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Verfahren zum Erhitzen von untertags befindlichen geologischen
Vorkommen an ihrer natürlichen Lagerstätte
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erhitzen von untertags befindlichen geologischen
Vorkommen an ihrer natürlichen Lagerstätte zwecks Gewinnung wertvoller flüssiger und/oder gasförmiger
Erzeugnisse. Diese Vorkommen können brennstofführende sedimentäre Ablagerungen sein, wie z. B. Teer- sand oder Ölschiefer. Zum Erhitzen derartiger Vorkommen ist es bekannt, in einem in das Vorkommen hinabgeführten Brennerrohr ein Brennstoff und Sauerstoff enthaltendes Gemisch zu verbrennen. In der österr.
Patentschrift Nr. 199146 wurde bereits vorgeschlagen, von der Verbrennungszone des Brennerroh- res oder des rohrförmigen Heizkörpers die Rauchgase, die bei der Verbrennung entstehen, durch das unten offene Rohr hindurch nach unten zu führen und sie dann aufwärts durch einen um das Rohr herum vorge- sehenen Spalt aufsteigen zu lassen. Dieser Spalt wird vorzugsweise nach aussen durch ein mit einem Boden versehenes Schutzrohr begrenzt, das das Brennerrohr konzentrisch umgibt und mit dem erhitzten Vor- kommen in wärmeleitender Verbindung steht.
Der Hauptzweck dieser Ausgestaltung der Heizvorrichtung besteht darin, eine solche Verteilung der in der Verbrennungszone erzeugten, zu dem Schutzrohr und da- mit zu dem Vorkommen gelangenden Wärme zu erzielen, die diesem Schutzrohr eine möglichst gleich- mässige Temperatur in einem Bereich gibt, der von dem unteren Austrittsende des Brennerrohres bis zur Höhe der Verbrennungszone in ihm reicht. Die Summe der nach unten abnehmenden Wärmestrahlung von der heissen Verbrennungszone und die aufwärts abnehmende Wärmeabgabe von den aufsteigenden Rauchgasen an das Schutzrohr soll mit andern Worten je Längeneinheit des Schutzrohres konstant sein. Als weitere Massnahme in dieser Richtung wurde noch das Anbringen eines Strahlungsschutzes um die Verbrennungszone herum vorgeschlagen.
Eine gleichmässige Erhitzung des Schutzrohres über seine gesamte Länge von der Verbrennungszone abwärts bis zur Mündung des Brennerrohres ist für die Wirtschaftlichkeit der Ausbeutung sedimentärer Vorkommen durch Erhitzung an Ort und Stelle und Gewinnung wertvoller flüssiger und/oder gasförmiger Erzeugnisse von ausschlaggebender Bedeutung.
Mit einer Steigerung der dem Brennerrohr in der Zeiteinheit zugeführten Wärmemenge steigt der Anteil der Strahlung in der gesamten Wärmeerzeugung.
Die Erfindung bezweckt, eine gute gleichmässige Wärmeverteilung auch bei hohen abgegebenen Wärmemengen und bei grosser lotrechter Länge oder Dicke des derErhitzung ausgesetzten Teils des Untertage- vorkommen zu schaffen. Dies wird im wesentlichen dadurch erzielt, dass kornförmige Wärmeträger von sandartiger Beschaffenheit in den Spalt eingebracht werden und in diesem Spalt ein aufwärtsgerichteter Gasstrom von solcher Stärke erzeugt wird, dass die kornförmigen Wärmeträger von dem Gas schwebend gehalten werden, so dass ein das Brennerrohr teilweise oder ganz umgebender Mantel aus schwebenden Wärmeträgem entsteht.
Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf ein in der Zeichnung in einem lotrechten Schnitt gezeigtes Ausführungsbeispiel für die Durchführung des Verfahrens näher beschrieben werden, und dabei sollen auch weitere, die Erfindung kennzeichnende Eigenschaften angegeben werden.
Die Brennervorrichtung oder das Heizelement besteht aus einem äusseren Schutzrohr 10, das in ein von der Erdoberfläche niedergebrachtes, senkrechtes Bohrloch eingesetzt ist. Dieses Bohrloch kann ein kurzes Stück in eine geologische Formation 11 eindringen, die sich unter dem zu bearbeitenden, brennstofführenden Vorkommen 12 befindet. Über diesem Vorkommen kann- eine geologische Schicht aus nicht
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brennbarem Mineral, z. B. eine Kalksteinschicht 13, vorhanden sein, die nahe der Bodenoberfläche von einem Erdlager 14 überdeckt ist. Der Zwischenraum zwischen dem Schutzrohr 10 und der Bohrlochwand kann durch einen wärmeleitenden Stoff, wie z. B. Sand oder Quarz 15, ausgefüllt sein, um den Wärme- übergang von dem Schutzrohr zu dem Vorkommen zu verbessern.
In das Schutzrohr 10 wird ein Brennerrohr eingesetzt, das aus einem oberen schmaleren Zuleitrohr 16 und einem unteren weiteren Rauchgasrohr 17 besteht. Letzteres ist an beiden Enden offen, und seine untere Öffnung befindet sich in einem Abstand von dem Boden 18 des Schutzrohres 10. In dem Übergang zwischen den beiden Rohren ist ein sich nach unten kegelig erweiternder Brennerteil 19 ausgebildet. Die Rohre 16 und 17 hängen über den Brennerteil 19 zusammen, so dass sie gemeinsam in das Schutzrohr 10 hinabgelassen werden können. Bei der dargestellten Ausführungsform sind sie mit dem kegeligen Brennerteil 19 zusammengeschweisst. Das Schutzrohr 10 hat übertags einen Verschluss 20, durch den das schma lere Rohr 16 hindurchgeht, wobei es durch eine Packung 21 abgedichtet sein kann. Übertags ist das Rohr 16 mit einem Regelventil 24 und einem Manometer 25 ausgerüstet.
Durch das Rohr 16 wird ein Brennstoff und Sauerstoff enthaltendes Gemisch, wie z. B. ein Gemisch aus brennbarem Gas und Luft, eingeleitet. Nach Entzündung des Gemisches bildet sich in und unter dem Brennerkegel 19 eine Flamme aus. Die Rauchgase strömen von dort abwärts durch das weitere Rohr 17 zu dessen unterer Kante, wo sie ihre Strömungsrichtung umkehren und durch den ringförmigen Spalt 22 zwi schen dem Schutzrohr und dem Brennerrohr 17 aufsteigen, um durch einen Auslass 23 zu entweichen. Am unteren Ende des Rauchgasrohres 17 sind Abstandstücke 26 vorgesehen, die dafür sorgen, dass das Brennerrohr, wenn es ganz in das Schutzrohr hinabgesenkt ist, sich in einem bestimmten Abstand über dem Boden 18 des Schutzrohres 10 befindet.
Gemäss der Erfindung werden Partikel oder feine Körner eines Wärmeträgers von sandartiger Beschaffenheit schwebend in dem ringförmigen Spalt 22 gehalten. Der lichte Querschnitt des Spaltes wird hiebei im Verhältnis zu dem Volumen der ausströmenden Rauchgase so bestimmt, dass die Geschwindigkeit der aufsteigenden Rauchgase genügend hoch wird, um gerade noch die Körnchen tragen zu können. Diese verteilen sich dann mehr oder weniger gleichmässig in dem Gasstrom von unten bis zu einer oberen Grenze. deren Lage von der Geschwindigkeit und dem spezifischen Gewicht der Gase einerseits, der Form, Grösse und dem spezifischen Gewicht der Körnchen anderseits abhängig ist, u. zw. in einer Weise, die an sich von Vorrichtungen mit schwebendem Bett zum kontinuierlichen Kracken und andern ähnlichen Verfahren bekannt ist.
Damit der Schwebezustand erhalten wird, muss das Brennstoffgemisch dem Brenner unter einem höheren Druck zugeführt werden als sonst, d. h. als ohne Vorhandensein von schwebenden Körnchen erforderlich wäre.
Der schwebende kernförmige Wärmeträger wirkt in zweifacher Weise. Einerseits nehmen die Körner einen Teil der von dem Brenner. insbesondere dessen heissesten Teilen bzw. dem Brennerkegel 19 ausströmende Wärme auf, die sonst von dem Schutzrohr aufgenommen worden wäre. Die Körner haben somit eine ähnliche Wirkung wie der eingangs erwähnte Strahlungsschutz. Anderseits bewegen sich die Körner in ihrem schwebenden Zustand in lotrechter Richtung über verhältnismässig weite Strecken. Ge- wisse Körner können sich sogar praktisch über die ganze Strecke zwischen dem Boden des Schutzrohres und der obersten Grenze der schwebenden Schicht bewegen. Andere Körner wiederum legen nur eine kürzere Strecke zurück, und wieder andere Körner bewegen sich überhaupt nur ganz unbedeutend in der lotrechten Richtung.
Durch die lotrechte Bewegung gelangen somit Kömer, die sich genau vor dem heissesten Teile des Brenners befunden haben und dabei selbst eine hohe Temperatur angenommen haben, in einen Bereich um kältere Teile des Brenners, wo sie aufgenommene Wärme abgeben. Andere Körner gelangen aus kälteren Teilen des Spaltes zu heisseren und haben dann eine verhältnismässig niedrigere Temperatur und ein entsprechend höheres Vermögen, Wärme aufzunehmen. Ausserdem stossen die Körner während ihrer Bewegungen unablässig gegeneinander und tauschen bei jedemZusammenstoss Wärme aus. Das Gesamtergebnis dieser Vorgänge ist eine ausreichend gleichmässige Verteilung der Temperatur über die ganze Länge des Rauchgasrohres.
Der kornförmige Wärmeträger kann natürlicher Sand sein, ein zerquetschtes oder zermahlenes Mi- neral, wie feingemahlener Quarz, oder feinzertrümmerte industrielle Erzeugnisse, wie keramische oder metallische Stoffe. Die Körner können entweder alle ungefähr dieselbe Grösse haben oder ein Gemisch verschiedener Grössen darstellen. Die durchschnittliche Korngrösse wird so gewählt, dass man mit dem Abmessungen von Schutzrohr und Brennerrohr und mit dem zur Verfügung stehenden Volumen und Druck der Rauchgase einen in zufriedenstellender Weise andauernden Schwebezustand für die Körner erhält.
Als zweckmässig erweist es sich hiebei, dass die kornförmigen Wärmeträger im Bohrloch bzw. im Schutzrohr ohne Beeinflussung durch das aufsteigende Gas eine Höhe einnehmen, die die Höhenlage der unteren
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Kante des Brennerrohres in seiner Betriebslage übersteigt. Bei Verwendung von verhältnismässig weichen körnigen Stoffen tritt ein langsamer Verschleiss der Körner ein, so dass ihre Grösse allmählich abnimmt.
Hiebei werden die feinsten Teilchen mit den entweichenden Rauchgasen aus dem Schutzrohr mitgerissen, und eine entsprechende Nachfüllung vonkornförmigem Stoff in den ringförmigen Spalt muss entweder fort- dauernd oder periodisch vorgenommen werden. Durch geeignete Wahl der Grösse und der Menge der Körn- chen im Verhältnis zu dem Querschnitt des Spaltes und der Gasmenge lässt sich die jeweils gewünschte lotrechte Erstreckung der Schwebeschicht einstellen.
Als Beispiel sei erwähnt, dass das Zuleitrohr 16 einen Durchmesser von 6,5 mm und das Rauchgas- rohr 17 einen Durchmesser von25, 4 mm und jedes Rohr eine Länge von 8 m haben kann. Der Innendurch- messer des Schutzrohres oder Aussenrohres 10 kann 65 mm sein. Wenn dann der feste Stoff natürlicher
Sand ist, wird für diesen eine grösste Korngrösse von 0,3 mm ausgesiebt. Bevor das Brennerrohr 16, 17 in das Schutzrohr 10 eingesetzt wird, werden in letzteres ungefähr 9 dm 3 Sand der genannten Beschaffenheit eingefüllt. Das Brennerrohr wird in den Oberteil des Schutzrohreseingeführt. dasGemisch von Brennstoff und Luft wird entzündet und das Brennerrohr dann abgesenkt, bis die Abstandsstücke 26 auf den Boden 18 des Schutzrohres treffen.
Da die Länge der Abstandsstücke wesentlich kleiner ist als die Höhe der in das Schutzrohr eingefüllten Sandmasse, wird letztere während des Absenkens des Brennerrohres in den ringförmigen Spalt 22 aufwärts gewirbelt. Die Länge der Abstandsstücke 26 ist so gewählt, dass praktisch genommen die gesamte Sandmenge in den Spalt hineingezwungen worden ist, wenn die Abstandsstücke gegen den Boden 18 stossen. Die Gaszufuhr wird so eingestellt, dass der Brenner ungefähr 5000 kcal/h abgibt, was ungefähr einer Entwicklung von 6, 3 m 3/h Rauchgas entspricht. Die schwebende Sandschicht streckt sich dann aufwärts ungefähr 11 - 12 m über den Boden des Schutzrohres, und der Brennergibt seine Wärme gleichmässig verteilt über diese 11-12 m des Aussenrohres ab.
Die Temperaturabweichungen entlang diesem Teil des Schutzrohres betragen nur ungefähr 5 e der amschutzrohrgemessenen Durchschnittstemperatur.
Die Wärmeverteilung hängt von der Dichte der schwebenden Schicht, d. h. der Geschwindigkeit des Gases in dem betreffenden lichten Querschnitt des Spaltes ab. Bei der beschriebenen Brennervorrichtung ist die Gasgeschwindigkeit oberhalb des kegeligen Brennerteils 19 niedriger als unterhalb desselben, u. zw. wegen des verschieden grossen Durchmessers des Zuleitrohres 16 und des Rauchgasrohres 17.
Zwecks Ausgleiches der Gasgeschwindigkeit kann gleichmittig mit dem Zuleitrohr 16 um dessen an den Brennerteil 19 angrenzenden Teil herum noch ein Rohr 27 vorgesehen sein, wie mit strichpunktierten Linien in der Zeichnung angedeutet ist. Der Durchmesser des Rohres 27 ist dann zweckmässig gleich dem des Rauchgasrohres 17. Hiedurch wird die Höhe der schwebenden Körnerschicht in entsprechendem Ausmass in dem ringförmigen Spalt 22 aufwärts verlängert. Derartige aufgesetzte Rohre zur Änderung der Dichte der schwebenden Schicht und damit ihrer wärmeaufnehmenden Eigenschaft lassen sich auch in solchen Fällen anwenden, wo keine gleichmässige, sondern eine in bestimmter Weise ungleichförmige Verteilung der Temperatur entlang dem Schutzrohr erzielt werden soll.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene besondere Ausführungsform begrenzt, sondern im wei- testen Sinne innerhalb des Rahmens des ihr zugrundeliegenden Leitgedankens abwandelbar.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Erhitzen von untertags befindlichen geologischen Vorkommen an ihrer natürlichen Lagerstätte zwecks Gewinnung wertvoller flüssiger und/oder gasförmiger Erzeugnisse durch Verbrennung eines Brennstoff und Sauerstoff enthaltenden Gemisches in einem in das Vorkommen hinabgeführten Brennerrohr, durch welches die Rauchgase nach unten geführt und um welches herum ein vorzugsweise durch ein in wärmeleitenderverbindung mit dem Vorkommen stehendes Schutzrohr nach aussen begrenzter Spalt vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass kornförmige Wärmeträger von sandartiger Beschaffenheit in den Spalt (22) eingebracht werden und in diesem Spalt ein aufwärtsgerichteter Gasstrom von solcher Stärke erzeugt wird,
dass die kernförmigen Wärmeträger von dem Gas schwebend gehalten werden, so dass ein das Brennerrohr (17, 19) teilweise oder ganz umgebender Mantel aus schwebenden Wärmeträgern entsteht.