SE431993B - Forfarande for utvinning av energi fran oljeskiffer genom tverstromningsuppvermning - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 40 7713452-6 från använd skiffer och som ibland åstadkommer materialströmnings- problem, undvikes.

Föreliggande uppfinning avser således allmänt sett ett för- farande för ökning av verkningsgraden hos tvärströmningsuppvärmnings- förfaranden för utvinning av skifferolja från oljeskiffer.

Vid tvärströmningsuppvärmningsförfaranden för utvinning av oljeprodukter från skiffer pressas en ström av varma gaser genom en för gas genomtränglig, rörlig bädd av krossade skifferpartíklar (under typisk drift användes exempelvis en rörlig rost av den typ som användes vid järnmalmspellettiserinfi. De varma gaserna åstad- kommer termiskt avlägsnande av oljan från skiffern och överföring av oljan till ångfasbestàndsdelar. När dessa ångor genom draget nedåt ledes till de undre temperaturområdena i bädden, som ligger under förångningspunkten för huvuddelen av oljan, kondenseras oljan till en vätskefas, som ger en dimma eller sol av suspenderade olje- droppar i det eljest gasformiga mediet. Separation av dessa olje- droppar från gasmediet och kondensation av oljebeståndsdelarna, som för övrigt är i ångfas, utföres på utsidan av tvärströmníngsanord- ningen. Hela uppvärmningszonen hålles tillsluten från exponering för atmosfären för att förhindra förlust genom oxidation och/eller förbränning av utvinnbara oljebeståndsdelar.

Den rörliga bädden passerar därefter till en andra zon, där den kyles genom en tvärström av inkommande kylgas för utvinning av kännbart värme från torrsubstansen. Avgasen från kylzonen kan där- efter ytterligare uppvärmas och användas såsom en del av en för- värmnings- eller uppvärmningsbehandling. Vid vissa användningar bringas avgasen från uppvärmningszonen att passera genom bädden av inkommande fast substans före uppvärmningszonen för förvärmning av t bädden och maximering av utvinningen av tillgängligt kännbart värme från gasen.

Beroende på sådana betingelser som typen av använd skiffer, partikelstorlek och bäddtjocklek och temperatur, tídsekvcns och antal återföringsstadier som utföres vid värmebehandlingsförfarandet och liknande innehåller den använda skiffer, som utmatas från en typisk värmebehandlingsanordning, från ca 0,5 till ca 4 viktprocent eller mer av en kolhaltig återstod, som väsentligen är icke-flyktig och är bunden vid ytan och i porerna hos partiklarna av använd skiffer.

Den exakta kemiska naturen hos denna återstod är till stor del okänd, varvid den sannolíkast är en kombination av kol och hög- molekylära kolväten. Det potentiella värdetför framställning av energi av sådant kolhaltigt material utgör på ett typiskt sätt 10 15 20 25 35 40 3 7713452-6 ca 5- ca 30 2 av skifferns totala värmevärde för organiskt material.

Försök att utvinna denna kolhaltiga återstod skulle vara av värde, om än icke för annat skäl än på grund av dess organiska värmevärde. Lika betydelsefullt är emellertid att närvaron av denna återstod väsentligt stör det lämpliga och ekonomiska utvínnandet av annat mineralmateríal (mest betydelsefullt aluminium) från par- tiklarna av använd skiffer. Den höga halt organiskt material, som finnes i en sådan återstod, åstadkommer exempelvis problem vid vät- ning av skifferpartikeln, ger icke önskvärd skumning och är även en källa till förorening hos eventuella utvunna produkter. Den kolhaltiga återstoden måste sålunda antingen avlägsnas från partik- larna före ytterligare behandling eller måste partiklarna malas till finare tillstånd för exponering av ytterligare yta för de kemiska förfaranden, som åstadkommer avlägsnandet av aluminium. I vilket fall som helst erfordrar för närvarande avlägsnandet av organiska material i aluminiumutvinningsförfarandet ytterligare dyrbar ut- rustning.

Man har förut föreslagit att utvinna energi från detta kvar- varande kolhaltiga material genom fullständig förbränning av åter- stoden. Förbränningsvärmet kan därefter användas för åstadkommande av värme för begynnelsestegen i värmebehandlingsförfarandet. De höga temperaturer som ligger i ett sådant förfarande åstadkommer emellertid sina egna problem.

Det är exempelvis känt att vid temperaturer vid ca 870°C mjukningspunkten hos vissa av mineralen, som finnes i skifferaska, uppnås och sintríng inträder, vilket leder till vad som är känt såsom "klinker". När sintríng inträder, erfordras ytterligare fysi- kalisk behandling vid bearbetningen av skifferaskan för utvinning av mineralmaterial.

Temperaturer över 760-815°C är mer kritiska vid åstadkom- mandet av kemiska och fysikaliska förändringar i skifferaskan, vilka leder till att aluminium- och natriummaterial icke längre kan av- lägsnas genom lämplig lakningsteknik.

Vid ca 730°C börjar slutligen ett antal kemiska reaktioner, som till sin natur är endoterma, att inträda. Även da utvinning av aluminium, magnesium eller natrium genom ytterligare behandling av använd skiffer, icke avses, utgör dessa endoterma reaktioner fort- farande ett betydande energíslöseri.

Det har hittills icke framkommit, att oxidation av den kol- återstoden pá partiklar av använd skiffer skulle kunna reg- Svårigheten ligger i att åstadkomma ett system, som skulle haltiga leras. 10 15 20 25 30 35 40 7713452-6 kunna balansera tillförseln av värme till sådan belastning att büdden vare sig värmes eller kyles för mycket. De icke önskvärda verkningar som ästadkommes genom överhettning (för stor uppvärmning) har förut förklarats. En minimitemperatur är även betydelsefull, eftersom om partiklarna kyles innan väsentligen allt kolhaltigt material därpå avlägsnats, oxidationsreaktionen snabbt avbrytes, när ytan, på vilken reaktionen uppträder, faller under antändningstemperaturen.

Föreliggande uppfinning avser i första hand att den totala värmeverkningsgraden hos värmebehandlingsförfarandet ökas, medan samtidigt ekonomiskt möjligt utnyttjande av den totala mineralhalten i oljeskiffern kan förverkligas.

Enligt föreliggande uppfinning kan väsentligen all kolhal- tig återstod i använd skiffer effektivt oxideras utan de icke önsk- värda resultaten frân förbränning med hjälp av ett vidmakthållet, reglerbart förfarande vid så låga temperaturer som 425°C. Denna reg- lerade oxidationsreaktion äger rum under själva värmebehandlingen, vilket sålunda undanröjer behovet av eventuell efterföljande bear- betning av skiffern eller skifferaskan utöver dem för utvinning av icke-kolhaltiga material därifrån. Föreliggande förfarande utnyttjar vidare den exoterma oxidationsreaktionen såsom en primär värmekälla, som erfordras för begynnelsehöjning av skifferbädden till oljeav- drivande temperatur och för nedbrytning av högmolekylära kolväten för lättare utvinning.

Föreliggande uppfinning kännetecknas allmänt sett av en förbättring i värmebehandlingsförfarandet för utvinning av energi från oljeskiffer. Varma gaser bringas att passera i tvärström genom en rörlig, lugn bädd av krossad skiffer i en riktning vinkelrät mot bäddens rörelseriktníng. Den del av skifferbädden, som vetter mot gasinloppet och som från början bringas i kontakt med de varma gaserna,: uppvärmes till oljeavdrivningstemperatur. Gaserna avdriver oljan från skifferpartiklarna och lämnar en icke-förångbar, kolhaltíg återstod i den använda skiffern.

Enligt uppfinningen bringas varma gaser att passera genom den rörliga, lugna bädden i en första värmebehandlingszon vid sådan temperatur och sådan strömningshastighet att endast en del av par- tikelskikten uppvärmes vid bäddens gasinloppssida uppvärmes till oljeavdrivningstemperatur och för âstadkommande i bädden av ett temperaturintervall under det vid vilket skadliga kemiska reaktioner i skiffern skulle inträda.

När den rörliga bädden passerar genom denna första värme- 10 15 20 25 35 40 7713452-6 behandlingszon, avdrives olja från de använda skifferpartiklarna vid bäddens gasinloppssida, vilka partiklar ligger över oljeavdriv- ningstemperaturer. Före den tidpunkt då partiklarna i de omrâden av bädden, som ligger längst bort frán gasinloppet, har nått olje- avdrivningstemperaturen, men innan bädden har svalnat i någon ut- sträckning, överföres bädden till en andra zon, där värme fram- ställes och överföres till djupare områden i bädden för fullbordande av oljeavdrivningen från dessa områden med hjälp av en reglerad oxidation av den kolhaltiga återstoden i bäddomrâdena med förbrukad skiffer. Syrehaltiga gaser ledes genom bädden i samma riktning som de varma gaserna i den första zonen. Masströmningshastigheten för syret i de syrehaltiga gaserna inställes från början och ökas där- efter portionsvis pâ platser nedströms, sa att när bädden fortskri- der genom den andra zonen, den kolhaltiga återstoden i kvarvarande delar av bädden fortsätter att oxideras till bäddens gasutloppssida, medan samtidigt bäddens temperaturprofil upprätthâlles inom det temperaturintervall, som fastställts i den första zonen. Slutligen uppnås en punkt, där bädden kommer att vara genomträngd med syre och väsentligen icke något ytterligare kolhaltig återstod är till- gänglig för oxidation vid den åtföljande alstringen av värme. Ned- Ströms från denna punkt kommer bädden att fortsätta att svalna, när kylgaser med lägre temperatur drages nedåt genom den.

Enligt en ytterligare utföringsform av föreliggande upp- finning drages gaserna i varje zon nedåt genom bädden och tryck- fallet genom bädden hålles väsentligen lika i varje zon.

Enligt ytterligare en utföringsform av uppfinningen är den rörliga, lugna bädden av krossad skiffer skiktad med större partik- lar av krossad skiffer vid bäddens gasinloppssída och mindre partik- lar av skiffer nära gasutloppssidan.

Föreliggande förfarande avser närmare väsentlig utvinning av organiska värmevärden från skiffer utan att detta leder till be- tydande skadliga verkningar pâ den efterföljande behandlingen av skiffer för utvinning av fasta mineral därifrån. Vid föreliggande förfarande bildas en rörlig, lugn, gaspermeabel bädd av krossade skifferpartiklar på en rörlig rost. Den rörliga bädden ledes där- efter in i en första zon, där varma, reducerande eller inerta gaser med en temperatur av ca 425-8150C drages genom bädden i en riktning, som är vinkelrät mot bäddens rörelseriktning. Bäddens uppehållstid hållas i den första zonen sn, att i bädden bildas ett område endast intill gasinloppsytan, där skifferpartiklarna har uppvärmts till 10 15 20 25 30 35 40 7713452-6 6 oljeavgivande temperatur. Väsentlígen allt förângbart kolvätemateríal från partiklarna i omrâdet avdrives och utvinnes. En temperatur- profil, som ligger under de temperaturer, vid vilken skadliga reak- tioner i skiffern skulle inträda, fastställes även i bädden.

Medan den rörliga bädden förblir varm, ledes den in i en andra zon, där syrehaltiga gaser, som icke har uppvärmts, drages genom bädden. Mängden syre i de icke uppvärmda gaserna inställes på sådan nivå att den är tillräcklig för âstadkommande av oxidation av icke-förângbart,kolhaltígt material som kvarhålles på och i partiklarna i omrâdet, från vilket förångbara material har avdra- gits, och för att åstadkomma att sådan oxidation sker med reglerad hastighet, som är anpassad till värmeabsorptionsförmågan hos gaserna, som inkommer i bädden. Vid detta förfarande alstras ytterligare värme genom inverkan av de syrehaltiga gaser, som drages genom bädden, varvid sådant värme överföres till gaserna när de passerar genom bädden, varigenom temperaturerna i de djupa områdena i bädden höjes, tills de oljeavdrivande temperaturerna uppnåtts i dessa områden. För att säkerställa att det ytterligare värme, som behöver alstras när progressívt djupare områden av bädden oxideras, har det visat sig lämpligt att portionsvis förändra syrets masströmníngshastihet i de icke-uppvärmda gaser, som ledcs genom bädden på i förväg bestämda platser nedströms begynnelseinloppet för bädden i den andra zonen.

En sådan delförändring upprätthåller även de oljeavdrivande tempera- turerna i progressivt djupare områden av bädden och upprätthåller en temperaturprofil i bädden.

Bäddens uppehållstid i den första zonen kan bringas till ett minimum genom direkt överföring av bädden i den andra zonen så snart som den del av bädden, som ligger intill gasinloppsytan, har nått en temperatur över ca 42506.

De syrehaltiga gaserna kan därefter ledas genom bädden med sådan strömningshastighet att kylning av bäddens kolväteutarmade om- råden tillåtes samtidigt som oxidation inträder i bäddens djupare områden. 7 Enligt uppfinningen bringas sålunda varma gaser att passera genom den rörliga bädden vid sådan temperatur och sådan strömníngs- hastighet, att med tiden en zon skapas, i vilken endast en del av skikten av skifferpartiklar vid bäddens gasinloppssida uppvärmes till oljeavdrivande temperatur, att en temperaturprofil fastställes i bädden, vilken profil är under de temperaturer vid vilka skadliga kemiska och fysikaliska reaktioner inbegripande använd skiffer, 10 15 20 25 30 35 40 7713452-6 skulle inträda.

När den rörliga bädden passerar från den första behandlings- zonen och medan de använda skifferpartiklarna vid bäddens gasinlopps- sida förblir över oljeavdrivande temperatur, överföres bädden till en andra zon, i vilken värme alstras och överföres till djupare om- råden i bädden för fullständig oljeavdrivning från dessa områden med hjälp av en reglerad oxidation av den kolhaltiga återstoden i bäddområden med använd skiffer. Syrehaltiga gaser ledes direkt genom bädden i samma riktning som de varma gaserna i den första zonen. Masströmningshastigheten för syret, som från början kommer i kontakt med bädden, inställes i förväg för hänsynstagande till förefintlig temperatur i den använda skiffern och för åstadkommande av en bibehållen förbränning av kolhaltig återstod utan höjning av bäddtemperaturen över det fastställda intervallet. Syreströmníngs- hastigheten inställes därefter portionsvis sä, att när bädden fort- skrider genom den andra zonen, den kolhaltiga återstoden i de kvaf- 'varande delarna av bädden fortsätter att oxideras till bäddens gas- utloppsdel, medan samtidigt bäddens fastställda temperaturprofil upprätthålles.

Slutligen kommer den punkt att uppnås, när bâdden kommer att ha genomträngts av syre och väsentligen någon ytterligare kol- haltig återstod icke är tillgänglig för oxidation och åtföljande alstring av värme. Nedströms denna punkt kommer bädden att fort- sätta att svalna, när kylgaser med lägre temperatur drages ned genom den.

Uppfínningen âskâdlíggöres närmare på bifogade ritning, på vilken fig 1 schematiskt visar föreliggande förfarande och i tvär- sektion åskådliggör skiffertemperatur~ och oxídationsområdesprofil- linjer, vilka alstras i en rörlig skífferbädd enligt uppfinningen.

Schematiskt visas även anordningen för utförande av föreliggande förfarande för angivande av ungefärliga inströmningsplatser för de olika profilerna. Pig 2 visar närmare skiffertemperatur- och oxidationsområdesprofillinjer i bädden som visas i fíg 1.

Föreliggande uppfinning utföres under användning av en kon- ventionell retortanordníng med rörlig rost, vilken, såsom är uppen- bart, vid drift kan ha antingen cirkulär eller rak transport.

Typiska för sådana kommersiellt tillgängliga anordningar är de som framställes av Arthur G McKee & Co.och McDowe1l-Wellman Engineering Co., båda i Cleveland, Ohio, USA. rörlig, lugn, gaspermeabel bädd av fasta partiklar pá en rörlig I en sådan anordning bildas en 10 15 20 25 35 40 7i7f13452-6 8 rost, som rör bädden horisontellt genom anordningen. Med "rörlig, lugn" avses att så snart bädden bildats och rör sig längs en i för- väg bestämd väg, det sker en minimal relativ rörelse mellan intill- liggande partiklar.

Käpor och blåslådor är anordnade över resp under den rör- liga rosten för avgränsning av kammare eller zoner, inom vilka en fluídtvärström åstadkommes genom bädden. Kâporna och bläslådorna är företrädesvis tillslutna, så att inströmning av atmosfärsluft i eller förlust av värme eller material från kamrarna eller zonerna Användningen av enkelriktad eller líkformig gasström- Detta förhindras. ning i varje zon av tvärströmningsanordningen rekommenderas. kommer att leda till att samma tryckprofil bildas i varje zon lik- som en tryckskillnad noll mellan zonerna från bäddens överdel till dess underdel. Läckning mellan zonerna kommer därigenom att mins- kas eller undanröjas, vilket minskar det utrymme mellan intillig- gande zoner, som erfordras för tätningar.

Den rörliga bädden framskrider genom en eller flera upp- värmningszoner, i vilka varma, reducerande eller neutrala gaser bringas att passera genom bädden och uppvärmer skiffern, tills oljeavdrivande temperaturer uppnås. Såsom är välkänt, erfordras temperaturer över cirka 425-540°C för påbörjad sönderdelníng av kerogen, den organiska, vaxartade beståndsdelen i oljeskiffer, för bildning av kolvätesubstanser med egenskaper liknande råoljekompo- nenter. Den uppvärmda kerogenen bryts ned i ånger, som blir kon- denserade och suspenderade i gasströmmen, när den passerar genom bädden. Efter passage genom den rörliga bädden uppsamlas gaserna och bringas att passera genom en separator, t ex en cyklonsepara- tor, tvättanordning, elektrostatisk fällningsanordning eller lik- nande, där oljan kondenseras och avskiljes från gasen. De på olja utarmade gaser, som är väsentligen syrefria, kan lämpligen åter- föras i systemet och kan förvärmas, t ex genom passage av dem genom kylzonen för fast substans, såsom är uppenbart för fackmannen.

Enligt föreliggande uppfinning bringas varma gaser att pas- sera genom en rörlig, lugn bädd av skifferpartiklar i en riktning som är vinkelrät mot bäddens rörelseríktning. Med en horisontellt rörlig bädd kan drag uppåt eller nedåt utnyttjas. Det har emeller- tid visat sig, att mer lämpliga system kan förväntas från passage av gaserna genom bädden i alla zoner under dragning nedåt, varvid ett sådant system antages i det följande.

Nedåtdragningen av varma gaser, vilka kan vara antingen 10 15 20 25 30 35 40 7713452-6 9 reducerande eller inerta och företrädesvis är över SSSOC, men nöd- vändigtvis under cirka 815°C, fortsättes tills åtminstone en del av skifferöverskikten når en temperatur av storleksordningen 425-540°C.

Vid konventionell oljeskifferretortdrift i tvärström för- blir oljeskiffern i uppvärmnings- eller retortzonen, tills all fast substans har bringats till önskad retorttemperatur och hålles vid denna temperatur, tills avdrivningen har ägt rum. När hela bädden har bringats till lämplig temperatur och effektiv avdrivning av oljan har fullbordats, ledes bädden till en kylzon. bringas gaser, som icke har uppvärmts, men kan vara så varma som I denna zon 65oC eller mer att passera genom bädden, företrädesvis genom drag- ning nedåt och företrädesvis vid samma tryck som föregående drag- ning av varm gas för utvinning av kännbart värme i bädden före efterföljande behandling av använd skiffer. Gaserna har, när de lämnar bädden, högre temperatur, emedan de har absorberat värme från skiffern. Dessa varmare gaser kan lämpligen användas antingen för förvärmning av bädden eller under tillsats av yttre värme såsom uppvärmningsgaser för retortdriften.

Enligt ett kännetecken för föreliggande uppfinning kan den rörliga bädden bringas att passera från begynnelseretortzonen till kylzonen, innan den fasta substansen i bäddens bottenskikt har upp- nått önskad retorttemperatur. De varma partiklarna av använd skif- fer vid bäddens överdel har, när den inkommer i kylgaszonen, väsent- ligen fullständigt befriats från energi från förångbart kolväte.

Partikeltemperaturen i en sådan överdel av bädden bör närma sig den för de varma gaser, som användes i uppvärmningszonen, dvs mellan cirka 4zs°c och cirka s1s°c.

Enligt uppfinningen innefattas en uppmätt mängd syrgas i de kalla gaser, som från början ledes till bädden, så att en regle- rad hastighet för oxidationen av kolhaltigt material i bädden fast- ställes, varigenom erforderlig värmealstringshastighet för bibehål- lande av den fastställda temperaturprofilen, fastställes. Syrgas- mängden kan från början bestämmas empiriskt med hänsyn till förvän- tad mängd kolhaltig återstod, som finnes i bädden, och även till bäddtemperaturen. Det har visat sig, att det är nödvändigt för åtminstone bäddens överdel att vara över cirka 4Z50C för antändning av en bibehållen, men reglerbar förbränning av den kolhaltíga åter- stodon.

Procentandelen eller koncentrationen av syret, som finnes i de gaser som från början ledes till de översta delarna av bädden, 10 15 20 25 30 35 40 77l3452-6 10 Bland dessa märkes exempelvis masströmningshastigheten och det specifika kommer att bestämmas av ett antal samverkande faktorer. värmet hos gaserna, bäddens djup och rörelsehastighet och medel- partikelstorleken och temperaturen hos bäddens översta skikt. Det är uppenbart att dessa faktorer och andra uppenbara faktorer måste medtagas i beräkningen. Om det finnes alltför litet syre i gaserna, som från början bringas att passera genom zonen, kommer oxidation att ske alltför långsamt och bädden kommer att börja svalna i stäl- let för att uppvärmas, vilket sålunda bringar bäddpartiklarna under förbränningens antändningstemperatur,och hejda oxidationsreaktionen.

Alltför mycket syre kommer å andra sidan att leda till alltför hög förbränningshastighet, vilket leder till överdriven temperatur och förlust av processverkningsgrad. Det har visat sig att vid konven- tionell genomströmning så litet som 0;S-1 viktprocent syre är till- räckligt för att påbörja framâtskridandet av värmefronten genom bädden vid det ursprungliga kylsteget.

Vid drift enligt föreliggande uppfinning kan sålunda begyn- nelsestegen för en kylzon tjäna såsom fortsatta retortsteg. De varma partiklarna i bädden ger i första hand kännbart värme åt in- kommande kylgas. Detta kännbara värme överföres till gasen och föres ned genom bädden och bringar skifferpartiklarna i bäddens undre skikt till högre temperatur. Ytterligare värme överföres till gasen och medföres nedåt genom bädden till följd av oxidationen av kolhaltig återstod i använda skifferpartiklar vid bäddens över- del. samtidigt och på samma plats längs vägen för fast substans som den Pro- Den slutliga uppvärmningen av bäddens undre delar sker sålunda ursprungliga kylningen och oxidationen av bäddens övre del. dukter av tung olja från skiffern i detta omrâde av anordningen avdrives och uppsamlas på ett sätt liknande det som beskrivits för produkter avdrivna i uppvärmningszonerna.

Empiriska rutinberäkningar kommer att bestämma, när bäddens överskikt är färdiga att överföras från uppvärmningszonen till den kombinerade kyl- och oxidationszonen. Det är naturligtvis ett nöd- vändigt kännetecken enligt uppfinningen, att kylgaserna, som från början slår mot ytorna på partiklarna i det översta skiktet, inne- håller tillräcklig mängd syre för att åstadkomma oxidation av den kolhaltiga återstoden på partiklarnas yta i detta översta skikt.

När bädden fortskrider genom de tidiga stegen i den kombinerade oxidations-kylzonen, bör mängden syre, som finnes i gaserna, som från början drages genom bäddens översta skikt, regleras och even- 10 15 20 25 30 40 7713452-6 11 tuellt varieras endast tillräckligt för att åstadkomma tillräcklig oxidation för reglering av bäddtemperaturen, så att samma tempera- turprofil upprätthälles som den som fastställts i uppvärmningszonen.

En fortskrídande oxidationsfront âstadkommes sålunda i den rörliga bädden och fortsätter temperaturprofilen, som fastställts i den första zonen, varigenom effektivt avlägsnande av kolhaltig återstod från skifferpartiklarna tillåtes. När denna front fort- skrider genom kylzonen, blir de översta ytorna i skifferbädden ut- armade på kolhaltig återstod och börjar snart kylas av gaser med lägre temperatur. För reglering av den rörliga fronten och upprätt- hållande platser nedströms först ökas för säkerställande av att tillräcklig av dess temperaturprofil måste syrekoncentrationen på mängd syre när den allt lägre punkt i bädden, vid vilken kolhaltig åsterstod kvarfinnes. När de inkommande gaserna börjar att absor- bera värme, icke endast frân energin vid oxidatíonsreaktionen, utan även från de översta skikten i själva skifferbädden, måste tempera- turprofilen i bädden regleras genom minskning av syrekoncentrationen i gaserna, varigenom energialstringshastigheten genom oxidation minskas. Alternativt kan gasens värmeabsorberande hastighet ökas genom ökning av gasströmningshastigheten. Detta alternativ är mindre önskvärt, eftersom det leder till olika tryckfall genom bädden och eventuell läckning mellan zoner.

I allmänhet kan bäddtemperaturen regleras genom reglering av reaktionshastigheten, som är en funktion av både drivkraften och resistensen mot reaktionen. Totalresistensen mot reaktionen har matematiskt uttryckts och en modell har uppbyggts genom försök.

Dessa resistenser innefattar resistens mot massöverföring, dvs resis- tens mot diffusion av syre genom varje partikel av använd skiffer till reaktíonsytan. Det inses, att resistensen mot reaktionen ökar med tiden, vilken resistens övervägande påverkas av allt tjockare fast skal eller "askskikt", som omger varje skifferpartikel och allt mindre yta hos den krympande kärna, vid vilken oxidationsreaktionen sker. När resistensen ökar, bör syrekoncentrationen i gasfasen reg- leras för fastställande av en reglerad hastighet för reaktionen gent- emot tiden. Bäddtemperaturen regleras sålunda genom anpassning av reaktionshastigheten till gasernas kylförmâga.

När bädden fortskrider genom kylzonen, leder oxidationen av de kolhaltiga materialen i det översta skiktet till alstring av värme. Detta värme överföres, förutom det värme som redan finnes i partiklarna, direkt till kylgasströmmen, som i sin tur överför 10 15 20 25 30 35 40 7713452-6 12 värme till nästa lägre skikt av partiklar i bädden. När de översta skikten i bädden är utarmade på kolhaltigt material, alstrar de Detta leder till bild- ning av en gränslinje framför den rörliga oxidationsfront, som be- icke längre värme utan börjar att svalna. gränsar en area i bädden av använd skiffer, som är utarmad på kol (se "D" i fig Z). sättas till de inkommande gaserna för åstadkommande av ytterligare oxidation och därigenom ytterligare värme, för att temperaturprofi- När detta inträffar måste ytterligare syre till- len i bädden skall upprätthållas. Den erforderliga ökningen liksom platsen i kylzonen, vid vilken sådant ytterligare syre kommer att tillsättas, kan bestämmas empiriskt. Det har visat sig, att syret för de flesta bäddstorlekar, bäddjup och gasströmningshastigheter bör hållas i intervallet 0,5 - cirka 11 viktprocent av totalmängden kylgas. Vid procenthalter över cirka-12 % 02 avgives alltför mycket värme och kylgasströmningshastigheterna, som erfordras för reglering av bäddtemperaturerna, blir oekonomiska på grund av överdrivna tryckfall. värme, som åstadkommes av skiffern (känsligt liksom det som alstras Gasernas kylförmâga måste balanseras med det totala genom oxidation av kvarvarande kolmaterial). Förfarandets reglera- de verkan förloras eljest. För att hjälpa till vid åstadkommandet av en klar avgränsning inom kylzonen av inre stadier, där neddragna gaser innehåller olika procenthalter syre, kan skärmar anordnas och/ eller syrefördelningsrör eljest anordnas så nära överdelen av den rörliga bädden som möjligt.

Tillsats av oxiderande gaser till kylgaserna fortsättes, tills den punkt uppnås då den kolhaltiga återstoden har minskat till sådan nivå, att det är oekonomiskt att fortsätta, eller av- lägsnats från väsentligen alla partiklar i bädden. Vid vissa retortanvändningar kommer syregenombrott vid anordningens botten att styra den punkt, vid vilken oxidationen hejdas. Detta kommer på ett typiskt sätt att leda till cirka 60 % totalavlägsnande av den kolhaltiga återstoden. Kylningen fortsätter förbi denna punkt såsom är känt för kylning av bädden.

Enligt en utföringsform av uppfinningen, som visas i tvär- sektion i fig 1 på bifogade ritning, avsättes partiklar av bruten, krossad oljeskiffer på en rörlig rost för bildning av en bädd med djupet 1,2-3,0 m. Lämplig partikelstorlek kommer att vara cirka 0,6 - cirka 15 cm i diameter. Det är tydligt, att större eller mindre partíkelstorlekar och bäddjup kan användas vid föreliggande förfarande, varvid sådana variationer påverkar nödvändig uppvärm- 10 15 20 25 30 35 40 7713452-6 13 nings- eller kylningstid samt tryckfallet í uppvärmnings- eller kylfluiden genom den fasta bädden. Så stora partikelstorlekar som 40 cm har använts liksom bäddjup upp till 3,0 m eller mer. Bredden av roststavarna i en kommersiellt tillgänglig anordning är på ty- piskt sätt 2,7-6,0 m.

Bädden bildas kontinuerligt vid torrsubstansinloppet, för- flyttas genom anordningen och in i och genom ett flertal behand- lingszoner, där tvärströmmar av varm resp kall gas åstadkommes för värmning och kylning av partiklarna. De mest gynnsamma betingelser- na för utförande av föreliggande förfarande erfordrar en bädd, som är relativt likformig i djup och i vilken partikelstorlekarna är fördelade i skikt (stora upptill, små vid botten). Beskickningen på rosten är lämpligen segregerad i skikt för placering av de större partiklarna nära bäddens överdel, där de kommer att utsättas för de längsta tiderna av högtemperaturvärme. Mindre partiklar an- ordnas företrädesvis intill rostytan. Detta kommer naturligtvis att erfordra ett ytterligare behandlingssteg, som icke kan vara ekonomiskt berättigat under alla omständigheter. Såsom ett godtag- bart alternativ bör medelpartikelstorleken hållas så likformig som möjligt genom bädden och partikelstorleksintervallet så smalt som möjligt.

Rostens rörelse bär bädden först in i en högtemperaturzon, där varm gas riktas nedåt genom bädden, vinkelrätt mot bäddens rörelseriktning. Gasen uppvärmes till en temperatur mellan cirka 540 och 7600C genom en yttre värmare. När bädden rör sig genom uppvärmningszonen, uppvärmes oljeskifferpartiklarna vid bäddens gasínloppssida av den varma gasen. Denna överföring av värme till partiklarnas översta skikt leder till en kylning av gasen, varige- nom drivkraften för värmeöverföringen till undre partiklar minskas.

När den fasta substansen rör sig genom uppvärmningszonen, blir de översta partiklarna fullständigt uppvärmda. Inkommande varma gaser rör sig därefter nedåt utan någon begynnelseförlust av värme för uppvärmning av de undre partiklarna i bädden. En temperaturprofil, såsom den visas i fig Z på bifogade ritning, utvecklas snart i den rörliga bädden.

Såsom framgår av fig 2, åstadkommes mycket snabbt, Sedan häddcn inkommit i uppvärmningszonen, ett område i häddcn, i vilket partiklarna har uppvärmts till mellan cirka 370 och cirka 540°C.

Oljeutdrivning sker inom detta omrâde. Under detta område faller temperaturen i bädden, tills partiklarna vid bäddens botten väsent- 10 15 20 25 30 40 7713452-6 14 ligen icke är uppvärmda. Temperaturprofillinjerna, som visas i fig 2, är de som skulle uppträda, om endast väsentligen en parti- kelstorlek förefanns i bädden, och är därför något idealisk.

Linjerna A' och D' visar å andra sidan de längre begynnelseuppvärm- nings- och oxidationstider, som skulle vara nödvändiga, då bädden är lagrad med progressivt större partiklar på översidan (gasin- loppssidan).

När bädden fortskrider genom uppvärmningszonen inträffar två saker: För det första förflyttas omrâdet i bädden, i vilket oljeutdrivning sker, dvs det omrâde där partikeltemperaturer är i intervallet 370-540°C, längre och längre nedåt i bädden. För det andra âstadkommes ett nytt område, det där oljeutdrivningen är väsentligen fullbordad. I detta område, som på ritningen visas såsom det mellan profillinjerna A (A'} och C, har partiklarna haft tillräcklig uppehållstid vid oljeutdrivningstemperaturerna, så att väsentligen allt förångbart kolvätematerial i och på partiklarna har avdrivits.

-Eftersom partiklarna vid bäddens överdel utsättes för upp- värmningsgaser under den längsta uppehâllstíden, inträffar områden med väsentligen fullständig oljeutdrivning först vid bäddens över- skikt. bädden förblir vid temperaturer över cirka 4Z5°C, som bädden direkt Det är vid denna tid, medan partiklarna i en sådan del av överföres från uppvärmningszonen till en andra zon, i vilken gaser, som icke har uppvärmts utanför anordningen och är cirka 90°C, drages nedåt genom bädden.

I begynnelsestegen i denna andra zon blandas gaserna från början direkt med syre vid de varma partiklarna vid bäddens yta.

Detta kan utföras genom åstadkommande av en serie luftinloppsöpp- ningar intill eller under kylgasöppningarna i kåporna över bädden.

Såsom visas på ritningen, är lämplig teknik att anordna en serie luftfördelningsrör i sidled tvärs över anordningen, varvid varje fördelningsrör är skilt från intilliggande med delningsplåtar, var- igenom âstadkommes en serie oxidationsstadier i kylzonen. Mängden syre, som sättes till gaserna, inställes beroende på de förut dis- kuterade varíablernn (såsom den hastighet med vilken bädden för- flyttas, temperaturen hos partiklarna i de övre skikten í bädden, inloppsgasens temperatur och gasströmníngshastigheten), för att bringa oxidationen att inträda hos det icke-förångbara, kolhaltiga material, som kvarhålles i och på de använda partiklarna och för att åstadkomma att sådan oxidation inträder med en reglerad hastig- 10 15 20 25 30 35 40 7713452-6 15 het, som är anpassad till värmeabsorptionsförmågan hos gaserna, som inkommer i bädden.

Oxidationen av de kolhaltiga materialen är naturligtvis en exoterm reaktion, vid vilken värme alstras. Detta värme överföres direkt genom ledning till de områden i bädden som ligger omedelbart intill (i allmänhet under] det där oxidation sker. Det överföres till gaserna, som passerar nedåt genom bädden. På sådant sätt fort- sätter temperaturerna i bäddens undre område_att stiga, tills slut- ligen oljeavdrivningstemperaturer även uppnås i dessa undre områden.

Genom reglering av mängden och oxidatíonshastigheten kan den tempe- raturprofil fortsättas, som har initierats i retortanordningens uppvärmningszon. När oljeutdrivníng sker i de undre områdena fort- sätter även retortbehandlingen, dvs förångning, kondensation och uppsamling av oljepartiklarna, såsom den skedde i uppvärmnings- zonen. När de två zonerna är omedelbart intill varandra, kan samma uppsamlings- och separationsanordning användas.

När bädden fortskrider genom de stadier i kylzonen, där syrehaltiga gaser passerar nedåt genom bädden, blir progressivt undre områden av bädden oxiderade, alstrar värme och överför detta värme till intilliggande områden i bädden. Vid i förväg bestämda steg nedströms från begynnelseinloppet i bädden i retortdelen av oxidations-kylzonen utföres stegvis ökning av mängden syre, som finnes i gaserna. Denna stegvisa tillsats av ökande mängder syre erfordras för att säkerställa, att oxidationen som sker i bädden upprätthålles med lämplig hastighet. Sedan oxidation har utförts i ett givet omrâde av bädden under en begynnselsetid, leder krymp- ningen av kärnan av kolhaltigt material i varje skifferpartikel till ett ökat motstånd mot massöverföring av syre genom det progres- sivt tjockare askskiktet på partikelytan. En stegvis ökning i masströmningshastigheten för syre erfordras sålunda för att upp- väga det ökade mostândet. Ett andra skäl för ökning av syrets mass- strömningshastighet är att den verkliga oxídationshastigheten måste ökas, när de övre områdena i bädden blir väsentligen utarmade på oxiderbart kolhaltigt material. Det är den del av den i fig Z visa- de bädden, som ligger framför profillinjen D (D'). När dessa övre områden börjar att svalna, börjar ett askskikt att bildas, vilket bringar gasdiffusionsmotståndet att öka och det För syreöverföring tillgängliga området att minska vid denna punkt, varigenom en till- räckning ökning i syre (drivkraften) erfordras för att hålla mass- överföringshastigheten för 02 vid reaktionsgränsytan i balans. En <77Å13452-6 10 15 20 25 16 reglerad ökning i 02 erfordras för att säkerställa, att temperatur- profilerna i de undre områdena upprätthålles.

Såsom angivits, bör försiktighet iakttagas för att förhind- ra att högre nivåer av syre i nedströmsomrâdena i kylzonens retort- sektion inkommer i bädden i ett alltför tidigt skede. Detta kan åstadkommas på något lämpligt sätt, t ex att syrefördelningsrören anbringas så nära bädden som möjligt och att en serie skärmar an- ordnas mellan stadier med olika syrehalt.

Liksom det är nödvändigt att öka syrehalten i de tidiga -skedena av oxidations-kylzonen, kan det även vara nödvändigt att minska syrehalten, dvs masströmningshastigheten av syre, nära slut- änden av oxidationsstadierna. Uppbyggandet av kännbart värme i skifferbädden till följd av tidigare oxidationsreaktioner kan kom- bineras med värme, som alstras av ytterligare oxidation och över- skrida gasernas kylförmåga- För att förhindra överhettning i de undre områden av bädden, där oxidation fortfarande uppträder, kan det sålunda vara nödvändigt att minska koncentrationen av syre i kylgflâen. Det är naturligtvis klart, att en alternativ metod för ökning av gasernas kylförmåga är att öka gasströmningshastígheten.

Såsom angivits, kan man exempelvis draga gaserna genom den rörliga, lugna bädden uppåt i stället för nedåt med lämpliga änd- ringar i ånguppsamlingsanordningen_ Syretillsatsen har angivits såsom en modifiering av förefintliga kylgaszoner. Om det skulle vara lämpligt eller önskvärt kan oxidationen utföras i en helt separat zon. Medan förändringar i syrets masströmningshastighet har angivits såsom âstadkomna genom förändring av syrekoncentra- tionen i gaserna, kan såsom slutexempel ekvivalenta stegvisa för- ändringar i masströmningshastigheten åstadkommas genom förändringar i gashastigheten.

Claims (5)

/7 7 71 34 52- 6 ggïanrkn/lv

1. Förfarnnde för väsentlig utvinning av organiskt värme- värdeffmï skiffer, vilket icke leder till någon signifikant skad- lig verkan pa efterföljande behandling av skiffern för utvinning av fasta mineral därifrån, k ä n n e t e c k n a t därav, att en rörlig, lugn, gaspermeabel bädd av krossade skifferpartíklar bildas på en rörlig rost, att den rörliga bädden ledes in i en första zon, där varma, redu- cerande eller ínerta gaser med en temperatur av ca 425- ca 815OC drages genom bädden i en riktning, som är vinkelrät mot bäddens rörelseriktning, _ att bäddcns uppehüllstid i den första zonen hålles tillräckligt läng för åstadkommande i bädden enbart intill bäddens gasinlopps- yta av ett område, i vilket skifferpartiklarna har uppvärmts till oljeavgivande temperatur, och för fastställande inom bädden av en temperaturprofil, som är under de temperaturer, vid vilka skadliga reaktioner inbegripande skiffern skulle inträda, att väsentligen allt förångbart kolvätemateríal avdríves och ut- vinnes från partiklarna i området och att därefter den rörliga bädden, medan den förblir varm, lodes in i en andra zon, i vilken syrehaltiga gaser, som icke har upp- värmts, drages genom bädden, att mängden syre i de icke-uppvärmda gaserna är tillräcklig för att åstadkomma oxidation av icke-förångbart, kolhaltigt material, som kvarhâlles på och i dessa partiklar i området, från vilket de förângbara materialen har avdrivits, och för att bringa sådan oxi- dation att äga rum med reglerad hastighet, som är anpassad till värmeabsorptionsförmågan hos de gaser, som inkommer i bädden, och att ytterligare värme alstras och överföres till gaserna, som bringas att passera genom bådden, varvid sålunda temperaturerna i djupare områden i bädden höjes, tills oljeavgivande temperatur upp- nås i dessa områden, att masströmningshastigheten för syre i de icke-uppvärmda gaser, som ledes i bädden, stegvis förändras vid i förväg bestämda platser nedströms fran bäddens begynnelseinlopp i den andra zonen efter behov för att motsvara det ytterligare värme, som bdfiwer alstras, när progressivt djupare områden av bädden oxideras, och för att hålla oljeavgivande temperatur vid progressivt djupare områden 1 häddcn och för att halla tempcratnrprofílcn i bädden.

2. ¿. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att bäddens uppehållstid i den första zonen är bringad till minimum 7713452-6 /í genom överföring av bädden direkt till den andra zonen så snart som del del av bädden, som ligger intill gasínloppsytan, har nått on temperatur över ca 4Z5°C.

3. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att uppvärmda och icke-uppvärmda gaser drages nedåt genom bäddcn och att tryckfallet genom bädden hålles väsentligen lika i varje zon.

4. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att den rörliga, lugna bädden av krossad skiffer skíktas med större partiklar av krossad skiffer vid bäddens gasinloppsyta och mindre partiklar närmast gasutloppsytan. I

5. Förfarande enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t därav, att uppehållstiden i den första zonens bädd bestämmes (minimeras) genom överföring av bädden direkt till den andra zonen, även om utvecklandet av förångbara kolvätematerial och olja från bädden redan har påbörjats, så snart som den del av bädden som ligger intill gasinloppsytan, har nått en temperatur över cirka 42S°C.