Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Pyrolyse von Bitumen in
einem Reaktor der Mahlkörper enthält und von außen beheizt wird.
Speziell wird aus Ölsanden extrahiertes Bitumen mit dem Reaktor
zu synthetischem Rohöl veredelt.
Das Bitumen ist nach der Extraktion aus dem Ölsand ein
zähflüssiges komplexes Gemisch aus hochmolekularen Verbindungen.
Für eine wirtschaftliche Raffination des Bitumens ist eine
Veredelung zu einem transportfähigen von Verunreinigungen
weitgehend befreitem synthetischen Rohöl notwendig. In dieser
Veredelungsstufe sollte bereits eine Umwandlung der Bestandteile
des Bitumens in hochwertige Kohlenwasserstoffverbindungen,
insbesondere Aromaten, erfolgen.
Zur Veredelung des Bitumens werden bisher vor allem
Verkokungsverfahren (delayed coking, fluid coking, flexicoking,
siehe z.B. Heavy Oil Processing Handbook 1982) verwendet.
Dabei wird entweder diskontinuierlich oder mit aufwendigen
Aggregaten zur Erzeugung einer Wirbelschicht gearbeitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kontinuierliches
Verfahren mit einfachen wirtschaftlicheren Aggregaten zu
schaffen.
Die Lösung diese Aufgabe erfolgt durch das Verfahren gemäß
Anspruch 1 und die Vorrichtung, wie in Anspruch 7 beschrieben.
Die Unteransprüche 2 bis 6 geben bevorzugte Ausführungen des
Verfahrens an. Die Unteransprüche 8 und 9 stellen bevorzugte
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einem beheizten
rotierenden zylindrischen Reaktor, der Mahlkörper enthält,
durchgeführt. Zu Beginn und während des Betriebes erfolgt die
Inertisierung der Anlage mit dem Rauchgas (Abgas) der
Reaktorheizung. Im Reaktor liegt ständig ein leichter Überdruck
vor, der das Eindringen von Sauerstoff in den Reaktor verhindert.
In den Reaktor wird vorgewärmtes Bitumen eingedüst und bei
geeigneter Pyrolysetemperatur im Reaktor und insbesondere an der
beheizten Innenwand pyrolysiert.
Das vorgewärmte Bitumen wird bei einer bevorzugten Ausführung mit
Mehrstrahldüsen, die etwa in der Zylinderachse angeordnet sind,
annähernd radial auf die durch die Mahlkörper von festen
Pyrolyseprodukten gesäuberte Reaktorinnenwand aufgesprüht, und
zwar an einer Stelle des Umfangs, die durch entsprechende
Anordnung der Brenner die höchste Temperatur aufweist und im
Betrieb frei von Mahlkörpern ist.
Bei der Pyrolyse (Verkokung) entstehen feste Pyrolyseprodukte
(Pyrolysekoks) und gasförmige Pyrolyseprodukte (Pyrolysegas).
Das Pyrolysegas ist ein Gemisch von Kohlenwasserstoff
verbindungen mit unterschiedlicher Zusammensetzung und
unterschiedlichen Siedepunkten.
Durch die Relativbewegung zwischen Reaktor und Mahlkörpern,
vorzugsweise eine Rotation des Reaktors um seine im wesentlichen
horizontale Zylinderachse, wird die Innenwand des Reaktors von
festen Pyrolyseprodukten weitgehend freigehalten. Sich auf der
Innenwand oder den Mahlkörpern absetzende Partikel von Koks
werden zerrieben.
Dadurch fällt der Pyrolysekoks in feinkörniger Form an und kann
z.B. ohne eine weitere Aufmahlung als Staub in einer Feuerung mit
hoher spezifischer Energieausbeute eingesetzt werden. Der
staubförmige Pyrolysekoks wird laufend aus dem Reaktor abgegeben.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß
an der weitgehend von Pyrolysekoks freigehaltenen
Reaktorinnenwand ein gleichbleibend guter Wärmedurchgang und
eine definierte Innenwandtemperatur für die Pyrolyse eingehalten
wird.
Die Beheizung des Reaktors erfolgt mit Brennern, die
vorzugsweise mit niedrigsiedenden Bestandteilen des
Pyrolysegases betrieben werden und die den Reaktor von außen
beheizen. Entlang der Längsachse des Reaktors sind mehrere
Brenner als Brennerbatterie etwa in einer Linie angeordnet, die
den jeweils in ihrem Bereich befindlichen Teil des Umfangs
erhitzen.
Zur Steigerung der Leistung des Reaktors können mehrere
derartige Brennerbatterien in Umfangsrichtung aufeinanderfolgen,
um die gesamte, von Kugeln freie Innenwand als Sprühfläche zum
pyrolysieren des Bitumens zu nutzen.
Die Betriebstemperatur der Pyrolyse kann zwischen 573 und
1173 K betragen. In einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Temperatur der
Reaktorinnenwand im Bereich der Sprühfläche zwischen 973 und
1023 K, was eine optimale Ausbeute an Aromaten ergibt. Die
mittlere Temperatur eines Mahlkörperhaufwerks aus Metall beträgt
vorzugsweise zwischen 923 und 973 K. Eine gegenüber der
Temperatur der Innenwand geringere Temperatur der Mahlkörper ist
beispielsweise mittels der Wahl der Menge und Temperatur des
eingedüsten Bitumens einstellbar und für die Behandlung des
Pyrolysekokses vorteilhaft.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann gemäß einer anderen
Ausführung in einem Reaktor mit wenigstens einer Trennwand zwei-
oder mehrstufig durchgeführt werden, in dem die verschiedenen
Reaktorteile zur Bildung verschiedener Reaktionszonen auf
unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden. In der
speziellen Ausführung als zweistufiges Verfahren betragen die
Temperaturen auf der Reaktorinnenwand in der ersten
Reaktionszone zwischen 733 und 773 K und in der zweiten
Reaktionszone zwischen 973 und 1023 K. In diesem Fall wird das
Bitumen auch auf die Mahlkörper der ersten Reaktionszone
gesprüht, wobei ein Teil niedrig siedender Kohlenwasserstoffe
gasförmig entweicht. Die sich an den Mahlkörpern zunächst
absetzende, viskose Masse wird durch Wandern der Mahlkörper
infolge der Rotation des Reaktors in die stärker beheizte zweite
Reaktionszone gebracht, in der ein Cracken stattfindet und
weitere gasförmige Pyrolyseprodukte abgegeben werden, so daß
Pyrolysekoks zurückbleibt, der ausgetragen wird. Das Wandern
der hierbei vorzugsweise aus Metall bestehenden Mahlkörper kann
gegebenenfalls durch geeignete Einbauten im Reaktor begünstigt
werden.
Eine Ausführung als ein- oder mehrstufiges Verfahren mit erhöhter
Leistung ist insbesondere auch möglich, wenn eine mittlere
Kammer mit Abgabeeinrichtungen für den Pyrolysekoks und beide
Stirnseiten des Reaktors mit Austrittsdüsen für Bitumen versehen
sind. Hierbei können zur Durchführung eines Wechselbetriebes
die äußeren Kammern abwechselnd mit hohen und niedrigen
Temperaturen betrieben werden. Dies ist besonders bei
Bitumenarten zweckmäßig, bei denen die festen Pyrolyseprodukte
in hochviskoser Form anfallen und erst bei höheren Temperaturen
gecrackt werden können.
Das Mantelmaterial des Reaktors besteht aus wenigstens einer
Schicht aus einem wärme- und oxydationsbeständigen Stahl,
vorzugsweise in einer speziellen Ausführung aus NiCr 15 Fe+Si
(3%). Im Innern des Reaktors kann ein Verschleißfutter aus
Stahl oder feuerfestem, aber nicht wärmeisolierenden Material
angebracht sein.
Als Mahlkörper kann metallisches Material, z.B. wärmebeständiger
Stahl in Form von Kugeln, keramisches Material, auch in
Verbindung mit einem Katalysator, oder z.B. Hartkalkstein,
verwendet werden, dessen Abrieb sich mit festen
Pyrolyseprodukten verbindet und bei einer Verbrennung derselben
entschwefelnd wirkt.
Das Gesamtvolumen der Mahlkörper in einem Reaktor wird
vorzugsweise nicht größer als 10% des Reaktorinnenraumes
gewählt. Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Reaktors ist
vorzugsweise nicht größer 70% der kritischen
Umdrehungsgeschwindigkeit einzustellen.
Ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die
schematische nichtmaßstäbliche Darstellung, in der
Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch einen Reaktor
und
Fig. 2 einen vertikalen Querschnitt gemäß II-II in Fig. 1
wiedergeben.
An einem zylindrischen Reaktor (1) mit einer äußeren
Mantelfläche (2) mit einer inneren Mantelfläche (22) und zwei
äußeren gewölbten Stirnflächen (3, 4), inneren gewölbten
Stirnflächen (43, 44) und inneren planen Stirnflächen (23, 24)
befinden sich über den Reaktorumfang und auf einem Teil der
Reaktorlänge verteilte Öffnungen (5). Die Öffnungen (5) werden
von einem hohlen, zylindrischen Ring (6) überdeckt, der an
seinen der Reaktoraußenwandung (2) zugewandten Flächen (7) gegen
diese gasdicht gelagert ist. Der Ring (6) wird bei der Rotation
des Reaktors (1) um seine Längsachse nicht mitbewegt. Auf dem
Ring (6) ist ein kegelstumpfartiger Gasabzug (8) und ein
ebenfalls kegelstumpfartiger Koksaustrag (9) für Pyrolysekoks
angebracht. Der Pyrolysekoks wird über eine Wassertasse (10),
die das Ausströmen von Pyrolysegas aus dem Reaktor und das
Einströmen von Luft in den Reaktor verhindert, abgezogen. An
der Stirnfläche (43) des Reaktors (1) ist in der Längsachse des
Reaktors (1) eine Stablanze (11) angebracht. Die Stablanze (11)
ist über eine Dichtung (45) an der inneren gewölbten Stirnfläche
(43) abgedichtet. Das Austrittsende der Stablanze (11) ist als
Düse (25) ausgebildet. Die Stablanze (11), durch die auf
wenigstens 353 K vorgewärmtes, flüssiges Bitumen zugeführt wird,
ist von einer Isolierung (26) umgeben, kann jedoch auch durch
heißes Wasser beheizt sein. Der Reaktor (1) ist in Lagern (27)
gelagert. Seine Drehachse verläuft etwa horizontal. Der
Rotationsantrieb des Reaktors (1) und die beheizten Brenner sind
in Fig. 1 nicht dargestellt.
Der Innenraum des Reaktors (1) wird durch eine perforierte
Trennwand (12) in zwei Kammern unterteilt, wobei in der ersten
Kammer (13) die Zersetzung des Bitumens erfolgt und der sich
absetzende Pyrolysekoks durch Mahlkörper (15), von denen nur
einige wenige angedeutet sind, zerrieben und von der Innenwand
(22) entfernt wird und in der zweiten Kammer (14) nur die
Abführung von Gas und Koks erfolgt, aber gegebenenfalls noch
eine zusätzliche Behandlung des Kokses z.B. mit Kalksteinen
durchgeführt werden kann. Wenigstens unter der Kammer (13) sind
die in Fig. 2 dargestellten Brenner (32) angeordnet. Durch ein
Zuführungsrohr (17) beispielsweise an den Koksaustrag (9) wird
vor Beginn des Prozesses ein inertes Gas wie Rauchgas in den
Reaktor (1) eingeleitet. Auch während des Betriebes kann durch
das Rohr (17) inertes Gas zugeführt werden, um in dem Reaktor
(1) einen leichten Überdruck aufrechtzuerhalten und das
Eindringen von Luft auszuschließen.
Fig. 2 zeigt den Querschnitt eines rotierenden Reaktors (1) mit
kugelförmigen Mahklörpern (15), die in der Drehrichtung (30) an
der Innenwand (22) bis zu einer gewissen Höhe mitgenommen werden
und dann über das Kugelhaufwerk wieder nach unten rollen oder
fallen. An der etwa zentral in der Stirnfläche (43)
angeordneten Düse (25) wird flüssiges Bitumen z.B. in mehreren
Strahlen (31) auf ein Sprühfeld (29) an der Innenwand (22)
gesprüht. Dieses Sprühfeld (29) weist jeweils die höchste
Oberflächentemperatur von 973 bis 1023 K am Umfang der Innenwand
auf, da an die entsprechende Stelle der Außenwand (2) die
Brenner (32) gerichtet sind. Sprühfeld (29) und Brenner (32)
befinden sich zweckmäßigerweise im ersten unteren Viertel des
Reaktors, in der Drehrichtung (30) gesehen. Vorzugsweise sind
die Brenner (32) bei dem dargestellten Beispiel so angeordnet,
daß ihre Ausströmrichtung nach unten weist und die Flamme (33)
fast tangential gegen die Reaktorwand (2) gerichtet ist, so daß
das Rauchgas (34) einen großen Teil des Reaktorumfanges umströmt
und beheizt. Etwa im Bereich des Sprühfeldes (29) findet die
Zersetzung des Bitumens statt, wobei der Wand Wärme entzogen
wird, so daß der anschließende Umfangteil, in dem sich die
Mahlkörper (15) befinden sowie die Mahlkörper selbst eine
geringere Temperatur aufweisen, die jedoch für die Bearbeitung
des Pyrolysekokses und seine Entfernung von der Innenwand genügt.
Die festen Pyrolyseprodukte werden vorzugsweise im
Pyrolysebetrieb zur Stromerzeugung oder im Extraktionsbetrieb
zur Erzeugung von Heißwasser für die Extraktion des Bitumens aus
dem Ölsand verfeuert. Die gasförmigen Pyrolyseprodukte werden
kondensiert, wobei die niedrig siedenden Fraktionen abgetrennt
werden und zur Befeuerung der Brenner verwendet werden. Die aus
dem Pyrolysegas kondensierten flüssigen Pyrolyseprodukte können
als ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wirtschaftlich
hergestelltes synthetisches Rohöl weiterverarbeitet werden.