DD269156A1 - Verfahren zur plasmapyrolyse hochviskoser, teerartiger, kohlenwasserstoffhaltiger produkte - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plasmapyrolyse hochviskoser, teerartiger, kohlenwasserstoffhaltiger Produkte mit dem Ziel einer rationellen Nutzung der in diesen Stoffen enthaltenden Kohlenstoff- bzw. Wasserstoffsubstanz zur Herstellung ungesaettigter C2-Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid im Wasserstoff-Plasmastrahl. Aus einem thermostatierten Vorratsbehaelter werden mittels Kolbendruck Teeroel-Feststoff-Rueckstaende aus der Kohle-Druckvergasung in die Zumischebene eines Plasmareaktors gedrueckt und dort ueber eine oder mehrere duesenartige Verengungen in ein turbulentes Wasserstoffplasma seitlich und senkrecht zur Stroemungsrichtung des Plasmas eingespritzt. Infolge geeigneter Wahl der Einspritzbedingungen kommt es zu einem Zerreissen des eingespritzten Substanzstromes durch das Plasma, zur Bildung von Troepfchen, ihrer Verwirbelung, Aufheizung und ihren thermischen Abbau mit anschliessender chemischer Umsetzung, insbesondere zu Acetylen, Aethylen und Methan enthaltendem Pyrolysegas.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft die Plasmapyrolyse von flüssigen bzw. verflüssigbaren Kohlenwasserstoffen und von kohlenwasserstoffhaltigen Substraten, insbesondere von Teeröl-FeststotVrückständen aus der Kohle-Druckvergasung, zu vorzugsweise ungesättigten Kohlenwasserstoffen, vor allem Acetylen und Äthylen, im Wasserstoff-Plasmastrahl.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

In den letzten Jahrzehnten sind international eine Reihe von Verfahren zur plasmachemischen Stoffwandlung entwickelt und auch technisch realisiert worden, die zunehmend als Ausgangsmaterial zähflüssige, bituminöse, aber auch feste Kohlenstoffträger, einsetzen. Diese Erfindungen haben das Ziel, plasmachemische Stoffwandlungen hoher Ausbeute und mit möglichst geringem Energieaufwand zu betreigen. Es werden Wege aufgezeigt, wie mit Braunkohle ode; deren Extrakte als Eiiisatzstoffe plasmachemische Stoffwandlungen durchzuführen sind. In DD-144533 wird ein Verfahren angegeben, wo in ein thermisches Lichtbogen-, Funkenbogen- oder Strahiplasma mit Wasserstoff als Trägergas, sauerstoffarme, bituminöse und kohlenstoffreiche Braunkohle-Inhaltsstoffe in fester oder flüssiger Form eingespeist und aufgeheizt werden. Die qebildeten Spaltprodukte werden gequencht und insbesondere fallen Acetylen, Äthylen und Methan als Gase an. In der PS-DD-159081 werden Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung flüssiger oder verflüssigbarer Kohlenstoffträger zu vorzugsweise Acetylen und Äthylen angegeben. De bei werden die umzusetzenden Ausgangs-Kohlenwasserstoffe vernebelt und als Tröpfchenwolke mit einem turbulenten Wasserstoff-Plasmastrahl vermischt. In dem Patent US-3697612 und in der DE-OS 2731042 werden Verfahren und Vorrichtung beschrieben, die als Ausgangsmate^rlai Kohle einsetzen. Ebenfalls mit der Umsetzung von Kohle, die im Gemisch mit Wasserstoff bzw. Methan als Träger einer elektrischen Bogenentladung zugeführt wird, befassen sich die Patente US-4378232; US-4358629 und GB-1089092. In einem ünderen Verfahren wird pulverisierte Kohle im Gemisch mit einem Öl oder gasförmigen Kohlenwasserstoff in eine Lichtbogenkammer eingebracht (US-4010090).

Die Viskosität einer flüssigen Kohle-Suspension läßt sich auch durch die Zugabe von CO₂-GaS in Gestalt feit er Blasen vor der Einführung in einen Plasme-Reaktor weiter herabsetzen (US-456?196). Die Herstellung von Acetylen und Synthesegas mit Hilfe eines Wasserstoffplasmas, wobei Braunkohle als Ausgangsmat. ial dient, wird in der Schrift DD-114395 beschrieben. Feinkörnige Braunkohle mit einem Teilchendurchmesssr < 1 mm wird ohne oder mit Hilfe eines geeigneten Trägergases durch einen Plasmabrenner ufer direkt in einen Plasmareaktor geführt und unterhalb der Sublimationstemperatur des Kohlenstoffs umgesetzt.

Die bisherigen Verfahren beschränken sich auf die Pyrolyse von Feststoffen (z.B. Kohle) bzw. auf die Umsetzung von Flüssigkeiten (Öle, Kohleinhaltsstoffe) oder auf Gemische aus beiden Komponenten. Dabei wird in den meisten Fällen dem elektrischen Lichtbogen aus technischen und hisiorischen Gründen gegenüber dem Plasmastrahl der Vorzug gegeben. Gewisse Vorteile bietet auch die Einspeisung der Ausgangs-Kohlenwasserstoffe in einen Unterdruck-Reaktor. Bei der plasmachemischen Umsetzung der Kohle erfordern die Mahlung auf Korngrößen von einigen hundertstel Millimetern und Trocknung einen erhöhten Aufwand. Zur Pyrolyse der feingemahlenen Feststoffe werden teilweise Suspensionen mit Flüssigkeiten hergestellt sowie zusätzlich Hilfsgase für die Einbringung in das Plasma eingesetzt. Die vorliegende Erfindung zeigt einen Weg, wie hochviskose bzw. bei Normaltemperatur feste Kohlenwasserstoffe, die zum Teil noch einen hohen Aschegehalt besitzen, einer Plasmapyrolyse zugänglich gemacht werden können.

Ziel der Erfindung ist die Herstellung ungesättigter Cj-Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid auf der Basis von hochviskosen, teeraitigen bzw. bei NormaltemperaUir festen Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Teeröl-Foststoff-Rückständen aus der Kohle-Druckvergasung, bher auch von Kohlenwasserstoffen anderer Herkunft (z.B. aus der Erdölverarbeitung) mit ähnlichen physikalischen-chemischen Eigenschaften, durch eine Pyrolyse im Wasserstoffplasma.

Darlegung des Wesens dor Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur komplexen stofflichen Nutzung der Kohlenstoff-Wasserstoff-Substanz, von Teeröl-^Ceststoff-Rückständen aus der Kohle-Druckvergasung, aber auch von Kohlenwasserstoffen anderer Herkunft mit ähnlichen stofflichen Eigenschaften zu entwickeln. Dabei soll eine aufwendige Trocknung der Ausgangs-Kohlenwasserstoffe sowie ihre Mahlung auf geringe Korngrößen umgangen und ein·¹ maAimale stoffliche Nutzung der mit dem Kohlenstoffträger in den Prozeß eingebrachten Kohlenstoff- und Wasserstoffsubstanz erreicht werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß aus einem thermostatierten Vorratsbehälter mittels Kolbendrucks hochviskose teerartige kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsprodukte über Verbindungsleitungen von höchstens 1 m Länge bei erhöhtem Druck (<1Oat) und unter Beibehaltung der Vorwärmtemperatur (vorzugsweise 80 bis 130^cC) in die Zumischebene eines Plasmareaktors gedrückt und dort über eine odor mehrere düsenartige Verengungen in ein turbulentes Wasserstoffplasma seitlich und senkrecht zur Strömungsrichtun^ '.Os Plasmas eingespritzt werden.

Infolge geeigneter Wahl der Einspritzbedingungen und der Turbulenz der Plasmaströmung kommt es zu einem Zerreißen dos eirnespritzten Substanzstromes, zur Bildung von Tröpfchen, ihrer Verwirbelung, Aufheizung und ihrem thermischen Abbau rr.it anschließender chemischer Umsetzung, insbesondere zu Acetylen, Äthylen, Kohlenmonoxid und Methan enthaltendem Pyrtlyseyis, das in an sich bekannter Weise am Reaktorausgang abgeschreckt und weggeleitet wird. Die besonderen Vorteile der Erfindung bestehen zum einen darin, daß eine neue Stoffklasse von hochviskosen, teerartigen, ko'ik iwasserstoffhaltigen Produkten wie z. B. Teeröl-Feststoff-Rückstände aus der Kohle-Druckvergasung, die bisher eier Deponie zugeführt wurden, für die plasmachemische Acetylensynthese erschlossen wird, zum anderen werden durch die Art der Bevorratung, Vorwärmung und Zuführung, d. h. Wahl der Einspritzbedingungen in das Plasma durch Korrelation der Parameter von Einsatzstoffen ur .!Plasma, die Nachteile bisher bekannter Verfahren, wie z.B. Trocknung und Mahlung sowie unvollständige Umsetzung der Einsatzstoffe, vermieden.

Ausführungsbeispiele

Beispiel 1:

Plasmapyrolyse von Visbreakor-Rückständen

Visbreaker, ein Rückstand aus der Erdöl-Spaltung und bei Raumtemperaturen eine homogene sirupartige Masse der Zusammensetzung 85Ma.-% Kohlenstoff, 10Ma.-% Wasserstoff und 5% Sand bzw. Schlacke wird in einem Vorratsbehälter, dessen Boden als beweglicher Kolben ausgebildet ist, auf 13O⁰C erwärmt und aus diesem mittels Kolbendrucks in die Zumischebene des Plasmareaktors geleitet. Zur Vermeidung von Verkokungen in den Zuleitungen empfiehlt sich eine Konstanthaltung und Kontrolle der Vorwärmtemperatur vom Vorratszylinder bis hin zur Zumischebene. Die Einspeisung in das Plasma erfolgt bei Drücken bis max. 10 at über drei gleichmäßig über den Reaktorumfang verteilte düsenartige Verengungen von I mm Durchmesser senkrecht zur Plasmaströmung. Das durch din Plasmapyrolyse der Visbreaker Rückstände erzeugte und nach Quenchung den Reaktor verlassende Pyrolysegas hat folgende Zusammensetzung:

	— 82,9VoI.-%
C2H2	— 11,4Vol.-%
CH4	— 2,5VoI.-%
C2H4	— 1,1 Vol. -%
CO	— 0,6VoI.-%

Sonstige — 1,5Vol.-%

Beispiel 2:

Plasmapyrolyse von Teeröl-Feststoff-Gemischen

Die für die Plasmapyrolyse eingesetzten Teeröl-Feststoff-Gemische der Kohle-Druckvergasung bilden bßi Raumtemperatur eine hochviskose, heterogene Masse aus Teer und Wasser. Die Elementaranalyse liefert 66,2 Ma.-% Kohlenotoff und 6,8Ma.-% Wasserstoff, das entspricht einem Molverhältnis C:H = 5,5:6,8.

Das kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsprodukt (Staubdickteerj wird in einem Vorratsbehälter, dessen Boden als beweglicher Kolben ausgebildet ist, auf 90°C erwärmt und aus diesem unter Konstanthaltung der Vorwärmtemperatur mittels Kolbendrucks über eine max. 1 m lange Leitung in die Zwischenebene des Plasmareaktors geleitet. Die Einspeisung in das Plasma erfolgt unter erhöhtem Druck (<10at) über eine seitlich in der Reaktorwand befindliche düsenartige Verengung von 2mm Durchmesser senkrecht zur Plasmaströmung. Das durch die Pyrolyse von Staubdickteor im Wasserstoffplasma erzeugte und nach Quenchung den Reaktor verlassende Pyrolysegas hat folgende Zusammensetzung:

H2	— 69,5Vol.-%
C2H2	— 14,0Vol.-%
CH4	— 5,0Vol.-%
C2H4	— 2,0 Vol.-%
CO	— 8,5Vol.-%
Sonstige	-τ 1,5Vol.-%

Claims (2)

1. Verfahren zur Plasmapyrolyse von hochviskoser, teorartiger, kohlenwasserstofföl Itiger Produkte, insbesondere von Teeröl-Feststoff-Rückständen aus der Kohle-Druck-Vergasung nr\ Wasserstoffplasma bei Temperaturen von 2000 bis 3500K unter Bildung von vorzugsweise acetylen- und äthylenhaltigem Pyrolysegas und Kohlenmonoxid, dadurch gekennzeichnet, daß die teerartigen kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsprodukte in einem Vorratsbehälter, dessen Boden als beweglicher Kolben ausgebildet ist, auf vorzugsweise 80 bis 13O⁰C erwärmt und an diesem mit einem Druck bis max. 10at über Verbindungsleitungen von höchstens 1 m Länge unter Aufrechterhaltung der Temperatur in die Zumischebene des Plasmareaktors gefördert und dort über eine oder mehrere düsenartige Verengungen senkrecht zur Strömungsrichtung des turbulenten Plasmastrahls dem Plasma derart zugeführt werd n, daß es zum Zerreißen des eingespritzten Substanzstromes durch das Plasma, zur Bildung von Tröpfchen, ihrer Verwirbelung, Aufheizung und ihrem thermischen Abbau mit anschließender chemischer Umsetzung kommt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, ausgehend von der pro Zeiteinheit im Plasmastrahl maximal umsetzbaren Substanzmenge Düsendurchmesser und Einspritzdruck so gewählt werden, daß der gesamte Substanzstrom in Tröpfchen zerrissen wird, wobei optimale Pyrolysebedingungen bei mittleren Tröpfchendurchmesser von 100 bis 300 μηι mit Verweilzeiten in der Reaktionszone von höchstens 4 · 10~³s gegeben sind.