DE4233584C2 - Verfahren und Anlage zur Auftrennung von anorganischen Schlämmen, die schwerflüchtige Kohlenwasserstoffe enthalten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Auftrennung von anorganischen Schlämmen, die schwerflüchtige Kohlenwasserstoffe enthalten.

Gemische, die hauptsächlich aus Wasser, Feststoffen und schwerflüchtigen Kohlenwasserstoffen bestehen, sind für das Verfahren insbesondere dann geeignet, wenn sie als eingedickter Schlamm aus den Absetzteichen der Bitumenproduktion aus Teersand auftreten und einen hohen Anteil an Feinstkorn aufweisen, der mechanisch nicht wirtschaftlich abzutrennen ist. Bei der Produktion von Bitumen aus Teersand nach dem Heißwasser-Prozeß bleibt als Produktionsabfall ein sehr feinkörniger bitumenhaltiger und aufgewärmter Schlamm (bis 8% TS; 40-60°C) zurück, der in einen Abfallteich gepumpt wird, der als Absetz- und Eindickeinrichtung dient. Aus der Klarwasserzone des Teiches wird Wasser in den Produktionsprozeß zurückgepumpt und wiederverwendet. Der sehr langsam sedimentierende ölhaltige Schlamm bleibt im Teich zurück und stellt bei den vorhandenen Teersandminen aufgrund seines riesigen Volumens (einige Millionen Kubikmeter pro Jahr) eine permanente Umweltgefährdung dar. Da außerdem das Fassungsvermögen der Abfallteiche begrenzt ist, versucht man den Schlamm bis zur Stichfestigkeit zu entwässern und den Feststoff als Füllmaterial für ausgebaggerte Gruben zu verwenden.

Nach der DE-OS 29 21 654 wird ein Kontaktierungsverfahren zum Behandeln vermischter Abfallmaterialien, die Öl und/oder Ölableitprodukte, verschmutztes Wasser und Feststoffschlamm enthalten, beschrieben. Dabei werden die Ölbestandteile durch Lösungsmittel aus dem Abfallmaterial in einer kontinuierlichen Mehrkammerkontaktiervorrichtung extrahiert, in der das Abfallmaterial und ein Lösungsmittel sich in getrennten Phasen bewegen und mittels sich in der Kontaktiervorrichtung drehenden Behältern miteinander in Kontakt gebracht werden. Die Feststoffabtrennung erfolgt ausschließlich auf der Basis der Wirkung der Gravitationskräfte, wodurch eine ausreichend hohe Abtrennung der schwerflüchtigen Kohlenwasserstoffe sowie der Feststoffteilchen nicht erreicht werden kann. Der hohe Feinstkornanteil im abgetrennten Wasser erlaubt keine Sedimentation in überschaubaren Zeiträumen.

Aus der US-PS 40 67 796 ist ein Extraktor mit Absetzzone bekannt, der zum Extrahieren von Bitumen aus Teersand bei der Produktion von synthetischem Rohöl eingesetzt werden soll.

Durch Anordnung der Rührorgane wird eine vollständige Vermischung der beiden Hauptphasen (44) und (42) erreicht.

Der beschriebene Extraktor ist zur Behandlung von Schlamm aus Produktionsrückständen nicht geeignet, weil dieser Schlamm ganz andere Eigenschaften (z. B. sehr schlechte Entmischungseigenschaften) besitzt als eine Mischung aus Teersand und Wasser.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anlage zu entwickeln, wonach anorganische Schlämme, die Wasser, Feststoffe, schwerflüchtige Kohlenwasserstoffe und andere Begleitstoffe enthalten, in ihre Hauptbestandteile zerlegt werden können, wobei das Wasser völlig feststofffrei recycelt werden soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der vorgewärmte und mit Wasser verdünnte Schlamm in einem Extraktionsreaktor mit Lösungsmittel derart vermischt wird, daß Wirbelströmungen im Ölschlamm entstehen, die den Ölschlamm an die Grenzfläche zum Lösungsmittel wälzen. Der vollständig feststofffreie Lösungsmittelabzug wird in einer ersten Stufe zu einem Horizontalrohrsprühfilmverdampfer mit Brüdenkompression geleitet und in einer zweiten Stufe zu einem Wirbelschichtverdampfer, dem ein Sedimenter vorgeschaltet ist. Der extrahierte Schlamm wird über eine Vorwärmung zur Austreibung von Lösungsmittelresten zur Entgasung geführt und der entgaste Schlamm über einen Schlammverdampfer mit Brüdenkompression entwässert. Die Restöle des Destillates werden über einen Skimmer entfernt und das feststofffreie Wasser wird dem Prozeß zurückgeführt. Der stichfeste Schlamm kann ökologisch unbedenklich deponiert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es möglich, die bei der Bitumenproduktion aus Teersand nach dem Heißwasser-Prozeß anfallenden ölhaltigen Schlämme, welche in Absetzteichen abgelagert werden und eine permanente Umweltgefährdung darstellen aufzuarbeiten und in ihre Hauptbestandteile zu zerlegen. Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung wird weiterhin erreicht, daß der Feststoffanteil des recycelten Wassers nahe Null ist, was eine Sedimentation in überschaubaren Zeiträumen ermöglicht. Das umweltverträgliche Verfahren erbringt hohe Ausbeuten bei der Bitumenabtrennung und hat dabei niedrige Energie- und Betriebskosten.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird als Lösungsmittel ein organisches FCKW-freies Lösungsmittel verwendet. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Petrolbenzin. Viele andere kohlenwasserstoffhaltige Lösungsmittel sind für Extraktion ebenso geeignet. Die Verwendung richtet sich unter anderem nach der Art der zu lösenden Kohlenwasserstoffe. Sind viele benzolringhaltige oder polare Verbindungen im Bitumen oder anderen schwersiedenden Kohlenwasserstoffen enthalten, empfehlen sich ähnliche Lösungsmittel wie Toluol oder Benzol. Die Grenzen der Eignung der Lösungsmittel liegen in der Lösungsmittelrückgewinnung durch genügend große Siedepunktabstände zwischen Lösungsmittel und Gelöstem, der Verfügbarkeit vor Ort, dem Herstellungspreis, der Umweltverträglichkeit und der Verträglichkeit mit den nachfolgenden Produktionsschritten. FCKW-haltige Lösungsmittel scheiden neben Umweltschutzgründen auch aufgrund katalysatorschädigender Halogenspuren in der Bitumenaufarbeitung aus.

Die vorstehende Beschreibung des Verfahrens läßt bereits die wesentlichen Komponenten der zugehörigen Anlage mit einem Extraktionsreaktor erkennen. Im übrigen wird diesbezüglich auf die nachstehende Figurenbeschreibung verwiesen, die insoweit auch allgemeingültige Merkmale enthält.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der Zeichnung ist in Fig. 1 schematisch der Rührextraktionsbehälter dargestellt. Fig. 2 zeigt schematisch ein Fließbild des Verfahrens mit Lösungsmittelextraktion. Der abgelagerte Schlamm aus dem Absetzteich wird zu einer nicht dargestellten Aufheizstation gepumpt. Die Pumpfähigkeit des Schlammes wird gegebenenfalls durch Vermischen mit Wasser aus der Klarwasserzone gewährleistet. Die Aufheizstation besteht aus einem Wärmeaustauscher, der die Abwärme der in den Abfallteich fließenden Wasserströme nutzt, um den Schlamm für die Extraktion aufzuwärmen. Bei dem Heißwasser-Prozeß ist der in den Abfallteich fließende Wasserstrom ungefähr vier Mal so groß wie die zu entwässernde Schlammenge, so daß genügend Abwärme zur Verfügung steht. Der Schlamm (ca. 30% TS) wird dabei von ca. 0°C auf 40°C aufgewärmt. Eine weitere Erwärmung (Überhitzung der leichten Fraktionen des Petrolbenzins bis auf 60°C kann durch Dampf erreicht werden. Da an den benötigten Dampf keine hohen Ansprüche hinsichtlich Druck und Temperatur gestellt werden, ist es häufig möglich Dampf zu verwerten, der in der Mine vorhanden ist, aber nicht verwertet wird (Abfalldampf). Nach dem Aufheizen gelangt der Schlamm G in den Extraktionsreaktor 1. Dieser Reaktor wird anhand der Fig. 1 beschrieben. Das Lösungsmittel L_m schwimmt auf dem Ölschlamm auf und ist im Ölschlamm nicht löslich. Durch die Fläche P zwischen dem Lösungsmittel L_m und dem Ölschlamm G findet der Stoffaustausch (Bitumenextraktion aus dem Ölschlamm in das Lösungsmittel) statt. Die Fläche muß also groß sein, was zu großflächigen relativ flachen Extraktionsreaktoren führt. Der Ölschlamm G wird durch einen Propellerrührer 1 _B so gemischt, daß zwei Wirbelströmungen im Ölschlamm entstehen, die den Ölschlamm G an die Grenzfläche P zum Lösungsmittel wälzen. Wichtig ist, daß durch den Rührvorgang kein Lösungsmittel in den Ölschlamm eingeschlagen wird. Um eine Durchmischung der einzelnen Phasen (Lösungsmittel und Ölschlamm) in Umfangsrichtung zu ermöglichen wird dem Extraktionsreaktor ein langsam laufender Ankerrührer 1 _A eingebaut. Der Lösungsmittelabzug Lm_A aus dem Extraktionsreaktor 1 ist vollständig feststofffrei und wird gemäß Fig. 2 zur Bitumenabtrennung/Lösemittelrückgewinnung in eine zweistufige Verdampfereinheit geführt. Die Stufe 1 besteht aus einem energiesparenden Horizontalrohrsprühfilmverdampfer 2A mit Brüdenkompression und Stufe 2 aus einem verschmutzungsunempfindlichen Wirbelschichtverdampfer 2B. Um den Energieeinsatz in der zweiten Stufe zu minimieren ist ein Bitumenabsetzer 3 vorgeschaltet, der die Menge des Bitumenkonzentrats der zweiten Stufe reduziert.

Der extrahierte Ölschlamm G_E wird aus dem Extraktionsreaktor 1 über eine Vorwärmung 4 (mit heißem Dünnschlamm aus dem Heißwasserprozeß) zur Entgasung 5 geführt, um Extraktionsmittelreste auszutreiben. Der entgaste Schlamm G_G wird über einen energiesparenden Schlammverdampfer 6 mit Brüdenkompression entwässert. Das Destilat D enthält Restöle R, die über einen Skimmer 7 entfernt werden. Das Wasser W selbst kann in dem Produktionsprozeß zurückgeführt werden. Der getrocknete Schlamm S ist stichfest (TS größer 70%) und kann deponiert werden. Die Lösungsmittelabtrennung muß so ausgelegt werden, daß die Lösungsmittelrückgewinnungsraten über 99% liegen, um einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage zu ermöglichen. Die Lösungsmittelrückgewinnungsrate/-verlust ist hier so definiert, daß vom eingesetzten Lösungsmittelstrom im Extraktionsreaktor weniger als 1% aus der Anlage über Abluft, Dekantersediment und Wasser ausgeschleppt werden beziehungsweise mehr als 99% des eingesetzten Lösungsmittels regeneriert werden. Die Lösungsmittelrückgewinnungsanlage kann auch als konventioneller Mehrstufenverdampfer (nicht dargestellt) ausgeführt werden, dessen Stufen bei unterschiedlichen Drücken Lösungsmittel verdampfen. Die Kondensationswärme der Lösungsmittelbrüden wird als Verdampfungswärme der jeweils nachfolgenden Verdampferstufe genutzt, so daß die eingesetzte Wärme in Form des Strippdampfes für jede Stufe genutzt wird und so zur Energieeinsparung beim energetisch aufwendigsten Teilschritt des Verfahrens beiträgt. Die Lösungsmittelbrüden der letzten Stufe geben ihre Kondensationswärme zum Aufwärmen des Ölschlammstromes aus dem Extraktionsreaktor ab oder werden zum Erwärmen des eingesetzten Schlammes im Zulauf der Anlage verwendet. Die Anzahl der Verdampferstufen ergibt sich, wie bei allen mehrstufigen Eindampfanlagen, aus der Wirtschaftlichkeitsrechnung, bei der Investitionskosten gegen die Energieeinsparung über den Abschreibungszeitraum aufgerechnet werden. Zur optimalen Energieausnutzung und zur Gewährleistung konstanter treibender Temperaturdifferenzen wird der Lösungsmittelstrom aus dem Extraktionsreaktor im Gegenstrom zum Wärmeträger (bereits verdampftes Lösungsmittel) im konventionellen Mehrstufenverdampfer geführt. Hierbei dampft das Lösungsmittel aus dem Lösungsmittelstrom aus und das zurückbleibende Bitumen reichert sich an der Flüssigkeitsoberfläche an. Dieses Bitumen wird abgeskimmt und steht zur weiteren Bearbeitung dem Bitumenaufarbeitsprozeß zur Verfügung. Die Skimmeinrichtung muß nicht im Verdampfer integriert sein. Die Skimmeinrichtung kann aus Kostengründen auch außerhalb des Verdampfers installiert werden, was besonders dann sinnvoll ist, wenn niedrigere Bitumenmengen die Lösemittelverdampfung durch geschlossene Filmbildung des Bitumens nicht behindern. Die Lösungsmittelrückgewinnung kann auch in mehrstufigen Verdampferanlagen durchgeführt werden, bei denen der Wärmeträger im Gleichstrom mit dem einzudampfenden Lösungsmittel fließt. Das geskimmte Wasser ist absolut feststofffrei und kann zur Aufwärmung des eingesetzten Schlammes verwendet werden oder gleich dem Heißwasser- Prozeß der Bitumenextraktion zugeleitet werden. Alle Aggregate und Apparate im Verfahren sind gekapselt und haben keinen Kontakt zur Umgebungsluft, um Lösungsmittelverluste durch Verdunsten und Geruchsbelästigungen zu vermeiden. Die Verluste des Lösungsmittels treten durch Restlöslichkeiten des an sich unlöslichen Lösungsmittels im abgeskimmten Wasser und durch Ausschleppungen von Lösungsmittel im Feststoffaustrag des Trockners auf. Die geringen Mengen des Lösungsmittels im Wasser werden biologisch schnell abgebaut. Die Lösungsmittelreste im Sand werden durch Bodenbakterien ebenfalls abgebaut, da es sich um nicht toxische biologisch abbaubare Verbindungen handelt.

Es ist denkbar, das Verfahren auch ohne Extraktion durchzuführen, und zwar insbesondere dann, wenn das Bitumen im getrockneten Ölschlamm keine Umweltbeeinträchtigung darstellt. Der Verfahrensablauf besteht dann hauptsächlich aus dem Schlammverdampfer, dem entgaster und im Wärmetauscher vorgewärmter Ölschlamm aus den Absetzteichen zugeführt wird.

Im Entgaser werden die leichtflüchtigen Kohlenwasserstoffe abgetrennt. Das im Schlammverdampfer abgedampfte Wasser wird über den Wärmetauscher zu einem Phasentrenner geführt, wo es vom Restöl vollständig befreit wird. Das abgetrennte Wasser ist völlig feststofffrei.

Claims (7)

1. Verfahren zur Auftrennung von anorganischen Schlämmen die schwerflüchtige Kohlenwasserstoffe enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der vorgewärmte und mit Wasser verdünnte Schlamm in einem Extraktionsreaktor (1) mit Lösungsmittel (Lm) derart kontaktiert wird, daß Wirbelströmungen im Ölschlamm entstehen, die den Ölschlamm an die Grenzfläche (P) zum Lösungsmittel (Lm) wälzen, ohne daß durch den Rührvorgang Lösungsmittel in den Ölschlamm eingeschlagen wird,
• - der vollständig feststofffreie Lösungsmittelabzug (Lm_A) in einer ersten Stufe zu einem Horizontalrohrsprühfilmverdampfer (2A) mit Brüdenkompression geführt wird und in einer zweiten Stufe einem Wirbelschichtverdampfer (2B), dem ein Sedimenter (3) vorgeschaltet ist, zugeführt wird,
• - der extrahierte Ölschlamm (G_E) über eine Vorwärmung (4) zur Austreibung von Lösungsmittelresten zur Entgasung (5) geführt wird und
• - der entgaste Schlamm (G_G) über einen Schlammverdampfer (6) mit Brüdenkompression entwässert wird,
• - die Restöle (R) des Destillates (D) über einen Skimmer (7) entfernt werden,
• - das feststofffreie Wasser (W) dem Prozeß zurückgeführt wird und
• - der stichfeste Schlamm (S) deponiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel ein organisches FCKW-freies Lösungsmittel ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise Petrolbenzin, Toluol, Benzol oder ähnliche kohlenwasserstoffhaltige Lösungsmittel eingesetzt werden.

4. Extraktor zum Auftrennen von anorganischen Schlämmen, die schwerflüchtige Kohlenwasserstoffe enthalten (Ölschlämme), bestehend aus

• - einem unteren Teil (unterhalb einer Grenzfläche) mit Zufluß für den Ölschlamm G und Abfluß für den extrahierten Schlamm G_E sowie einem Propellerrührer 1 _B und einem langsam laufenden Ankerrührer 1 _A und
• - einem oberen Teil (oberhalb einer Grenzfläche) mit Zufluß für das Lösungsmittel L_m, Überlauf für den Extrakt Lm_A und dem langsam laufenden Ankerrührer 1 _A.

5. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese einen Extraktionsreaktor gemäß Anspruch 4 beinhaltet, wobei sich an dessen Lösungsmittelabzug (Lm_A) eine 2 stufige Verdampfereinheit, bestehend aus einen Horizontalsprühfilmverdampfer mit Brüdenkompression (2A) und einen Wirbelschichtverdampfer (2B) anschließt und sich an dessen Abzug für den extrahierten Ölschlamm G_E eine Entgasungseinrichtung (5) sowie eine Entwässerungseinrichtung (6) anschließen.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wirbelschichtverdampfer (2B) ein Absetzer (3) vorgeschaltet ist.

7. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entwässerungseinrichtung (6) ein Schlammverdampfer ist, dem ein Skimmer (7) nachgeschaltet ist.