DE3023670C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Schwelen von Ölschiefer - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Schwelen von ÖlschieferInfo
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Description
Zur Schwelung von ölschiefer sind viele Verfahren bekannt Dabei wird der ölschiefer erhitzt wobei sich
das im Schiefer enthaltende Kerogen zersetzt und in Form gasförmiger und flüssiger Kohlenwasserstoffe
gewonnen werden kann. Je nach dem Wasserstoffgehalt des Ölschiefers kann ein mehr oder weniger großer
Anteil der organischen Substanz gewonnen werden, ein Teil verbleibt stets als Restkohlenstoff auf dem Schiefer.
Im Interesse einer weitestgehenden Ausnutzung des Energiegehaltes des Ölschiefers sollte auch dieser
Kohlenstoff energetisch genutzt werden.
Viele Verfahren verwenden das Schachtofenprinzip zur Schwelung z.B. US-PS 37 36 247 und DE-AS
22 43 389. Nachteilig ist, daß der bei der Zerkleinerung zwangsläufig anfallende Feingutanteil nicht eingesetzt
werden kann. Außerdem ist der vollständige Abbrand des Restkohlenstoffs durch die erforderliche Stückgutaufgabegröße
sehr erschwert. Weiterhin sind die Öldämpfe und das Schwelgas längere Zeit der Schweltemperatur ausgesetzt, wodurch sich Crackreaktionen
ergeben, die zu einer Verminderung der Aurbeute und einer Verschlechterung der Ölqualität
führen.
Bei feiner zerkleinertem Gut ist das Schachtofenprinzip nicht mehr anwendbar. Andere Verfahren mit
Feinguteinsatz wie z.B. US-PS 38 44 930 arbeiten mit Feststoffen als Wärmeträger. Durch die Wärmeträgerumlaufmenge,
die ein Mehrfaches der Schiefereinsatzmenge beträgt wird die zu handhabende Feststoffmenge
weiter erhöht.
Aus den DE-OS 27 28 204 und 27 28 455 ist es bekannt, die Pyrolyse von kohlenstoffhaltigem Material,
auch von Ölschiefer, in einem Zyklon-Reaktor vorzunehmen. Das kohlenstoffhaltige Material wird hierbei in
einer Korngröße kleiner als 1 mm in einem Trägergasstrom bei Geschwindigkeiten von 20 — 76 m/sec in einen
Zyklon-Reaktor geführt. Vor oder im Einlaß des Zyklons wird dieser Gasstrom mit einem zweiten
Gasstrom vermengt der heiße Feststoffteilchen enthält, die zur Aufheizung des kohlenstoffhaltigen Materials
auf Schweltemperatur dienen sollen. Das Gewichtsverhältnis der zur Heizung dienenden Feststoffe zu dem
kohlenstoffhaltigen Material soll zwischen 2 und 20 liegen. Nach einer kurzen Kontaktzeit — gerechnet als
durchschnittliche Verweilzeit des Trägergases im Zyklon — von weniger als etwa einer Sekunde,
insbesondere zwischen 0,1 und 0,6 see wird das mit den Trägergasen vermischte Schwelgas von den Feststoffen
— Wärmeträgerteilchen und Schwelrückstand —
getrennt.
Nach DE-OS 27 28 204 bzw. der dieser entsprechenden US-PS 41 05 502 wird als Trägergas für das
kohlenstoffhaltige Material ein solches verwendet, das im wesentlichen keinen freien Sauerstoff besitzt Es
kann ein Teil des bei der Verbrennung des Schwelrückstandes mit Luft gewonnenen Gases, ein durch
Verbrennung des Schwelgases nach Abscheidung der kondensierbaren Bestandteile entstandenes Gas, aber
auch Stickstoff sein. Der zweite, die Feststeife enthaltende Gasstrom soll durch die Verbrennung des
im Schwelrückstand enthaltenen Kohlenstoffes mit Luft erzeugt werden; die heißen Feststoffteilchen sind
dementsprechend mehr oder weniger Kohlenstoff enthaltende Schwe'.rückstände.
Bei diesem bekannten Verfahren fallen also die Schwelgase in Verdünnung durch die in der Regel
größere Stickstoffmengen enthaltenden Trägergase an; ihn; Aufarbeitung wird hierdurch erschwert. Der
Feststoffaustrag aus dem Schwelzyklon besteht aus frischem Schwelrückstand in Mischung mit Schwelrückständen,
deren Kohlenstoffgehalt durch Verbrennung mehr oder minder verringert wurde. Daher müssen bei
der weiteren Verarbeitung des Feststoffaustrages größere Ballastmengen mitgeschleppt werden, die
unnötig große Vorrichtungen bei der Weiterverarbeitung, z. B. der Energiegewinnung durch Verbrennung
erfordern.
Die genannten Nachteile werden durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden. Es beruht auf der
überraschenden Erkenntnis, daß bei dem bekannten Verfahren zum Schwelen von ölschiefer mit einem im
wesentlichen sauerstofffreien heißen Gas in einem Schwelzyklon-Reaktor, bei dem aus dem Schwelgas die
kondensierbaren Bestandteile abgeschieden werden, ein der Vergrößerung der Gasmenge entsprechender
Anteil abgeführt und der Rest wieder aufgeheizt und in den Schwelzyklon-Reaktor rückgeführt wird, vorteilhaft
das Schwelgas indirekt wieder aufgeheizt und als alleiniger Wärmeträger in den Schwelzyklon-Reaktor
rückgespeist werden kann.
Da bei dem vorbekannten Verfahren dem zu schwelenden Ölschiefer als Wärmeträger mindestens
die doppelte, bis zum 20fachen reichenden Mengen an Feststoffen zugeführt werden muß, ist es durchaus
überraschend, daß bei Verwendung des von den kondensierbaren Bestandteilen befreiten, im übrigen
aber unveränderten Schwelgases als alleinigen Wärmeträger die Schwelung ohne Feststoff-Wärmeträger
ausgeführt werden kann. Dabei liegen die Temperaturen, mit denen das Schwelgas eingesetzt wird, im
gleichen Temperaturbereich wie die der feinkörnigen Feststoffwärmeträger beim bekannten Verfahren.
Man erhält so ein reines, unverdünntes Schwelgas, aus dem sich die kondensierbaren Anteile besser abscheiden
lassen als aus einem mit Trägergas verdünnten Schwelgas und das auch nach Abscheidung der
kondensierbaren Anteile wegen der höheren Konzentration an gasförmigen Kohlenwasserstoffen einen
höheren Wert aufweist als das verdünnte Schwelgas. In gleicher Weise wird die Weiterverarbeitung des
Schwelrückstandes durch das Fehlen der Ballaststoffe erleichtert.
Die Schweltemperaturen liegen im allgemeinen über 4500C und sollten 650° C nicht überschreiten, da
andernfalls Ausbeuteminderung durch Craclcreaktionen trotz der kurzen Schwelzeiten nicht zu vermeiden sind.
Bevorzugt werden Temperaturen zwischen 470 und 5500C In der Fig.1 sind die Ausbeuten bei der
Zyklonschwelung eines Schandelah-Ölschiefers im Vergleich zu den Ausbeuten nach dein Fischer-Test
dargestellt Der eingesetzte Ölschiefer enthielt 103 Gew.-°/o organischen Kohlenstoff and hatte folgende
Fischsr-Test-Ausbeuten:
Feuchtigkeit (bis 105° C)
Schwelwasser
ίο Öl
Schwelwasser
ίο Öl
Rückstand
Gas und Verluste
1,0 Gew.-% 13 Gew.-% 5,4 Gew.-%
883 Gew.-°/o 3,4 Gew.%
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Schwelgas auf Temperaturen vorgeheizt, die 150 bis
250 K über der Schweliemperatur liegen. Abhängig ist dies-ü Überhitzung vom Verhältnis Schwelgas zu
Ölschiefer, das üblicherweise zwischen 0,8 und 1,4 NmVkg, vorzugsweise zwischen 1,0 und 1,2 Nm3/kg
Hegt, von der Temperatur des eingesetzten Schiefers,
von der Restfeuchte, von der Karbonatzersetzung der enthaltenen Karbonate, und von den Wärmeverlusten
des Systems.
Um eine stärkere Aufheizung des rückgeführten Schwelgases zu vermeiden, ist es zweckmäßig, den
ölschiefer weitgehend vorzutrocknen und auf eine Temperatur kurz unterhalb des Beginns der Kerogenzersetzung
vorzuwärmen.
Überraschenderweise ergab sich weiterhin, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren gröberes Einsatzmaterial
verwendet werden kann als beim bekannten Verfahren. So kann Ölschiefer einer Körnung bis zu
3 mm, selbst bis 5 mm verwendet werden. Diese grobkörnigeren Schiefer haben den Vorteil, geringere
Staubmengen zu enthalten, wodurch sowohl die Verarbeitung des Schwelgases, als auch die Weiterbehandlung
des Schwelrückstandes wesentlich erleichtert werden.
In F i g. 2 ist der Restkohlenstoffgehalt des obenerwähnten Ölschiefers nach der Schwelung in Abhängigkeit von seiner Korngröße aufgetragen. Man erkennt, daß die Ausschwelung bei Korngrößen von 2 mm praktisch gleich der bei Korngrößen von 0,1 mm ist und auch bei Korngrößen von 3 mm nur eine unbedeutende Erhöhung des Restkohlenstoffgehaltes festzustellen ist.
In F i g. 2 ist der Restkohlenstoffgehalt des obenerwähnten Ölschiefers nach der Schwelung in Abhängigkeit von seiner Korngröße aufgetragen. Man erkennt, daß die Ausschwelung bei Korngrößen von 2 mm praktisch gleich der bei Korngrößen von 0,1 mm ist und auch bei Korngrößen von 3 mm nur eine unbedeutende Erhöhung des Restkohlenstoffgehaltes festzustellen ist.
Die Abscheidung der kondensierbaren Anteile aus
dem Schwelgas erfolgt durch dessen direkte Abkühlung
mit kaltem Öl, gegebenenfalls mit nachfolgender
elektrostatischer Fällung der Ölnebel.
Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, im Schwelgas enthaltenen Staub vor der Abscheidung der kondensierbaren
Anteile zu entfernen, da die Trennung des Kondensats von den Stäuben große Schwierigkeiten
macht. Zur Abscheidung der Stäube können z. B.
Hochleistungszyklone eingesetzt werden.
Besonders zweckmäßig hat sich jedoch die Abscheidung mittels Elektrofiltration erwiesen. Dies ist
durchaus überraschend, denn es war nicht zu erwarten, daß bei den hohen Temperaturen von mehr als 4500C
eine Elektrofiltration der Schwellung möglich ist, da in reduzierender Atmosphäre allein ohne das Vorhandensein
von Schweldämpfen das elektrische Feld zusammenbricht. Der Schwelrückstand wird aus dem Zyklon-Reaktor
abgezogen; sein Kohlenstoff wird zweckmäßigerweise mit sauerstoffhaltigen Gasen, insbesondere
Luft, verbrannt, wobei das heiße Verbrennungsgas zum Vorwärmen des Kreislauf-Schwelgases verwendet werden
kann.
U)
Zweckmäßigerweise erfolgt die Verbrennung des Kohlenstoffs des Schwelrückstandes mit sauerstoffhaltigen
Gasen in einem Wirbelbett. Dabei sind die Verbrennungsbedingungen so einzustellen, daß bei der
Verbrennung entstehendes SO2 durch evtl. im Schiefer enthaltenem Dolomit und Calcit in den Rückstand
eingebunden ist.
Zur Verbesserung der Schwelausbeute kann man den aus dem Schwelzyklon-Reaktor ausgetragenen Schwelrückstand
zunächst in einem Behälter entgasen, bevor sein Kohlenstoff mit sauerstoffhaltigen Gasen verbrannt
wird. Durch den im Entgasungsbehälter befindlichen Schwelrückstand kann Schwelgas zum schnelleren
Abführen der noch anfallenden Gase hindurchgeleitet werden, wobei es zweckmäßig ist, den Schwelrückstand
mit Rührern aufzulockern oder in einer Drehtrommel umzuschichten.
Die bekannte Vorrichtung, bei der Gasabführung des Schwelzyklon-Reaktors mit einem Ölabscheider und
der tangentiale Einführungsstutzen des Schwelzyklon-Reaktors über ein Gebläse mit dem Ölabscheider
verbunden ist, weist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einen Wärmeaustauscher zwischen
dem Gebläse und dem tangentialen Einführungsstutzen des Schwelzyklon-Reaktors auf. Vorzugsweise
ist ein Vorwärmer für den zu schwelenden Ölschiefer vor dem tangentialen Einführungsstutzen des Schwelzyklon-Reaktors
vorgesehen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist ein bei Temperaturen oberhalb des
Taupunktes der Schwelgase arbeitender Staubabscheider, insbesondere ein Elektrofilter zwischen Schwelzyklon-Reaktor
und ölabscheider angeordnet. Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Feststoffaustrag
des Schwelzyklon-Reaktors mit einem Verbrennungsofen und dessen Heißgasausgang mit dem zur
Erhitzung des als Trägergas dienenden Schwelgases verbunden. Es hat sich auch als zweckmäßig erwiesen,
am Feststoff-Abführstutzen des Schwelzyklon-Reaktors bzw. zwischen diesem Abführstutzen und der Verbrennungsvorrichtung
für Schwelrückstand eine Nachschweltrommel vorzusehen.
In der Fig.3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung
schematisch dargestellt Anhand dieser sei das erfindungsgemäße Verfahren erläutert:
Der Ölschiefer 1 wird auf eine Korngröße kleiner als 3 mm zerkleinert Die Zerkleinerung und Sichtung
erfolgt zweckmäßigerweise zusammen mit der Trocknung und Vorwärmung in einer Mahltrocknung 2, wozu
40
45 die Rauchgase 3 nach dem Kreislaufgasvorwärmer 4 eingesetzt werden. Das gekühlte Rauchgas wird über
die Leitung 5 abgeführt.
Der zerkleinerte, getrocknete und auf ca. 1100C
vorgewärmte Ölschiefer 6 wird in der Steigleitung 7 mit Kreislaufschwelgas 8 gemischt, wobei bereits im
Steigrohr ein wesentlicher Teil der Wärme vom Heizgas auf den Schiefer übertragen wird, und dieses
Gemisch über die tangentiale Zuführung 9 in den Schwelzyklon 10 geführt. Über die Leitung 11 verlassen
die öl- und staubhaltigen Schwelgase den Schwelzyklon 10, während der Schwelrückstand über die Leitung 12 in
eine Nachschweltrommel 13 geführt wird. Um die Abführung der entstehenden Schwelgase zu beschleunigen,
wird ein Teil des heißen Kreislaufgases durch die Leitung 14 in die Nachschweltrommel 13 geführt. Das
Schwel- und Kreislaufgas 15 aus der Nachschwelung 13 wird zusammen mit den Schwelgasen H aus dem
Schwelzyklon in ein Entstaubungssystem 16 geführt. Der abgeschiedene Staub wird über die Leitung 17 in die
Nachschweltrommel 13 gegeben. Durch die Rohrleitung 18 gelangt das entstaubte Gas in die Ölabscheidung 19
und wird dort von den kondensierbaren Anteilen befreit, die als Produkt über die Leitung 20 der Weiterverarbeitung
zugeführt werden. Aus der ölabscheidung 19 wird ebenfalls ein der bei der Vorschwelung anfallenden
Gasmenge entsprechenden Teil des Schwelgases als Produkt über die Leitung 21 abgeführt. Das übrige
Schwelgas wird über die Leitung 22 dem Verdichter 23 zugeführt und gelangt nach der Verdichtung durch die
Leitung 24 zum Kreislaufgasvorwärmer 4.
Der heiße Schwelrückstand 25 hinter der Nachschweltrommel 13 wird einem Wirbelbett-Verbrennungsofen
26 zugeführt, in dem der Restkohlenstoff abgebrannt wird. Die Temperaturregelung zur Einstellung
der optimalen SO2- Einbindung erfolgt durch den Wärmeaustauscher 27 im Wirbelbett, der als Dampferzeuger
ausgebildet ist. Das heiße Rauchgas verläßt den Wirbelbettofen über die Leitung 28. Der Wärmeinhalt
dieses Gases wird im Kreislaufgaswärmeaustauscher 4 zur Schwelung und in der Maltrocknung 2 zur
Trocknung und Vorwärmung des Ölschiefers genutet
Der abgebrannte Ölschiefer aus dem Wirbelbettofen wird durch die Leitung 29 einem Kühler 30 zugeführt
und verläßt den Kühler über die Leitung 31. Zur Kühlung dient die Verbrennungsluft 32, die im
Verdichter 33 komprimiert, über die Leitung 34 zum Kühler 30 geführt wird und über die Leitung 35 in den
Wirbelbettofen 26 gelangt
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (15)
1. Verfahren zum Schwelen von ölschiefer mit
einem im wesentlichen sauerstofffreien heißen Gas in einem Schwelzyklon-Reaktor, bei dem aus dem
Schwelgas die kondensierbaren Bestandteile abgeschieden werden, ein der Vergrößerung der
Gasmenge entsprechender Anteil abgeführt und der Rest wieder aufgeheizt und in den Schwelzyklon- !0
Reaktor zurückgeführt wird, dadurchgekennzeichnet,
daß das Schwelgas indirekt wieder aufgeheizt und als alleiniger Wärmeträger in den
Schwclzyklon-Reaktor zurückgespeist wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- is
zeichnet, daß der ölschiefer vor seinem Zusatz zum Schwelgas auf Temperaturen unterhalb der Schweltemperatur
vorgewärmt und getrocknet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ölschiefer einer Korngröße bis
zu 5 mm der Verschwefelung unterworfen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Schwelgas bei
Temperaturen über dem Taupunkt der kondensierbaren Anteile der Staub abgeschieden wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der Staub durch Elektrofiltration
entfernt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff des
Schwelrückstandes mit sauerstoffhaltigen Gasen verbrannt und das Verbrennungsgas ganz oder
teilweise zum Vorwärmen des Kreislauf-Schwelgases verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungsgas
nach dem Vortrocknen des Kreislaufgases zur Vorwärmung und Trocknung des Ölschiefers verwendet
wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwelrückstand
nach seinem Austrag aus dem Schwelzyklon-Reaktor in einem Behälter auf der Schweltemperatur
gehalten wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch den mittels Rühren oder
Drehtrommel bewegten Schwelrückstand Schwelgas nach Abscheidung der kondensierbaren Bestandteile
geleitet wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens so nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die
Gasabführung eines Schwelzyklon-Reaktors mit einem ölabscheider und der tangentiale Einführungsstutzen
des Schwelzyklon-Reaktors über ein Gebläse mit dem ölabscheider verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Wärmeaustauscher (4) zwischen dem Gebläse (23) und de"1
tangentialen Einführungsstutzen des Schwelzy"
Reaktors (10) befindet.
Reaktors (10) befindet.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Vorwärmer (2) für den zu schwelenden ölschiefer vor dem tangentialen
Einführungsstutzen (9) des Schwelzyklon-Reaktors (10) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch
gekennzeichnet, daß ein bei Temperaturen oberhalb des Taupunktes der Schwelgase arbeitender Staubabscheider
(16) zwischen Schwelzyklon-Reaktor (10)
und ölabscheider (19) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Staubabscheider (16) ein
Elektrofilter verwendet wird.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis
13, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoffaustrag
(12) des Schwelzyklon-Reaktors (10) mit einem Verbrennungsofen (26) und dessen Heißgasausgang
mit dem Wärmetauscher (4) verbunden ist
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis
14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nachschweltrommel
(13) am Feststoff-Abführstutzen (12) des Schwelzyklon-Reaktors (10) bzw. zwischen diesem
Abführstutzen (12) und der Verbrennungsvorrichtung (26) für Schwelrückstand vorgesehen ist
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