Einsatz von Pyrolyseöl unterschiedlicher Hydrierungsstufen in einer FCC-Pilotanlage zur Evaluierung der Auswirkungen auf das Produktspektrum

Abstract

Hauptthema dieser Diplomarbeit ist die experimentelle Untersuchung der Auswirkungen des Einsatzes von aus Sägespänen erzeugtem Pyrolyseöl unterschiedlicher Behandlungsstufen als Co-Feed in einer Fluid-Catalytic-Cracking-Pilotanlage (FCC-Pilotanlage). Dazu wurden Versuche mit unterschiedlichen Massenanteilen des Pyrolyseöls im Feed bei unterschiedlichen Risertemperaturen durchgeführt und das erhaltene Produkt im Zuge der Analyse mittels Lump-Modell ausgewertet. Ziel der Versuche, die im Rahmen des Waste2Road Projektes, welches vom Horizon 2020 research and innovation programme der Europäischen Union gefördert wird, durchgeführt wurden, ist die Bestimmung des maximal notwendigen Behandlungsgrades des Pyrolyseöls mittels hydrierender Verfahren, der einen Einsatz in bestehender Raffinerieinfrastruktur ökonomisch vertretbar ermöglicht. Der Einsatz von erneuerbaren Energieträgern in Form von Pyrolyseöl in Raffinerien trägt effektiv zur Reduktion der Treibhausgase bei und leistet damit einen wichtigen Beitrag auf dem Weg zur Klimaneutralität.Die Versuche mit unbehandeltem Pyrolyseöl (PO) erwiesen sich aufgrund dessen hoher Neigung zur Koksbildung als problematisch. Die im Zuge der Feedvorwärmung herrschenden Temperaturen von bis zu 350 °C waren ausreichend, um ein regelmäßiges Verkoken des Feedstranges zu bewirken. Aufgrund dessen kam es lediglich bei einem Versuch mit 5 m% PO zu einem auswertbaren Ergebnis. Die Ausbeute an Gas konnte dabei im Vergleich zum Base-Case mit reinem Vakuumgasöl um knapp 2,9 m% erhöht werden, die Ausbeute an Benzin sank dagegen um 3,7 m%. Die Konversion sinkt also von 85 m% auf 84,2 m%. Negativ zu erwähnen sind der Anstieg des Koks- und COx-Gehalts, sowie das sich auf die Ausbeute negativ auswirkende Vorhandensein von Produktwasser. Es bleibt fraglich, ob der Einsatz von PO aufgrund seiner hohen Neigung zur Koksbildung im Feedstrang in Industrieanlagen möglich ist und inwiefern eine Aussage über die Produktzusammensetzung auf Basis eines Versuches getroffen werden kann. Zusätzliche Versuche werden hier auf jeden Fall empfohlen. Stabilisiertes und deoxygeniertes Pyrolyseöl (SDPO) hingegen verursachte bei der Versuchsdurchführung keine Probleme. Bei Betrachtung der Auswertung via Lump-Modell zeigt sich ein Trend hinsichtlich der Verschiebungen der einzelnen Lumps. Mit steigender Beimischmenge an SDPO verliert der Gas-Lump an Anteil, wohingegen der Benzin-Lump wächst. Auffällig ist, dass die Verschiebungen der Lumps bei den Versuchen mit 550 °C stärker ausfallen als bei den Versuchen mit 530 °C. Allgemein ist der Einsatz von SDPO stets mit einem Rückgang der Konversion begleitet. Konkret sinkt diese, verglichen mit dem zugehörigen Base-Case, bei 530 °C Risertemperatur von ursprünglich 83,3 m% auf 82,9 m% bei 5 m% SDPO, beziehungsweise 82,2 m% bei 10 m% SDPO. Bei 550 °C sinkt sie von 85 m% beim Base-Case auf 83,5 m% beim Versuch mit 5 m% SDPO. Der Versuch mit 10 m% SDPO führt hier jedoch nicht zu einem weiteren Absinken der Konversion, sondern liefert mit 83,6 m% ein ähnlich gutes Ergebnis wie der Versuch mit 5 m% SDPO. Wird ein Blick auf die Verteilung innerhalb des Gaslumps geworfen, so bleibt die erhaltene Menge an Propylen und Buten im Vergleich zu den Versuchen mit reinem VGO relativ konstant. Allgemein kann gesagt werden, dass der Einsatz von SDPO zu keinen Problemen in Großanlagen führen sollte. Ob sich der hohe Aufwand zur Behandlung des PO hin zum SDPO jedoch wirtschaftlich lohnt, ist vor allem wegen des großen Bedarfs an Wasserstoff fraglich. Neben den Versuchen an der FCC-Anlage wurden noch Conradson-Carbon-Residue-Analysen (CCR), eine Partikelgrößenanalyse des in der Anlage verwendeten Katalysators, sowie eine Lockerungspunktbestimmung der Regeneratorwirbelschicht durchgeführt. Die Ergebnisse der CCR-Analysen sollen vorab die Eigenschaften der Feeds hinsichtlich ihrer Neigung zur Koksbildung aufzeigen, um diese beim späteren Einsatz in FCC-Anlagen besser abschätzen zu können.

The main topic of this diploma thesis is the experimental investigation of the effects pyrolysis oils, which are made from sawdust, of different treatment stages have as a co-feed in a fluid catalytic cracking pilot plant (FCC pilot plant). For this purpose, tests were carried out with different mass fractions of pyrolysis oil at different riser temperatures. The product obtained was analyzed and evaluated using a lump model. The aim of the tests, that were carried out as part of the Waste2Road project, which has received funding from the European Union`s Horizon 2020 research and innovation programme, is to determine the maximum degree of treatment of the pyrolysis oil by means of hydrogenating processes needed, to allow an economically viable usage in existing refinery infrastructure. The use of renewable energy sources in the form of pyrolysis oil in refineries makes an effective contribution to reducing greenhouse gases and thus makes an important contribution on the way to climate neutrality.The experiments with standard pyrolysis oil (PO) turned out to be problematic due to its high coke forming tendencies. The temperatures up to 350 °C during feed preheating were sufficient for the purpose of regular coking of the feedpipe. Therefore, only one evaluable result with 5 wt% PO was obtained. In this test, the amount of gas could be increased by 2,9 wt% compared to the base case with pure vacuum gas oil (VGO). The amount of gasoline decreased by 3,7 wt%. The increase in coke- and COx-content should be mentioned negatively. It is debatable if the use of PO is possible in industrial plants due to its high coke forming tendencies in the feedpipe. It is also debatable if a meaningful statement about the product composition can be made based on a single experiment. Further experiments using PO are advised for more dependable and robust results.Stabilized and deoxygenated pyrolysis oil (SDPO), on the other hand, did not cause any problems during the experiment. Considering the evaluation of the results using the lump model, there is a trend regarding the shifts in the individual lumps. As the amount of SDPO increases, the amount of gas is decreasing, whereas the amount of gasoline grows. It is noticeable that the shifts of the lumps in the experiments at 550 °C are greater than in the experiments at 530 °C. However, the use of SDPO causes a decrease in the amount of the total fuel yield (TFY). In the experiment with a riser temperature of 530 °C, the TFY decreases from 83,3 wt% in the base-case to 82,9 wt% with 5 wt% SDPO and 82,2 wt% with 10 wt% SDPO. At 550 °C it falls from originally 85 wt% to 83,5 wt% with 5% SDPO. The experiment with 10 wt% SDPO however, does not lead to a further decrease of the TFY. The result, 83,6 wt%, is about the same as in the experiment with 5 wt% SDPO. Having a look at the distribution within the gas-lump, the amount of propylene and butene remains relatively constant compared to the tests with pure VGO. In general, it can be said that the use of SDPO should not lead to any problems in industrial-scale FCC-plants. It is questionable if the high effort in treating the PO to get SDPO, using a big amount of hydrogen, is economically viable.In addition to the experiments on the FCC plant, Conradson Carbon Residue analyzes (CCR), a particle size analysis of the catalyst used in the plant and the determination of the fluidization point of the fluidized bed inside the regenerator were made. The results of the CCR analyzes are intended to show the properties of the feeds regarding their tendencies in coke forming, in order to be able to better estimate their possible usage in an FCC-plant.