DE1002910B - Verfahren und Vorrichtungen zur Erhitzung von untertags liegenden Vorkommen von bituminoesen Brennstoffen oder von Schwefel an ihrer natuerlichen Lagerstaette - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Bei der Ausbeutung von brennstoffhaJtigen untertags liegenden Vorkommen zur Gewinnung flüssiger und/oder gasförmiger Stoffe hat es sich bisweilen als möglich erwiesen, den bergmännischen Abbau durch Erhitzen des Vorkommens an seiner natürlichen Lagerstätte, »in situ«, zu ersetzen. Dieses Verfahren kann z. B. bei dem Abbau von Schiefervorkommen, Teersandlagern oder Schwefelvorkommen zur Anwendung kommen.

Die Erhitzung in der natürlichen Lage wurde bereits, jedenfalls für ölschiefervorkommen, in großem Umfange mittels in die Lagerstätte hinabgeführter Heizkörper praktisch durchgeführt. Da bei der Bearbeitung brennstoffhaltiger Lager in der Regel beträchtliche Mengen von brennbaren, jedoch wenigstens teilweise schwer kondensierbaren Gasen anfallen, liegt es nahe, nach einem Heizverfahren zu suchen, bei welchem dieses Gas selbst als Brennstoff benutzt werden kann. Hierdurch werden die Verluste und sonstigen Kosten, die mit dem Umweg über ein Dampfkraftwerk verknüpft sind, vermieden oder doch wenigstens erheblich verringert.

Es ist vorteilhaft, wenn die für die Bearbeitung an ihrer natürlichen Lagerstätte vorgesehenen Ablagerungen von einer Schicht einer anderen Bergart, wie z. B. Kalkstein, überdeckt sind. Hierdurch wird die Gefahr des »Ausleckens« der gebildeten wertvollen Erzeugnisse verringert. Wenn jedoch eine solche Deckschicht fehlt, darf die zu bearbeitende Ablagerung nicht in ihrem der Erdoberfläche zunächst liegenden Teil erhitzt werden. Aber auch beim Vorhandensein von Deckschichten ist es oft erwünscht, daß diesen der Erdoberfläche zunächst liegenden Bodenschichten keine Wärme zugeführt wird. Für die darunterliegenden zu bearbeitenden Schichten gilt dagegen meistens, daß eine gleichmäßige Wärmeabgabe an das Vorkommen in seiner ganzen Mächtigkeit wünschenswert ist. Bisweilen kann es jedoch zweckmäßig sein,, nur einen kleineren Abschnitt des Vorkommens zu erhitzen und diesen Abschnitt dann allmählich wandern zu lassen.

Das zweckmäßigste Verfahren zur Erhitzung an der natürlichen Lagerstätte besteht im vertikalen Absenken rohrförmiger Heizkörper von der Bodenoberfläche aus. Wird nun die Wärme in der Form elektrischer Energie zugeführt, bereitet es keine Schwierigkeit, die gewünschte Verteilung der Wärmeabgabe zu erhalten, weil man einfach nur jene Teile des Heizkörpers, die man erhitzt haben will, mit Widerstandswicklungen zu versehen braucht. Erheblich beschwerlicher ist die Lösung dieser Aufgabe, wenn die Wärme durch Verbrennung erzeugt werden soll. Bringt man nämlich einen gewöhnlichen Gasbrenner in den rohrförmigen Heizkörper ein, so erhält man eine sehr ungleich-Verfahren und Vorrichtungen zur Erhitzung von untertags liegenden Vorkommen von bituminösen Brennstoffen oder von Schwefel an ihrer natürlichen Lagerstätte

Anmelder:

Svenska Skifferolje A. B._r örebro (Schweden)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt, Hamburg 36, Neuer Wall 43

Beanspruchte Priorität: Schweden vom 17. Juli und 19. Dezember 1953

Dr.-Ing. Gösta Johan Wilhelm Salomonsson,

Hällebrottet,

Bengt Persson

und Malte Oscar Eurenius, Kumla (Schweden), sind als Erfinder genannt worden

förmige Temperaturverteilung mit einer ausgeprägten Spitze der Temperatur um die Flamme herum. Dies läßt sich nun dadurch vermeiden, daß man in dem langen, rohrförmigen Heizkörper eine Mehrzahl von Flammen in voneinander verschiedenen Höhenlagen vorsieht. Hierbei treten aber insofern Schwierigkeiten auf, als es notwendig wird, das für jede Flamme zweckmäßigste Verhältnis zwischen den Mengen an-Brennstoff und Sauerstoff zu ermitteln und aufrecht- ■ zuerhalten.

Die Erfindung ermöglicht nun die Entwicklung eines Verfahrens und von Mitteln zu seiner Durchführung, um die gewünschte gleichmäßige Verteilung der Temperatur längs des langen Heizkörpers trotz Verwendung nur einer einzigen Flamme zu erzielen. Das Verfahren nach der Erfindung zum Erhitzen untertags liegender Vorkommen an ihrer natürlichen Lagerstätte geschieht mittels in die Lagerstätte niedergebrachter, einander umschließender rohrförmiger Elemente, in denen eine Verbrennung unterhalten wird, und ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsgase von der einzigen Flamme

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innerhalb der rohrförmigen Elemente von einer Verbrennungszone zunächst in einer Richtung und danach in entgegengesetzter Richtung unter Aufrechterhaltung einer wärmeleitenden Verbindung mit dem Gasstrom in der ersten Richtung und in Berührung mit dem äußersten rohrförmigen Element geleitet werden, derart, daß entlang dem' äußersten rohrförmigen Element eine gleichmäßige Temperaturverteilung durch die Gesamtwirkung von Konvektion und Strah-

von dem Boden 15 als das freie Ende des Zwischenrohres 12. Das Innenrohr 10 hat jedoch dieselbe Länge wie die beiden anderen Rohre, so daß sich sein längerer Teil normalerweise außerhalb der beiden 5 anderen Rohre 14 und 12, d. h, in der Richtung vom Boden 15 gesehen, jenseits der Stopfbuchse 11 befindet. Durch diese Einrichtung erhält man die Möglichkeit, bei besonderen Gelegenheiten, z. B. beim Anzünden des Heizkörpers, das Innenrohr 10 in der

lung von den Rauchgasen und von der Flamme in der io Stopfbuchse 11 so zu verschieben, daß es in der Nähe Verbrennungszone erhalten wird. Durch zweckdien.- des Bodens 15 mündet. Auch das Mittel rohr 12 ist in liehe Veränderung der lichten Weite der für den der Stopfbuchse 13 im Verhältnis zum Außenrohr 14 Durchgang der Rauchgase vorgesehenen, durch die verschiebbar. Das Innenrohr 10 ist an dein Ende, das rohrförmigen Elemente gebildeten Durchlässe kann sich am weitesten vom Boden 15 entfernt befindet, mit man die Temperatur auch in der Umgebung des Heiz- 15 einem Verschluß 16 und in dessen Nähe mit einem körpers nach Wunsch beeinflussen. Eine weitere Mög- Anschlußrohr 17 versehen. Ähnliche Anschluß rohre lichkeit zur Steuerung der Temperatur liegt darin, die sind auch an den übrigen Rohren, dem Mittelrohr 12 Konvektion und gegebenenfalls auch die Strahlung und dem Außenrohr 14, in der Nähe der entsprechendurch das Anbringen von Wärmeisolierschichten und den Stopfbuchsen 11 bzw. 13 vorgesehen. Um die ergegebenen falls Strahlungsschutz an Teilen der rohr- 20 forderliche Steuerung der drei miteinander gleichförmigen Elemente zu verändern. Gemäß einer be- achsigen Rohre 10, 12 und 14 zueinander zu erhalten, sonders vorteilhaften Ausführungsform der Er- sind in die Zwischenräume zwischen ihnen kurze findung wird der Heizkörper so ausgebildet, daß er Rundeisenstücke 20 eingelegt, und zwar, wie aus ein Gemisch von Brennstoff und Sauerstoff zu der der Fig. 2 hervorgeht, über den Umfang im Winkel Stelle leitet, wo die Erhitzung einsetzen soll. Hier- 25 von 120° gegeneinander versetzt und an dem Rand durch ergibt sich ein sehr einfacher Aufbau des Heiz- des inneren des den jeweiligen Zwischenraum begrenkörpers, der nicht nur billig in der Herstellung ist, zenden Rohres angeschweißt.

sondern sich vor allem durch große Betriebssicherheit Der für die Verbrennung vorgesehene, zweckmäßige

auszeichnet. Dieser Heizkörper gestattet ferner in ein- gasförmige Brennstoff wird über das Anschlußrohr 17 fächer Weise die Schaffung einer begrenzten, beweg- 30 durch das Innenrohr 10 abwärts geleitet, während die liehen Erhitzungszone. erforderliche Verbrennungsluft durch das Anschluß-

Die Erfindung soll nachstehend an Hand einiger in rohr 18 eintritt und den Zwischenraum zwischen dem den Zeichnungen als Beispiele dargestellter Aus- Innenrohr 10 und dem Mittelrohr 12 durchströmt, führungsformen näher beschrieben werden, und dabei Nach erfolgter Anzündung bildet sich am freien Ende sollen auch weitere, die Erfindung kennzeichnende 35 des Innenrohres 10 eine Flamme aus. Die hierbei entEigenschaften angegeben werden. stehenden heißen Rauchgase strömen in dem Mittel-Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Vorrichtung,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine noch weiter 45 an die sie umgebenden Rohrwände ab. Im Mittelrohr abgeänderte Vorrichtung, 12 ist ihre Temperatur um die Flamme herum am

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine andere Aus- höchsten und fällt dann gleichmäßig in der Längsführungsform, richtung des Rohres zum Boden 15 ab. Wenn die Fig. 6 bis 9 Längsschnitte durch weitere Aus- Rauchgase ihre Richtung geändert haben und in der führungsformen der Erfindung, und zwar in ihrer 50 entgegengesetzten Richtung strömen, sinkt ihre Tem-Lage im Erdboden dargestellt. peratur weiter. Die Wärme, welche die Rauchgase an Die Längsschnitte in den Fig. 3, 4 und 6 bis 9 sind die Wand des Außenrohres abgeben, wird somit in hinsichtlich der Längen- und der Breitenabmessungen der Nähe des Bodens 15 am größten sein und in der in voneinander verschiedenen Maßstäben ausgeführt; Richtung zum Anschlußrohr 19 abnehmen. Dieser die rohrförmigen: Heizkörper sind in Wirklichkeit 55 Wärmeabfall wird jedoch ganz oder wenigstens teilz. B. 20 bis 100 m lang und haben einen Durchmesser weise dadurch ausgeglichen, daß das Außenrohr 14 von gewöhnlich weniger als 0,1 m. durch Strahlung einen Wärmezuschuß vom Mittel-Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht rohr 12 her erhält. Da bei diesem Mittelrohr die im wesentlichen aus drei annähernd gleichachsigen Temperatur und damit auch die von ihm ausgehende Rohren. Ein Innenrohr 10 ist mittels einer Stopf- 60 Strahlung um die Zone der Flamme herum am höchbuchse 11 mit dem einen Ende eines Mittelrohres 12 sten ist und in der Richtung zum Boden 15 abnimmt, verbunden, und auch dieses Mittelrohr 12 ist mittels ist die gesamte, durch Strahlung und Konvektion einer Stopfbuchse 13 an das eine Ende des Außen- zum Außenrohr 14 überführte Wärmemenge in der rohres 14 angeschlossen. Dieses Außenrohr 14 ist an Zeiteinheit ungefähr gleich groß für jede Längendem der Stopfbuchse 13 abgewandten Ende mit einem 65 einheit des Außenrohres 14 auf dem Teil, der sich Boden 15 versehen. In einigem Abstand von diesem zwischen dem Boden 15 und der jeweiligen Höhen-Boden 15 befindet sich das innerhalb des Außenrohres lage der Flamme befindet. Für den Teil des Außen-14 liegende freie Ende des Mittelrohres 12. Das ent- rohres dagegen, der sich zwischen der Höhe der sprechende freie Ende des Innenrohres 10 befindet Flamme und dem Anschlußrohr 19 erstreckt, ist die sich im Betriebe in wesentlich größerer Entfernung 70 Wärmezufuhr wesentlich geringer, weil kein Wärme

rohr 12 in der Richtung zum Boden 15 hinab. Dort werden sie zur Umkehr gezwungen, durchstreichen den Zwischenraum zwischen dem Außenrohr 14 und 40 dem Mittelrohr 12 und entweichen durch das Anschlußrohr 19 in einen nicht dargestellten Wärmeaustauscher. Auf ihrem Wege von der Flamme zum Boden 15 und zurück in den äußeren Zwischenraum geben die Rauchgase einen Teil ihres Wärmeinhalts

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Zuschuß vom Mittelrohr erhalten wird. Im Gegenteil· oben mit dem in ihm angebrachten. Innenrohr verwirkt hier die einströmende Verbrennungsluft noch bunden, dessen untere Kante sich in Abstand oberkühlend auf die entweichenden Rauchgase. Hierdurch halb des Gehäuses 110 befindet.

wird ein Teil der Restwärme der Rauchgase zur Vor- Bei der in Fig. 6 veranschaulichten Ausführungs-

wärmung der Verbrennungsluft ausgenutzt. 5 form besteht das Innenrohr aus zwei Teilen, einem

Bei der soeben beschriebenen Vorrichtung erhält weiteren Unterteil 119 und einem schmäleren Oberman eine verhältnismäßig gleichförmige Temperatur- teil 120. Diese beiden Teile sind durch einen kegelverteilung entlang jenes Teiles des Außenrohres 14, stumpfförmigen Übergangsteil 121 miteinander verder sich zwischen der freien öffnung des Innenrohres bunden. Der Teil 121 befindet sich auf gleicher Höhe 10 und dem Boden 15 befindet. Eine etwas höhere io wie die obere Grenzschicht des auszubeutenden VorTemperatur tritt jedoch in nächster Nähe der kommens 112.

Flamme auf. Ein Ausgleich auch dieser Temperatur- Durch die oberhalb der Bodenoberfläche befindliche Schwankung wird durch in zweckdienlichem Umfang öffnung des schmalen Oberteiles 120 wird ein Gevorgesehene Verkleidung des Mittelrohres 12 mit misch von Brennstoff und Sauerstoff bzw. Luft in einem Strahlungsschutz 21 erzielt, wie er in der 15 den Heizkörper eingeleitet. Wenn dieses Gemisch den Fig. 3 angedeutet ist. Denkbar ist statt dessen oder Heizkörper ausgefüllt hat, bis zu dem Auslaßrohr 116 außerdem die teilweise Bekleidung entweder des vorgedrungen ist und dort auszutreten beginnt, wird Mittel-oder des Außenrohres mit einer Wärmeisolier- es entzündet. Die Strömungsgeschwindigkeit des schicht. nachfolgenden Gemisches von Brennstoff und Sauer-

Eine andere Möglichkeit zur Beeinflussung der 20 stoff wird dann so gesteuert, daß die Flamme ent-Temperaturverteilung am Außenrohr besteht in der gegen der Strömungsrichtung des Gemisches nach Veränderung des freien Durchströmquerschnittes für rückwärts wandert, und zwar zunächst abwärts im die Rauchgase und der dadurch bedingten Ver- Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 110 und dem änderung von deren Strömungsgeschwindigkeit und Innenrohr 119, 120 und dann aufwärts in dem weidamit auch ihrer Wärmeabgabe. Die Steigerung der 25 ten Unterteil 119 des Innenrohres. Wesentlich ist Geschwindigkeit der Rauchgase verbessert zwar den hierbei, daß die lineare Geschwindigkeit des Ge-Wärmeübertragungskoeffizienten, verringert aber doch misches niedriger ist als die lineare Fortpflanzungswegen der kürzeren Verweilzeit der Rauchgase in den geschwindigkeit der Flamme. Dies hängt unter Zwischenräumen die Gesamtwärmeabgabe. Ein Mittel anderem von der Zusammensetzung des brennbaren zur Veränderung des freien Durchströmquerschnittes 30 Gemisches ab. Der schmälere Oberteil 120 des Innenist in der Fig. 4 dargestellt, wo das Zwischenrohr mit rohres ist so bemessen, daß in ihm die Strömungseinem außen aufliegenden »Ausbauch«-rohr22 ver- geschwindigkeit des Gemisches mit Sicherheit die sehen ist. Verbrennungsgeschwindigkeit des brennbaren Ge-

Die Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung zum Anzünden misches übersteigt, so daß die Flamme in dem Über-

des Heizkörpers. Hierzu wird in das Innenrohr 10 35 gangsteil 121 stehenbleibt und nicht, weiter in der

eine entzündete Rakete 23 eingebracht, wobei das Richtung zur Bodenoberfläche wandert. Das schmälere

Innenrohr 10 so weit in die anderen Rohre hinein- Rohroberteil 120 wirkt mit anderen Worten als eine

geschoben sein muß, daß es eben über dem Boden 15 Art Explosionsschutz.

mündet. Hierdurch wird vermieden, daß sich im Sollte die Flamme erlöschen, nachdem der Heiz-

Außenrohr oberhalb des Bodens durch Abkühlung der 40 körper einige Zeit in Betrieb gewesen und das Ge-

Verbrennungsgase entstehendes Kondensat sammelt, häuse 110 warm geworden ist, so ist das vorbeschrie-

wenn die Teile in der Nähe des Bodens nicht schnell bene Anzündeverfahren unzweckmäßig. Es hat sich

genug erwärmt werden. nämlich in solchen Fällen als beschwerlich erwiesen,

Der in den Fig. 6 bis 9 dargestellte Heizkörper ist die Menge an brennbarem Gemisch so zu bemessen, insofern einfacher als die bisher beschriebenen Vor- 45 daß die Flamme in gewünschter Weise wandert, richtungen zur Durchführung des Verfahrens nach Dann wird die Anzündung am besten mit Hilfe eines der Erfindung, als er nur zwei Rohre, und zwar ein brennenden Körpers, z. B. einer Rakete, vorgenomrohrförmig ausgebildetes Gehäuse 110 und ein mit men, die durch das Innenrohr 119, 120 hinabgelassen ihm im wesentlichen gleichachsiges Innenrohr um- wird. Die Rakete muß so beschaffen sein, daß sie faßt. Das Gehäuse 110 ist in ein von der Boden- 50 keine festen Reste übrigläßt, sondern gänzlich veroberfläche lotrecht abgesenktes Loch hinabgelassen brennt. Beim Hinablassen der Rakete wird die Zudargestellt. Dieses Loch reicht ein kleines Stück in fuhr des brennbaren Gemisches unterbrochen, andie Bodenschicht 111 hinein, die das Liegende für das schließend aber schnellstmöglich wieder aufgenommen, auszubeutende brennstoffhaltige Vorkommen 112 bil- Dies hat zur Folge, daß die Zündung am Boden des det. Durch Erhitzen des Liegenden 111 in seiner 55 Gehäuses 110 stattfindet und die entstandene Flamme obersten Grenzschicht wird hier einem Ansammeln dann in der Richtung zu dem Übergangsteil 121 der erzeugten brennbaren Produkte unter dem Ein- emporwandert. Falls die Wiederanzündung der fluß der Schwerkraft vorgebeugt. Außerdem wird ein Flamme zu einem so frühen Zeitpunkt des Erhitzungs-Wärmeabfluß in das Liegende 111 vermieden und da- Verlaufs vorgenommen werden muß, daß noch nicht durch eine gleichförmige Erhitzung auch des unteren 60 das ganze Gehäuse 110 erwärmt wurde, besteht die Teiles des Vorkommens 112 sichergestellt. Gefahr, daß sich bei der Verbrennung gebildetes

Oberhalb des Vorkommens 112 befindet sich bei Kondenswasser im untersten Teil des Gehäuses 110

den dargestellten Ausführungsformen zunächst eine angesammelt hat. Um zu verhindern, daß die hinab-

Kalksteinschicht 113 und zuoberst eine Erdschicht gelassene Rakete in der Wasseransammlung erlischt,

114. Der Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 110 65 kann es zweckmäßig sein, in sicherm Abstand vom

und der Lochwand ist mit z. B. Sand 115 ausgefüllt. Boden des Gehäuses eine Fangvorrichtung 130 für die

Das Gehäuse 110 ist oberhalb der Bodenoberfläche Rakete anzubringen (Fig. 6). Diese Vorrichtung kann mit einem Auslaßrohr 116 und einem Verschluß 117 ein Netz sein, das in so großer Entfernung von der mit einer aufgesetzten Stopfbuchse 118 versehen. Mit Stelle, wohin die Flamme endgültig wandern soll, anHilfe dieser Stopfbuchse 118 ist das Gehäuse 110 70 gebracht ist, daß es von dieser nicht zerstört wird.

Die bei der Verbrennung gebildeten heißen Rauchgase strömen, durch den weiten Rohrteil 119 in der Richtung zum Boden des Gehäuses 110. Dort werden sie zur Umkehr gezwungen, steigen in den Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 110 und dem Innenrohr 119, 120 empor und entweichen schließlich durch das Auslaßrohr 116. Hierbei wird der weite Rohrteil 119 am heißesten in der nächsten Nähe des Übergangsteiles 121 und am wenigsten heiß am Boden des Gehäuses 110. Die aufwärts steigenden Rauchgase wei- to sen infolge Wärmeabgabe während ihres Weges durch den Zwischenraum zwischen dem Irtnenrohrteil 119 und dem Gehäuse 110 eine umgekehrte Temperaturverteilung auf. Durch die kombinierte Wirkung von Strahlung und Konvektion vom Rohrteil 119 und den aufwärts steigenden Rauchgasen wird in ähnlicher Weise wie bei den in den Fig. 1 bis 4 beschriebenen Heizkörpern die Gesamtwärmeabgabe an die Längeneinheit des Gehäuses und von diesem an das umgebende Gestein ungefähr gleichmäßig für den Teil ze des Gehäuses, der sich in dem auszubeutenden Vorkommen 112 befindet. In dem darüber befindlichen Teil des Gehäuses ist die Erwärmung und die Wärmeabgabe an die Umgebung unbedeutend, weil hier nicht nur kein Wärmezuschuß vom Oberteil 120 des Innenrohres erhalten wird, sondern obendrein die abziehenden Rauchgase noch von dem eintretenden Gemisch von Brennstoff und Sauerstoff bzw. Luft gekühlt werden und eine Vorwärmung dieses Gemisches bewirken, wie dies oben für die Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 bis 4 genauer angegeben wurde. Die dort genannten Vorkehrungen zur Veränderung der freien Durchströmfläche für die Rauchgase, das Anbringen von Strahlungsschutz und von Wärmeisolierschichten in der Nähe der Flamme können, auch bei der Ausführungsform nach der Fig. 6 zur Anwendung kommen.

Bei der in der Fig. 7 dargestellten Ausführungsform ist das Innenrohr 122 über seine ganze Länge gleich weit. In der Höhenlage der oberen Grenzfläche des brennstoffhaltigen Vorkommens 112 ist ein Drosselflansch 123 in das Innenrohr eingesetzt. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des brennbaren Gemisches in dem von dem Flansch 123 gebildeten engen Kanal erheblich gesteigert und demzufolge die Flamme am weiteren Aufstieg zur Bodenoberfläche gehindert. Sie wird vielmehr zum Verweilen in der gewünschten Lage, in dem gezeigten Fall in der Höhe der oberen Grenzschicht des Vorkommens 112, gezwungen.

Die Fig. 8 veranschaulicht eine andere Ausführungsform des ebenso wie in der Ausführungsform nach Fig. 7 überall gleich weiten Innenrohres 124. Der Drosselflansch 123 ist jedoch durch einen beweglichen zylindrischen Körper 125 mit etwas kleinerem Durchmesser als dem lichten Durchmesser des Innenrohres 124 ersetzt worden. Hierdurch entsteht ein schmaler, ringförmiger Kanal an der Innenwand des Innenrohres und bewirkt die gewünschte Drosselung, welche den weiteren Aufstieg der Flamme verhindert. Der zylindrische Körper 125 kann nach dem Prinzip der Davy-Grubenlampe ausgeführt sein, indem er den Durchgang von Gas durch sein Inneres gestattet. Er kann z. B. atts einem Korb mit durchlöchertem Boden bestehen, der mit einem gasdurchlässigen Stoff, beispielsweise Sand, gefüllt ist. Er hängt an einem Seil 126 und kann somit leicht in eine andere Höhenlage gehoben bzw. gesenkt werden. Hierdurch wird in einfacher Weise die Verlagerung der Drosselstelle für das brennbare Gemisdi in eine andere gewünschte Höhe ermöglicht und damit erreicht, daß je nach Bedarf ein größerer oder kleinerer Teil des Gehäuses 110 erhitzt wird. Man kann z. B. damit beginnen, nur einen kleineren Teil unten im Vorkommen 112 zu erhitzen und dann diesen Teil allmählich derart vergrößern, daß schließlich das Vorkommen 112 in seiner ganzen Mächtigkeit erhitzt wird. Die gebildeten gasförmigen brennbaren Erzeugnisse werden in diesem Fall aufwärts gegen die Kalksteinschicht 113 getrieben, wo sie gesammelt und durch besondere Auslaß rohre weiterer nutzbringender Verwendung zugeführt werden können.

Eine andere Ausführung mit beweglicher Erhitzungszone gemäß der Erfindung ist in der Fig. 9 dargestellt. Ebenso wie in der Ausführung gemäß der Fig. 6 besteht das Innenrohr aus einem weiteren Teil 127, einem schmäleren Teil 128 und einem kegelmantelfÖrrnigen Übergangsteil 129. Die Länge des weiteren Rohrteiles 127 entspricht jedoch nur einem kleineren Teil der Mächtigkeit des zu erhitzenden Vorkommens 112. Dies hat zur Folge, daß nur ein kleinerer Abschnitt des Gehäuses 110 gleichzeitig erhitzt wird. Dieser kleinere Abschnitt ist durch Verschieben des schmäleren Rohrteiles 128 in der Stopfbuchse 118 in der Längsrichtung des Heizkörpers verlagerbar. Normalerweise wird der unterhalb des weiteren Rohrteiles 127 liegende Teil des Gehäuses 110 nicht nennenswert erwärmt werden. Will man die Wärmeabgabe in der Richtung abwärts noch weiter beschränken, kann man vorteilhaft z. B. Sand 129 oder einen anderen pulverigen und feuerfesten Stoff bis zur gewünschten Höhe, d. h. der unteren Grenze des zu erhitzenden Abschnittes, einfüllen. Diese Abgrenzung der Erhitzung nach unten kann auch durch einen im Innern des Gehäuses verschiebbaren zweiten Boden erzielt werden. Durch diese Vorkehrungen, läßt sich beispielsweise eine bewegliche Wärme- oder Heizzone schaffen, die sich allmählich von der unteren Grenzschicht des Vorkommens zu dessen oberer Grenzschicht dadurch verschieben läßt, daß das Innenrohr 127, 128 angehoben und in entsprechendem Ausmaß Sand in das Gehäuse 110 eingefüllt wird. Es ist auch möglich, eine Verlagerung der Zone in der entgegengesetzten Richtung herbeizuführen. Dann muß man aber z. B. mittels durch ein Hilfsrohr eingeblasener Druckluft allmählich Sand aus dem Gehäuse entfernen. Die vorbeschriebenen Vorkehrungen zur unteren Begrenzung der Erhitzung sind auch auf die Ausführung nach Fig. 8 übertragbar.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung sei folgendes praktisch erprobte Beispiel angegeben:

Über einem Teersandlager von einer Mächtigkeit von 40 m befindet sich eine 10 m dicke Schicht aus Kalkstein mit einer Überlagerung von Kies, Sand und Muttererde. Durch diese Schichten hindurch und noch 2 m unter das Teersandlager wird von der Erdoberfläche ein lotrechtes Loch mit einem lichten Durchmesser von 56 mm gebohrt. Die Gesamttiefe des Loches beträgt etwa 52 m.

In das Loch wird ein Heizkörper z. B. in der Ausführung nach Fig. 6 hinabgelassen. Das rohrförmige Gehäuse 110 hat eine Länge von 53 m, einen Außendurchmesser von 47,5 mm und einen Innendurchmesser von 41 mm. Der Zwischenraum zwischen der Lochwand und dem Gehäuse 110 wird mit Sand 115 gefüllt. Der schmälere Teil 120 des Innenrohres ist 10,5 m lang bei einem Außendurchmesser von 12 mm und einem Innendurchmesser von 8 mm. Der weitere Unterteil 119 des Innenrohres hat eine Länge von

42,5 m bei einem Außendurchmesser von 31 mm und einem Innendurchmesser von 27 mm.

Durch den schmäleren Rohrteil 120 wird von der Bodenfläche her ein Gemisch aus einem brennbaren Gas und Luft eingeführt. Das Gas hat einen effektiven Heizwert von etwa 4000 kcal/m³. Seine ungefähre Zusammensetzung ist:

- 25 % Wasserstoff, 35 % Methan, Äthan und Äthylen, 40 <Vo Stickstoff.

Vor dem Anzünden wird das Gasluftgemisch mit einer Zusammensetzung von 0,2 m³ Gas und 0,7 m^s Luft zugeführt, und zwar mit einer Intensität von etwa 0,9 m^s Gasgemisch je Stunde. Sobald der ganze Heizkörper mit dem Gemisch gefüllt ist, so daß es aus dem Auslaßrohr 116 (Fig. 6) auszutreten beginnt, wird es dort entzündet. Die Flamme wandert zunächst rückwärts nach unten in den Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 110 und dem Innenrohr 119, 120 und danach aufwärts durch den weiten Rohrteil 119 bis zum kegelstumpfförmigen Übergangsteil 121, ao wo die Flamme stehenbleibt. Die Gasmenge wird nun allmählich gesteigert derart, daß in der Stunde 7,5 m³ brennbares Gas und 25,5 m³ Luft eingeleitet wird. Der Zeitraum, während dessen diese Steigerung allmählich stattfindet, beträgt etwa 2 Stunden, das Verhältnis zwischen Gas und Luft wird also< auf 1 :3,5 gehalten. Schließlich wird die Luftmenge noch etwas gesteigert, und zwar auf 32 m³ je Stunde, und das Verhältnis von Gas und Luft wird dann 1 :4,25.

Bei der stillstehenden Flamme ist die Gesamtleistung nun ungefähr 30 000 kcal/h. Sie wird längs des Gehäuses 110 über einen Höhenunterschied von 43 m verteilt. Auf je 1 m des Heizkörpers berechnet, beträgt die abgegebene Leistung etwa 700 kcal/h. Es ist durchaus möglich, eine wesentlich höhere Leistung in dem Heizkörper zu entwickeln. Bei ununterbrochenem Betrieb hat man jedoch auch die Wärmeaufnahmefähigkeit der Umgebung zu berücksichtigen. Diese Fähigkeit hängt unter anderem von der Wärmeleitfähigkeit des auszubeutenden Lagers, z. B. des Teersandes, und dem Abstand zwischen den einzelnen bei praktischer Ausbeute in Vielzahl in das Vorkommen niedergeführter Heizkörper ab.

Die Erfindung ist abwandelbar. So kann der für die Verbrennung erforderliche Brennstoff außer oder an Stelle von Gasen ein flüssiger und/oder ein fester in feinverteilter Form sein. Ferner kann der erforderliche Sauerstoff in reiner Form oder in der Form eines sauerstoffhaltigen Gasgemisches, z. B. ausschließlich als oder zusammen mit Luft zugeführt werden.

Claims (22)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Erhitzen untertags liegender Vorkommen von bituminösen Brennstoffen oder von Schwefel in ihrer natürlichen Lagerstätte (in situ) mittels in die Lagerstätte niedergebrachter, einander umschließender rohrförmiger Elemente, in denen eine Verbrennung unterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsgase innerhalb der rohrförmigen Elemente von einer Verbrennungszone zunächst in einer Richtung und danach in entgegengesetzter Richtung unter Aufrechterhaltung einer wärmeleitenden Verbindung mit dem Gasstrom in der ersten Richtung und in Berührung mit dem äußersten rohrförmigen Element geleitet werden, derart, daß entlang dem äußersten rohrförmigen Element eine gleichmäßige Temperaturverteilung durch die Gesamtwirkung von Konvektion und Strahlung von den Rauchgasen und von der Flamme in der Verbrermungszone erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Weite der für den. Durchgang der entweichenden Verbrennungsgase vorgesehenen, durch die rohrförmigen Elemente gebildeten Durchlässe verändert wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvektion und gegebenenfalls auch die Strahlung durch das Anbringen von Wärmeisolierschichten und gegebenenfalls Strahlungsschutz an Teilen der rohrförmigen Elemente verändert wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erforderliche Brennstoff wenigstens teilweise von außen, und zwar in der Gestalt eines brennbaren, Gases, einer solchen Flüssigkeit oder eines feinverteilten festen Brennstoffes zugeführt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erhitzung eines brennstoffhaltigen Vorkommens anfallendes Gas als Brennstoff benutzt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Verbrennung erforderliche Sauerstoff als reiner Sauerstoff oder als Luft oder als Gemisch von reinem Sauerstoff und Luft zugeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entzündung der Flamme durch Einführen eines brennenden Gegenstandes, z. B. einer Rakete, in das brennbare Gasgemisch erfolgt, und zwar vorzugsweise durch das innerste der rohrförmigen Elemente.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß drei im wesentlichen miteinander gleichachsige Rohre so zueinander angeordnet sind, daß sie bzw. die Zwischenräume zwischen ihnen drei Durchlässe bilden, von denen einer für die Zufuhr von Brennstoff, ein zweiter für die Zufuhr von Sauerstoff oder Luft und zugleich als Verbrennungszone und Strömungsweg der Verbrennungsgase in einer Richtung und der dritte an den zweiten angrenzend als Strömungsweg für die Verbrennungsgase in der entgegengesetzten Richtung anwendbar sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das innerste Rohr für die Zufuhr von Brennstoff, der Zwischenraum zwischen ihm und dem Mittelrohr für die Zufuhr von Sauerstoff oder Luft, die Ausbildung der Verbrennungszone und das Ableiten der Verbrennungsgase nach abwärts und der Zwischenraum zwischen dem Außenrohr und dem Mittelrohr für das Ableiten der Verbrennungsmasse nach aufwärts ausgestaltet sind (Fig. 1).

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem äußeren, gegen das auszubeutende Vorkommen abgeschlossenen, rohrförmigen Gehäuse und einem innerhalb dieses Gehäuses gelegenen und mit ihm gleichachsigen Innenrohr besteht, wobei das Innenrohr eine für die Durchleitung eines Gemisches von Brennstoff und Sauerstoff oder Luft zur Verbrennungszone dienende Einschnürung aufweist, welche von einem unmittelbar unter der Einschnürung liegenden Teil des Innenrohres mit größerem lichten Durchmesser als dem der Ein-

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schnürung gebildet wird und welche unten mit dem von dem Innenrohr und dem Gehäuse gebildeten ringförmigen Raum kommuniziert, wobei das Verhältnis zwischen dem lichten Durchmesser der Einschnürung und dem des die Verbrennungszone bildenden Teiles des Innenrohres so bemessen ist, daß das Gemisch von Brennstoff und Sauerstoff bzw. Luft in der Einschnürung eine größere Geschwindigkeit erhält als die Verbrennungsgeschwindigkeit in der Verbrennungszone (Fig. 6 bis 9).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ableitung für die Verbrennungsgase an das Gehäuse an dessen oberem Teil angeschlossen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberteil des Innenrohres aus einem die Einschnürung bildenden oberen Rohrteil und einem unteren Rohrteil mit größerer innerer Ouerschnittsfläche als der des oberen Teils zusammengesetzt ist (Fig. 6),

'wobei der untere, weitere Rohrteil zweckmäßig eine der Mächtigkeit des auszubeutenden Vorkommens ungefähr entsprechende Länge hat.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürung in der Längsrichtung des Heizkörpers verschiebbar ist (Fig. 9).

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr als Ganzes im Verhältnis zum Gehäuse verschiebbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürung durch ein im Innenrohr angebrachtes, gesondertes Glied, vorzugsweise einen Drosselflansch (Fig. 7), gebildet wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied ein Körper mit kleinerem Durchmesser als dem inneren des Innenrohres und mit Hilfe einer Aufhängevorrichtung in eine gewünschte Höhenlage im Innenrohr einstellbar ist (Fig. 8).

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper selber gasdurchlässig ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10

bis 17, gekennzeichnet durch Glieder zur einstell- 812 573.

baren Begrenzung des durch die Rauchgase erhitzten Teiles des Heizkörpers.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Begrenzungsglied eine in dem rohrförmigen Gehäuse unterhalb' des freien Endes des Innenrohres längs verschiebbare, das . Gehäuse nach unten abdichtbare Platte ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurchgekennzeiehnet, daß in das Gehäuse bis hinauf zu der Grenze, zu der hinab die Vorrichtung erhitzt werden soll, ein körniger, feuerfester Stoff, wie Sand, eingefüllt ist (Fig. 9).

21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Bodens des Außenrohres eine Vorrichtung zum Auffangen des zum Entzünden des brennbaren Gemisches hinabgeführten brennenden Gegenstandes vorgesehen ist (Fig. 6 und 7).

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 21 mit einem Außenrohr und mindestens einem inneren Rohr, welche Rohre unten miteinander in Verbindung stehen, während ein Ableitrohr für die Verbrennungsgase oben an die Vorrichtung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb eines Teiles des inneren Rohres mit enger lichter Weite in diesem Rohr oder unterhalb seines unteren Endes ein Raum mit erheblich größerer lichter Weite vorgesehen ist, der über Durchlässe mit dem Ableitrohr in Verbindung steht, deren lichte Weite kleiner ist als die des Raumes, aber größer als die des Teiles des inneren Rohres mit enger lichter Weite¹, wobei das Verhältnis der Weiten dieses Rohrteiles, des Raumes und der Durchlässe so gewählt ist, daß nach der Füllung der Vorrichtung mit einem Gemisch von Brennstoff und Sauerstoff und nach bei beginnendem Eindringen des Gemisches in das Ableitrohr dort erfolgter Entzündung des Gemisches die entstandene Flamme in entgegengesetzter Richtung zur Strömungsrichtung des Gemisches zu dem Raum in der Vorrichtung wandert.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 200 423, 174 898, 9. K73

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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