DE69616204T2 - Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Altölen und anderen Petroleumresiduen - Google Patents

Description

Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie aus Altölen
• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie aus Altölen durch Extraktion der genannten Öle mit einem paraffinischen Lösemittel, um einen reinen Kraftstoff zu erzeugen, der Gasturbinen oder Dieselmotoren zugeführt wird, die mit einem elektrischen Generator gekuppelt sind, während die Wärme der Motorabgase wiedergewonnen und bei der Destillation des paraffinischen Lösemittels verwendet wird.
• Wie bereits bekannt verlieren Schmieröle durch ihre Benutzung zum Schmieren von Motoren oder anderen Maschinen ihre Eigenschaften und werden zum Abfallstoff, der aufgrund seiner Zusammensetzung gesetzlich als toxisch und gefährlich klassifiziert worden ist. Tätigkeiten wie die Erdölraffinierung sowie Speicherung, Transport und Handhabung von Kohlewasserstoffen erzeugen beträchtliche Mengen gebrauchten Öles, mit Problemen, die denen ähnlich sind, die durch benutzte Schmieröle entstehen.
• Benutzte Öle sind viskose Öle, dunkel gefärbt, die außer ihren grundlegenden, aus Mineralöl stammenden Kohlenwasserstoffen auch Wasser, Sedimente und Verunreinigungsstoffe enthalten. Im Falle von Schmierölen enthalten sie außerdem Ölabbau-Nebenprodukte, übrig gebliebene Additive und Metallbestandteile (Zn, Pb, usw.) und sogar Lösemittel.
• Der Gehalt an Wasser, Sedimenten, Metall und anderen Verunreinigungsstoffen macht es unmöglich, dass diese Reste unmittelbar als Kraftstoffe für die übliche Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung von Dampfkesseln und Turbinen benutzt werden können, weil sie Probleme in den Vorratsbehältern, Leitungen, Brennern und Austauscherröhren verursachen sowie auch eine Kontaminierung durch Schwermetalle in den Gasen die aus Rauchkaminen austreten. In jedem Fälle ist der energetische Wirkungsgrad, welcher unter Verwendung von Dampferzeugersystemen und Kondensationsturbinen erreichbar ist, niedrig und rechtfertigt die frühere Reinigung nicht.
• Die Benutzung dieser gebrauchten Öle als Kraftstoff für Systeme höheren energetischen Wirkungsgrades, wie beispielsweise Dieselmotoren oder Gasturbinen, verlangt das vorherige Reinigen, da sie anderenfalls diese Maschinen recht schnell beschädigen würden.
• Das Reinigen dieser gebrauchten Öle unter Anwendung von Sedimentierungs-, Filterungs- oder Zentrifugiersystemen, selbst wenn vorausgehend eine Erhitzung mit Flockungs- oder Demulgierungsadditiven durchgeführt wird, ermöglicht es, das Wasser und die Sedimente zu entfernen, entfernt jedoch nicht die metallischen Bestandteile, welche ihre Verwendung als Kraftstoff für Dieselmotoren oder Gasturbinen verhindern.
• Vakuumdestillation, nachdem die gebrauchten Öle einer Wärmebehandlung unterzogen wurden, ist ein sehr kostspieliges Verfahren hinsichtlich Investitions- und Betriebskosten, wenn es zur Herstellung von Schmierstoffgrundölen mit Materialausbeuten von etwa 70% angewendet wird, was bei der späteren Erzeugung elektrischer Energie eine Benachteiligung auferlegt, selbst wenn Systeme hohen energetischen Wirkungsgrades benutzt werden. Außerdem erzeugt es einen toxischen und gefährlichen Abfall.
• Das US-Patent 4,151,072 beschreibt ein Verfahren zum Entfernen der metallischen Bestandteile gebrauchter Schmieröle unter Benutzung von Ammoniumphosphat, obgleich dieses Verfahren Druck-, Temperatur- und Reaktionszeitbedingungen erfordert, die das Projekt verteuern. Die Einführung der Behandlung mit Anwendung von Ammoniumphosphat bei einem üblichen Zentrifugierungsschema, dem eine Wärmebehandlung unter Verwendung flockender und demuligierender Zusatzstoffe vorangeht wurde für die Herstellung eines Kraftstoffes für Dieselmotoren beschrieben (Es - Patent 9200563). Da rückständige Verunreinigungsstoffe nicht vollständig entfernt werden, ist dieses Verfahren daher auf Schiffsmotoren beschränkt, die für Schwerbetrieb und für Kraftstoffe mit variabler Spezifikation bestimmt sind, und selbst dabei sind eine große Häufigkeit von Ausfällen und höhere Wartungskosten als Folge der Zufuhr dieser recyklierten Kraftstoffe zu diesen Motoren zu erwarten. Ein toxischer und gefährlicher Rückstand wird außerdem erzeugt.
• Die Technik der Lösemittelentasphaltierung, die bei Erdölraffinerien angewendet wird, um Grundöle herzustellen (USA 2,196,969) wurde zur Anwendung gebracht, um Grundöle aus benutzten Schmierölen wieder zu gewinnen. Das in USA 3919076 beschriebene Verfahren besteht beispielsweise in einem Schritt der Lösemittelextraktion unter Verwendung eines paraffinischen Lösemittels, woran sich eine Vakuumdestillation und eine katalytische Hydrierung anschließt.
• Das Verfahren der Lösemittelextraktion, das bei der Regenerierung benutzter Schmieröle angewendet wird, um Schmierstoffgrundöle zu erzeugen, wurde mehreren Verbesserungen unterzogen, beispielsweise durch das Beifügen einer Kohlenwasserstofffraktion, um den Asphalt zu verflüssigen (USA 3773658), unter Verwendung pulsierender Kolonnen, um den Kontakt bei dem Prozeß der Lösemittelextraktion zu vergrößern (USA 4265735) oder das indem Asphalt enthaltene Öl mittels einer zweiten Extraktion wieder zu gewinnen (USA 4169094).
• Die Prozesse der Lösemittelextraktion, wie sie für die Regenerierung benutzter Schmieröle zu Grundölen entwickelt wurden, werden allgemein unter scharfen Betriebsbedingungen ausgeführt (in USA 3919076 beispielsweise bei Drücken von mehr als 40 Kg/cm² und Temperaturen von mehr als 80ºC), erfordern Destillier- und Nachbearbeitungsschritte und ergeben eine Ausbeute von nicht mehr als 75%. Unter besagten Bedingungen ist eine kostengünstige Erzeugung von Elektrizität nicht möglich.
• Die Erfindung liefert den Nachweis, dass es die Extraktion benutzter Öle, und speziell benutzter Schmieröle, unter Anwendung paraffinischer Lösemittel, beispielsweise Propan, durchgeführt unter geeigneten Bedingungen, so wie sie unten beschrieben werden, möglich macht, Kraftstoffe zu gewinnen, deren Gütepegel für Dieselmotoren oder Gasturbinen ausreichend hoch ist, während eine einfache Abtrennung des Wassers und der toxischen Bestandteile erreicht wird, die das benutzte Öl verschmutzt haben, wobei die letztgenannten Bestandteile in einer asphaltischen Fraktion inert gemacht werden; und dass die Ausnutzung der durch die Verbrennungsgase des Motors oder der Turbine erzeugten Wärme für die Erfüllung des Wärmebedarfs der Stufe der Lösemittelextraktion es möglich macht, ein hoch effizientes, integriertes Wärmesystem zu erzielen, das eine Verringerung der Prozeßkosten als Ganzes erbringt.
• Der Verfahrensgegenstand der Erfindung beruht daher auf den folgenden innovativen Beiträgen:
• 1) Die Behandlung benutzter Öle, einschließlich benutzter Schmieröle, mit paraffinischen Lösemitteln und insbesondere mit Propan, unter milden Bedingungen macht es möglich, die Emulsionen und Suspensionen des Rückstandes aufzubrechen, ohne die Zugabe flockender oder demulgierender Rückstände erforderlich zu machen, so dass die drei Phasen (Extrakt, Wasser und Raffinat) sich sehr leicht in einem einfachen Dekantierprozeß absondern. Dies ermöglicht es, einen technisch-industriellen Prozeß zu implementieren, der die Benutzung komplizierter Einrichtungen oder Zentrifugiermaschinen vermeidet. Aus dem Extrakt wird sodann ein sauberer Kraftstoff mit einer überraschend hohen Ausbeute von mehr als 85% und sehr oft von mehr als 90% wiedergewonnen.
• 2) Die asphaltische Fraktion wirkt als Passivierungselement, das die Verunreinigungsstoffe einschließt und ein Produkt bildet, das nicht auswaschbar ist, wenn es für das Asphaltieren oder für bauliche Zwecke benutzt wird, was es daher ermöglicht, ein inertes und nützliches Produkt zu erhalten, das im Falle benutzter Schmieröle lediglich etwa 10% des anfänglichen toxischen und gefährlichen Produktes darstellt.
• 3) Der Kraftstoff, nachdem er vom Lösemittel (und gegebenenfalls von anderen leichten Produkten, die das Ausgangsprodukt enthalten haben mag) abgesondert ist, kann, ohne einer weiteren Behandlung unterzogen zu werden, als Kraftstoff für Dieselmotoren und Gasturbinen benutzt werden, nachdem bereits das Wasser, Metalle, Asphalt und jedwede anderen Verunreinigungsstoffe entfernt sind, die in dem ursprünglichen Rückstand enthalten waren und, die anderenfalls für die obigen Maschinen schädlich wären.
• 4) Die Verbindung der Dieselmotoren oder Gasturbinen, die durch den oben erwähnten Kraftstoff gespeist sind, mit elektrischen Generatoren und die Ausnutzung der von den Verbrennungsgasen abgegebenen Wärme für die Absonderung des paraffinischen Lösemittels, welches bei dem Extraktionsprozeß benützt wird, bilden ein hoch effizientes, integriertes Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Entgiftung gebrauchter Öle.
• Im Falle von Altölen und anderen toxischen und gefährlichen Rückständen werden die Bestandteile, die ihnen die Eigenschaften der Toxizität und Gefährlichkeit vermitteln, auch inert gemacht.
• Der Verfahrensgegenstand der Erfindung wird durch eine erste Stufe ergänzt, in der der Rückstand einer Extraktion unter Verwendung eines aliphatischen Lösemittels unterzogen wird, welches die Fraktionen löst, die für den Kraftstoff nützlich sind, und das im gebrauchten Öl enthaltene Wasser und einen Asphalt unlöslich beläßt, der die Verunreinigungsstoffe miteinander in inerter Weise einschließt. Das Wasser kann unter Anwendung üblicher Systeme gereinigt werden, während der Asphalt, der nicht auswaschbar ist, für die Asphaltierung und andere bauliche Anwendungen benutzt werden kann. In der zweiten Stufe des Verfahrens wird der von dem Lösemittel getrennte Kraftstoff sodann einem Energieerzeugungssystem zugeführt, beispielsweise einem mit einem elektrischen Generator gekuppelten Dieselmotor, während die Wärmeenergie, die von Auspuffgasen oder der Kühlung der Motorelemente abgegeben wird, ebenfalls wiedergewonnen wird.
• Gemäß einer weiteren Eigenheit der Erfindung wird die Wärme der Abgase genutzt, um das aliphatische Lösemittel vom Kraftstoff durch Destillation abzusondern sowie für andere Heizzwecke innerhalb des Herstellungsverfahrens. Im allgemeinen, obgleich nicht notwendigerweise, wird dieser Wärmeübergang durch die Zwischenerzeugung von Dampf oder eines Wärmefluidums bewirkt.
• Der Verfahrensgegenstand der Erfindung ermöglicht auch die Benutzung einer Gasturbine, die mit einem elektrischen Generator gekuppelt ist, anstelle des Dieselmotors, was insbesondere geeignet ist, wo immer ein beträchtlicher Verbrauch an Wärmeenergie hohen Temperaturwertes in dem Bereich gegeben ist, wo das Verfahren installiert ist, oder wann immer die Kapazität der Anläge groß ist und ein kombinierter Kreislauf (Gasturbine und Dampfturbine in Reihe) daher gerechtfertigt ist.
• Schließlich kann die Wärme, die von den Abgasen erzeugt wird, die von dem Motor oder der Gasturbine abgegeben werden, aus der Anlage exportiert und bei Anwendungen benutzt werden, bei denen ihr hoher thermischer Pegel einen zusätzlichen Vorteil darstellen kann, während Wärmeenergie eines niedrigen thermischen Pegels gleichzeitig importiert werden kann, um die Dienste abzudecken, die durch die Anlage benötigt werden.
• Das Umweltproblem, welches durch Altöle und ändere ähnliche Rückstände verursacht wird, wird durch Anwendung des Verfahrensgegenstandes der Erfindung gelöst, indem Verunreinigungsstoffe, die dem Rückstand die Toxizität verleihen, aus dem Kraftstoff während des Extraktionsprozeßes entfernt und in Form eines nicht auswaschbaren Asphalts inert gemacht werden, der sodann für Straßenbau benutzt werden kann.
• Außerdem erreicht der Verfahrensgegenstand der Erfindung eine optimale Energieausnutzung dank der hohen Ausbeute an Kraftstoff, wie sie aus der Extraktion des Rückstandes erhalten wird, und des hohen elektrischen und thermischen Wirkungsgrades des Energieerzeugungssystems, was es möglich macht, die innerhalb der Abgase, welche von den Maschinen abgegeben werden, enthaltene Wärme zu nutzen, um die Anforderungen des Verfahrens und/oder andere Zwecke abzudecken. Energetische Wirkungsgrade von mehr als 50% werden erhalten, gegenüber weniger als 30%, falls das Altöl in einer üblichen Kraftstation verbrannt würde.
• Andererseits hat der Verfahrensgegenstand der Erfindung gegenüber den bereits bekannten Prozessen der Lösemittelextraktion oder Vakuumdestillation, wie sie bei der Regeneration benutzten Schmieröles ausgeführt werden, ob weitere Behandlungen vorausgegangen sein mögen oder nicht, den Vorteil, eine geringere Kapitalinvestition zu erfordern, geringere Anlaufkosten und eine höhere Ausbeute zu erzeugen (mehr als 85% gegenüber 75 %).
• Gegenüber den üblichen physikalisch-chemischen Behandlungssystemen bietet die Erfindung den Vorteil, einen saubereren und reineren Kraftstoff zu erzielen (wobei nicht nur metallische Partikel entfernt werden, sondern asphaltische Verbindungen und andere Verunreingigungsstoffe ebenfalls verringert werden), was seine Verwendung als Kraftstoff für Dieselmotoren und Gasturbinen ermöglicht, ohne irgendwelche Beeinträchtigungen durch vermehrte Maschinenausfälle und höhere Maschinenwartungskosten, wobei gleichzeitig die Behandlungsbedingungen (Temperatur und Behandlungszeit) reduziert und hohe Materialausbeuten beibehalten werden.
• Gegenüber einigen der zuvor erwähnten, bereits bekannten Prozesse oder Systeme bietet die Erfindung den Vorteil, keine toxischen oder gefährlichen Rückstände zu erzeugen, weil sie diese in Form einer asphaltischen Komponente inert macht, die nicht auswaschbar ist.
• Die Eigenheiten der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur beschrieben, die das Ablaufschema des Verfahrens darstellt.
• Das gebrauchte Öl 1 und spezieller die gebrauchten Schmieröle, werden zunächst einem groben Reinigungs- und Siebverfahren unterworfen, indem sie durch ein Sieb 2 hindurch geführt werden, oder durch ein ähnliches Siebverfahren. Die grob gereinigten Rückstände 3 werden sodann in der Extraktionseinrichtung 4 mit einem aliphatischen Lösemittel, vorzugsweise Propan, behandelt.
• Der Extraktionsprozeß wird vorteilhafter Weise bewirkt, indem das Lösemittel und der Rückstand in kontinuierlicher Weise und im Gegenstrom miteinander in Kontakt gebracht werden, wobei eine Einrichtung benutzt wird, wie sie gewöhnlich für diese Tätigkeit benutzt wird, beispielsweise die Extraktionskolonne ohne Ausfüllung, versehen mit Platten, oder mit Ausfüllung oder mit geschüttelten Kammern usw. Der Extraktionsprozeß kann auch diskontinuierlich ausgeführt werden, oder in Systemen, bei denen das eingespritzte flüssige Lösemittel die Agitation erzeugt. Das Lösemittel wird in 2 : 1 bis 20 : 1 Volumenverhältnissen relativ zum Öl benutzt, häufig zwischen 5 und 10.
• Die Temperaturen können zwischen 5 und 50ºC schwanken, obgleich Temperaturen zwischen 5 und 30ºC im allgemeinen angewendet werden. Der Druck neigt dazu, dem Dampfdruck des Lösemittels zu entsprechen, im Fall von Propan zwischen 8 und 12 Kg/cm² bei Temperaturen zwischen 15 und 30ºC.
• Das nicht extrahierte Produkt 5 wird dann dem Dekanter 6 zugeführt, wo Wasser 7 und die asphaltischen Verbindungen 8 abgesondert werden.
• Das Extrakt 9 wird dann einer Destillationskolonne 10 zugeführt, wo das Propan 11 über ihre obere Sektion abgenommen wird, um sodann zu dem Extraktionssystem 4 zurückgeführt zu werden, wobei der Kraftstoff 12 durch ihre untere Sektion hindurch abgeführt wird.
• Der Kraftstoff liefert die Energieversorgung für einen Dieselmotor oder eine Gasturbine, die mit einem Generator 13 gekuppelt sind, der elektrische Energie 14 liefert, während das heiße Motorabgas oder die Verbrennungsgase der Turbine einen Wäremaustausch in dem Thermosystem 16 durchführen, bevor sie in die Atmosphäre 17 entlassen werden.
• Das Thermosystem 16 kann ein Wärmeaustauscher sein, der zur Erzeugung von Dampf oder zum Erhitzen eines Wärmefluidums oder unmittelbar eines Prozeßfluidums benutz wird. Im Falle der Erzeugung von Dämpf kann dieser eine Kondensationsturbine antreiben, die einen kombinierten Energieerzeugungskreislauf bildet. Wärme kann vom Motor 13 oder von dem System 16 in Form von Dampf, Heißwasser oder Wärmefluidum gewonnen werden, die später für den Betrieb des Verfahrens benutzt werden kann und insbesondere für den Destillator 10 und den Stripper 18.
• Der Stripper 18 kann wahlweise benutzt werden, wenn Rückstände mit Lösemitteln oder leichten Erdölfraktionen verunreinigt sind, um durch seine obere Sektion 19 die Lösemittel oder leichten Verbindungen des stabilisierten Kraftstoffes 20 abzusondern.
BEISPIEL
• Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden 300 I (262 kg) zuvor benutzten Motorenöles, bereits gefiltert, um jegliche groben Feststoffe zu entfernen, in einen diskontinuierlichen Extraktor eingeführt, wo es in engen Kontakt mit 2 m³ flüssigen Propanes mit 25ºC und 11,33 Kg/cm² (11 Atmosphären) während 10 Minuten gebracht wurde.
• Es wurde 5 Minuten lang dekantiert, und die Propanlösung wurde sodann aus der oberen Sektion abgezogen, während der Asphalt und die Wassermischung durch die untere Sektion hindurch abgeführt wurden. Die Verdampfung des Propan lieferte 238 Kg Kraftstofföl bei einer Ausbeute von 91 Gewichtsprozent.
• Die niedrigere Phase, nicht extrahiert, wurde sodann dekantiert, wobei 8 Kg Wasser, 3 Gewichtsprozent, und 16 Kg Asphaltverbindung, 6 Gewichtsprozent, abgesondert wurden.
• Der so bei mehreren Extraktionsvorgängen erhaltenen Kraftstoff wird mit einer Zuführrate von 200 Kg/Stunde einem vierstufigen Dieselmotor mit sechs Zylindern und 1,1 MW bei 500 Umin&supmin;¹ zugeführt, der mit einem 500 Umin&supmin;¹ und 6.300 V Dreiphasengenerator gekuppelt ist. 990 KWh/Stunde wurden an den Ausgangsanschlüssen gemessen, nachdem das System richtig stabilisiert war, d. h. ein spezifischer Verbrauch von 202 Gramm Kraftstoff pro erzeugter KWh oder 220 Gramm Altöl pro erzeugte KWh.

Claims (6)

1. Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie aus Altölen, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte aufweist.

a. Lösemittelextraktion von Altölen mittels eines paraffinischen Lösemittels unter geeigneten schonenden Bedingungen, um ein Extrakt zu erzeugen, das für die Verwendung als Kraftstoff in Gasturbinen oder Dieselmotoren ausreichend frei von Verunreinigungsstoffen ist, wobei die genannten schonenden Bedingungen im wesentlichen als einstufige Extraktion bei Temperaturen zwischen 5º und 50º Celsius und ein Verhältnis von Lösemittel zu Öl zwischen 2 zu 1 und 20 zu 1, pro Volumina, gekennzeichnet sind.

b. Verbrennen des in Schritt a. erhaltenen Kraftstoffes in einem Dieselmotor oder in einer Gasturbine, die jeweils mit einem elektrischen Generator gekuppelt sind.

c. Rückgewinnen der thermischen Energie, die in den Abgasen des Motors oder der Turbine von Schritt b. enthalten ist, um die bei der Extraktion von Schritt a. benötigte Wärme zu liefern.

2. Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Extraktion eine lösemittelreiche Phase dekantiert wird, die später einer Destillation unterzogen wird, um das Lösemittel von dem geläuterten Kraftstoff, eine wässerige Phase, die dem emulgierten Wasser, welches das Altöl enthielt, entspricht, sowie eine asphaltische Phase zu separieren, die die passivierten Verunreinigungsstoffe eirl lagert.

3. Verfahren wie in Anspruch 1 und 2 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Extraktionsprozeß bewirkt wird, indem flüssiges Propan als Lösemittel sowie Durckpegel angewendet werden, die einem Lösemitteldruck von etwa 7 bis 20 kg/cm² bei den vorerwähnten Temperaturen entsprechen.

4. Verfahren wie in Anspruch 3 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das Altöl ein benutztes Schmier- oder Industrieöl ist und dass der Temperaturbereich zwischen 5º und 30º Celsius und das Lösemittelverhältnis zwischen 3 zu 1 bis 10 zu 1 liegen.

5. Verfahren wie in den Ansprüchen 1 und 2 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das Altöl ein Öl ist, das durch Zentrifugieren oder ein anderes System gewonnen ist, Welches zur Separierung von Wasser und Feststoffen aus Ölschlämmen, Emulsionen oder dergleichen benutzt wird.

6. Verfahren wie in den vorausgehenden Ansprüchen beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie, die durch die Turbine oder den Motor erzeugt wird, und speziell diejenige, die durch ihre Abgase abgegeben wird, dazu benutzt wird, um den Bedarf des Extraktionsprozesses zu decken, insbesondere für die Destillation des Propans, entweder unmittelbar angewandt oder über Dampf oder ein Zwischenfluidum.