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EP2686405A1 - Verfahren zur kontinuierlichen gewinnung von synthesegas aus ölsand und/oder ölschiefer - Google Patents

Verfahren zur kontinuierlichen gewinnung von synthesegas aus ölsand und/oder ölschiefer

Info

Publication number
EP2686405A1
EP2686405A1 EP12714215.6A EP12714215A EP2686405A1 EP 2686405 A1 EP2686405 A1 EP 2686405A1 EP 12714215 A EP12714215 A EP 12714215A EP 2686405 A1 EP2686405 A1 EP 2686405A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
oil
gas
process space
vertical process
bulk material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12714215.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Stumpf
Ulf Boenkendorf
Leonhard Baumann
Roland Möller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ecoloop GmbH
Original Assignee
Ecoloop GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ecoloop GmbH filed Critical Ecoloop GmbH
Publication of EP2686405A1 publication Critical patent/EP2686405A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/02—Fixed-bed gasification of lump fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B53/00—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form
    • C10B53/06—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form of oil shale and/or or bituminous rocks
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10G2/30—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon from carbon monoxide with hydrogen
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    • C10J2300/16—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant
    • C10J2300/164—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant with conversion of synthesis gas
    • C10J2300/1656—Conversion of synthesis gas to chemicals
    • C10J2300/1659—Conversion of synthesis gas to chemicals to liquid hydrocarbons
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the present invention is directed to a process for the continuous recovery of synthesis gas by direct gasification of carbon contents contained in oil sands and / or oil shales in a vertical process space having a calcining zone and an oxidation zone in which the calcined high carbonaceous portions oxidize with oxygen containing gas Reaction products are withdrawn at the top of the vertical reaction space, the vertical process space is formed in the form of a vertical shaft furnace, which is continuously flowed through from a bulk material, which is not oxidized, from top to bottom, the oxygen-containing gas is at least partially introduced below the oxidation zone whereby the ascending gas stream is conveyed by providing the bulk material at least partly by the natural inert rock content in the oil sands and / or the oil shale, by addition of alkaline substances under reductive conditions, those in the vertical process space at temperatures above 400 ° C arising from the components of the oil sands and / or oil shale gaseous
  • CONFIRMATION COPY Due to the sharp increase in global demand for fossil fuels and oil-based raw materials, as well as the long-term expected shortage of conventional crude oil reserves, the extraction of energy sources and raw materials from oil shale and / or oil sands deposits is becoming increasingly important.
  • Naturally occurring oil sands or oil shales are made from natural rock and contain up to 20% of a bitumen mixture.
  • This bitumen mixture contains essentially organic carbon compounds of different molecular weights and boiling points.
  • bitumen mixture In order to make these carbon compounds accessible for targeted extraction, the bitumen mixture must first be separated from the fraction of earth rock.
  • the bitumen-containing rock mass is removed with Abhoffmbag or wheel loaders and transported by heavy-duty vehicles to the treatment plants.
  • the treatment is usually carried out in the following process steps: 1. Breaking / crushing of the rock usually under
  • first extraction step where sediment and water as a lower separating layer, and bitumen forms with foam as the upper separating layer.
  • bitumen is usually dissolved in an organic solvent (usually "naphtha", which is a product of the light oil extraction process).
  • naphtha which is a product of the light oil extraction process.
  • crude bitumen is obtained.
  • the raw bitumen is transferred to a subsequent bitumen preparation ("upgrading").
  • the raw bitumen is (if applicable from both extraction methods) brought together in the next processing plant ("upgrading"), where the following process steps are usually carried out:
  • pet coke In the end, there remains an insoluble residue, the so-called pet coke. This may contain up to 10% sulfur depending on the feedstock. 10.
  • the gaseous hydrocarbons from the distillation are separated by fractional condensation in naphtha, kerosene and gas oil, with naphtha is usually at least partially recycled to the process.
  • desulfurization may take place in the further step. This is usually done by means of hydrogenation and separation of elemental sulfur. 12.
  • At the end of the process is the storage and removal of the liquid fractions.
  • the high water requirement of the process leads, despite efforts to at least partially circulation mode, to a correspondingly high amount of contaminated wastewater.
  • this mainly contains residual concentrations of bitumen, polycyclic aromatics, also known as PAHs, and heavy metals.
  • PAH polycyclic aromatics
  • the PAH is a mixture of aromatic organic substances of various molecular weights. Such PAH mixtures usually also contain highly toxic substances.
  • benzo (a) pyrene is suspected of causing cancer.
  • Residual pet coke contains sulfur in concentrations of up to 10%. This is basically a valuable source of energy. However, this can planning processes due to its extreme sulfur content not readily Burn ⁇ , eg for generating steam or hot be used water. The guarantee of environmentally sound, thermal recycling is therefore questionable, and if at all possible only with disproportionate effort for a flue gas desulfurization.
  • a process should be provided that protects fossil resources (such as natural gas) and that can generate enough energy from its own resources to provide the recovery process with the necessary self-energy needs.
  • low-sulfur synthesis gas is obtained by oxidizing by direct gasification of carbon filaments contained in oil sands and / or oil shales in a vertical process chamber with a calcination zone and an oxidation zone in which the calcined carbon-rich portions oxidize with oxygen-containing gas the gaseous reaction products are withdrawn at the top of the vertical reaction space, the vertical process space is formed in the form of a Vertikalschachto ens, which is continuously flowed through from a bulk material, which is not oxidized, from top to bottom, the oxygen-containing gas at least partially below the Oxidation zone is introduced, whereby the ascending gas flow is promoted by the bulk material provided at least partially by the natural inert rock content in the oil sands and / or the oil shale, by the addition of alkaline substances u reductive conditions, which in vertical process space at temperatures above 400 ° C from the constituents of the oil sands and / or oil shale
  • a further preferred embodiment of the method according to the invention is to use metal oxides, metal carbonates, metal hydroxides or mixtures of two or three of these substances as alkaline substances. These can be metered specifically into the vertical process space or into the gas phase above the calcination zone. Another possibility is to add metal oxides, metal carbonates, metal hydroxides or mixtures of two or three of these substances to the oil sands and / or the oil shale before they enter the vertical process space.
  • the alkaline substances are at least partially in fine-grained Form are used with a particle size of less than 2 mm as a solid and / or as a suspension in water.
  • a particularly preferred embodiment turned out to be a variant in which the metal oxides, metal carbonates and metal hydroxides used contain elements of the alkali metals or elements of the alkaline earth metals and particularly preferably calcium as a cation.
  • Calcium has the advantage here that the corresponding starting materials calcium oxide, calcium carbonate or calcium hydroxide have suitable physical and chemical substance properties in order to achieve virtually optimum results with regard to binding of the gaseous sulfur compounds in the present process.
  • the resulting sulfur compounds of calcium are particularly suitable for being separated from the gas phase as a solid at a temperature of above 300 ° C.
  • Prior art methods often have significant process engineering problems caused by the formation of fission products containing oil or tar.
  • these problems are solved by carrying out a calcium-catalyzed reforming above 400.degree. C. in the vertical process space and / or in the gas phase of the withdrawn gaseous reaction products in the presence of steam and calcium oxide and / or calcium carbonate and / or calcium hydroxide becomes.
  • Substantial proportions of the resulting oil and / or tar-containing cleavage products which have a chain length of greater than C4, are converted into carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen.
  • the water vapor required can then be selectively metered into the Vertika ⁇ len process chamber and / or in the gas phase above the calcining zone.
  • An embodiment is also advantageous. form, in which water vapor from the residual moisture of the oil sands and / or the oil shale is provided in situ. In this case, it may be possible to dispense entirely with a dosage of water.
  • the method according to the invention can also be carried out in parallel with the method of the prior art described above for separating raw bitumen from the rock content of the oil sands or oil shale.
  • the fine-grained alkaline substances must be used in a ratio of at least 1 g per Nm 3 of resulting gaseous reaction products in order to achieve good results. This can also velvet dust concentration in the gas phase of the withdrawn gaseous reaction products of at least 1 g of solid per Nm 3 are ensured. This minimum dust concentration has been found to be necessary to ensure a stable process for the production of low-sulfur synthesis gas.
  • the bulk material moving bed required for the process is at least partially formed by the proportion of rock of the oil sands or oil shale used.
  • the method can be operated particularly advantageously if, as coarse material, minerals and / or other organic substances or substance mixtures are involved a grain size in the range of 2 mm to 300 mm are used. Good results are also obtained when wood and / or other biogenic materials having a particle size in the range from 2 mm to 300 mm are used as coarse material.
  • An important control variable for the operation of the process is the metered amount of the oxygen-containing gas and the resulting Alterlambda.
  • the process is carried out under reductive overall conditions, whereby a total lambda of less than 0.5 is set over all stages of the process space.
  • the process can also be operated with a total lambda of 0.3, or less.
  • the oxygen-containing gas can be supplied to the vertical process space in the form of pressure pulses.
  • the mechanical forces produced thereby contribute to the loosening and / or for F soldun ⁇ SUPPORTING the bulk material.
  • These pressure pulses can be triggered, for example, at regular intervals to prevent bridging or blockages in the bulk material already in its formation.
  • the process according to the invention has the advantage that the crude bitumen contained in the oil sands / oil shales no longer has to be isolated from the rock mass via costly and environmentally harmful separation processes, but in a single process Process step particularly efficient and environmentally compatible in a high-quality synthesis gas consisting essentially of carbon monoxide, hydrogen and lower hydrocarbons can be converted.
  • a particular advantage is that the synthesis gas thus obtained is very pure and in particular low in sulfur and thus can be made available for a variety of other uses.
  • This embodiment is particularly of great advantage because the otherwise accumulating sediments and wastewater in the separation of Rohbitumens or otherwise incurred pet coke process reasons do not arise, but rather a complete transfer of the entire organic components of the oil sands / oil shale done in synthesis gas can.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the method according to the invention. This should explain the process, but not limit.
  • the oil sands or oil shale (A) obtained in open-pit mining are mechanically crushed by crushers (1) to a particle size of less than 30 cm and a countercurrent gasifier
  • the bulk material is wholly or partly formed from the rock content from the oil and / oil shale (A). Depending on the quality and physical condition of the oil sands or the oil shale, it may be advantageous to add further coarse material (3) with a particle size of 2 mm to 300 mm to the bulk material. This is particularly useful if the flow behavior or the gas permeability of the bulk material to be improved.
  • the bulk material can also be mixed with other carbon carrier (4) to increase the usable carbon content in the bulk material.
  • a large number of different carbon carriers can be used. For example, residual materials that are incurred in the previous recovery of oil sands or oil shales. In particular, these may be bitumen-containing sediments or pet cokes.
  • the mixture of bulk material, coarse material and residues flows through the vertical process chamber (2) by gravity from top to bottom.
  • the countercurrent carburettor has burner lances (5) in the middle region, which provide for a base load firing in the vertical process space and for the stationary formation of a firing zone (6). These burner lances can be operated with fossil fuels (7) and oxygen-containing gas (8). As an alternative to the fossil fuels syngas from the countercurrent gasifier (9) can be used.
  • oxygen-containing gas (10) is introduced. This gas is initially used to cool the bulk material before leaving the vertical process space in a cooling zone (11). The oxygen-containing gas is preheated while it continues to flow upwards in the vertical process space. According to the countercurrent gasification principle, the oxygen from the oxygen-containing gas reacts with the carbonaceous materials in the bulk material by oxidation, wherein the amount of oxygen-containing gas is adjusted so that a total lambda of less than 0.5 is established in the vertical process space. Characterized initially formed from a combustion zone (6) react in the residues of the koh ⁇ lenstoff Anlagenn material with oxygen to C0. 2 Further up in the process room, the oxygen continues to decrease, so that finally only carbonization to CO can take place, until even further up all the oxygen is consumed and a pyrolysis zone (12) is formed under completely reductive conditions.
  • the pyrolysis coke is transported further with the bulk material in the vertical process space down to where it is converted at temperatures above 800 ° C with the C0 2 -An faced from the combustion zone by Boudouard conversion partially in CO and also gasified. Part of the pyrolysis coke also reacts in this zone according to the water gas reaction with water vapor, which is also contained in the hot gases, to form CO and hydrogen. Residues of the pyrolysis coke are finally burned almost completely in the combustion zone (6) with the oxygen-containing gas flowing in from below at temperatures below 1800 ° C. and used thermally. This makes it possible for the countercurrent carburetor to supply virtually all of the energy necessary for the gasification can. This is also referred to as the autothermal gasification process.
  • cooling zone and water (13) via water lances (14) can be metered as another cooling and gasification agent.
  • the synthesis gas formed in the vertical process chamber is aspirated (15) at the upper end, so that in the upper gas space (16) of the vertical process chamber preferably a slight negative pressure of 0 to - 200 mbar sets.
  • alkaline substances (16) are particularly suitable, the use of fine-grained calcium oxide being particularly preferred because it reacts spontaneously with its reactivity and large surface area with the gaseous sulfur compounds formed and thereby forms solid sulfur compounds which are predominantly together with the extracted syngas are discharged from the vertical process space.
  • pollutants such as chlorine, hydrogen chloride or heavy metals can be very effectively bound to the calcium oxide and discharged in the same way from the process.
  • the extracted synthesis gas contains dust, which consists essentially of the solid sulfur compounds, fine-grained alkaline substances, other pollutants and inert particles.
  • This dust-containing synthesis gas can be treated in the gas space (16) of the vertical process space or after leaving the vertical process space at (15) in the presence of water vapor and fine-grained calcium oxide at temperatures above 400 ° C.
  • This temperature can be adjusted by appropriately adjusting the amount of oxygen-containing gas (10) at the bottom of the vertical process space or by the heat output of the burner lances (14) in the burning zone.
  • the use of direct firing into the synthesis gas via burner lances (17), which are operated stoichiometrically with fuel and oxygen-containing gas or else with an excess of oxygen-containing gas is particularly advantageous.
  • This thermal aftertreatment in the presence of water vapor and calcium oxide ensures the cleavage of im
  • Synthesis gas still present in small amounts of oils and tars by catalytic action of the calcium oxide.
  • the dust-containing synthesis gas is then freed of dust at temperatures above 300 ° C. by means of hot gas filtration (18).
  • the sulfur-containing filter dust (19) is discharged from the process and sent for disposal or alternative use.
  • the resulting synthesis gas (9) is virtually sulfur-free and can be provided as a raw material or fuel for a wide variety of applications.
  • the resulting condensate (21) can be used at least partially again as a cooling and gasifying agent over the water lances (14) in the vertical process space.
  • the bulk material mixture (22) emerging at the lower end of the vertical reaction space contains essentially coarse-grained bulk material, residues of ash and fine-grained bulk material.
  • the fine-grained bulk material may still contain small amounts of sulfur products and other pollutants.
  • the entire bulk material flow can be deposited in total (23). However, particularly preferred is a screening of the bulk material mixture (24), wherein the coarse fraction (25) preferably at least partially recirculated, and can be used again as a bulk additive in (3) in the vertical process space.
  • the fine sieve fraction (26) is discharged from the process together with the sulfur-containing filter dust (19) and sent for disposal or alternative use.
  • the fine sieve fraction at least partially again as fine-grained alkaline substances to mix the bulk material in (16) and thereby operate a partial circulation mode of the fine sieve fraction.

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Abstract

Das Verfahren dient zur kontinuierlichen Gewinnung von Synthesegas durch direkte Vergasung von in Ölsanden und/oder Ölschiefern enthaltenen Kohlenstoffanteilen in einem vertikalen Prozessraum (2) mit einer Kalzinierzone und einer Oxidationszone (6), in welcher die kalzinierten kohlenstoffreichen Anteile mit sauerstoffhaltigem Gas oxidieren. Die gasförmigen Reaktionsprodukte werden an der Oberseite des vertikalen Reaktionsraumes (2) in der Form eines Vertikalschachtofens abgezogen, der von einem Schüttgut, das selbst nicht oxidiert wird, kontinuierlich von oben nach unten durchströmt wird. Sauerstoffhaltiges Gas (10) wird wenigstens teilweise unterhalb der Oxidationszone eingeleitet, wodurch der aufsteigende Gasstrom gefördert wird. Das Schüttgut wird zumindest teilweise durch den natürlichen inerten Gesteinsanteil in den Ölsanden und/oder dem Ölschiefer bereitgestellt. Zugegebene alkalische Stoffe überführen unter reduktiven Bedingungen, die im vertikalen Prozessraum bei Temperaturen von oberhalb von 400°C aus den Bestandteilen der Ölsande und/oder Ölschiefer entstehenden gasförmigen Schwefelverbindungen durch chemische Reaktion in feste Schwefelverbindungen, die zumindest teilweise mit den gasförmigen Reaktionsprodukten ausgetragen, und bei Temperaturen oberhalb von 300 °C aus der Gasphase durch Feingutabtrennung (18) entfernt werden.

Description

Verfahren zur kontinuierlichen Gewinnung von Synthesegas aus
Ölsand und/oder Ölschiefer
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur kontinuierlichen Gewinnung von Synthesegas durch direkte Vergasung von in Ölsanden und/oder Ölschiefern enthaltenen Kohlenstoffanteilen in einem vertikalen Prozessraum mit einer Kalzinierzone und einer Oxidationszone, in welcher die kalzinierten kohlenstoffreichen Anteile mit sauerstoffhaltigem Gas oxidieren, wobei die gasförmigen Reaktionsprodukte an der Oberseite des vertikalen Reaktionsraumes abgezogen werden, der vertikale Prozessraum in der Form eines Vertikalschachtofens ausgebildet wird, der von einem Schüttgut, das selbst nicht oxidiert wird, kontinuierlich von oben nach unten durchströmt wird, das sauerstoffhaltige Gas wenigstens teilweise unterhalb der Oxidationszone eingeleitet wird, wodurch der aufsteigende Gasstrom gefördert wird, indem dass das Schüttgut zumin- dest teilweise durch den natürlichen inerten Gesteinsanteil in den Ölsanden und/oder dem Ölschiefer bereitgestellt, durch Zusatz von alkalischen Stoffen unter reduk- tiven Bedingungen, die im vertikalen Prozessraum bei Temperaturen von oberhalb von 400 °C aus den Bestandteilen der Ölsande und/oder Ölschiefer entstehenden gasförmigen
Schwefelverbindungen durch chemische Reaktion mit den alkalischen Stoffen in feste Schwefelverbindungen überführt, diese festen Schwefelverbindungen zumindest teilweise mit den gasförmigen Reaktionsprodukten ausgetragen, und bei Temperaturen oberhalb von 300 °C aus der Gasphase durch
Feingutabtrennung entfernt werden.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Aufgrund des weltweit stark steigenden Bedarfs an fossilen Brennstoffen und Erdöl-basierten Rohstoffen, sowie die langfristig zu erwartende Verknappung konventioneller Erdölvorkommen, erlangt die Gewinnung von Energieträgern und Rohstof- fen aus Ölschiefer- und/oder Ölsandvorkommen zunehmend an Bedeutung .
Natürlich vorkommende Ölsande oder Ölschiefer bestehen aus Erdgestein und enthalten bis zu 20 % eines Bitumengemisches. Dieses Bitumengemisch enthält im Wesentlichen organische KohlenstoffVerbindungen unterschiedlicher Molgewichte und Siedepunkte .
Stand der Technik:
Um diese KohlenstoffVerbindungen einer gezielten Gewinnung zugänglich zu machen, muss das Bitumengemisch zunächst vom Erdgesteinsanteil abgetrennt werden.
Die Abtrennung des Bitumens aus diesen Erdgesteinsmassen kann im Wesentlichen über zwei Technologien erfolgen.
Gewinnung im Tagebau:
Bei dieser Methode wird die Bitumen-haltige Gesteinsmasse mit Abräumbaggern bzw. Radladern abgetragen und mittels Schwerlastfahrzeugen zu den Aufbereitungsanlagen transportiert. Die Aufbereitung erfolgt in der Regel in folgenden Prozessschritten : 1. Brechen / Zerkleinern des Gesteins in der Regel unter
Zuführung von Wasserdampf bzw. Heißwasser
2. Überführung der dabei entstehenden Suspension in den
ersten Extraktionsschritt, wo sich Sediment und Wasser als untere Trennschicht, und Bitumen mit Schaum als obe re Trennschicht ausbildet.
3. Abführen der unteren Sediment- und Wasserschicht in zu- meist künstlich angelegte Stauseen oder Wasserlagunen
4. Abführen der oberen Bitumenschicht in den zweiten Extraktionsschritt, wo Reste von Wasser und Feinpartikel abgetrennt werden. Der Bitumen wird zumeist in einem or ganischen Lösungsmittel (in der Regel „Naphtha", welche ein Produkt des Leichtölgewinnungsprozesses ist) gelöst Man erhält den sogenannten Roh-Bitumen.
5. Der Roh-Bitumen wird in eine nachfolgende Bitumenaufbe- reitung („Upgrading" ) überführt.
Gewinnung über die sogenannte „Insitu-Methode" :
Bei dieser Technologie wird der Roh-Bitumen bereits im Erd- reich, unterhalb der Erdoberfläche und ohne Abbau der Gesteinsmassen gewonnen. Dies geschieht wie folgt:
6. Hochdruck-Wasserdampf wird in tiefe Bitumen-haltige Gesteinsschichten injiziert. Dadurch wird eine thermische Verflüssigung des Roh-Bitumens erreicht.
7. Dieser verflüssigte Roh-Bitumen wird gezielt in unterir dische Sammelpunkte geleitet und von dort mittels geeig neter Pump-Fördertechnik an die Erdoberfläche gefördert
8. Der so gewonnene Roh-Bitumen folgt dann in der Regel dem weiteren Vorgehen entsprechend dem o.g. Punkt 5. Gewinnung von Leichtöl und flüssiger Treibstoffe aus Ron- Bitumen :
Der Roh-Bitumen wird (ggf. aus beiden Gewinnungsmethoden) in die nächste Aufbereitungsanlage („Upgrading" ) zusammengefahren. Dort werden zumeist folgende Prozessschritte durchgeführt:
9. Aus der Mischung bestehend aus Roh-Bitumen und Naphtha werden die flüchtigen Kohlenwasserstoffe abdestilliert.
Am Ende bleibt ein unlöslicher Rückstand, der sogenannte Pet-Koks zurück. Dieser kann je nach Einsatzmaterial bis zu 10 % Schwefelanteile enthalten. 10. Die gasförmigen Kohlenwasserstoffe aus der Destillation werden durch fraktionierte Kondensation in Naphtha, Kerosin und Gasöl aufgetrennt, wobei Naphtha in der Regel zumindest teilweise in den Prozess zurückgeführt wird. 11. Je nach Qualitätsanforderung an die einzelnen Fraktionen kann im weiteren Schritt eine Entschwefelung erfolgen. Dies geschieht zumeist mittels Hydrierung und Abtrennung von elementarem Schwefel. 12. Am Ende des Prozesses steht die Lagerung und der Abtransport der flüssigen Fraktionen.
Das oben beschriebene Verfahren zur Gewinnung von Leichtöl und Treibstoffen aus Ölschiefer und/oder Ölsanden weist je- doch erhebliche wirtschaftliche und ökologische Nachteile auf .
So erfordert die Extraktion des Roh-Bitumens aus den Ge¬ steinsmassen erhebliche Mengen an Heißwasser und Wasserdampf. Pro Volumeneinheit gewonnenem Leichtöl müssen bis zu 6 Volumeneinheiten Heißwasser bzw. Dampf eingesetzt werden. Die Bereitung von Dampf und Heißwasser erfolgt zumeist in Heizkesseln mit Erdgasfeuerung. Der Bedarf an Erdgas ist extrem hoch und führt zu einer außerordentlich ungünstigen Energiebilanz des Gesamtprozesses. Weiterhin ist dadurch der spezifische C02-Ausstoss pro Barrel gewonnenem Leichtöl im Grunde ökologisch und im Hinblick auf notwendige Schonung wertvoller Ressourcen inakzeptabel.
Der hohe Wasserbedarf des Verfahrens führt, trotz Bemühung um zumindest teilweise Kreislauffahrweise , zu einem entsprechend hohen Anfall an kontaminiertem Abwasser. Dieses enthält ver- fahrensbeding neben dem Sedimentanteil vor allem Restkonzent- rationen an Bitumen, polycyclischen Aromaten, auch PAK genannt, und Schwermetallen. Bei den PAK handelt sich um ein Gemisch von aromatischen organischen Stoffen unterschiedlichster Molgewichte. In solchen PAK-Gemischen sind in der Regel auch stark toxische Stoffe enthalten. Hierbei ist ins- besondere Benzo (a) pyren zu nennen, das im Verdacht steht Krebs zu erzeugen.
Diese kontaminierten Abwässer werden zumeist in künstlich angelegten Stauseen oder künstlichen Lagunen verbracht. Dort bilden Sie ein sehr hohes Kontaminationsrisiko für Natur und Umwelt. Es handelt sich hierbei zum Teil um die größten künstlich angelegten Gewässer weltweit.
Der bei der Destillation des Roh-Bitumens (Schritt
9.) zurückbleibende Pet-Koks enthält Schwefel in Konzentrationen von bis zu 10 %. Hierbei handelt sich im Grunde um einen wertvollen Energieträger. Dieser kann jedoch aufgrund seines extremen Schwefelgehaltes nicht ohne weiteres in Verbren¬ nungsprozessen, z.B. zur Erzeugung von Wasserdampf oder Heiß- wasser eingesetzt werden. Die Gewährleistung einer Umweltgerechten, thermischen Verwertung ist daher fraglich, und wenn überhaupt nur mit unverhältnismäßigem Aufwand für eine Rauchgasentschwefelung möglich.
Für die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, sondern das eine umweltgerechte und energieeffiziente Verwertung von Kohlenstoffträgem, enthalten in Ölsanden und/oder Ölschiefer erlaubt, ohne derart große Mengen an kontaminierten Reststoffen zu erzeugen. Gleichzeitig sollte ein Verfahren bereitgestellt werden, das fossile Ressourcen (z.B. Erdgas) schont und das aus sich selber heraus ausreichend Energieträger generieren kann, um den Verwertungsprozess mit dem notwendigen Eigenenergiebedarf zu versorgen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass schwefelarmes Synthesegas gewonnen wird, indem durch direkte Vergasung von in Ölsanden und/oder Ölschiefern enthaltenen Kohlenstoffanfeilen in einem vertikalen Prozessraum mit einer Kalzinierzone und einer Oxidationszone , in welcher die kalzinierten koh- lenstoffreichen Anteile mit sauerstoffhaltigem Gas oxidieren, wobei die gasförmigen Reaktionsprodukte an der Oberseite des vertikalen Reaktionsraumes abgezogen werden, der vertikale Prozessraum in der Form eines Vertikalschachto ens ausgebildet wird, der von einem Schüttgut, das selbst nicht oxidiert wird, kontinuierlich von oben nach unten durchströmt wird, das sauerstoffhaltige Gas wenigstens teilweise unterhalb der Oxidationszone eingeleitet wird, wodurch der aufsteigende Gasstrom gefördert wird, indem das Schüttgut zumindest teilweise durch den natürlichen inerten Gesteinsanteil in den Ölsanden und/oder dem Ölschiefer bereitgestellt, durch Zusatz von alkalischen Stoffen unter reduktiven Bedingungen, die im vertikalen Prozessraum bei Temperaturen von oberhalb von 400 °C aus den Bestandteilen der Ölsande und/oder Ölschiefer entstehenden gasförmigen Schwefelverbindungen durch chemische Reaktion mit den alkalischen Stoffen in feste Schweielverbin- düngen überführt, diese festen Schwefelverbindungen zumindest teilweise mit den gasförmigen Reaktionsprodukten ausgetragen, und bei Temperaturen oberhalb von 300 °C aus der Gasphase durch Feingutabtrennung (18) entfernt werden. Um die in den Ölsanden bzw. den Ölschiefern enthaltenen Kohlenstoffanteile besonders effizient vergasen zu können ist es vorteilhaft, die Ölsande bzw. Ölschiefer vor Eintritt in den vertikalen Prozessraum mittels mechanischer Energie auf eine Korngrösse von kleiner 300 mm zu zerkleinern. Dadurch können die im vertikalen Prozessraum ablaufenden Reaktionen besonders effizient gestaltet werden, da in diesem Fall die Reaktionsoberfläche der Ölsande bzw. Ölschiefer erhöht wird, gleichzeitig aber eine ausreichende Gasdurchlässigkeit im Schüttgut gewährleistet wird.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, als alkalische Stoffe Metalloxide, Metallcarbonate, Metallhydroxide oder Mischungen aus zwei o- der drei dieser Stoffe einzusetzen. Diese können gezielt in den vertikalen Prozessraum oder in die Gasphase oberhalb der Kalzinierzone eindosiert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Metalloxide, Metallcarbonate, Metallhydroxide oder Mischungen aus zwei oder drei dieser Stoffe vor Eintritt in den vertikalen Prozessraum den Ölsanden und/oder dem Öl- schiefer beizumischen.
Als besonders vorteilhaft hat sich dabei herausgestellt, dass die alkalischen Stoffe zumindest teilweise in feinkörniger Form mit einer Korngröße von kleiner 2 mm als Feststoff und/oder als Suspension in Wasser eingesetzt werden.
Als besonders bevorzugte Ausführungsform stellte sich eine Variante heraus, bei der die eingesetzten Metalloxide, Me- tallcarbonate und Metallhydroxide Elemente der Alkalimetalle oder Elemente der Erdalkalimetalle und besonders bevorzugt Calcium als Kation enthalten. Calcium hat hierbei den Vorteil, dass die entsprechenden Einsatzstoffe Calciumoxid, Cla- ciumcarbonat oder Calciumhydroxid geeignete physikalische und chemische Stoffeigenschaften aufweisen, um in dem vorliegen Verfahren nahezu optimale Ergebnisse hinsichtlich Bindung der gasförmigen Schwefelverbindungen zu erzielen. Weiterhin sind die resultierenden Schwefelverbindungen des Calciums beson- ders geeignet, um bei einer Temperatur von oberhalb 300 °C aus der Gasphase als Feststoff abgetrennt zu werden.
Verfahren des bisherigen Standes der Technik weisen oftmals erhebliche verfahrenstechnische Probleme auf, die durch Bil- dung von Öl- oder Teer-haltigen Spaltprodukten hervorgerufen werden. Diese Probleme werden im erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass im vertikalen Prozessraum und/oder in der Gasphase der abgezogenen gasförmigen Reaktionsprodukte in Gegenwart von Wasserdampf und Calciumoxid und/oder Calci- umcarbonat und/oder Calciumhydroxid eine Calcium-katalysierte Reformierung oberhalb von 400 °C durchgeführt wird. Dabei werden wesentliche Anteile der entstehenden Öl- und/oder Teer-haltigen Spaltprodukte, die eine Kettenlänge von größer C4 aufweisen, zu Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff umgewandelt.
Der benötigte Wasserdampf kann dabei gezielt in den vertika¬ len Prozessraum und/oder in die Gasphase oberhalb der Kalzinierzone eindosiert werden. Vorteilhaft ist auch eine Ausfüh- rungsform, bei der Wasserdampf aus der Restfeuchte der Ölsan- de und/oder des Ölschiefers in situ bereitgestellt wird. In diesem Fall kann ggf. ganz auf eine Dosierung von Wasser verzichtet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich auch parallel zum weiter oben beschriebenen Verfahren des Standes der Technik zur Abtrennung von Roh-Bitumen vom Gesteinsanteil der Ölsande oder Ölschiefer durchgeführt werden. In diesem Fall, können als Wasser für die Calcium-katalysierte Reformierung auch vorteilhaft wässrige Medien aus dem Ölsandverwertungs- prozess, beispielsweise aus der Extraktion des Rohbitumens eingesetzt werden. Um eine besonders effiziente Gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu gewährleisten ist es vorteilhaft, einen möglichst hohen Anteil der feinkörnigen alkalischen Stoffe und der festen Schwefelverbindungen aus dem vertikalen Prozessraum über die Gasphase auszutragen. Dies wird erreicht, indem die Strömungsgeschwindigkeit der an der Oberseite des vertikalen Prozessraums abgezogenen gasförmigen Reaktionsprodukte durch geeignete Prozessführung auf mindestens 10 m/s eingestellt wird, und damit der Austrag der feinkörnigen alkalischen Stoffe und der festen Schwefelverbindungen aus dem ver- tikalen Prozessraum über die Gasphase in großen Teilen gewährleistet wird.
Für das Gelingen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es wichtig, dass ausreichend alkalische Stoffe zur Bindung von Schwefelprodukten im Prozess bereitgestellt werden. Es hat sich gezeigt, dass die feinkörnigen alkalischen Stoffe in einem Mengenverhältnis von mindestens 1 g pro Nm3 entstehender gasförmiger Reaktionsprodukte eingesetzt werden müssen, um gute Ergebnisse zu erzielen. Dadurch kann außerdem eine Ge- samt-Staubkonzentration in der Gasphase der abgezogenen gasförmigen Reaktionsprodukte von mindestens 1 g Feststoff pro Nm3 gewährleistet werden. Diese Mindest-Staubkonzentration hat sich als notwendig erwiesen, um einen stabilen Prozess zur Herstellung von schwefelarmem Synthesegas sicherzustellen .
Um den Staub aus dem Synthesegas effizient abzutrennen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Feingutabtrennung der feinkörnigen alkalischen Stoffe und der festen Schwefelverbindungen aus der Gasphase über stationäre Filterflächen durchzuführen, auf deren Anströmseite sich ein Belag des festen Fitrationsgutes als Tiefenfiltrationsschicht ausbildet. Dadurch wird ein finaler intensiver Kontakt der gasförmigen Spaltprodukte mit den feinkörnigen alkalischen Stoffen vor der endgültigen Feingutabtrennung gewährleistet und damit ein Höchstmaß gasförmiger Schwefelverbindungen mit den alkalischen Stoffen zur Reaktion gebracht und aus dem System entfernt .
Das für das Verfahren notwendige Schüttgutwanderbett wird zumindest teilweise durch den Gesteinsanteil der eingesetzten Ölsande oder Ölschiefer gebildet. Je nach Eigenschaften der eingesetzten Ölsande oder Ölschiefern kann es jedoch vorteil- haft sein, das Schüttgutwanderbett teilweise durch zusätzliche Dosierung von Grobgut zu ergänzen, um die Fließfähigkeit des Schüttgutes und/oder dessen Gasdurchlässigkeit zu erhöhen. Dies geschieht vorteilhaft, indem das Grobgut den Ölsan- den und/oder dem Ölschiefer vor Eintritt in den vertikalen Prozessraum beigemischt wird.
Es hat sich herausgestellt, dass das Verfahren besonders vorteilhaft betrieben werden kann, wenn als Grobgut Mineralstof- fe und/oder andere organische Stoffe bzw. Stoffgemische mit einer Korngrösse im Bereich von 2 mm bis 300 mm eingesetzt werden. Man erzielt ebenfalls gute Ergebnisse, wenn als Grobgut Holz und/oder sonstige biogene Materialien mit einer Korngröße im Bereich von 2 mm bis 300 mm eingesetzt werden.
Eine wichtige Steuergröße für den Betrieb des Verfahrens ist die Dosiermenge des sauerstoffhaltigen Gases und des sich daraus ergebenden Gesamtlambdas . Der Prozess wird unter reduk- tiven Gesamtbedingungen durchgeführt, wobei dabei ein Gesamt- lambda von kleiner 0,5 über alle Stufen des Prozessraumes eingestellt wird. Bevorzugt kann das Verfahren auch mit einem Gesamtlamda von 0,3, oder darunter betrieben werden.
Je nach Bitumengehalt der eingesetzten Ölsande oder Ölschie- fer kann es sinnvoll sein, den Heizwert durch Zusatz weiterer Kohlenstoffträger zu erhöhen. Dies kann vorteilhaft geschehen, indem den Ölsanden oder dem Ölschiefer solche Kohlenstoffträger vor Eintritt in den vertikalen Prozessraum beigemischt werden.
Um eine möglichst gleichmäßige Durchströmung des vertikalen Prozessraums mit dem Schüttgut zu gewährleisten, kann das sauerstoffhaltige Gas dem vertikalen Prozessraum in Form von Druckimpulsen zugeführt werden. Die dadurch erzeugten mecha- nischen Kräfte tragen zur Auflockerung und/oder zur Fließun¬ terstützung des Schüttgutes bei. Diese Druckimpulse können beispielsweise in regelmäßigen Intervallen ausgelöst werden, um Brückenbildungen oder Verstopfungen im Schüttgut bereits in der Entstehung vorzubeugen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass der in den Ölsanden/Ölschiefern enthaltene Roh-Bitumen nicht mehr über aufwändige und Umweltbelastende Trennverfahren von der Gesteinsmasse isoliert werden muss, sondern in einem einzigen Verfahrensschritt besonders effizient und Umweltverträglich in ein hochwertiges Synthesegas bestehend im Wesentlichen aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff und niederen Kohlenwasserstoffen überführt werden kann. Dabei besteht ein besonderer Vorteil darin, dass das so erhaltene Synthesegas sehr rein und insbesondere Schwefel-arm ist und dadurch für eine Vielzahl von weiteren Verwendungen zur Verfügung gestellt werden kann. So ist es beispielsweise möglich, das Synthesegas durch chemische Weiterveredelung, beispielsweise durch Anwendung der Fischer-Tropsch-Synthese in verschiedenste Kohlenwasserstoffe oder auch flüssige Treibstoffe zu überführen. Diese Ausführungsform ist insbesondere auch deshalb von großem Vorteil, weil die sonst anfallenden Sedimente und Abwässer bei der Abtrennung des Rohbitumens oder auch der sonst anfallende Pet- Koks verfahrensbedingt nicht entstehen, sondern vielmehr eine vollständige Überführung der gesamten organischen Bestandteile der Ölsande/Ölschiefer in Synthesegas erfolgen kann.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeipiel für das erfindungsgemäße Verfahren. Dieses soll das Verfahren erläutern, aber nicht einschränken .
Die im Tagebau gewonnenen Ölsande bzw. Ölschiefer (A) werden über Brecheranlagen (1) mechanisch auf eine Korngröße von kleiner als 30 cm zerkleinert und einem Gegenstromvergaser
(2), der als vertikaler Prozessraum ausgebildet ist, von oben über eine vertikale Schurre zugeführt. Das Schüttgut wird dabei ganz oder teilweise aus dem Gesteinsanteil aus dem Öls- and/Ölschiefer (A) gebildet. Je nach Qualität und physikali- scher Beschaffenheit der Ölsande oder dem Ölschiefer kann es vorteilhaft sein, dem Schüttgut noch weiteres Grobgut (3) mit einer Korngröße von 2 mm bis 300 mm beizumischen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Fließverhalten oder die Gasdurchlässigkeit des Schüttgutes verbessert werden soll. Dem Schüttgut können außerdem noch weitere Kohlenstoffträger (4) zugemischt werden, um den verwertbaren Kohlenstoffanteil im Schüttgut zu erhöhen. Hierbei können neben Holz und bioge- nen Stoffen auch eine Vielzahl unterschiedlichster Kohlenstoffträger eingesetzt werden. Beispielsweise auch Reststoffe, die bei der bisherigen Verwertung von Ölsanden oder Ölschiefern anfallen. Insbesondere kann es sich hierbei um Bitumen-haltige Sedimente oder Pet-Kokse handeln.
Das Gemisch aus Schüttgut, Grobgut und Reststoffen durchströmt den vertikalen Prozessraum (2) durch eigene Schwerkraft von oben nach unten. Der Gegenstromvergaser weist im mittleren Bereich Brennerlanzen (5) auf, die für eine Grundlastfeuerung im vertikalen Prozessraum und für die stationäre Ausbildung einer Brennzone (6) sorgen. Diese Brennerlanzen können mit fossilen Brennstoffen (7) und sauerstoffhaltigem Gas (8) betrieben werden. Alternativ zu den fossilen Brennstoffen kann auch Synthesegas aus dem Gegenstromvergaser (9) eingesetzt werden.
Am unteren Ende des vertikalen Prozessraums wird sauerstoffhaltiges Gas (10) eingeleitet. Dieses Gas dient zunächst zur Abkühlung des Schüttgutes vor Verlassen des vertikalen Prozessraums in einer Kühlzone (11). Dabei wird das sauerstoffhaltige Gas vorgewärmt, während es weiter im vertikalen Prozessraum nach oben strömt. Entsprechend des Gegenstromverga- sungsprinzips reagiert der Sauerstoff aus dem sauerstoffhaltigen Gas mit den kohlenstoffhaltigen Materialien im Schüttgut durch Oxidation, wobei die Menge an sauerstoffhaltigem Gas so eingestellt wird, dass sich im vertikalen Prozessraum ein Gesamtlamda von kleiner 0,5 einstellt. Dadurch bildet sich zunächst eine Brennzone (6) aus, in der Reste des koh¬ lenstoffhaltigen Materials mit Sauerstoff zu C02 reagieren. Weiter oben im Prozessraum nimmt der Sauerstoff weiter ab, sodass schliesslich nur noch Verschwelung zu CO stattfinden kann, bis noch weiter oben schliesslich der gesamte Sauerstoff verbraucht ist und sich eine Pyrolysezone (12) bei vollständig reduktiven Bedingungen ausbildet.
Betrachtet man umgekehrt den Fluss des Schüttgutgemisches bestehend aus Ölsanden/Ölschiefern, Schüttgut und alkalischen Stoffe von oben nach unten, so findet in der Pyrolysezone (12) zunächst eine Trocknung der üblicherweise feuchten Einsatzmaterialien bis zu einer Eigentemperatur von 100 °C statt. Danach steigt die Eigentemperatur der Materialien weiter an, sodass der Vergasungsprozess einsetzt und bei einer Eigentemperatur von bis zu 500 °C die Bildung von Methan, Wasserstoff und CO einsetzt. Nach weitgehender Entgasung steigt die Eigentemperatur der Materialien durch die aus der Brennzone (6) aufsteigenden Heißgase weiter an, sodass die kohlenstoffreichen Materialien schliesslich vollständig entgast sind und nur noch aus Restkoks, dem sogenannten Pyroly- sekoks, und Ascheanteilen bestehen. Der Pyrolysekoks wird mit dem Schüttgut im vertikalen Prozessraum weiter nach unten transportiert, wo er bei Temperaturen oberhalb von 800 °C mit den C02-Anteilen aus der Brennzone durch Boudouard-Umwandlung teilweise in CO umgewandelt und ebenfalls vergast wird. Ein Teil des Pyrolysekokses reagiert in dieser Zone auch gemäß der Wassergasreaktion mit Wasserdampf, der ebenfalls in den Heißgasen enthalten ist, unter Bildung von CO und Wasserstoff. Reste des Pyrolysekokses werden schliesslich in der Brennzone (6) mit dem von unten einströmenden Sauerstoffhal- tigen Gas bei Temperaturen unterhalb von 1800°C praktisch vollständig verbrannt und thermisch genutzt. Dadurch ist es möglich, dass sich der Gegenstromvergaser praktisch vollständig mit der für die Vergasung notwendigen Energie versorgen kann. Man spricht hierbei auch vom autothermen Vergasungsverfahren.
In die Kühlzone kann auch Wasser (13) über Wasserlanzen (14) als weiteres Kühl und Vergasungsmittel eindosiert werden.
Das im vertikalen Prozessraum gebildete Synthesegas wird am oberen Ende abgesaugt (15), sodass sich im oberen Gasraum (16) des vertikalen Prozessraums vorzugsweise ein leichter Unterdruck von 0 bis - 200 mbar einstellt.
Während des Vergasungsprozesses können, je nach Qualität der Einsatzstoffe, erheblich Anteile an gasförmigen Schwefelverbindungen entstehen. Daher ist es vorteilhaft, wenn den Öls- anden/Ölschiefern und dem Schüttgut vor Eintritt in den vertikalen Prozessraum alkalische Stoffe (16) zugemischt werden. Hierbei eignen sich besonders Metalloxide, Metallhydroxide oder Metalcarbonate, wobei der Einsatz von feinkörnigem Cal- ciumoxid besonders bevorzugt ist, da dieses durch seine Reak- tivität und große Oberfläche spontan mit den gebildeten gasförmigen Schwefelverbindungen reagiert und dabei feste Schwefelverbindungen bildet, die ganz überwiegend zusammen mit dem abgesaugten Synthesegas aus dem vertikalen Prozessraum ausgetragen werden. Weiterhin können auch andere Schadstoffe, bei- spielsweise Chlor, Chlorwasserstoff oder auch Schwermetalle sehr effektiv am Calciumoxid gebunden und in gleicher Weise aus dem Prozess ausgetragen werden.
Zusätzlich kann es sinnvoll sein, auch grobkörnige Metalloxi- de, Metallhydroxide oder Metalcarbonate als Schüttgut (3) einzusetzen, um einerseits das Schüttgut anteilig zu den koh¬ lenstoffhaltigen Materialien zu vergrößern und andererseits auch alkalische Reaktionspartner im unteren Teil des vertika- len Prozessraums für die Bindung der gasförmigen Schwefelverbindungen zur Verfügung zu stellen.
Das abgesaugte Synthesegas enthält Staub, der im Wesentlichen aus den festen Schwefelverbindungen, feinkörnigen alkalischen Stoffen, weiteren Schadstoffen und inerten Partikeln besteht. Dieses staubhaltige Synthesegas kann im Gasraum (16) des vertikalen Prozessraums oder nach Verlassen des vertikalen Prozessraums bei (15) in Gegenwart von Wasserdampf und feinkör- nigem Calciumoxid bei Temperaturen von oberhalb 400 °C behandelt werden. Diese Temperatur kann durch entsprechende Einstellung der Menge an sauerstoffhaltigem Gas (10) am unteren Ende des vertikalen Prozessraums oder durch die Heizleistung der Brennerlanzen (14) in der Brennzone eingestellt werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Verwendung einer Direktfeuerung in das Synthesegas über Brennerlanzen (17), die stö- chiometrisch mit Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas oder auch mit einem Überschuss an sauerstoffhaltigem Gas betrieben werden. Diese thermische Nachbehandlung in Gegenwart von Was- serdampf und Calciumoxid gewährleistet die Spaltung von im
Synthesegas noch in geringen Mengen vorhandenen Ölen und Teeren durch katalytische Wirkung des Calciumoxids .
Das staubhaltige Synthesegas wird anschliessend bei Tempera- turen oberhalb von 300 °C über eine Heißgasfiltration (18) vom Staub befreit. Der Schwefelhaltige Filterstaub (19) wird aus dem Prozess ausgeschleust und einer Entsorgung oder alternativen Verwendung zugeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist es auch möglich, den Filterstaub zumindest teilweise wieder als feinkörnige alkalische Stoffe dem Schüttgut bei (16) beizumischen und dadurch eine teilweise Kreislauffahrweise des Filterstaubes zu betreiben. Das resultierende Synthesegas (9) ist praktisch Schwefelfrei und kann als Rohstoff oder Brennstoff für unterschiedlichste Anwendungen bereitgestellt werden. Je nach Standortbedingungen oder Anforderungen bei der weiteren Verwendung des Synthesegases kann es erforderlich sein, das Synthesegas mittels Gaskühler (20) abzukühlen und von Kondensaten zu befreien, bevor die Verwertung erfolgen kann. Das anfallende Kondensat (21) kann zumindest teilweise wieder als Kühl- und Vergasungsmittel über die Wasserlanzen (14) im vertikalen Prozessraum eingesetzt werden.
Das am unteren Ende des vertikalen Reaktionsraums austretende Schüttgutgemisch (22) enthält im Wesentlichen grobkörniges Schüttgut, Reste an Aschen und feinkörniges Schüttgut. Das feinkörnige Schüttgut kann noch geringe Anteile an Schwefelprodukten und anderen Schadstoffen enthalten.
Der gesamte Schüttgutström kann insgesamt abgelagert werden (23) . Besonders bevorzugt ist jedoch eine Siebung des Schüttgutgemisches (24), wobei die Grobfraktion (25) vorzugsweise zumindest teilweise im Kreislauf geführt, und erneut als Schüttgut-Zusatz bei (3) im vertikalen Prozessraum eingesetzt werden kann.
Die feine Siebfraktion (26) wird zusammen mit dem Schwefelhaltigen Filterstaub (19) aus dem Prozess ausgeschleust und einer Entsorgung oder alternativen Verwendung zugeführt.
Auch hier ist es in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens möglich, die feine Siebfraktion zumindest teilweise wieder als feinkörnige alkalische Stoffe dem Schüttgut bei (16) beizumischen und dadurch eine teilweise Kreislauffahrweise der feinen Siebfraktion zu betreiben.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur kontinuierlichen Gewinnung von Synthesegas durch direkte Vergasung in Ölsanden und/oder Ölschiefern enthaltenen Kohlenstoffanteilen in einem vertikalen Prozessraum (2) mit einer Kalzinierzone (12) und einer Oxi- dationszone (6) in welcher die kalzinierten kohlenstoffreichen Anteile mit sauerstoffhaltigem Gas (10) oxidie- ren, wobei die gasförmigen Reaktionsprodukte an der Oberseite (15) des vertikalen Prozessraumes abgezogen werden, der vertikale Prozessraum in der Form eines Vertikalschachtofens ausgebildet wird, der von einem Schüttgut, das selbst nicht oxidiert wird, kontinuierlich von oben nach unten durchströmt wird, das sauerstoffhaltige Gas wenigstens teilweise unterhalb der Oxidationszone eingeleitet wird, wodurch der aufsteigende Gasstrom gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut zumindest teilweise durch den natürlichen inerten Gesteinsanteil in den Ölsanden und/oder dem Ölschiefer bereitgestellt, durch Zusatz von alkalischen Stoffen (16) unter reduktiven Bedingungen, die im vertikalen Prozessraum bei Temperaturen von oberhalb von 400 °C aus den Bestandteilen der Ölsande und/oder Ölschiefer entstehenden gasförmigen Schwefelverbindungen durch chemische Reaktion mit den alkalischen Stoffen in feste Schwefelverbindungen überführt, diese festen Schwefelverbindungen zumindest teilweise mit den gasförmigen Reaktionsprodukten ausgetragen, und bei Temperaturen oberhalb von 300 °C aus der Gasphase durch Feingutabtrennung (18) entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölsande und/oder der Ölschiefer vor Eintritt in den vertikalen Prozessraum (2) mittels mechanischer Energie auf eine Korngrösse von kleiner 300 mm zerkleinert werden .
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als alkalische Stoffe Metalloxide, Metallcarbonate, Metallhydroxide oder Mischungen aus zwei oder drei dieser Stoffe eingesetzt, und gezielt in den vertikalen Prozessraum (2) und/oder in die Gasphase oberhalb der Kalzinierzone (12) eindosiert, und/oder vor Eintritt in den vertikalen Prozessraum (2) den Ölsanden und/oder dem Ölschiefer beigemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxide, Metallcarbonate und Metallhydroxide Elemente der Alkalimetalle oder Elemente der Erdalkalimetalle und besonders bevorzugt Calcium als Kation enthalten.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im vertikalen Prozessraum (2) und/oder in der Gasphase der abgezogenen gasförmigen Reaktionsprodukte in Gegenwart von Wasserdampf und Calci- umoxid und/oder Calciumcarbonat und/oder Calciumhydroxid eine Calcium-katalysierte Reformierung von wesentlichen Anteilen der entstehenden Öl- und/oder Teer-haltigen Spaltprodukte, die eine Kettenlänge von größer C4 aufweisen, zu Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff bei Temperaturen von oberhalb 400 °C durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf gezielt in den vertikalen Prozessraum (2) und/oder in die Gasphase oberhalb der Kalzinierzone (12) eindosiert, und/oder aus der Restfeuchte der Ölsande und/oder des Ölschiefers in situ bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die alkalischen Stoffe zumindest teilweise in feinkörniger Form mit einer Korngröße von kleiner 2 mm als Feststoff und/oder als Suspension in Wasser eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wasser wässrige Medien aus dem Ölsandverwertungsprozess , beispielsweise aus der Extrak tion des Rohbitumens eingesetzt werden
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit der an der Oberseite des vertikalen Prozessraums (2) abgezogenen gasförmigen Reaktionsprodukte durch geeignete Prozessführung mindestens 10 m/s beträgt und damit der Austrag der feinkörnigen alkalischen Stoffe und der festen Schwefelverbindungen aus dem vertikalen Prozessraum über die Gasphase zumindest teilweise gewährleistet wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die feinkörnigen alkalischen Stoffe in einem Mengenverhältnis von mindestens 1 g pro Nm3 entstehender gasförmiger Reaktionsprodukte eingesetzt wer¬ den, wodurch eine Gesamt-Staubkonzentration in der Gas- phase der abgezogenen gasförmigen Reaktionsprodukte von mindestens 1 g Feststoff pro Nm3 gewährleistet wird.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feingutabtrennung (18) der feinkörnigen alkalischen Stoffe und der festen Schwefelverbindungen aus der Gasphase über stationäre Filterflächen erfolgt, auf deren Anströmseite sich ein Belag des festen Fitrationsgutes als Tiefenfiltrationsschicht ausbildet, wodurch ein finaler intensiver Kontakt der gasförmigen Spaltprodukte mit den feinkörnigen alkalischen Stoffen vor der endgültigen Feingutabtrennung gewährleistet wird, um ein Höchstmaß gasförmiger Schwefelverbindungen mit den alkalischen Stoffen zur Reaktion zu bringen.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgutwanderbett teilweise durch zusätzliche Dosierung von Grobgut gebildet wird, um die Fließfähigkeit des Schüttgutes und/oder dessen Gasdurchlässigkeit zu erhöhen, wobei das Grobgut den Ölsan- den und/oder dem Ölschiefer vor Eintritt in den vertikalen Prozessraum beigemischt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Grobgut Mineralstoffe und/oder andere anorganische Stoffe bzw. Stoffgemische mit einer Korngrösse im Bereich von 2 mm bis 300 mm eingesetzt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Grobgut Holz und/oder sonstige biogene Ma¬ terialien mit einer Korngröße im Bereich von 2 mm bis 300 mm eingesetzt werden. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reduktiven Gesamtbedingungen un ter einem Gesamtlambda von kleiner 0,5 über alle Stufen des Prozessraumes ablaufen, vorzugsweise 0,3 oder weniger .
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Ölsanden und/oder dem Ölschiefe vor Eintritt in den vertikalen Prozessraum zusätzliche Kohlenstoffträger beigemischt werden, um die Konzentrati on an verwertbaren Kohlenstoffhaltigen Anteilen im
Schüttgutwanderbett zu erhöhen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das sauerstoffhaltige Gas dem verti kalen Prozessraum in Form von Druckimpulsen zugeführt wird um durch diese mechanischen Kräfte zur Auflockerung und/oder zur Fließunterstützung des Schüttgutes beizutra gen .
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte Synthesegas zumindest teilweise als Rohstoff für die Fischer-Tropsch-Synthese zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen, wie beispielsweise Treibstoffen eingesetzt wird.
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