DE3741623A1 - Pyrolyse von bitumen in einem mahlkoerper enthaltenden reaktor - Google Patents

Description

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.

Claims (9)

1. Verfahren zur Pyrolyse von Bitumen, dadurch gekennzeichnet, daß laufend über 353 K vorgewärmtes Bitumen in einen Mahlkörper enthaltenden, rotierenden Reaktor auf eine Reaktorinnenwand und/oder die Mahlkörper eingedüst und insbesondere durch Kontakt mit der auf Pyrolysetemperatur beheizte Innenwand des Reaktors in Pyrolysegas und Pyrolysekoks zersetzt wird, das Pyrolysegas zur Weiterbehandlung aus dem Reaktor abgeleitet wird und der sich auf der Innenwand und/oder den Mahlkörpern absetzende Pyrolysekoks durch die bei der Rotation des Reaktors bewegten Mahlkörper zerrieben und wenigstens von der Innenwand entfernt und kontinuierlich aus dem Reaktor abgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrig siedenden Fraktionen des Pyrolysegases abgetrennt und zur Beheizung des Reaktors verwandt und die höher siedenden Fraktionen kondensiert und als synthetisches Rohöl weiterbehandelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolyse bei einer Temperatur aus dem Bereich 573 bis 1173 K betrieben wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bitumen im Reaktor auf den Teil des Umfanges gesprüht wird, dessen Temperatur infolge Beheizung von außen am höchsten ist und zwischen 973 und 1023 K liegt und der durch Rotation des Reaktors von Mahlkörpern freigehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Temperatur von Mahlkörpern aus Metall bei 923 bis 973 K gehalten wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Reaktors in wenigstens zwei Reaktionszonen unterteilt wird, wobei die Temperatur der Innenwand in der ersten Reaktionzone auf 733 bis 773 K und in der zweiten Reaktionszone auf 973 bis 1023K gehalten wird und daß das Bitumen auf die Mahlkörper gesprüht wird, deren Temperatur mindestens 733 K beträgt und die infolge der Rotation des Reaktors zwischen den beiden Reaktionszonen wandern.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (1) ein um seine Längsachse drehbarer, liegender, von außen beheizbarer Zylinder ist mit wenigstens einer Düse (25) zum Einsprühen von vorgewärmtem Bitumen an einer Stirnfläche (3) und mit auf einem Teil seiner Länge über seinen Umfang verteilten Abgabeöffnungen (5), die in einen den Zylinder abdichtend umgebenden, hohlen Ring (6) münden, von dem ein Gasabzug (8) und ein Koksaustrag (9) ausgehen, wobei sich in dem Reaktor (1) Mahlkörper (15) befinden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Reaktor (1) eine oder mehrere für gasförmige und feste Pyrolyseprodukte durchlässige Trennwände (12) enthält.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner (32) gegen das in Drehrichtung des Reaktors (1) erste untere Viertel mit nach unten weisender Ausströmrichtung gerichtet sind.