Wärmeaustausch bei 230 und 2 gekühlt. Die restlichen Gase und Dämpfe werden durch eine Leitung 234 durch den Kohleabsorber 224 im Gegenstrom zu dem bei 220 eintretenden öl zur weiteren Kühlung und zum Sammeln der Kohlefeinteilchen im Öl geleitet. Die gesättigten Dämpfe 236 aus dem Kohleabsorber 224 werden im Wärmeaustauscher 222 weitergekühlt, wodurch das zugeführte Öl erwärmt wird. Sodann werden die Dämpfe und Gase in einem Wärmeaustauscher 240 durch Wasser weitergekühlt und dann in einen Wassersammler 24 2 geleitet, aus dem Wasser bei 244 abgezogaiwird. Die im wesentlichen von Feststoffen freien Gase und Dämpfe 246, die nun etwa Umgebungstemperatur haben, gehen dann zu einer herkömmlichen Entschwefelungsanlage 44, welche das H„S zu Schwefel und Wasser oxydiert. Die Schwefelverbindung, wie EUS, wird bei 46 als Schwefel entfernt, wodurch ein wertvolles Nebenprodukt erhalten wird. COS, falls vorhanden, wird in einer gesonderten Anlage abgetrennt. Die Entschwefelungsanlage hat ferner zur Wirkung, daß Feinteilchen abgesondert werden, die durch den Kohleabsorber 224 hindurchgetreten sind.

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Das Produktgas 50, das weniger als 50 ppm H„S enthält und mehrere Male zur Feststoffabtrennung behandelt worden ist, wird nun von neuem im Wärmeaustauscher 250 (76) in der oberen Wirbelschicht 18 auf eine Temperatur von etwa 510 C (etwa 950⁰F) erhitzt, wodurch die obere Wirbelschicht wirksam gekühlt wird, was ausserdem die Aufnahme der ultrafeinen Kohlenstoffteilchen und deren Konzentration in der Wirbelschicht 18 zur Folge hat. Wie erwähnt, kann ein Teil der oberen Wirbelschicht 18 langsam zur unteren Wirbelschicht fallen, so daß Kohlenstoff plus inerte Feststoffe auf diese Weise von neuem in Umlauf gebracht werden können. Eine ergänzende Zufuhr von Teilchen erfolgt durch den Trichter 84, während aus der unteren Wirbelschicht Teilchen zum Trichter 8 6 abgeführt werden.

Bei einem System dieser Art ist es wünschenswert, die Energie in der Leitung 50 für das Gas von niedrigem Wärmewert dadurch voll auszunutzen, daß es durch einen Heißgasexpander 2 52 geleitet wird, nicht nur, um den Austrittsdruck auf einen Bereich von etwa 0,35 - etwa 1,4-0 atü (etwa 5 - etwa 20 psig) herabzusetzen, sondern auch um den Luftverdichter 254 in der Luftzufuhrleitung 56 anzutreiben und den Betriebsdruck im Reaktor auf etwa 14 - 28 atü (etwa 200 - 400 psig) zu erhöhen.

Obwohl im Vorangehenden bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, können natürlich innerhalb des Rahmens der Erfindung verschiedene Abänderungen vorgenommen werden. Beispielsweise ist Wärmeaustausch zur Wärmeerhaltung für die Erfindung wichtig, jedoch kann der gegenseitige Austausch zum Erzielen der vorteilhaftesten Ergebnisse verändert werden. In dem einen Fall wird die obere Wirbelschicht 18 gekühlt, um Wasserdampf zu erhalten. Es ist jedoch auch möglich, die Wirbelschicht mit dem Abgas aus der Entschwefelungsanlage zu kühlen und Wasserdampf aus dem Abgas 50 herzustellen.

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Claims

253Ü761

Pat e η t a η s ρ r ü c h e ;

//Ι, Verfahren zur Herstellung eines Brenngases von niedrigem Wärmewert, das im wesentlichen entschwefelt ist, aus einem schwefelhaltigen geringwertigen Öl in Form von Rohöl oder Rückstandsöl, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) Öl, Wasserdampf und Luft in eine erste Schicht aus inertem teilchenförmigen! Gut unter solchen Bedingungen eingeblasen wird, daß eine Fluidisierung des teilchenförmigen Gutes erfolgt, und unter einem Wasserstoff-Partialdruck derart, daß das Öl vergast und der Großteil des Schwefels in Schwefelwasserstoff mit geringen Mengen Carbonylsulfid umgewandelt wird, wobei die Temperatur in der Schicht im Bereich 8 71 1093°C (1600 - 2000⁰F) liegt und der Druck im Bereich von 14 - 28 atü (200 - UOOpsig);

(b) die erhaltenen Gase und Dämpfe nach oben durch eine zweite Schicht aus inertem teilchenförmigen! Gut in indirektem Wärmeaustausch mit einem Kühlungsmaterial geleitet werden, um die Schichttemperatur auf einen Wert innerhalb des Bereiches von 260 - 538°C (500 - 1000 F) her abz isst ζ en, um eine Konzentration der ultrafeinen Feststoffverunreinigungen zu erzielen;

(c) die konzentrierten Feststoffverunreinigungen abgetrennt werden und

(d) die Abgase aus der zweiten Schicht gekühlt und entschwefelt werden, um ein Produktgas zu erhalten, dessen Wärmewert unter 88,2 kcal/28,3 1 (350 BTU/SCF) (trocken)

to*

beträgt und das einen Schwefelgehalt von weniger als 0,3 Gew.% hat.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das entschwefelte Gas von neuem erhitzt wird, um das Produktgas mit verhältnis^rnässig hohem Druck und hoher Temperatur zu erhalten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gekühlten Gase von großen Teilchen gefiltert und dann mit Wasser im Gegenstrom gewaschen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das verunreinigte Waschwasser druckentlastet und mit Wasserdampf behandelt wird, um Schwefelverbindungen zu entfernen, und die Schwefelverbindungen zur Rückgewinnung von Schwefel oxydiert werden.
5, Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Wärmeaustauschvorgang in der zweiten Schicht diese gekühlt wird, um Kohlenstoffteilchen in diesem abzuscheiden, und Wasserdampf aus dem als Kühlungsmaterial verwendeten Speisewasser zu erzeugen.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß das entschwefelte Gas dadurch von neuem erhitzt wird, daß es als Kühlungsmaterial beim Wärmeaustauschvorgang in

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der zweiten Schicht dient.
7. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte teilchenförmige Gut für den Verfahrensschritt (a) Sand ist.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Gut für den Verfahrensschritt (a) aktiviertes Aluminiumoxid ist.
9. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Öl mit Kohle oder einem anderen festen fossilen Brennstoff gemischt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom von Feststoffteilchen kontinuierlich aus der oberen Schicht abgezogen und geschlämmt wird, um Kohlenstoffeinteilchen von der Asche abzutrennen.
11, Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle auf einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 18 % getrocknet wird.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 9 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschickungsverhältnis von Öl zu Kohle zwischen 1,5 : 1 und 10 : !beträgt.

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13. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das entschwefelte Produktgas in Gegenwart von Luft für den Betrieb einer Gasturbine verbrannt wird, um eine Wellenleistung mit einer Gesamtwärmeausnutzung von über 83 % zu erhalten.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Oberschußluft unter massigem Druck, die nicht zur Verbrennung verwendet worden ist, durch eine Kondensatinjektion gekühlt, dann verdichtet und in die erste Schicht aus teilchenförmigem Gut für die Zufuhr weiterer verdichteter Luft zu diesem eingeblasen wird.
15. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas von niedrigem Wärmewert einen Heizwert im Bereich von 44,1 - 63 kcal/28,3 1 (175 - 250 BTU/SCF (trocken)) hat.

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