Konversion von stabilisierten Pyrolyseölen in einer Fluid-Catalytic-Cracking-Pilotanlage

Abstract

In dieser Arbeit wurde der Einfluss von Einsatzstoffen und Reaktionsbedingungen auf die Produktverteilung einer intern zirkulierenden katalytischen Crackanlage untersucht.Diese Arbeit teilt sich in zwei Versuchsreihen. Die erste Versuchsreihe ist Teil des EU Projekts WASTE2ROAD, welches sich mit der Herstellung von Biokraftstoffen aus biogenen Rückständen und Abfallfraktionen beschäftigt. Für dieses Projekt wurde untersucht, ob der teilweise Ersatz von konventionellen Einsatzstoffen durch hydriertes Pyrolyseöl aus Kiefernholz technisch und wirtschaftlich möglich ist.Die zweite Versuchsreihe untersuchte den Einfluss des Zusatzes von Stickstoff in den Reaktionsraum. Dadurch erhöht sich das Verhältnis von Katalysator zu Einsatzstoff, außerdem werden die Edukte und Produkte im Reaktionsraum verdünnt. Ziel ist es die gewonnenen Erkenntnisse so einzusetzen, dass Feeds, die zur Anlagerung von Koks sowie zu Polymerisierungserscheinungen in den Leitungen neigen, in die Anlage eingebracht und hinsichtlich ihrer Produktverteilung untersucht werden können. Ohne diese sogenannte Stützfluidisierung können entstehende Feststoffe die Anlage verstopfen bzw. keinen stabilen Anlagenbetrieb zulassen.Die technische Durchführbarkeit des Crackens von Feeds mit bis zu 10 wt% hydriertem Pyrolyseöl wurde bestätigt. Im Vergleich zu rein fossilen Einsatzstoffen wurden erhöhte Gasgehalte (vor allem Olefine) sowie ein Anstieg der Koksproduktion gemessen, die Anteile an Benzin sowie schwereren Heizölen und Rückständen sank leicht. Aufgrund des Wassergehalts des hydrierten Pyrolyseöls sowie des Sauerstoffgehalts der im Pyrolyseöl enthaltenen organischen Verbindungen entstand beim Cracken eine wässrige Phase. Aufgrund der positiven Ergebnisse scheint eine wirtschaftliche Durchführung des Prozesses möglich. Um genauere Aussagen treffen zu können, werden Analysen der Flüssigprodukte durch einen Projektpartner durchgeführt, die die Qualität des FCC-Benzins als Blendingkomponente für die Benzinherstellung und dadurch die erzielbare Wertschöpfung eruieren.Die Zusatzfluidisierung mit Stickstoff blieb bis zu einem Wert von 30 Nl/kg Feed ohne Einfluss auf die Produktpalette, bei höheren Volumenströmen stiegen die Gasanteile (vor allem Olefine), während die flüssigen Anteile zurückgingen, was vor allem auf ein höheres Katalysator zu Feed Verhältnis zurückzuführen ist. Geringe Stützfluidisierungen sind somit für Versuche einsetzbar, ohne die Ergebnisse maßgeblich zu verfälschen. Bei höheren Stützfluidisierungen müssen Vergleichsversuche bei gleichen Bedingungen durchgeführt werden, damit Einflüsse der Temperaturänderungen oder Änderungen im Einsatzstoff richtig gedeutet werden können. Höhere Stützfluidisierungen sind im Hinblick auf die gesteigerte Ausbeute an Olefinen interessant, wobei hier die Umlegung der gewonnenen Informationen auf Großanlagen Schwierigkeiten bereitet. In diesen wird nämlich Wasserdampf statt Stickstoff als Fluidisierungsmedium eingesetzt, sodass nicht mit Sicherheit gesagt werden kann, ob die Verschiebung der Produktverteilung ebenso auftritt.

The aim of this work was to determine the influence of various feeds and reaction conditions on the product composition of an internally circulating fluid catalytic cracking reactor.Two test series were conducted. The first is part of the “WASTE2ROAD” EU Project, which examines the possibility of producing biofuel from biogenic residue and waste fractions. It was investigated whether conventional fossil feeds could be partially replaced by hydrated pyrolysis oil obtained from pine wood and whether this process could be profitable.The second series examined the influence of adding nitrogen into the reaction chamber, thereby increasing the ratio of catalyst to feed, and decreasing the concentration of hydrocarbons in the reaction chamber. The goal was to use the knowledge gained in this test series to allow various biogenic feeds to be analysed in the FCC plant, which would have otherwise posed problems because of their propensity to accumulate coke and polymerise in the pipes leading up to the reactor. These phenomena can cause blockage of the pipes and thereby contribute significantly to the downtime of the pilot plant.The technical feasibility of co feeding conventional feeds with up to 10 wt% hydrated pyrolysis oil was confirmed. Compared to pure fossil feeds, the hybrid feeds produced higher contents of gaseous products (especially olefins) and coke, while the concentrations of gasoline, heavy fuel oils and residues fell. Additionally, a watery phase was gained as a result of the water content of the pyrolysis oil and the oxygen content in the organic compounds of the pyrolysis oil. Due to these positive results an economically advantageous realization of the process seems to be possible. In order to be able to make more accurate statements, a project partner will analyse the liquid product with regards to the quality of the gasoline fraction as a blending component for the gasoline production.Adding additional fluidization gases in the form of nitrogen up to a value of 30 Nl/kg feed had virtually no impact on the product distribution. With higher support fluidisations the gas concentration rose (especially olefins), while the concentration of liquid products was reduced. This can probably be attributed to an increase in the catalyst to feed ratio. Low support fluidisations can therefore be used for experiments using pyrolysis oil without the risk of distorting the results. When using higher support fluidisations, comparative experiments at the same reaction conditions must be conducted. This allows the effects from the change of temperature or feed to be separated from changes in the product that are caused by the additional fluidisation. High support fluidisations seem to be interesting with regard to the heightened olefin yields. The problem of applying this information to a larger plant still poses a challenge because of differences in geometry, fluidisation fluid (large refineries use steam instead of nitrogen), etc.