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Verfahren zur Gewinnung von kohlenwasserstoffhaltigen Stoffen aus Teersand an seiner natürlichen Lagerstätte im Erdboden
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Gewinnung kohlenwasserstoffhaltiger Produkte aus Teersand an seiner natürlichen Lagerstätte im Erdboden.
Verschiedenartige Abbau- und Gewinnul11gsme- thoden zur Ausbeutung von Teersandvorkommen und Gewinnung des Teers sind bereits vorgeschlagen worden. Die durch ihre Anwendung erzielten Ausbeuten erwiesen sich jedoch als-zu klein im Verhältnis zu den Kosten des bergmännischen Ab- baus,. des Transports, der Behandlung und schliesslich der Beseitigung des Sandes. Unter den erwähnenswerten Behandlungsverfahren befinden & ich Abscheidung mittels heissen Wassers, kalten Wassers oder Lösungsmitteln und anschliessende Pyrolyse (auch Tieftemperaturverkokung genannt) in Retorten.
Der bergmännisch Abbau und die Behandlung dieses klumpförmigen Materials hat eine Reihe schwieriger technischer Probleme aufgeworfen. Bei allen diesen bekannten Verfahren gehört der bergmännisch Abbau und Abtransport des geförderten Materials zu den einleitenden Massnahmen. Nach Abscheidung muss der schwere Teer in leichtere Verbindungen übergeführt (gekrackt) werden, bevor er durch weitere Behandlung zur Erzeugung marktgängiger Produkte raffiniert werden kann.
Die vorliegende Erfindung hat sich u. a. zur Aufgabe gestellt, Verfahren zur Gewinnung kohlenwasserstoffhaltiger Produkte aus Teersandvor-
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bilden, wobei die Abscheidung direkt im Erdboden vorgenommen wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Pyrolyse des Teers zwecks Erzeugung leich- terer K, oh1enwasserstoffe, wobei die durch Pyrolyse oder Kracken erhaltenen flüchtigen Produkte unmittelbar abdestilliert und gesammelt werden.
Weitere Aufgaben, Zwecke und Vorteile der Erfindung, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen veranschaulichter Aus- führungsbeispiele. Diese Beschreibung der Beispiele dient nur der Veranschaulichung und Erklä- run'g und soll keineswegs eine Begrenzung der Erfindung darstellen. Vielmehr ist eine Abände- rung von Einzelheiten denkbar, ohne von dem Leitgedanken der Erfindung abzuweichen oder ihren Rahmen zu überschreiten.
Auf den Zeichnungen stellen dar : Fig. l eine Draufsicht auf eine Anordnung von Heizkörpern zur Durchführung der Erfindung über einem Teersandvorkommen ; Fig. 2 eine Drauf- sicht auf eine anders geformte Anordnung ; Fig.
3 eine Draufsicht auf eine weitere Anordnung ; Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch ein der Behandlung gemäss der Erfindung unterworfenes Teersandvorkommen ; und die Fig. 5-9 Vertikalschnitte durch Teersandvorkommen zur Ver- anschaulichul1'g weiterer Behandlungsmassnahmen gemäss der Erfindung.
Gemäss der Erfindung werden kohlenwasserstoff'haltige Produkte aus Teersandvorkommen an ihrer natürlichen Lagerstätte im Erdboden dadurch gewonnen, dass der Teersand in situ erhitzt wird, um den Teer in dem Sand durch Pyrolyse umzuwandeln und pyrolysierte Kohlenwasserstoffe zu bilden, welche gesammelt und gewonnen werden.
Gemäss der Erfindung können ungleiche Arten von Teersandvorkommen, wie sie in verschiedenen Teilen der Welt angetroffen werden, aus-
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VorkommenAlberta in Kanada gebildet. Dieser Teersand von Athabasca ist typisch für das Material, das ge- mäss der vorliegenden Erfindung ausgebeutet werden kann. Da dieses Vorkommen zugänglich gemacht und verhältnismässig gut untersucht ist, soll es im folgenden zur Veranschaulichung der Erfindung benutzt werden. Der Teersand besteht dort aus einem innigen Gemisch von feinem Quarzsand, der etwa 80 Gew.-/e ausmacht, einem schweren und dickflüssigen schwarzen Teer, der durchweg 12 bis 17 Gew.- /o darstellt, und kleineren Mengen Wasser von 2 bis 5 Gew.- ()/o.
Der Teer weicht in vieler Beziehung von CM ab und ist ein seinem Wesen nach ganz anderes Material. Bei Zimmertemperatur ist er halbfest. Die
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Athabasca-Lager sind ungefähr 30-70 m dick und überlagert von einer bis 70 m dicken Deckschicht, die aus Kies, Schiefer, Kalkstein usw. bestehen kann.
Es wurde gefunden, dass die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Teersande wesentliche Veränderungen gegenüber den bisher vorgeschlagenen Behandlungsverfahren für solche Teersande erfordern, um aus ihnen in situ kohlenwasserstoffhaltige Produkte zu gewinnen, d. h. ohne bergmännischen Abbau aus dem Erdboden und Abtransport zwecks Behandlung, an einer andern Stelle.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird statt des Abbaus und der anschliessenden Behandlung des Sandes die Abscheidung der kohlenwasserstoffhaltigen Produkte aus dem Teer direkt im Erdboden vorgenommen. Das vorzugsweise benutzte Verfahren umfasst eine Pyrolyse, d. h. ein Kracken des Teers zur Umwandlung in leichtere Kohlenwasserstoffe durch Erhitzung der Sandlager auf solche Temperaturen, dass der Teer in dem Teersand zerlegt oder gekrackt wird. Die flüchtigen Krackprodukte werden sogleich abdestilliert und gesammelt, z. B. in das Vorkommen durchdringenden Bohrlöchern, die an ein Rohrnetz angeschlossen sind.
Bei der Pyrolyse des Teers in dem Sand an seinen natürlichen Lagerstätten wird Wärme zugeführt, um den Teer aufzuspalten. Vorzugswei- se liegt die Temperatur für die Pyrolyse zwischen etwa 2500 C und etwa 380OC, aber je nach der Art der angestrebten Ausbeute können auch andere Temperaturbereiche in Betracht kommen. Wenn der Teer zwischen den Sandkörnern über 1000 C erhitzt wird, gibt er seinen Wassergehalt (normal zwischen 2-5 Gew.-"/o des Sandes) ab. Bei noch höheren Temperaturen wird der Teer flüssiger und beginnt infolge des Einflusses der Schwerkraft, sich zwischen den Sandkörnern abwärts zu bewegen.
Bei etwa 2500 C setzt die thermische Aufspaltung ein, und als ein Ergebnis der Pyrolyse werden Dämpfe von Kohlenwasserstoffen (von Methan bis hinauf zu schweren Kohlenwasserstoffen wie 01) und verwandte Verbindungen gebildet sowie Sauerstoff-, Stickstoff- und Schwefelvel1bindun- gen. Zu den gewöhnlich erhaltenen Produkten gehören ferner Phenole, Ammoniak und Wasserstoffsulfid. Die Dämpfe werden aus den zur Durchführung des Verfahrens benutzten Bohrlöchern oder besonderen Gassammeilöchern ge- wonnen. Während ihrer Bewegung zur Sammelzone, wobei sie mit kälteren und dichteren Teilen des Teersandes in Berührung kommen, werden die schweren Bestandteile der Dämpfe kondensiert. In dieser kondensierten Flüssigkeit löst sich der Teer teilweise, er wird dünner und fliesst leichter.
Nach der Pyrolyse bleibt in dem Sand ein koksähnliches oder Kohlenstoff enthaltendes Gebilde zurück, das später verbrannt werden kann.
Die für die Pyrolyse erforderliche Wärme kann der Heizzone in jeder beliebigen Weise zu- geführt werden. Es können z. B. in Röhren in Bohrlöcher eingeführte elektrische Heizkörper angewendet werden, ferner mit Gas beheizte Heizkörper, überhitzter Dampf usw. Die Wärme kann auch durch Verbrennung unbehandelten Teers oder irgendwelcher nach der Krackung in
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ten werden. Von diesen Rückständen nach der Krackung ist vor allem die Kohle dem in Rede
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brennung derartiger kohlehaltiger Rückstände zur Erzeugung der in andern Teilen des Verfahrens benötigten Wärme wird gewöhnlich nicht die ganze Wärmemenge erhalten, die für die Pyrolyse des Teers in dem Sand notwendig ist.
In solchen Fällen kann zusätzliche Wärme durch Verwertung von bei der Pyrolyse des Teers erzeugten brennbaren Gasen oder auch von andern Quellen zugeführt werden. Da bei der Pyrolyse des Teers neben den Kohlenwasserstoffdämpfen brennbare Gase, die ausser für Verbrennung kaum verwertbar sind, erzeugt werden, ist es vorteilhaft, diese brennbaren Gase von den flüchtigen Kohlenwasserstoffen zu trennen und, wie oben beschrieben, als zusätzliche Wärmequelle zu benutzen.
Die Heizkörper können in jeder gewünschten Weise in voneinander getrennten Heizzonen angeordnet werden, u. zw. zweckmässig in geometrischen Mustern. Diese Heizzonen stehen durch Durchlässe im Erdboden mit einer Sammelzone für Gas oder Dampf in Verbindung, so dass jede solche Sammelzone von voneinander getrennten Heizzonen umgeben ist. Das Muster kann beispielsweise ein regelmässiges Dreieck, ein Quadrat oder ein Sechseck sein, wobei das dreieckige, viereckige oder secheckige Muster, vorzugsweise das ganze, der Behandlung unterworfene Feld deckt. In der in der Fig. 1 gezeigten Anordnung sind Heizkörper 1 im Sechseck angeordnet, während Gasauslässe 2 in der Mitte jeder geometrischen Figur des Musters vorgesehen sind.
In der Fig. 2 ist ein viereckiges Muster mit Heizkörpern 3 und Gasauslässen 4 veranschaulicht.
Ein Heizkörper kann in jeder Ecke jedes Dreiecks, Quadrats oder Sechsecks angeordnet und eine Gasgewinnungszone oder ein Gasloch in der Mitte jedes Dreiecks, Quadrats oder Sechsecks gelegen sein. Die Fig. 3 zeigt ein Dreiecksmuster, bei dem in jeder Ecke des Dreiecks ein kombiniertes Element, das einen Heizkörper 5 und ein Gassammelrohr 6 umfasst, angeordnet sein kann. Die Dauer der Erwärmungszeit und der Abstand zwischen den Heizkörpern ist abhängig von der spezifischen Belastung des Heizkörpers, d. h. der elektrischen Kraft oder den Brennstoffkalorien, die je Stunde einer Einheit bestimmter Länge des Körpers zugeführt werden.
Beispielsweise können bei elektrischer Heizung Belastungen von 0, 5 bis 2, 5 kWh/m benutzt werden ; diese Angaben
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sind jedoch nur beispielsweise gemacht und können unter besonderen Bedingungen erheblich abweichen. Der optimal anzuwendende Belastungswert lässt sich jeweils durch Feldversuche unter den vorliegenden besonderen Behandlungsbedin- gungen des auszubeutenden Feldes ermitteln.
Die Bedingung, welche die Dauer der Erwärmung bestimmt, ist dadurch gegeben, dass jeder Teil des Sanidiagers auf die für die vollständige Pyrolyse des Teers erforderliche Temperatur erhitzt werden soll. Vorzugsweise liegt diese Temper, atur bei etwa 380-4000 C. Die Dauer der Erwärmungszeit schwankt naturgemäss mit der Beschaffenheit des einzelnen Vorkommens und der zu seiner Ausbeutung erforderlichen Massnahmen, liegt aber durchweg innerhalb ziemlich mässiger Grenzen, z. B. 1-40 Wochen.
Die vorstehenden Angaben gelten insbesondere für indirekte Beheizung, z. B. mittels Heizkörpern, die in Heizzonen oder Bohrlöcher einge- bracht werden. Falls die Wärme an Ort und Stelle in der geologischen Formation selbst erzeugt wird, z. B. durch Verbrennung der brennbaren Gase oder des Koks- und Kohlerückstandes von der Pyrolyse des Teers oder durch Kombination mehrerer dieser Wärmezufuhrmöglich- keiten lässt sich die Wärmeübertragung in verschiedener Weise verbessern. In solchen Fällen kann die höchste Temperatur in der Verbrennungszone höher liegen und braucht auf die Haltbarkeit der Röhren keine Rücksicht genommen zu werden.
Die Verbrennungszone bewegt sich langsam und gleichmittig nach aussen von den Stellen aus, an denen sie begonnen hat, so dass hiedurch der Wärmeübertragungsabstand verringert wird. Die Verbrennungsgase strömen zu den Gasauslässen und übertragen hiebei Wärme von den heissesten zu den kältesten Teilen des Minerals. Demzufolge verbessern diese Formen der Wärmebehandlung die Erwärmungsverhält- nisse und, kürzen die Dauer der Erwärmungszeiten erheblich ab.
Bei der Benutzung eines mit Verbrennung vorzugsweise von Gas arbeitenden Heizelements kann eine spezifische Belastung entsprechend etwa 1, 0 kW/m beispielsweise dadurch erhalten werden, dass man eine Luftmenge von etwa 15 m3 und eine Brenngasmenge von etwa 1 m3 je Minute auf ein Meter Länge des Heizelementes einbläst. Die Luft und das Brenngas können in einem am unteren Ende des Heizelementes ausgebildeten Brennerkopf miteinander vermischt und entzündet werden. In dieser Weise wird die Verbrennung der Kokskohle eingeleitet. Wenn der Koks entzündet Ist, breitet sich die Verbrennungszone allseitig aus.
Die Verbrennungsgase müssen den Stromungs- widerstand des noch unverbrannten Kokses und in grösserem Abstand von dem Heizelement den des mit unbehandeltem Teer vermischten Sandes iiberwinden. Sobald die Gase diese Schranke durchdrungen haben, wird dank der Einwirkung der heissen Gase der Durchlass sehr schnell er- weitert Der Teer wird verflüssigt und wegg, e- presst.
Sowohl der Sand als auch der nach der Pyrolyse vorhandene Koks sind durchlässig für Ul- dämpfe, Verbrennungsgase usw. Der Koks ist je- doch durchlässiger als der Sand. Dieser Umstand lässt sich ausnutzen zur Schaffung derart ausgebildeter Durchlässe in den ölhaltigen geologischen Schichten, dass sich die'Oldämpfe und die Gase vorzugsweise in Richtung zu den Gasauslassstellen hin bewegen.
Durch die Erhitzung wird der Sand In ein ko, ksartiges Gebilde umgewandelt. Auf diese Weise bildet sich um das Loch, das den Heizkörper aufnimmt, eine Ktofkswand. Diese Wand fängt an, sich bereits während des Bohrens des Loches zu bilden, sofern zum Bohren das an sich bekannte Verfahren mit einem heissen Gasstrahl benutzt wird. Wenn die Erhitzung durch den Heizkörper erst nach dem Bohren des Loches be- ginnt, wird die Dicke des Kokslagers umso grö- sser, je länger die Erhitzung andauert. Um das den Heizkörper enthaltende Rohr wird auf diese Weise ein Durchlass für einen Gasfluss in vertikaler Richtung, u. zw. nach oben und nach unten, geschaffen.
Gleichzeitig mit der Bildung des Kokses findet die Pyrolyse des Teers statt, und hiedurch werden freie Öldämpfe und brennbare Gase entwickelt. Dadurch wird in der Zone, wo die Pyrolyse vor sich geht, ein Überdruck erzeugt, der die flüchtigen Erzeugnisse dazu zwingt, in alle Richtungen zu strömen, wohin Durchlässigkeit vorhanden ist.
Diese Beeinflussung des erhitzten Teers und/ oder der erzeugten Teerpl10dukte kann auch durch das Einlassen von Gas. unter Druck er- folgen.
Halls der Gasauslass oben im Sandlager gelegen ist, ist der vertikale Gasdurchlass zweckmä- ssig, von der Pyrolysenzone zum Auslasspunkt hin geöffnet. Dies ist der Fall, wenn sich die Py- rolysenzone,, d. h. der Teil des Heizelements, der der Erhitzung unterworfen ist, eine Verschiebung nach unten erfährt. Befindet sich der Auslasspunkt dagegen unten am Sandlager, so soll die Pyrolysenzone nach oben durch den Sand wandern, damit der notwendige Durchlass für die Gase geschaffen wird. Diese Wanderung der Py- rolysenzo. ne lässt sich dadurch hervorbringen, dass man den Brenner innerhalb des Heizrohres absenkt bzw. hebt.
Falls die Wärme durch Verbrennung von Koks oder Gas direkt in den Sandlagern erzeugt wird, kann der Brenner, der Luft (und Gas) für die Verbrennung liefert, in derselben Weise und zu demselben Zweck aufwärts oder abwärts bewegt werden. hiefür geeignete Vorrichtungen werden weiter unten beispielsweise beschrieben werden.
Die bei der Pyrolyse des Teers an Ort und Stelle erzeugten Kohlenwasserstoffga. se, brennba- ren Gase usw. können in jeder beliebigen Weise gesammelt werden. Es ist möglich, Dämpfe und
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Gase in solcher Weise zu sammeln, dass eine zumindest teilweise Abscheidung der Dämpfe von den Gasen in der Heizzone stattfindet. Dies kann dadurch erzielt werden, dass bei Verwendung von Luft oder Sauerstoff einerseits und brennbaren Gasen anderseits die Eintrittsstellen für diese die Verbrennung unterhaltenden Gase und die Abzugsstelle für die entwickelten Dämpfe und Gase in bestimmter Weise zueinander angeordnet werden, wie genauer unten angegeben werden wird.
Die kohlenwasserstoffhaltigen Dämpfe werden gesammelt und anschliessend weiterer Behandlung unterworfen, wie Kondensierung, De-
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winnung von Nebenprodukten unter Verwendung zweckmässig erscheinender Verfahren an jedem Punkt der Behandlungskette für derartige Dämpfe unter Anwendung herkömmlicher Massnahmen.
Die kohlenwasserstoffhaltigen Dämpfe, insbesondere die Oldämpfe, und die Gase verlassen die Zone, wo sie gebildet oder freigemacht worden sind, mit einer ziemlich hohen Temperatur, beispielsweise 350-4000 C. Ein Teil ihres Wärmeinhalts lässt sich zur Vorwärmung von Verbrennungsluft oder/und Brennstoff verwenden, vorzugsweise in beliebig geformten Wärmeaustauschern, die entweder mit dem das Heizelement aufnehmenden Rohr zusammengebaut und mit ihm in das Bohrloch abgesenkt sein oder eine getrennte Vorrichtung darstellen können, die oberhalb der Bodenfläche an das obere Ende des Roh- res angeschlossen ist.
Falls Wärme in dem Element oder unmittelbar in dem Sandlager durch Verbrennung erzeugt wird, kann auch die Wärme der Verbrennunggase für den genannten Zweck ausgenutzt werden.
Der Wärmeinhalt der durch die Pyrolyse gebildeten Dämpfe und Gase kann auch für die Destillation der erzeugten kohlenwasserstoffhaltigen Produkte, insbesondere des öls, in Fraktionen mit verschiedenem Siedepunkt, wie sie für Veräusserung oder weitgehende Raffinierung geeignet erscheinen, benutzt werden. Dies kann in solcher Weise geschehen, dass die aus dem Erdboden strömenden heissen Gase direkt einem Fraktionierungsturm herkömmlicher Bauart zugeführt werden. In dieser Weise wird ermöglicht, dass überhaupt keine oder nur ein Bruchteil der sonst erforderlichen Wärmemenge auf andere Weise dem Turm zugeführt zu werden braucht.
Die durch die Pyrolyse des Teersandes an seiner natürlichen Lagerstelle gewonnenen Erzeugnisse sind ihrer Güte nach besser und leichter raffinierbar als die Erzeugnisse durch andere Verfahren zur ölgewinnung. Wenn nämlich der Teer nach Abbau mit Hilfe von heissem oder kaltem Wasser oder von Lösungsmitteln aus dem Sand extrahiert worden ist, muss er noch einer Verkokung oder Krackung oder einer andern Bearbeitung unterworfen werden, bevor raffinierfähige Produkte erhalten werden. Je nach der Art der Behandlung fällt dann Benzin in einer Menge zwischen 6 und 18 Voltez gerechnet auf den ursprünglichen Teergehalt in dem unbehandelten Teersand, an. Die Gesamtausbeute an 01 (Benzin und schwerere Fraktionen) beträgt zwischen 65 und 85 Vo1. -0f0.
Die entsprechenden Ausbeutezahlen für die Gewinnung gemäss der Erfindung an Ort und Stelle
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Ausbeute an leichten und wertvollen Kohlenwasserstoffen, wie Benzin, ist bedingt durch solche Merkmale der Behandlung an Ort und Stelle wie lange Dauer der Wärmebehandlung und verhältnismässig niedrige Temperatur während der Pyrolyse. Als Beispiel der Eigenschaften eines öls, das bei der Behandlung an Ort und Stelle erhalten werden kann, seien die folgenden, durch Analyse ermittelten Eigenschaften eines bei einem Feldversuch anfallenden Öls genannt : spez.
Gewicht bei 200 C 0, 87
Refraktionsindex 1, 490
Viskosität bei 20e C 7, 0 cSt
Viskosität ! bei 500 C 2, 2 cSt Schwefelgehalt 2, 8 Gew. -Ofo,
Bromzahl 35
Der unbehandelte Teer enthält etwa 4 Gew.-"/o Schwefel in der Form von Schwefelverbindungen. Durch die langwährende Erwärmung des Materials bei der Behandlung an Ort und Stelle gemäss der Erfindung werden diese Schwefelverbindungen aufgespalten, wodurch wenigstens ein Teil des Schwefels in die schwerkondensierbaren brennbaren Gase in Form von Wasserstoffsulfid übergeht. Das Wasserstoffsulfid lässt sich von den Gasen trennen und mittels bekannter Verfahren, z. B. dem Alkazid-Claus Verfahren, auf elementären Schwefeln behandeln.
In dem Verfahren gemäss der Erfindung zur Pyrolyse von Teersand an seiner natürlichen Lagestelle ist es notwendig, Bohrlöcher vorzusehen, in welchen Heizelemente untergebracht werden können. Die Herstellung der Bohrlöcher 111 Teersand bringt oft Schwierigkeiten mit sich.
Vorzugsweise werden hiefür Verfahren gemäss dem Patent Nr. 183391 benutzt, wobei die Löcher mit Hilfe eines direkt gegen den Sand gerichteten Strahls eines Sauerstoff enthaltenden und vorzugsweise erhitzten Gasgemisches geschaffen werden. Dieses Gemisch leitet eine Verbrennung des Teers zwischen den Sandkörnern ein und befreit dadurch diese. Die Sandkörner können pneumatisch aus dem Loch an die Bodenober- fläche befördert werden, z. B. mit HiLfe des aufsteigenden Rückgasstromes. Falls der Teergehalt nicht hoch genug ist, um die Verbrennung zu unterhalten, kann dem Brenner zusätzlicher Brennstoff, z. B. brennbares Gas, zugeführt werden. Durch die beim Bohren freiwerdende Hitze wird der Teer in den umgebenden Teilen des
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jSandes teilweise gekrackt.
Dies erzeugt einen Koksruckstand, der die Wand des Loches hart macht. Diese Verhärtung kann so weit. gehen, dass ; die Wand-keiner Verkleidung bedarf, Da der Bohrbrenner zum Herstellen des Loches und das Heizelement zur Hervorbringung von Pyrolyse des Teers in dem Teersand an seiner natürlichen Lagerstätte oft analoge Aufgaben zu erfüllen 'haben, u. zw. die Zuführung von Luft und Gas unter Druck zu den. Sandlagern, können das Boh- ren und die Erhitzung zur Pyrolyse in einem einzigen Arbeitsgang durchgeführt werden.
Die Olgewinnung gemäss der Erfindung kann beispielsweise folgendermassen durchgeführt werden. In einem Dreiecksmuster werden Löcher mit einem Durchmesser von 76 mm so niedergebracht, dass sie das ganze Feld über einem Teersandvorkommen mit einem kürzesten Abstand von 4 m zwischen den Löchern decken. Das Decklager, das ! keinen Teerg, ehalt ha. t, kann in gebräuchlicher Weise durchbohrt werden. Wenn das Decklager dünn ist, können die Löcher in dieser Weise auch in einen Teil des oberen Teersandlagers hineingebohrt werden. Für das Bohren durch den Teersand dienen mit Vorteil Bohrbrenner gemäss dem Patent Nr. 183391. Die ! Bohrung erstreckt sich auch noch durch einen Teil der Schichten unter dem Teersandvorkommen.
Beim Bohren mit dem Bohrbrenner durch den Teersand bildet sich ein säulenförmiges Kokslager um das Loch herum, so dass. dieses, wie oben erwähnt, keiner Ausklei- dung bedarf.
Die Fig. 4 und 5 stellen schematisch ein gasgeheiztes Element in seiner Lage im Verhältnis zu dem ganzen Teersandvorkommen dar. Nach dem Bohren des Loches wird der Bohrbrenner entfernt und ein'kombiniertes Heizelement und Gasauslassrohr in das Loch eingebracht. Wie in der Fig. 4'gezeigt, wird, wenn die Deckschicht 9 dick ist, ein Gasauslassrohr 7 knapp bis in den
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dünn oderes durch einen Teil der Teersandschicht 8 hindurchgeht, wie in der Fig. 5 gezeigt ist, wo diese obere Schicht des Teersandes im Ausgleich für die allzu dünne Deckschicht 9 zur Abdichtung beiträgt. Andernfalls würden die durch die Pyrolyse erzeugte Dämpfe überall zwischen den Löchern austreten.
Das Heizelement 10 liegt zwischen dem Boden des Gasauslassrohres 7 und den Bodenschichten 55, die ebenfalls keinen Teerge- 'halt haben. Dies ist besonders wichtig, weil es somit möglich ist, einen Te ! il der Bodenschicht zu erhitzen und dadurch zu vermeiden, dass der Teer zu der Bodenschicht fliesst, sich dort abkühlt und dort bleibt. Gasförmiger Brennstoff und sauerstoffhältige Gasgemische werden durch den Gaseinlass 11 bzw.
den Lufteinlass 12 in solchem Verhältnis zueinander und in solcher Menge in das Heizelement 10 eingeleitet, dass eine Wärme- menge von etwa 700 kcal je Stunde auf je 1 Me- ter der Länge des Elementes entwickelt wird.
Die säulenförmige Heizzone weitet sich gleichmittig von dem Heizelement 10 aus, so dass eine
Zone 13 mit Sandkoks unmittelbar an dem Loch vorhanden ist. und sich vor ihr eine Zone 14 bil- det, wo die Pyrolyse stattfindet. Das Forschreiten des Erwärmungsvorgangs wird durch Messen der Temperatur an der kältesten Stelle des Fel- des, d. h. im Mittelpunkt des Dreiecks zwischen drei Heizelementen, überwacht. Wenn die Temperatur an diesem Punkt auf 4000 C gestiegen ist, was normal nach 5 Monaten eintritt, wird die Beheizung eingestellt, weil jeder Teil des Sandlagers auf die Pyrolysentemperatur gebracht worden ist.
Die durch die Pyrolyse erzeugten Dämpfe und Gase wenden durch das Gasauslassrohr 7 gesammelt, das oben am Teersandlager seine untere Mündung hat. Der während der Pyrolyse in dem Sand erzeugte überdruck reicht aus, um den Gasstrom durch den Sand und durch die Sammelrohre 4 aufrecht erhalten. Der Oberdruck In dem Sandlager lässt sich mittels nicht dargestellter Ventile in jedem Gasrohr auf einen gewünschten Wert einstellen.
Je nach den örtlichen Bedingungen, wie der Erhältlichkeit und dem Preis gasförmigen Brennstoffes, der Beschaffenheit der aus bestimmten Arten von Teersand während der Erhitzung erhältlichen schwerkondensierbaren brennbaren Ga- se usw., kann es vorteilhaft sein,'die Kalorien des Sandkokses für'die Erwärmung auszunutzen, z. B. in folgender Weise :
Das dreieckige Muster gemäss der Fig. 3 wird zu einem sechseckigen Muster, indem man sechs Dreiecke mit einem gemeinsamen Eckpunkt miteinander kombiniert. Diese Kombination kann nun bei der Verbrennung des Sandkokses benutzt werden.
Zunächst wird ein Teil des Teersandes um jedes kombinierte Heiz- und Gassammelrohr in solchem Ausmass der Pyrolyse unterworfen, dass. die Temperatur zwischen zwei solchen Löchern hoch genug wird, d. h. auf etwa 100- 1500 C steigt, um die Viskosität des Teers hier so weit zu erniedrigen, dass das Gas von einem Loch zu einem benachbarten durchgelassen wird. Durch Drosseln der Gasauslasslöcher ist es mög- lich, in dem Teersandlager einen höheren Druck zu erzeugen und damit. die Schaffung von Durchlässen zwischen dem in, der Mitte gelegenen Loch und einem der umgebenden Löcher zu beschleunigen. Hienach werden die Heizelemente entfernt und in das Mittelloch eines Sechsecks ein mit Löchern versehenes Rohr eingebracht.
Wie in der Fig. 6 veranschaulicht, wird durch die Löcher 16 des Rohrs 17 ein Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch über das ganze Sandlager 15 verteilt. Die Entzündung kann entweder durch Vorerhitzen des Sauerstoff enthaltenden Gasge- misches auf eine ausreichende Temperatur oder durch Hinabwerfen eines selbstentzündlichen
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Stoffes oder Stoffgemisches in das Loch 18 hervorgerufen werden. Je nach der grösseren oder geringeren Durchlässigkeit und dem grösseren oder kleineren Kohlenstoffgehalt des Sandkokses schreitet die Verbrennung mehr oder weniger schnell fort und erzeugt eine mehr oder weniger regelmässige Verbrennungszone 19, deren Temperatur bei etwa 800-10000 C liegt. Von dieser Zone 19 wird die Wärme kälteren Teilen der Schichten zugeleitet.
In der Zone 20, wo die Temperatur zwischen 250 und 4000 C beträgt, findet Pyrolyse statt. Die hiebei erzeugten Dämpfe und Verbrennungsgase strömen zusammen zu den sechs benachbarten Löchern an den Begrenzungswinkeln des Sechsecks. Diese Löcher dienen jetzt nur als Gasauslasslöcher 21. Wie aus der Fig. 6 ersichtlich, durchströmen die Verbrennungsgase und Pyrolysedämpfe auf ihrem Wege zu einem Gasauslassloch 21 zunächst unbehandelten Teersand 22, dann Teersand 23, der teilweise pyrolisiert worden ist, und schliesslich die Zone 24 um das Gasauslassrohr herum, das aus einer Säule aus Teersandkoks besteht. Die Säule 24' um das Loch 18 herum enthält verbrannten Koks.
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gischen Formationen sind dieselben wie bei dem oben beschriebenen Arbeiten mit den gasbeheizten Elementen.
Die Zufuhr von Sauerstoff enthaltendem Gasgemisch wird abgebrochen, wenn die Temperatur des Sandes 4000 C in der Zone 23 erreicht, wo der Teersand zunächst um die Gasauslasslöcher 21 teilweise der Pyrolyse unterworfen worden war.
Die Einlassrohre 18 können auch in einem Dreieckmuster mit je einem Rohr an jeder Ecke des (Dreiecks angeordnet sein. Die Verbrennungsgase und die erzeugten Dämpfe werden dann in einem gesonderten Loch gesammelt, das in der Mitte jedes Dreiecks zwischen den Elementen vorgesehen sein kann.
Die Zufuhr von Sauerstoff enthaltendem Gasgemisch wird auch in diesem Fall abgebrochen, sobald die Temperatur im Mittelpunkt des Dreiecks ungefähr 4000 C erreicht hat. Falls die Zu- fuhr von Sauerstoff in den Gasgemischen auf ungefähr 0, 15-0, 20 cm3 je Stunde und Meter der Elementlänge eingestellt wird und falls ferner der Abstand zwischen den die Elemente aufnehmenden Löchern ungefähr 4m beträgt, dauert es ungefähr 5 Monate, bevor, die genannte Tempenatur erreicht wird.
In den vorstehend beschriebenen Beispielen wurde angenommen, dass die Wärme im wesentlichen gleichmässig über die ganze Länge des Loches in dem Teersandlager verteilt sei. Es wurde auch erwähnt, dass der Teer abwärts zu den unteren Schichten fliessen wird. Um dieser Erscheinung wenigstens teilweise entgegenzuwirken, wurde auch ein Teil der Schichten unter dem Boden des Teersandvorkommens durch die Heizele-
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Erhitzung des Sandes von unten zu beginnen und dann die Heizelemente oder Heizkörper allmäh- lich in. dem Loch aufwärts zu verschieben. Hiedurch wird erreicht, dass der herabfliessende Teer, der von unten aufsteigender Wärme begeg- net, der Pyrolyse unterworfen wird und infolgedessen die hiebei entstehenden Dämpfe durch das Gasauslassrohr nach oben steigen.
Ein Beispiel für eine derartige Einrichtung ist in der Fig. 7 veranschaulicht. Das bewegliche, gasbeheizte Element 25'befindet sich hier am Boden des Loches 26. Der gasförmige Brennstoff und das Sauerstoff enthaltende Gasgemisch treten durch die gleichmittigen Rohre 27 bzw. 28 ein und strömen zu dem gasbeheizten Element 25.
Die Verbrennungsgase von dem Element 25 entweichen durch ein weiteres gleichmittiges Rohr 29 zu einem Schornstein, z. B. über einen in der Figur nicht gezeigten Wärmeaustauscher. Die drei glei, chmittigen Rohre können aus zusammensetzbaren Teilen, z. B. 10 Meter langen Rohrstücken, bestehen. Das Element mit diesen Roh- ren hängt an einem Draht 30, der über eine RolJe 31 läuft. Ein Gesperre 32 befindet sich in ei-
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die Länge der gleichmittigen Rohrteile, im vorliegenden Beispiel daher etwa 11 Meter beträgt. Die Brennervorrichtung hängt frei in dem Gas- auslassrohr 33'für die durch die Pyrolyse erzeugten Dämpfe und dem mit der Kokswand versehenen Loch 26.
Bei der vorbeschriebenen Verbrennung des Sandkokses ist es auch möglich, die Verbrennungsgase und damit die Hitze ungleichförmig zu verteilen. Die Fig. 8 veranschaulicht, wie das Sauerstoff enthaltende Gasgemisch und möglicherweise auch ein gasförmiger Brennstoff durch zwei gleichmittige Rohre 34 bzw. 35 an den Bodenteil eines Loches strömen, in das ein mit Perforierungen 36 versehenes Rohr 37 eingesetzt ist. Das äussere bewegliche, gleichmittige Rohr 35 hat einen solchen Durchmesser, dass es knapp durch die Deckschicht 38 auf und ab bewegt werden kann, das perforierte Rohr 37 einen solchen, dass es eben durch den Teersand 39 verschiebbar ist. Die Hebevorrichtung und die andern Merkmale sind dieselben wie in der Fig. 7.
Die Verbrennungsgase strömen durch den Sand zu dem Gasauslassrohr 40 in derselben Weise wie im Zusammenhang mit der Fig. 6 beschrieben.
Fig. 9 veranschaulicht, wie die Pyrolyse des Teersandes mittels einer Anzahl Elemente durch, geführt werden kann, um eine ungleichmässige Verteilung der Wärme zu erzielen. In der Figur sind acht Reihen 41 von Löchern dargestellt und veranschaulicht, in welcher Weise die Wärmefront von ihnen aus auftritt. Der Abstand zwischen der untersten Schicht 42 und der obersten sschicht 43 der Teersandlager 44 ist hier in sieben Teile unterteilt und die vertikale Länge der
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Heizelemente ist ungefähr dieselbe wie die Höhe je eines Siebentes der Dicke des Lagers. Wenn ein Element eine sachdienliche Zeitspanne lang eingeschaltet gewesen ist, wird es um ein Siebentel, des Abstandes zwischen der untersten und der obersten Schicht des Sandlagers aufwärts bewegt.
Das zuerst eingeschaltete Element 41'ist während der Zeitspanne A sechsmal bewegt und sieben Zeitabschnitte lang eingeschaltet gewesen, und die ganze Zone um dieses Rohr herum ist damit der Pyrolyse unterworfen worden. Das nächstfolgende Element ist während der gleichen Zeitspanne (A) nur sechs Zeitabschnitte lang eingeschaltet gewesen, und erst während eines Zeitabschnittes später (zum Zeitpunkt B) wird das ganze Sandlager um dieses Rohr herum der Pyrolyse unterworfen gewesen sein. In der gleichen Weise sind die folgenden Elemente immer später eingeschaltet gewesen und für das achte Element 41"findet eine Einschaltung erst zu dem Zeitpunkt B statt. Auf diese Weise wird eine zick-zjadk-förmige Pyrolysenfront erzeugt, die sich über das Feld hinüber bewegt.
In ählicher Weise können auch die beweglichen Einlassrohre für Sauerstoff enthaltende Gasgemische angeordnet sein.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Gewinnung von kohlenwasserstoffhaltigen Stoffen aus Teersand an seiner natürlichen Lagerstätte im Erdboden, wobei der Teersand an Ort und Stelle erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst durch Erhitzung des Teersandes auf eine Temperatur zwischen etwa 2500 C ; und 4000 C mit Hilfe rohrförmi- ger Heizelemente eine Anzahl säulenförmiger Heizzonen geschaffen wird, in denen der Teer unter Bildung einer rohrförmigen, die Heizzonen umgebenden Wand von hartem Sandkoks verschwelt und durch die grössere Durchlässigkeit des Sandkokses gegenüber dem unbehandelten Teersand die bei der Verschwelung erzeugten Dämpfe und Gase zu einigen der durch Entfer- nen der Heizelemente zu Gasabzugslöchern umgebildeten säulenförmigen Heizzonen gefördert werden.