DE3600615A1 - Verfahren zum kontinuierlichen verkoken der in einer kohleverfluessigungsanlage anfallenden fluessigen rueckstandsfraktion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Verkoken der in einer Kohleverflüssigungsanlage unter etwa dem Anlagendruck anfallenden flüssigen Rückstandsfraktion, die neben dem nicht desillierbaren Kohleex­ trakt (Asphalt) noch schwere Destillatöle sowie nicht umgesetzte Kohle, Asche und ggf. Katalysator enthält, wobei die Rückstandsfraktion auf den Druck der Verkokungseinrichtung entspannt, die dabei anfallenden Gase und Dämpfe abgetrennt und der verbleibende Rückstand der Verkokungseinrichtung zugeführt wird.

Die bei der Verflüssigung von Kohle zur Erzeugung von Destillatölen unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur anfallende Produktfraktion besteht aus einer Gasphase, die im wesentlichen tiefsiedende Kohlenwasserstoffe, nicht vervbrauchten Wasserstoff sowie Destillatöle im Naphtha- und Mittelöl­ bereich enthält, sowie aus einer flüssigen Rückstandsfraktion, die sich hauptsächlich aus nicht umgesetzter Kohle, Asche, Katalysator, Schweröl und insbesondere aus nicht destillierbarem Kohleextrakt (Asphalt) zusammen­ gesetzt. In der Regel werden beide Phasen in einem dem Verflüssigungsre­ aktor nachgeschalteten Heißabscheider getrennt, wobei die Gasphase am Kopf und die flüssige Phase im Sumpf des Heißabscheiders anfällt.

Zur Weiterverarbeitung der flüssigen Rückstandsfraktion ist es aus der DE-OS 27 35 257 bereits bekannt geworden, diese in einem Entspannungsgefäß auf etwa atmosphärischen Druck zu entspannen, die dabei anfallenden Gase und Dämpfe aus dem Entspannungsgefäß abzuziehen und die verbleibende Rest­ fraktion in einem Wirbelschichtkoker zu verkoken, wobei als Trägermedium für die Wirbelschicht Wasserdampf verwendet wird. Die Aufheizung der zu verkokenden Restfraktion auf die erforderliche Verkokungstemperatur erfolgt durch Rückführung von heißen, außerhalb der Verkokungseinrichtung erwärmten Kokspartikeln in die Wirbelschicht.

Bei einem derartigen Verkokungsverfahren müssen zur Erhaltung der Wärme­ bilanz bei der Verkokung erhebliche Mengen Koks im Kreislauf gefahren werden. Darüber hinaus gelangt zusätzlicher Wasserdampf in den Produkt­ strom. Dies kann, insbesondere wenn im Zuge der Produktaufbereitung das anfallende Wasser noch mit Kohlenwasserstoffen, wie z. B. Phenolen, ange­ reichert wird, zu zusätzlichen Abwasserproblemen führen. Hinzu kommt, daß ein Wirbelschichtkoker ein relativ träges Regelverhalten aufweist, was bei unterschiedlichen Lastanforderungen zu Schwierigkeiten führen kann. Auch ist, da die Verkokung unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt wird, die Ausbeute an verwertbaren Destillatölen relativ gering, da die Produkte sehr hochsiedend und zum Teil ungesättigt sind und zur Polymerisation neigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verkoken des flüssigen Rückstandes einer Kohleverflüssigungsanlage zu entwickeln, das sich durch ein gutes Regelverhalten bei unterschiedlichen Lastanforderungen, durch eine hohe Wirtschaftlichkeit und durch Umweltfreundlichkeit aus­ zeichnet.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungs­ gemäß dadurch gelöst, daß die Rückstandsfraktion in Gegenwart von Wasserstoff durch Zufuhr von Fremdwärme auf etwa die Temperatur der Verkokung aufgeheizt und dann unmittelbar in die Verkokungseinrichtung entspannt wird, daß die bei der Entspannung entstehenden Gase und Dämpfe ohne weitere thermische Behandlung aus der Verkokungseinrichtung abgezogen werden, und daß die ver­ bleibende flüssige Restfraktion kontinuierlich durch die Verkokungsein­ richtung gefördert und dabei verkokt wird.

Gemäß der Erfindung wird die in einer Kohleverflüssigungsanlage z. B. im Sumpf des Heißabscheiders anfallende flüssige Rückstandsfraktion im wesentlichen unter etwa dem Druck des Heißabscheiders bzw. nach Ent­ spannung auf ein noch oberhalb des Betriebsdruckes der Verkokungsein­ richtung liegendes Druckniveau zunächst mit Wasserstoff versetzt und dann außerhalb der Verkokungseinrichtung in einem geeigneten Ofen, z. B. einem Röhrenofen, durch Zufuhr von Fremdwärme auf die Verkokungs­ temperatur, die in der Regel zwischen etwa 450°C und 520°C liegt, aufgeheizt. Aufgrund des hohen Wasserstoffportialdruckes werden die sich während der Aufheizung bildenden Spaltprodukte weitgehend mit Wasser­ stoff abgesättigt. Dabei wird nicht nur das in der zu verkokenden Rück­ standsfraktion noch vorhandene Destillatöl in seinem Wasserstoffgehalt bewahrt und vor Zersetzung geschützt, sondern es wird gleichzeitig be­ reits ein Teil des zu verkokenden Kohleextraktes zu Destillatölen hy­ driert. Da die Hydrierreaktionen exotherm sind, erniedrigt sich je nach der Intensität der Hydrierung die für die Aufheizung benötigte Wärmemenge erheblich. Darüberhinaus reduziert sich die in der Verkokungs­ einrichtung zu behandelnde Extraktmenge entsprechend, so daß die Ver­ kokungseinrichtung selbst auch aufgrund der hohen Eintrittstemperatur kleiner ausgelegt und kostengünstiger betrieben werden kann.

Nach der Aufheizung der zu behandelnden Rückstandsfraktion wird diese gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren unmittelbar in die Verkokungs­ einrichtung entspannt. Die bei der Entspannung entstehenden Destillat­ öldämpfe werden dann ohne weitere thermische Behandlung sofort aus der Verkokungseinrichtung abgezogen, so daß eine Zersetzung und Dehydrierung dieser Dämpfe in der Verkokungseinrichtung nicht stattfindet. Im Grunde durchläuft somit nur noch der in der Rückstandsfraktion vorhandene Kohle­ extrakt (Asphalt) zusammen mit den Feststoffen die Verkokungseinrichtung, d. h. die Verkokungseinrichtung wird nur noch mit solchen Komponenten beaufschlagt, die sowieso eine längere Verweilzeit bei erhöhter Tempera­ tur benötigen, um in Destillatöle und Koks aufgespalten zu werden.

Durch die Zugabe von Wasserstoff in die Verkokungseinrichtung lassen sich die Ölausbeute und die Destillatölqualität, unter anderem durch den damit verbundenen Spülgaseffekt, weiter steigern, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn der zweckmäßigerweise bereits auf Verkokungs­ temperatur erhitzte Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltendes Gas im Gegenstrom zu dem die Verkokungseinrichtung durchlaufenden Einsatzgut geführt wird. Dadurch wird der Koks weitgehend entgast und somit in ver­ stärktem Maße wertvolle flüchtige Kohlenwasserstoffe gewonnen.

Der Druck der Verkokungseinrichtung liegt zweckmäßigerweise zwischen etwa 5 bar und maximal dem Verfahrensdruck der Anlage, vorzugsweise zwischen etwa 15 und 100 bar.

Die Verkokungseinrichtung selbst ist vorteilhafterweise ein feststehendes, waagrecht oder senkrecht oder auch schräg stehendes Gefäß mit einem Gas­ sammelbereich im oberen Teil und einem sich daran anschließenden Verkokungs­ bereich. Die Entspannung der zu behandelnden Rückstandsfraktion erfolgt dabei in den Gassammelbereich, aus dem auch die bei der Entspannung freige­ setzten bzw. bei der Verkokung entstehenden Destillatöldämpfe abgezogen werden. Innerhalb des Verkokungsbereiches ist eine vorzugsweise mechanisch arbeitende Rühreinrichtung vorgesehen, die die Bewegung und ständige Ver­ mischung des zu verkokenden Gutes bewirkt, so daß insbesondere beim Über­ gang von der flüssigen in die plastisch/teigige Phase immer wieder neue Oberflächen gebildet werden, wodurch das Entweichen von Öldämpfen und auch die Einwirkung des Wasserstoffs beschleunigt und verstärkt werden. Der Verkokungsprozeß kann dadurch abgekürzt und die Ölbildung vergrößert werden.

Um die Vorgänge des Vermischens und ständigen Zerteilens im flüssig bis plastischen Verkokungsbereich von dem Fördern des Verkokungsgutes durch die Verkokungseinrichtung getrennt, d. h. unabhängig voneinander beein­ flussen zu können, kann es sich als zweckmäßig erweisen, die mechanische Rühreinrichtung nicht gleichzeitig als Transporteinrichtung auszubilden. Der Transport kann bei entsprechender Neigung oder Senkrechtstellung der Verkokungseinrichtung auch durch Schwerkrafteinwirkung allein gewähr­ leistet werden.

Um zu verhindern, daß insbesondere im plastisch/teigigen Verkokungsbereich sich die Rühreinrichtung mit der klebrigen und hochviskosen Masse zersetzt und dadurch die Förderung zum Erliegen kommt, erweist es sich als zweck­ mäßig, zumindest in diesem Bereich die Rühreinrichtung als ein selbst­ reinigendes System auszubilden, z. B. durch die Anordnung von zwei mit­ einander im Eingriff befindlichen Schnecken oder auch Stachelwalzen oder durch die Kombination von feststehenden mit bewegten Teilen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung läßt sich der Verkokungsvorgang auch dadurch verbessern, daß ein Teil der gebildeten Kokspartikel an den Eingang der Verkokungseinrichtung zurückgeführt und dort mit der zu ver­ kokenden Rückstandsfraktion benetzt wird. Auf diese Weise wird die zu ver­ kokende Flüssigkeit besonders fein verteilt, d. h. mit sehr großer Ober­ fläche der Verkokung zugeführt. Die Verkokung erfolgt dabei in einer dünnen Schicht, wodurch die entstehenden Dämpfe leicht entweichen können, was zu einer weiteren Erhöhung der Ölausbeute führt. Auch kann der angebotene Wasserstoff das zu verkokende Gut besonders gut durchdringen, da der dünne an den Kokspartikeln haftende Extraktfilm kurze Diffusionswege darstellt, und überdies durch die sich ständig bewegenden Kokspartikel der Extrakt­ film dauernd aufgerissen wird, was den Stoff- und Wärmetausch weiter för­ dert.

Falls erforderlich, kann über die rückgeführten Kokspartikel auch zusätzliche Wärme in das System eingetragen werden. Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, zur Vermeidung von Wärmeverlusten die Rückführung der Koks­ partikel innerhalb der Verkokungseinrichtung, z. B. durch eine geeignete Förderschnecke, vorzunehmen. Durch die erneute Rückführung von Kokspartikeln in die Verkokungseinrichtung ergibt sich als weiterer Vorteil, daß die Selbst­ reinigung der Rühreinrichtung weniger wirkungsvoll ausgebildet zu sein braucht, da die festen Kokspartikel selbst zur Reinigung von Wänden und Rühreinrichtung mit beitragen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Verkokung von Rückständen aus der Kohleverflüssigung beschränkt. Mit dem gleichen Erfolg lassen sich auch Rückstände anderer Herkunft, z. B. aus Erdöl- oder auch aus der Ölsand- bzw. Teerschieferverarbeitung, verkoken.

Weitere Erläuterungen sind dem in der Figur schematisch dargestellten Aus­ führungsbeispiel zu entnehmen.

Gemäß der Figur wird das heiße Reaktionsprodukt einer im einzelnen nicht dargestellten Kohleverflüssigungsanlage über eine Leitung 2 einem Heißab­ scheider 1 zugeführt und dort in seine Phasen zerlegt. Der Druck des Heiß­ abscheiders liegt bei etwa 200 bar und die Temperatur bei etwa 420°C. Die im Kopf des Heißabscheiders anfallenden Gase und Dämpfe, im wesentlichen sind dies der Restwasserstoff, tiefsiedende Kohlenwasserstoffe sowie Destillat­ öle im Naphtha- und Mittelölbereich, werden über eine Leitung 3 aus der Anlage abgezogen.

Im Sumpf des Heißabscheiders 1 fällt eine flüssige Rückstandsfraktion an, die sich im wesentlichen aus flüssigem Kohleextrakt (Asphalt), schweren Destillat­ ölen sowie Feststoffen, wie nicht abgebaute Kohle, Asche und Katalysator, zu­ sammensetzt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird diese Rückstands­ fraktion in einem Entspannungsventil 4 auf einen Zwischendruck von etwa 50 bar entspannt und dann in ein Sammelgefäß 5 eingeleitet. Daraufhin wird der flüssige Rückstand mittels einer Pumpe 6 in einen fremdbeheizten Röhrenofen 7 gefördert, dabei mit über eine Leitung 21 zuströmendem Wasserstoff versetzt und im Ofen auf eine Temperatur von rd. 500°C erhitzt.

Der Wärmebedarf des Ofens ist relativ gering, da aufgrund des hohen Wasserstoff­ partialdruckes bei den vorherrschenden Temperaturen ein Teil des in der Rück­ standsfraktion vorliegenden Kohleextrakts unter Freisetzung von exothermer Wärme zu Destillaten hydriert wird.

Die den Röhrenofen 7 verlassende Fraktion wird über ein Ventil 8 direkt in eine Verkokungseinrichtung 90 entspannt. Die dabei entstehenden Gase und Dämpfe werden unmittelbar, d. h. ohne weitere thermische Behandlung, über eine Leitung 16 zusammen mit den bei der Verkokung anfallenden Destillatöldämfen aus der Ver­ kokungseinrichtung 9 abgezogen.

Die in der Verkokungseinrichtung 9 verbleibende flüssige feststoffhaltige Fraktion wird mit über ein Fördersystem 12 zugeführten Kokspartikeln ver­ mischt, wobei diese mit einem dünnen Flüssigkeitsfilm überzogen werden, so daß eine besonders große Oberfläche für den Stoff- und Wärmeaustausch in der Verkokungseinrichtung zur Verfügung steht. Das Gemisch aus Koks­ partikel und zu verkokender Fraktion wird mittels einer Schnecke 10 unter Einhaltung der für die Verkokung erforderlichen Verweilzeit sowie unter ständiger Auflockerung und erneuter Vermischung durch die Verkokungsein­ richtung gefördert. Der fertige Koks wird über einen Schacht 11 ausgetra­ gen, zum Teil über die Förderschnecke 12 wieder an den Eingang der Ver­ kokungseinrichtung zurückgeführt und restlich über einen Abzug 13 aus der Anlage abgezogen.

Zur Erhöhung der Destillatölausbeute und Verbesserung der Destillatöl­ qualität wird über eine Leitung 14 in einem Ofen 15 erhitzter Wasserstoff im Gegenstrom zu dem zu verkokenden Gut in die Verkokungseinrichtung ein­ geleitet.

Die über die Leitung 16 aus der Verkokungseinrichtung 9 abziehenden Destillatöldämpfe werden zur weiteren Raffination einem katalytischen Festbettreaktor 19 zugeführt und dann über eine Leitung 20 aus der An­ lage abgezogen. Falls in den Dämpfen noch flüssige und feste Stoffe ent­ halten sind, werden diese vor der Raffination in einem Abscheider 17 ab­ getrennt und über eine Leitung 18 in die Verkokungseinrichtung 9 zurück­ geführt.

Claims (7)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Verkoken der in einer Kohleverflüssigungs­ anlage unter etwa dem Anlagendruck anfallenden flüssigen Rückstandsfraktion, die neben dem nicht destillierbaren Kohleextrakt (Asphalt) noch schwere Destillatöle sowie nicht umgesetzte Kohle, Asche und ggf. Katalysator ent­ hält, wobei die Rückstandsfraktion auf den Druck der Verkokungseinrichtung entspannt, die dabei anfallenden Gase und Dämpfe abgetrennt und der ver­ bleibende Rückstand der Verkokungseinrichtung zugeführt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rückstandsfraktion in Gegenwart von Wasserstoff durch Zufuhr von Fremdwärme auf etwa die Temperatur der Verkokung aufgeheizt und dann unmittelbar in die Verkokungseinrichtung entspannt wird, daß die bei der Entspannung der Rückstandsfraktion anfallenden Gase und Dämpfe ohne weitere thermische Behandlung aus der Verkokungseinrichtung abgezogen werden, und daß die verbleibende flüssige Restfraktion kontinuierlich durch die Ver­ kokungseinrichtung gefördert und dabei unter einem Druck zwischen etwa 5 bar und maximal dem Verfahrensdruck der Kohleverflüssigung verkokt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verkokende Restfraktion während ihrer Förderung durch die Verkokungseinrichtung auf­ gelockert und erneut vermischt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflockern und Vermischen der zu verkokenden Restfraktion mittels mecha­ nischer Einrichtungen erfolgt, wobei diese zumindest im plastisch/teigigen Bereich der Verkokungseinrichtung selbstreinigend ausgebildet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der aus der Verkokungseinrichtung abgezogenen Kokspartikel mindestens unter der Temperatur der Verkokung in die Verkokungseinrichtung zurückgeführt, mit der zu verkokenden Restfraktion benetzt und dann erneut durch die Verkokungseinrichtung gefördert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung der erneut in die Verkokungseinrichtung einzubringenden Kokspartikel mittels mechanischer Fördereinrichtungen innerhalb der Verkokungseinrichtung erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Gegenstrom zu der in der Verkokungseinrichtung geförderten Restfraktion Wasserstoff, der auf mindestens die Temperatur der Verkokung erhitzt worden ist, in die Verkokungseinrichtung eingeleitet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in den aus der Verkokungseinrichtung abziehenden Dämpfen gegebenenfalls noch vorhandenen asphaltartigen und festen Stoffe abgetrennt und erneut der Verkokungseinrichtung zugeführt werden, während die verbleibenden Gase und Dämpfe zur weiteren Raffination direkt über einen katalytischen Festbettre­ aktor geleitet werden.