DE4032045A1 - Verfahren zur partiellen oxidation von bitumenoelemulsionen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur partiellen Oxidation von Bitumenölemulsionen, bei dem die Emulsion getrennt wird, das Bitumenöl auf eine Temperatur vorgeheizt wird, die eine adäquate Viskositätsminderung zur Folge hat und das Emulsionswasser nach Aufkonzentrierung dem Bitumenöl als zusätzlicher Moderator für die partielle Oxidation zugegeben wird.

Im Orinoco-Becken, Trinidad, Nordamerika und anderen Gebieten gibt es Schweröl- und Asphaltvorkommen, welche sich durch einen hohen Bitumengehalt auszeichnen. Diese erdölartigen Naturstoffe, die auch als Bitumenöl bezeichnet werden, zeichnen sich dadurch aus, daß sie nur mittels viskositätsmindernder Verfahren gefördert werden und nicht durch übliche Raffinerie-Verfahren aufgearbeitet werden können. Das zur Zeit besonders im Orinoco-Becken verbreitete Förderverfahren besteht aus einer Emulgierung des Bitumenöls in der Lagerstätte, Fördern der Emulsion und weitere Bearbeitung und Transport. Während der weiteren Bearbeitung wird das salzhaltige Emulsionswasser der Primäremulsion mit salzarmem Flußwasser ersetzt. Diese Sekundäremulsion kann zwischengelagert, durch Rohrleitungen und mittels Öltankern transportiert werden.

Die Emulgierung der Bitumenöle mit Wasser bewirkt eine erhebliche Minderung der hohen Viskosität dieser Öle. Die ursprüngliche Viskosität von über 10 000 cp bei Umgebungstemperatur wird durch Emulgierung auf 400 bis 1200 cP gemindert. Erst diese Viskositätsminderung erlaubt die Förderung, den Transport und die Weiterverarbeitung des Bitumenöls. Der Wassergehalt der Emulsion ist ungefähr 30 Gew.-% Wasser und 70 Gew.-% Bitumenöl. Durch den hohen Bitumengehalt kann das Bitumenöl nicht durch herkömmliche Raffinerieverfahren verarbeitet werden.

Zur Zeit wird die Bitumenölemulsion als Kraftwerkbrennstoff verwendet. Der hohe Schwefelgehalt der Bitumenöle von 3-4% bewirkt eine entsprechende Umweltbelastung, die in industrialisierten Ländern in zunehmendem Maße nicht länger akzeptiert wird. Die Alternative, die sich anbietet, ist die Herstellung von entschwefeltem Brenngas durch partielle Oxidation der Bitumenölemulsion zu einem Rohgas, das hauptsächlich aus CO und H₂ besteht, und anschließender Reinigung des Rohgases zu einem entschwefelten Brenngas, um dieses Brenngas dann in einem Kombizykluskraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie zu verbrauchen. Ein Kombizykluskraftwerk, das heißt ein Gas- und Dampfturbinen-Prozeß mit vorgeschalteter partieller Oxidation (Vergasung) ist von Jochen Keller unter dem Titel "DIVERSIFICATION OF FEEDSTOCKS AND PRODUCTS: RECENT TRENDS IN THE DEVELOPMENT OF SOLID FUEL GASIFICATION USING THE TEXACO AND THE HTW PROCESS", erschienen in Fuel Processing Technology Nr. 24, (1990) S. 247-268, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHING B.V., Amsterdam, beschrieben worden, allerdings bezieht sich der Bericht auf die Vergasung fester Brennstoffe.

Es ist aber auch bekannt, schwerflüssige Brennstoffe wie z. B. den Mineralölrückstand aus der Vacuum-Destillation in einer Vergasung partiell zu oxidieren (siehe L. Nelson, J. Brady, "NEW OPPORTUNITIES FOR FUEL OIL IN POWER GENERATION: HEAVY RESIDUE GASIFICATION SCHEMES", Vortrag Institute of Petroleum, London, February 19, 1990), so daß die Vergasung in einem Kombizykluskraftwerk durchaus mit schwerflüssigem Brennstoff betrieben werden kann.

Eine spezielle Art eines schwerflüssigen Brennstoffes stellt die vorerwähnte Bitumenölemulsion dar, deren Gewinnung und Eigenschaften von I. Layrisse, H. Rivas et al, "PRODUCTION, TREATMENT AND TRANSPORTATION OF A NEW FUEL: ORIMULSION (TM)", Vortrag: 12TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON SLURRY TECHNOLOGY, New Orleans, Louisiana, USA, March 31-April 3, 1987, dargestellt wird. Das Rohgas aus der partiellen Oxidation von Bitumenölemulsion enthält neben CO, H₂, CO₂, CH₄ als Verunreinigungen Ruß, 1-2% bezogen auf das eingesetzte Öl und Schwefelkomponenten wie H₂S und COS. Der Ruß und die Schwefelkomponenten werden in mehreren Gaswaschstufen entfernt, das gereinigte Gas wird als Brenngas unter Druck einer Gasturbine zugeführt.

Die partielle Oxidation von Bitumenölemulsion kann auch zur Erzeugung von Synthesegas oder Wasserstoff verwendet werden, als Zwischenstufe zur Erzeugung einer breiten Palette von Chemieprodukten wie z. B. Methanol, Ammoniak, Oxoprodukte, Ameisensäure und Essigsäure.

Die Konzepte zur partiellen Oxidation von Bitumenöl basieren auf der moderaten Viskosität der Bitumenölemulsion. Diese ermöglicht das Pumpen der Emulsion und das Zerstäuben der Emulsion in einem für die Ölvergasung typischen Brenner.

Der Ölvergasungsbrenner führt die Reaktanden - Bitumenölemulsion und Sauerstoff - in den Vergasungsreaktor und zerstäubt die Bitumenölemulsion am Brennermund durch die erhöhten Gasgeschwindigkeiten der Reaktanden. Die Zerstäubung ist nur möglich, wenn der flüssige Einsatzstoff eine mittlere Viskosität von 2000-3000 cP nicht überschreitet. Nachteilig wirkt sich der hohe Wasseranteil der Bitumenölemulsion aus, weil das Wasser in der Vergasungszone verdampft und auf die Vergasungstemperatur von 1300-1500°C aufgeheizt wird. Dieser zusätzliche Wärmebedarf wird durch zusätzlichen Sauerstoff- und Ölverbrauch gedeckt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur partiellen Oxidation von Bitumenölen so zu gestalten, daß die relativ hohe Menge an Emulsionswasser nicht in den Reaktionsraum gelangt und somit die spezifischen Verbräuche an Bitumenöl und Sauerstoff gemindert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bitumenölemulsion durch Aufheizen in Bitumenöl und Emulsionswasser getrennt wird, das Bitumenöl weiter auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die das Bitumenöl zerstäubungsfähig macht und daß, nach Aufkonzentrierung des organisch belasteten Emulsionswassers durch Verdampfung, nur ein Teil des ursprünglichen Emulsionswassers als Vergasungsmoderator dem Bitumenöl zugegeben wird. Als Zusatzmoderator kann Dampf verwendet werden. Der hohe Wärmebedarf für die Verdampfung von Emulsionswasser wird dadurch nicht mit einem zusätzlichen Verbrauch von Vergasungsrohstoffen gedeckt, sondern mit Niederdruckdampf, der in jeder Anlage zur partiellen Oxidation vorhanden und energetisch schwer verwertbar ist. Der Niederdruckdampf wird zur Eindampfung des Emulsionswassers bei niedrigem Druck verwendet.

In der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der partiellen Oxidation von Bitumenölemulsion Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel eingesetzt, wobei der Reinheitsgrad des Sauerstoffs aus dem Bereich von 50% bis <99,8% Volumen-Prozenten einen für die optimale Prozeßführung angepaßten Wert besitzt. Hier eröffnet dies erfindungsgemäße Verfahren auf überraschende Weise die Möglichkeit, sowohl Luft oder auch Sauerstoff niedrigen Reinheitsgrades (50-65%) als Oxidationsmittel zu verwenden, weil der Brennstoff Bitumenöl von seinem unbrennbaren Ballast, - dem Emulsionswasser -, befreit wird.

Gemäß dem Erfindungsgedanken wird das mit schweren Kohlenwasserstoffen belastete Emulsionswasser nach Aufkonzentrierung in der Vergasung entsorgt. Die hohen Vergasungstemperaturen gewährleisten den vollständigen oxidativen Abbau dieser Stoffe zu CO, H₂, CO₂ und anderen einfachen Gaskomponenten.

Die Eindampfung von Emulsionswasser kann soweit getrieben werden, daß die für die partielle Oxidation benötigte Menge an Moderatorwasser größer ist als die Menge an eingedampftem Emulsionswasser. In diesem Fall kann die Differenzmenge rückgeführtes Rußwasser aus der Anlage zur partiellen Oxidation oder ein Abwassser aus einer anderen Anlage sein.

Ruß entsteht im Rohgas aus einer partiellen Oxidation und wird in einer Wasserwäsche ausgewaschen. Das Rußwasser fällt mit einer niedrigen Rußkonzentration von 0,5 bis 1,5 Gew.-% an. In weiteren Bearbeitungsstufen kann der Rußgehalt bis auf 20% Ruß im Gemisch Ruß/Wasser erhöht werden.

Als Optimierung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die durch Emulsionswasserverdampfung entstehenden Brüden entweder zur Vorheizung der Bitumenölemulsion verwendet und/oder nach Brüdenkompression als Niederdruckdampf für die Eindampfung von Emulsionswasser verwendet.

Die bei der Abkühlung der Brüden entstehenden Brüdenkondensate werden als Quenchwasser für das heiße Rohgas aus der Vergasung verwendet. Dadurch mindert sich der Frischwasserbedarf der Quenchstufe.

Bei einer Anlage zur Erzeugung von Brenngas bietet sich als alternative Verwendungsmöglichkeit für die Brüdenkondensate die Aufsättigung des entschwefelten Brenngases an, um durch die Erhöhung des Einsatz-Massenflusses für eine Gasturbine zusätzliche Wärme auf niedrigem Temperaturniveau zur Stromerzeugung zu verwenden oder um durch Moderation der Verbrennung den Ausstoß an NOx zu mindern.

Im Falle von Emulsionswasser mit erhöhter Salzkonzentration wird das Emulsionswasser einer Entsalzung unterworfen, die sowohl vor als auch nach der Eindampfung durchgeführt werden kann. Als Entsalzungsverfahren können Ionenaustauscherverfahren, Umkehrosmose oder Elektrodialyse verwendet werden.

Das aus der Emulsion abgetrennte Bitumenöl wird in einer Spitzenvorheizung auf Einsatztemperatur gebracht und wird in die mit Überdruck betriebene partielle Oxidation gepumpt und erfährt dabei eine Druckerhöhung. Diese Spitzenvorheizung kann entweder vor der Druckerhöhung oder danach vorgenommen werden.

Im folgenden ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Gemäß Fig. 1 wird die Bitumenölemulsion aus Leitung 1 im Wärmetauscher 3 auf eine Temperatur von 100 bis 130°C vorgeheizt gemäß der Brüdenmenge, die über Leitung 2 aus der Emulsionswasser-Eindampfung zugeführt wird. Die vorgeheizte Emulsion wird über Leitung 4 dem Wärmetauscher 7 zugeführt und mittels Niederdruckdampf über Leitung 6 auf 140 bis 160°C aufgeheizt. Die durch Temperaturerhöhung destabilisierte Emulsion wird über Leitung 9 einer Emulsionstrennstufe 10 zugeführt, die sowohl eine Emulsion-Schwerkrafttrennung als auch eine Kombination von Schwerkrafttrennung und nachfolgender Emulsion-Trennung im elektrostatischen Feld sein kann. Das Bitumenöl mit einem Wasserrest von 1 bis 3% gelangt über Leitung 11 in den mit Mitteldruckdampf über Leitung 27 beheizten Bitumenöl- Aufheizer 28. Das Bitumenöl mit einer Austrittstemperatur von wenigstens 200°C wird über Leitung 29 der Zwischenlagerung 31 zugeführt. Die Viskosität des Bitumenöls bei dieser Temperatur ist unter 3000 cP. Das heiße Bitumenöl in Leitung 32 wird mittels der Hochdruckpumpe 33 auf einen Druck gebracht, der über dem Vergasungsdruck liegt.

Die Leitungen 8 aus Wärmetauscher 7 und 30 aus dem Bitumenöl-Aufheizer 28 führen Dampfkondensate ab.

Das Emulsionswasser in Leitung 12 gelangt in die Eindampfungsstufe 14. Die Eindampfung wird mittels Niederdruckdampf über Leitung 13 durchgeführt. Der Eindampfungsdruck liegt zwischen 2 und 5 bar absolut. Um Niederdruckdampf einzusparen, können die Brüden oder ein Teil der Brüden aus den Leitungen 17 und 18 mit dem Brüdenverdichter 19 auf den nötigen Einsatzdampfdruck gebracht werden und über Leitung 20 der Eindampfung zugeführt werden.

Die Brüden oder ein Teil der Brüden aus Leitung 17 werden über die Leitung 2 zum Vorheizen der Bitumenölemulsion im Wärmetauscher 3 verwendet.

Die kondensierten Brüden aus Leitung 5 und 16 werden zum Quenchen von dem in der partiellen Oxidation erzeugten heißen Rohgas verwendet.

Das eingedampfte Emulsionswasser wird aus Leitung 15 mit der Hochdruckpumpe 21 auf einen Druck gebracht, der über dem Vergasungsdruck liegt. Über Leitung 22 wird das eingedampfte Emulsionswasser im Emulsionswasser-Aufheizer 25 auf über 200°C aufgeheizt. Die Aufheizung erfolgt mit Mitteldruckdampf über Leitung 24. Über Leitung 26 wird Dampfkondensat abgeführt. Das eingedampfte Emulsionswasser wird über Leitung 35 dem Bitumenöl aus Leitung 34 zugemischt und der Vergasung 39 zugeführt. Das eingedampfte Emulsionswasser wird sowohl als Moderator in der Vergasung verwendet, um die Vergasungstemperatur zu begrenzen, als auch als Ölzerstäubungsmittel durch rapide Verdampfung am Brennermund bei Temperaturen von über 1300°C. Durch das Aufheizen des eingedampften Emulsionswassers wird der Verbrauch an Oxidationsmitteln gesenkt und das Abkühlen des Bitumenöls vermieden.

Die partielle Oxidation von Bitumenöl wird in der Vergasungsstufe 39 durchgeführt. Das Bitumenöl über Leitung 34, eingedampftes Emulsionswasser als Moderator über Leitung 35 und Sauerstoff oder Luft über Leitung 38 werden mittels Vergasungsbrenner in den Vergasungsraum eingeführt. Am Brenneraustritt werden die Reaktanden zerstäubt und gemischt, die exotherme partielle Oxidation findet bei Temperaturen von 1300 bis 1500°C statt. Der Vergasungsdruck kann zwischen 10 und 90 bar liegen. Das erzeugte Rohgas 40 enthält hauptsächlich CO und H₂. Andere Rohgaskomponenten sind CO₂, CH₄, H₂O, H₂S, COS, N₂ und Ar.

In einer anderen Ausführungsvariante kann dem heißen Bitumenöl in Leitung 34 zusätzlich zu dem eingedampften Emulsionswasser aus Leitung 35 auch Hochdruckdampf über Leitung 36 zugemischt werden, falls eine Änderung der Eigenschaften des in der Vergasung 39 entstehenden Rußes gewünscht wird.

In einer anderen Ausführungsvariante kann als zusätzlicher Vergasungsmoderator rückgeführte Rußwassersuspension aus dem Quenchteil der Vergasung oder ein schwer zu entsorgendes Abwasser über die Leitung 23 dem Restemulsionswasser zugemischt werden. In diesem Fall wird die Eindampfung von Emulsionswasser so weit getrieben, daß die nötige Gesamtmenge an Moderatorwasser aus Leitung 35 größer ist als die Menge an eingedampftem Emulsionswasser aus Leitung 15. Die nötige Differenzmenge an Wasser wird über Leitung 23 abgeglichen. Falls Rußwassersuspension über Leitung 23 zugeführt wird, kann es sowohl als verdünnte Suspension als auch als Rußschlamm der Vergasung zugeführt werden.

In beiliegender Tabelle A sind einige Daten zu den erfindungsgemäßen Ausführungen des Verfahrens zusammengefaßt: Verfahren Ia und Ib wie auch Daten zu dem Verfahren gemäß dem bisherigen Stand der Technik: Verfahren II.

Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren zur partiellen Oxidation von Bitumenölemulsionen mit Emulsionswasser-Eindampfung:

• a: Die Menge an eingedampftem Emulsionswasser, Leitung 15 entspricht der nötigen Menge an Moderatorwasser, Leitung 35.
• b: Die Menge an eingedampftem Emulsionswasser, Leitung 15, ist geringer als die nötige Menge an Moderatorwasser, Leitung 35. Die Differenzmenge ist rückgeführte Rußwassersuspension oder Abwasser, Leitung 23.
  Aus der Tabelle A ist ersichtlich, daß die Vergasung von Bitumenölemulsion gegenüber der erfindungsgemäßen Vergasung von Bitumenöl und eingedampftem Emulsionswasser zur Erzeugung gleicher Mengen an Wertgas, CO und H₂ erhebliche Mehrverbräuche verursacht:
  5% mehr Bitumenöl, 16,3% mehr Sauerstoff und entsprechend mehr elektrische Energie für die Erzeugung von Hochdrucksauerstoff.

Bei einer energetischen Bewertung der Verbrauchszahlen, bezogen auf elektrischen Strom, der spezifisch erzeugt werden könnte:

• - für Sattdampf: 0,12 MW el./t Dampf
• - für Bitumenöl: 4,4 MW el./t Öl

ergeben sich Einsparungen an elektrischer Energie von 10,4 MWh/h für die erfindungsgemäße Ausführung der partiellen Oxidation von Bitumenöl gegenüber der partiellen Oxidation von Bitumenölemulsion.

Tabelle A

Partielle Oxidation von Bitumenöl (I) im Vergleich zur partiellen Oxidation von Bitumenölemulsion (II)

Claims (9)

1. Verfahren zur partiellen Oxidation von Bitumenölemulsionen mit Sauerstoff oder Luft, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitumenölemulsion durch Aufheizen und Trennverfahren in Bitumenöl und Emulsionswasser getrennt wird und daß das Emulsionswasser eingedampft und als Moderator für die partielle Oxidation von Bitumenöl verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch verstärkte Eindampfung die Menge an eingedampftem Emulsionswasser geringer ist als die nötige Moderatormenge für die partielle Oxidation von Bitumenöl und daß die Differenzmenge an nötigem Moderator rückgeführte Rußwassersuspension oder Abwasser ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration an Ruß in der Rußwassersuspension zwischen 0,5% bis 20% ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzmoderator Dampf verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brüden aus der Eindampfung von Emulsionswasser zur Vorheizung der Bitumenölemulsion und/oder nach Brüdenkompression zur Eindampfung von Emulsionswasser verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Kühlung der Brüden in der Emulsionswasser-Eindampfung entstandenen Brüdenkondensate als Quenchwasser für die Kühlung des Rohgases aus der partiellen Oxidation verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Brüdenkondensat als Zusatzwasser zur Aufsättigung von erzeugtem Brenngas verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stark salzhaltiges Emulsionswasser oder eingedampftes Emulsionswasser einer Entsalzung unterworfen und dann als Moderator für die partielle Oxidation verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzenvorheizung für Bitumenöl sowohl vor, als auch nach der Druckerhöhung vorgenommen werden kann.