NO331801B1 - Fremgangsmate for samtidig utvinning og krakking av olje fra olje/faststoff blandninger - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen vedrør en fremgangsmåte for samtidig krakking /oppgradering av olje fra faststoffblandninger. Oljen inneholdende fastestoffer avdampes i en fluidisert sjiktreaktor og varmen for fro fordampingen avleveres fra forbrenning av en del av hydrokarbonene. Forbrenningsgassene sammen med de fordampede hydrokarbonene virker som pneumatisk bærer for faste stoffer. Stigerøret har forskjellige diametre for derved å oppnå akselerasjon og optimaliserte kollisjoner mellom de faste partiklene i strømmen.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for "tørr" utvinning av olje fra tjæresand (også betegnet oljesand), oljeskifer og andre olje/faststoff-blandinger med oppgradering av oljen i samme prosess. Foreliggende patentsøknad er en videreutvikling av funnene beskrevet i søkerens tidligere søknad PCTVNO2007/0170.

Tjæresand finnes i enorme mengder i et antall land, men de største forekomstene finnes

i Canada og består av tungolje og sand i naturlige forekomster i forskjellige dybder. Disse forekomstene har vært gjenstand for omfattende forskning med den hensikt å utvikle teknologier for å utvinne oljen fra sand. Det foreligger følgelig et antall forskjellige teknologier.

Albertas viktigste mineralressurser er olje og naturgass, disse utgjør ca 90 % av Albertas utvinningsinntekter. Alberta produserer ca to tredjedeler av Canadas olje og mer enn tre fjerdedeler av dets naturgass. Nesten halvparten av Albertas olje utvinnes fra de store oljesandforekomstene, som er avsetninger av tung råolje, kalt bitumen. Albertas oljesandforekomster representerer de største forekomstene av bitumen i verden. Oljesandforekomstene ligger i tre hovedområder i provinsen: Athabasca River Vally i nordøst, Peace River-området i nord og Cold Lake-området i de østlige delene av det sentrale Alberta. Bitumen er dyrere å utvinne enn konvensjonell råolje, som flyter naturlig og pumpes opp fra grunnen. Dette skyldes at den tykke, sorte oljen må separeres fra den omgivende sanden og vann for å produsere en råolje som kan raffineres videre. 1 1950- og 1960-årene ble oljeforekomster oppdaget i andre regioner, så som Peace River-området og Swan Hills, sør for Lesser Slave Lake. Sent på 1960-tallet ble de siste store oljeforekomstene funnet.

Bitumen, i motsetning til normal råolje som finnes i dype reservoarer, har ikke de samme lette fraksjonene, siden disse er avdampet i løpet av årtusener. Bitumen består følgelig av tunge molekyler med en densitet på over 1000 kg/dm<3>(mindre enn 10 API) og har en viskositet som er 1000 ganger høyere enn lett råolje. I tillegg inneholder tjæresanden over 4 vekt-% svovel og hundreder ppm tungmetaller. Innholdet av organisk materiale i tjæresand kan variere fra 5 vekt-% opp til 20 vekt-%, og følgelig innebærer ekstraksjon av olje fra tjæresand meget omfattende massetransport.

På grunn av sammensetningen avbitumenet må det oppgraderes til syntetisk råolje før det kan raffineres i et raffineri for fremstilling av forskjellige oljeprodukter. På grunn av det økonomiske potensialet av disse store forekomstene eksisterer det et antall prosesser for utvinning av olje fra tjæresand. Slike teknologier omfatter biologiske, oppløsningsmiddelbaserte, termiske prosesser og prosesser hvor oljen vaskes ut fra sanden ved hjelp av overoppvarmet vann og som krever 430 liter vann for hver barrel produsert olje.

På grunn av de enorme restproduktene (sand og brukt, kontaminert vann) assosiert med ekstraksjon av tjæresand, står de forskjellig prosessene overfor et antall miljømessige begrensninger. I tillegg produserer de nåværende teknologiene store mengder såkalte drivhusgasser.

I motsetning til tjæresand er oljeskifer skifer som inneholder organisk materiale kjent som kerogener som ikke kan vaskes eller oppløses som bitumen i tjæresand. For å utvinne olje fra oljeskifer må den oppvarmes til en temperatur på 500-600°C, hvorved det organiske materialet krakkes til flytende produkter. Som tjæresand inneholder oljeskifer et antall uønskede bestanddeler som gir miljømessige begrensninger. På samme måte som for utvinning av olje fra tjæresand eksisterer det et antall forskjellige teknologier for utvinning av olje fra oljeskifer.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en prosess som energimessig er selvopprettholdende, hvor et antall av hindringene ved eksisterende teknologier er løst og, som i tillegg til oljeutvinning oppgraderer oljen til et lettere produkt enn noen annen eksisterende teknologier, fjerner svovel i et omfang av størrelsesorden 40% og tungmetaller i et omfang av størrelsesorden 90% og uten anvendelse av vann som i de dominerende prosessene. Fremgangsmåten gjør det mulig å avhende tørre restprodukter med begrensede miljømessige begrensninger siden det uorganiske materialet (sand) avhendes i tørr tilstand.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer følgelig en fremgangsmåte for samtidig utvinning og krakking/oppgradering av olje fra faststoff, så som tjæresand, oljeskifer og andre olje/faststoffblandinger hvorved olje inneholdende faste stoffer injiseres i en reaktor med fluidisert sjikt hvor hydrokarbonene avdampes, kjennetegnet ved at varmen for avdampningen avleveres av avtrukkede gasser fra gass-stømmen og som injiseres i reaktorens plenum og hvor disse gassene sammen med de avdampede hydrokarbonene virker som en pneumatisk bærer for de faste stoffene og reduserer partialtrykket av hydrokarbongassene og hvor strømmen føres til en syklonreaktor og videre til en separator for faststoff-fjernelse og videre til et kondensasjonssystem for de kondenserbare gassene og hvor sammensetningen av de oppvarmede gassene justeres ved en tilblanding av nøytralgasser, så som nitrogen, argon, helium, damp og andre egnede gasser for å gi et optimalt partialtrykk i reaktoren for de forskjellige råstoffene.

Ifølge en foretrukket utførelsesform av fremgangsmåten føres den oljestrippede sanden til en varmeveksler for foroppvarming av de varme gassene som skal injiseres i plenum av reaktoren.

Ifølge en foretrukket utførelsesform omfatter fremgangsmåten at gassen trekkes av fra prosessen skal oppvarmes ved varmeveksling i en utløpsvarmer oppvarmet ved hjelp av utløpet fra en supervarmer drevet ved forbrenning av olje eller gass og olje inneholdt i rå oljesand injisert i supervarmeren.

Ifølge nok en foretrukket utførelsesform omfatter fremgangsmåten at de forvarmede gassene fra utløpsvarmeren føres til en supervarmer hvor de oppvarmes til ønsket temperatur ved varmeveksling fra forbrent olje eller gass og olje inneholdt i rå oljesand injisert i supervarmeren.

Følgende komponenter inngår i fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen:

1. Matemagasinanordning

2. Fluidiserende reaktor med

a. oppstart forbrenner med

i. Lufttilførselssystem

ii. Gasstilførselssystem

3. Syklon

4. Sandfilter, for eksempel av type "Otto"

5. Fast gas svartner med

a. Sandtømmesystem

6. Fluidisert overoppvarmer

a. Oppstartforbrenner med

i. Lufttilførselssystem

ii. Gasstilførselssystem

b. Oljeinjeksjonspumpe

c. Matetank/trakt

7. Utløpsvarmeveksler

8. Avsugningsventilator

9. Oljekondensator med a. Sirkulasjonspumpe

b. Tømmepumpe

10. Olje/vann varmeveksler

11. Dampkondensator med a. Sirkulasjonspumpe

b. Tømmepumpe

12. Vann/vann varmeveksler med a. Tilførselspumpe for kjølevann 13. Dekanteringsinnretning med a. Tømmepumpe for olje

b. Tømmepumpe for vann

14. Mottakstank for produkt med

a. Uttømmingspumpe

BESKRIVELSE AV FREMGANGSMÅTEN

Foreliggende oppfinnelse vedrører som nevnt en fremgangsmåte for samtidig ekstraksjon og oppgradering av olje fra oljesand, oljeskifer og andre partikkel-oljeblandinger (for eksempel slam) i en operasjon, uten anvendelse av vann eller damp.

Når prosessen har nådd likevektsnivå injiseres opprevet (shredded) oljesand inn i en vertikal reaktor hvor den møter et boblende sjikt av varm sand.

En del av den uttømte sanden kan blandes med oljesanden for å homogenisere og foroppvarmede råstoffet.

Når oljesanden møter det boblende varme sjiktet strippes oljen av ved en temperatur på cirka 360°C på grunn av partialtykksbetingelsene i reaktoren forårsaket av sammensetningen av gassen injisert i reaktorens plenum.

Når oljen er strippet av i reaktoren undergår den en partiell krakking på grunn av de termiske og kinetiske effektene i reaktoren og rask bevegelse ved flash-fordampning av opprinnelig vann i sanden. Ettersom prosessen drives ved 1,1 bar produseres det overoppvarmet damp som, på grunn av det lave trykket, ekspanderer med kraft, hvilket forårsaker tusenvis av eksplosjoner som genererer ekstreme skjærkrefter mellom sandkorn på overflaten av det boblende sjiktet, hvorved krakking finner sted.

Sanden transporteres pneumatisk inn i et stigerør ved de varme gassene injisert i reaktoren og oljegassen generert i reaktoren. Gassene injisert i reaktoren kan være gassene dannet ved ekstraksjon av oljen og vann i oljesanden eller en hvilken som helst type nøytralgass, så som nitrogen, argon eller helium eller damp. Disse gassene sirkuleres i systemet som beskrevet nedenfor.

Om nødvendig kan en del av den produserte oljen i oljekondensatoren pumpes til en hydraulisk atomiseringsdyse for en andre oppgradering av oljen.

På grunn av det lave partialtrykket av olje-gassen i reaktoren, kan prosessen operere ved en temperatur på cirka 360°C i reaktoren. Følgelig reduserer fremgangsmåten i stor grad energibehovene, med derav følgende reduksjon av kostnader og forurensning.

Strømmen av olje-gass, damp fra opprinnelig vann i sanden og den injiserte gassen i reaktoren føres til en syklon hvor sanden separeres fra dampen og avleveres til en fast gassvarmer.

Sanden som bygger seg opp i reaktoren tømmes kontinuerlig inn i den faste gassvarmeren.

Fra syklonen føres gassene til et sandfilter som fjerner sand medført fra syklonen. Den oppfangede sanden i sandfilteret tømmes til den faste gassvarmeren.

De faststoff-frie gassene transporteres så til et dobbelt kondensasjonssystem. I den første kondensatoren blir olje-gassen kondensert til flytende olje i oljekondensatoren og dampen kondenseres til vann i dampkondensatoren. Denne doble kondensasjonsprosedyren eliminerer dannelsen av en emulsjon, som ville ha blitt dannet i et enkelt kondensasjonssystem.

Den produserte oljen blir kontinuerlig tømt fra oljekondensatoren ved hjelp av en tømmepumpe til mottakstanken.

Det produserte vannet blir kontinuerlig tømt fra vannkondensatoren ved hjelp av en tømmepumpe til en dekanteringsinnretning hvor lette oljefraksjoner som er ført over pumpes av og føres til mottakstanken.

Før gassen trer inn i oljekondensatoren blir en del av gassen som hovedsakelig består av oljegass sugd av ved hjelp av en avsugningsventilator og injisert i en utløpsvarmeveksler ved en temperatur på ca. 200°C.

I utløpsvarmeveksleren blir gassen oppvarmet til ca. 250°C og føres til fast gassvarmeren hvor den oppvarmes til ca. 350°C ved å ekstrahere varme fra sanden injisert i varmeren.

Fra varmeren føres gassen til en fluidisert overoppvarmer hvor gassen oppvarmes til ca. 600°C og føres til plenumet i reaktoren hvor den varme gassen avleverer energien for ekstraksjonen av oljen og vann fra sanden.

Energien for den fluidiserte overoppvarmeren avleveres ved forbrenning av olje og/eller gass og olje inneholdt i den rå oljesanden som injiseres i det fluidiserte sjiktet i varmeren.

Forsknings- og utviklingsarbeid har utprøvd teknologien i en test hvor oljesand med en innledende kvalitet på 10 API ble ekstrahert ved 360°C og oppgradert i en reaktor til 18 API olje og deretter i stigerøret til 25 API olje. Oppgradering fra 10 API til 25 API tilnærmet dobler totalverdien av oljen.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen genererer 20-30% mindre CO2enn eksisterende prosesser for oljesandutvinning.

For å optimalisere kollisjon mellom partiklene for å oppnå maksimale skjærkrefter mellom de faste stoffene i strømmen av sand, akselereres gassene og retarderes i et stigerør av varierende diameter.

Kollisjonen mellom partiklene gir opphav til en mild hydrogenering av oljen ved sonoluminescens av mikroskopiske damp bobler fanget mellom de kolliderende faste partiklene. Når dampbobler fanges mellom ujevnheter i de bevegende partiklene blir dampen utsatt for en adiabatisk kompresjon hvorved temperaturen og trykket i boblen heves flere tusen ganger over den samlede temperaturen og det samlede trykket i prosessen. Dette forårsaker at vannet trer inn i en superkritisk tilstand hvor det krakkes til hydrogen og hydroksylradikaler. Hydrogen, som absorberes av de tunge oljekjedene, reduserer deres binding, hvorved støtkreftene fra de bevegende kornene og "eksplosjonen" av de mikroskopiske dampboblene kan krakke hydrokarbonmolekylene. Hoveddelen av hydrogenet frigis så og reagerer tilbake med hydroksylradikalene til vann, men en del av hydrogenet forårsaker en mild hydrogenering av produktet.

Det er meget ønskelig å oppnå god sand/olje blanding så tidlig og så raskt som mulig. Den beskrevne fremgangsmåten for å oppnå dette krever den ovenfor nevnte akselrasjonen og retardasjonen av strømmen. Tradisjonelt er damp et medium som benyttes for å opprettholde fastsjikt fluiditet og bevegelse i stigerøret. Damp har imidlertid en uheldig effekt på de meget varme faststoffene som opptrer i krakkeprosessen for residuet. Under disse betingelsene forårsaker damp hydrotermisk deaktivering av katalysatoren i for eksempel FCC krakkeinnretninger.

Dette overvinnes ved foreliggende oppfinnelse ved resirkuleringen og oppvarmingen av en del av gasstrømmen fra reaktoren med fluidisert sjikt som hovedsakelig består av hydrokarbongasser eller en blanding av nøytralgasser som bæreren av de faste stoffene, som virker som katalysator ved krakking av oljen.

For å få fremgangsmåten verifisert ble det bygget en testrigg på 2,5x2,5x3 m ved SINTEF ENERGIFORSKNING i Trondheim, Norge med en maksimal effekt på 50 kW.

Energibehovet for å prosessere en kilo oljesand er gitt ved:

hvor:

xs = vektdel sand (innbefattende metaller og svovel), eksempel 80%

x0 = vektdel olje, eksempel 15%

xw= vektdel vann, eksempel 5 %

cs = spesifikk varme for sand kJ/kgK = 1 U/kgK

c0= spesifikk varme for olje ved driftstemperatur kJ/kgK = ca. 2,25 kJ/kgK

r0= fordampningsvarme kJ/kg = ca. 225 kJ/kg

dt = temperaturforskjell mellom driftstemperatur og matetemperatur av sand K H = entalpi av vann ved driftstemperatur kJ/h = 3500 kJ

Driftstemperatur 360 C = 633 K

Testene ble utført med tjæresand fra Athabasca River Vally forekomsten med egenskapene angitt overfor. Følgende resultater ble oppnådd:

Densitet av olje utvunnet fra fluidiseringsinnretningen: 18 API

Densitet av olje utvunnet i stigerøret: 29,3 API

Densitet av olje drenert fra oljekondensatoren: 25,15 API

Gjenværende koks i brukt sand: .1,25 vekt-%

Reduksjon av svovel i oljen : 45 %

Reduksjon av tungmetaller: 87%.

Fremgangsmåten beskrives i større detalj med henvisning til det forenklede flytdiagrammet i fig.l. A) viser den vertikale reaktoren med fluidisert sjikt som har et fluidiserende nett B) et stykke fra bunnen av beholderen. Rommet mellom bunnen og det fluidiserte nettet B) er et plenum C) som mottar de varme gassene fra den fluidiserte overoppvarmeren D) som kan drives enten med gass og/eller utvunnet olje i tillegg til oljen og rå oljesand injisert i overoppvarmeren fra matetanken E). de varme gassene vil varme og fluidisere de faste stoffene (sand) F) inneholdt i reaktoren A). Trykket fra de varme gassene som bygges opp i reaktoren vil forårsake at de faste stoffene og de medførte gassene, som består av damp og hydrokarbongasser, transporteres pneumatisk gjennom stigerøret G) inn i reaktor syklon H) som er utformet slik at, i motsetning til vanlige sykloner, vil de faste stoffene spinnes rundt flere hundre ganger i den sylindriske delen av syklonen før de faller ned den koniske delen I) og inn i en faststoff gassvarmeren J).

Oljesand injiseres i reaktoren A) fra en tilførselstank K). Den samme mengden sand injisert i reaktoren A), og som ikke føres over til syklonen H), må trekkes ut fra reaktoren. Dette gjøres ved røranordningen KK) hvor sanden transporteres til den faste gassvarmeren J). Den avkjølte sanden fra J) tømmes ved bunnen gjennom røret KKK).

Fra reaktorsyklonen H) og sandfilteret L) føres den gassformige strømmen til en oljekondensator M) som er innstilt ved en temperatur hvor hoveddelen av oljegassen kondenseres til flytende olje. Gassen kondenseres ved hjelp av den utvunnede oljen ettersom oljen samlet ved bunnen av kondensatoren pumpes ved hjelp av pumpen N) gjennom en varmeveksler O) og avkjøles ved hjelp av vann avlevert ved pumpen P). Fra varmeveksleren O) føres den avkjølte oljen til toppen av kondensatoren og kondenserer de innkommende gassene. Ettersom nivået av olje stiger i kondensatoren, tappes produktet av gjennom rør Q) ved hjelp av pumpen QP).

Dampen føres til en andre kondensator R) som avkjøles ved hjelp av vann injisert fra pumpen P). Dampen kondenseres ved hjelp av den kondenserte dampen ettersom vannet samlet ved bunnen av kondensatoren pumpes ved hjelp av pumpe PP) gjennom en varmeveksler WH) og avkjøles ved hjelp av vannet avlevert av pumpen P). Fra varmeveksleren WH føres det avkjølte vannet til toppen av kondensatoren og kondenserer den innkommende dampen med assosierte lette oljefraksjoner. Kondensert vann tappes av fra kondensatoren gjennom røret S) ved hjelp av pumpen SP) og samles i sedimenteringstank T) (settling tank). I sedimenteringstanken T) vil lett olje som er brakt over fra dampkondensatoren R) bli dekantert av gjennom røret U) til en mottakertank V). Vannet dreneres av gjennom røret W) til avløp.

Ikke-kondenserbare bestanddeler i kondensatoren R) slippes ut gjennom røret X) enten til luft eller til et gassrensesystem Y) avhengig av de lokale emisjonskravene.

En del av produktet returneres til stigerøret G) gjennom røret NN) ved hjelp av en høytrykkspumpe LL) til atomiseringsdysen S) festet til stigerøret G).

Før gasstrømmen etter filteret L) trer inn i oljekondensatoren M) blir en del av gassen suget av ved hjelp av avsugningsventilatoren AA) og føres til en utløpsvarmer BB) hvor gassen oppvarmes ved varmeveksling av utløpsgass fra den fluidiserte overoppvarmeren

D).

Fra utløpsvarmeveksleren BB) føres gassen til den faste gassvarmeren J) hvor gassen oppvarmes ytterligere ved varme utvekslet fra sanden samlet i J).

Fra den faste gassvarmeren J) føres gassen til fluidisert overoppvarmer D) hvor gassen oppvarmes til måltemperaturen ved varmeveksling fra forbrent olje og/eller gass injisert i varmeren D) ved hjelp av pumpen CC) og forbrenningen av olje i rå oljesand avlevert til varmeren D) ved hjelp av matetank E). Brukt sand fra overoppvarmeren D) føres til den faste gassvarmeren J) via røret JJ).

Fra den fluidiserte overoppvarmeren D) føres de varme gassene til plenum C) i reaktoren A) hvor de avleverer energien for prosessen ved varmeveksling med den injiserte oljesanden fra tilførselstanken K).

Ved å variere sammensetningen av den varme gassen kan partialtrykket i reaktoren justeres til de optimale betingelsene for forskjellige råstoff.

For å oppnå den ovenfor nevnte akselerasjonen og retardasjonen av strømmen i stigerøret kan dette oppnås ved å gi stigerøret varierende diametre. En foretrukket utførelsesform er å danne en del av stigerøret som en Lavaldyse hvor atomiseringsdysen(e) S) er lokalisert enten i den trangeste delen av ejektoren eller der hvor ejektoren starter å ekspandere.

Hele prosessen er en høyintens termisk prosess med en høy energitetthet på grunn av hastigheten av gass- og sandstrømmene. På grunn av hastighetene i prosessen, den intense varmevekslingen mellom sand og olje og det lave partialtrykket av hydrokarbongassene forårsaket av sammensetningen av de injiserte varme gassene og produserte hydrokarbongasser, kan prosessen operere ved en temperatur i området 300-500°C. Bortsett fra redusert termisk belastning og energiforbruk, reduserer denne lave temperaturen polymerisasjon av det krakkede produktet.

Oppstarting av prosessen gjøres ved forbrennerne DD) og EE) for å varme hele systemet til en riktig prosesstemperatur. Når temperaturen i de forskjellige komponentene er nådd går prosessen over i prosessmodus and forbrennerne slås av.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for samtidig utvinning og krakking/oppgradering av olje fra faststoff, så som tjæresand, oljeskifer og andre olje/faststoffblandinger hvorved olje inneholdende faste stoffer injiseres i en reaktor med fluidisert sjikt hvor hydrokarbonene avdampes,karakterisert vedat varmen for avdampningen avleveres av avtrukkede gasser fra gass-strømmen og som injiseres i reaktorens plenum og hvor disse gassene sammen med de avdampede hydrokarbonene virker som en pneumatisk bærer for de faste stoffene og reduserer partialtrykket av hydrokarbongassene og hvor strømmen føres til en syklonreaktor og videre til en separator for faststoff-fjernelse og videre til et kondensasjonssystem for de kondenserbare gassene og hvor sammensetningen av de oppvarmede gassene justeres ved en tilblanding av nøytralgasser, så som nitrogen, argon, helium, damp og andre egnede gasser for å gi et optimalt partialtrykk i reaktoren for de forskjellige råstoffene.

2. Fremgangsmåte for samtidig utvinning og krakking/oppgradering av olje fra faststoff, så som tjæresand, oljeskifer og andre olje/faststoffblandinger ifølge krav 1,karakterisert vedat den oljestrippede sanden føres til en varmeveksler for foroppvarming av de varme gassene som skal injiseres i plenum av reaktoren.

3. Fremgangsmåte for samtidig utvinning og krakking/oppgradering av olje fra faststoff, så som tjæresand, oljeskifer og andre olje/faststoffblandinger ifølge krav 1 og 2,karakterisert vedat gassen trekkes av fra prosessen som skal oppvarmes ved varmeveksling i en utløpsvarmer oppvarmet ved hjelp av utløpet fra en supervarmer drevet ved forbrenning av olje eller gass og olje inneholdt i rå oljesand injisert i supervarmeren.

4. Fremgangsmåte for samtidig utvinning og krakking/oppgradering av olje fra faststoff, så som tjæresand, oljeskifer og andre olje/faststoffblandinger ifølge krav 1, 2 og 3karakterisert vedat de forvarmede gassene fra utløps-varmeren føres til en supervarmer hvor de oppvarmes til ønsket temperatur ved varmeveksling fra forbrent olje eller gass og olje inneholdt i rå oljesand injisert i supervarmeren.