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Verfahren zum Erhitzen von unter Tage befindlichen geologischen Vorkommen,
insbesondere brennstofführenden Ablagerungen, an ihrer natürlichen Lagerstätte Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erhitzen von unter Tage befindlichen
geologischen Ablagerungen an ihrer natürlichen Lagerstätte zwecks Gewinnung wertvoller
flüssiger und/oder gasförmiger Erzeugnisse. Diese Vorkommen können brennstoffführende
sedimentäre Ablagerungen sein, z. B. Teersand oder ölschiefer. Zum Erhitzen derartiger
Vorkommen ist es bekannt, in einem in das Vorkommen hinabgeführten rohrförmigen
Heizkörper ein Brennstoff und Sauerstoff enthaltendes Gemisch zu verbrennen. In
der deutschen Patentschrift 1002 910
wurde bereits vorgeschlagen, die
Rauchgase, die bei der Verbrennung entstehen, von der Verbrennungszone des rohrförmigen
Heizkörpers oder Brennerrohres durch das untere offene Rohr hindurch abwärts zu
leiten und sie dann aufwärts durch einen um das Rohr herum vorgesehenen Ringraum
aufsteigen zu lassen. Dieser Ringraum wird vorzugsweise nach außen durch ein mit
einem Boden versehenes Schutzrohr begrenzt, das das Brennerrohr konzentrisch umgibt
und mit dem erhitzten Vorkommen in wärmeleitender Verbindung steht. Der Hauptzweck
dieser Ausgestaltung der Heizvorrichtung besteht darin, eine solche Verteilung der
in der Verbrennungszone erzeugten, zu dem Schutzrohr und damit zu dem Vorkommen
gelangenden Wärme zu erzielen, die diesem Schutzrohr eine möglichst gleichmäßige
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 der aufwärts abnehmenden Wärmeabgabe
von den aufsteigenden Rauchgasen an das Schutzrohr soll mit anderen Worten
je Längeneinheit des Schutzrohres konstant sein. Als weitere Maßnahme in
dieser Richtung wird in der Patentschrift 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 gasförrniger Erzeugnisse
von ausschlaggebender Bedeutung.
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Mit einer Steigerung des dem Brennerrohr in der Zeiteinheit zugeführten
Wärmeeffekts steigt der Anteil der Strahlung in der gesamten Wärmeerzeugung. Die
Erfindung bezweckt, eine gute, gleichmäßige Wärmeverteilung auch bei hohen abgegebenen
Wärmeeffekten und bei großer, lotrechter Länge oder Mächtigkeit des der Erhitzung
ausgesetzten Teils des Untertage-Vorkommens zu schaffen. Dies wird dadurch erreicht,
daß im Ringraum Körner eines festen Stoffes von den aufsteigenden Rauchgasen in
auf-und abwallender Bewegung gehalten werden, um eine Verteilung bzw. einen Ausgleich
der Wärmeübertragung von dem Brennerrohr in dessen Längsausdehnung zu dem Vorkommen
herbeizuführen.
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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.
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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
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, z. B. Sand oder Quarz 15, ausgefüllt sein, um den Wärmeübergang von
dem Schutzrohr zu dem Vorkommen zu verbessern, wie z. B. in der österreichischen
Patentschrift 193 828 beschrieben ist.
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In das Schutzrohr 10 wird ein Brennerrohr eingesetzt, das aus
einem oberen, schmaleren Zuleitrohr 16 und einem unteren, weiteren kauchgasrohr
17 besteht. Letzteres ist an beiden Enden offen, und seine untere öffnung
befindet sich im 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 sind durch
den Brennerteil 19 miteinander verbunden, so daß sie gemeinsam in das Schutzrohr
10 hinabgelassen werden können. Bei der dargestellten Ausführungsform sind
sie mit dem kegeligen Brennertell 19 zusammengeschweißt. Das Schutzrohr
10 hat über Tage einen Verschluß 20, durch den das schmalere Rohr
16 hindurchgeht, wobei es durch eine Packung 21 abgedichtet sein kann. Über
Tage ist das Rohr 16 mit einem Regelventil 24 und einem Manometer
25 ausgerüstet.
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Durch das Rohr 16 wird ein Brennstoff und Sauerstoff enthaltendes
Gemisch, z. B. ein Gemisch aus brennbarem Gas und Luft, eingeleitet. Nach Entzündung
des Gemisches bildet sich in dem Brennerkegel 19 sowie darunter eine Flamme,
wie näher aus der deutschen Patentschrift 1002 910 hervorgeht. Die
Rauchgase strömen von dort abwärts durch das weitere Rohr 17 zu dessen unterer
Endkante, wo sie ihre Strömungsrichtung umkehren und durch den Ringraum 22 zwischen
dem Schutzrohr und dem Brennerrohr 17 aufsteigen -, um durch einen Auslaß
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zu entweichen. Am unteren Ende des Rauchgasrohres 17 sind Abstandsstücke
26 vorgesehen, die dafür sorgen, daß sich das Brennerrohr, wenn es ganz in
das Schutzrohr hinabgesenkt ist, in einem bestimmten Abstand über dem Boden
18 des Schutzrohres befindet.
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Gemäß der Erfindung werden feine Körner eines festen Stoffes, z. B.
Sandkörnchen, in dem Ringraum 22 in auf- und abwallender Bewegung gehalten. Der
Querschnitt des Ringraumes wird hierbei im Verhältnis zu dem Volumen der ausströmenden
Rauchgase so bestimmt, daß die Geschwindigkeit der aufsteigenden Rauchgase genügend
hoch wird, um die Turbulenz der Körner herbeiführen 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 andererseits
abhängig ist, und zwar in einer Weise, die an sich von Vorrichtungen mit schwebendem
Bett zum kontinuierlichen Kracken und anderen ähnlichen Verfahren bekannt ist. Damit
die Turbulenz erhalten wird, muß das Brennstoffgemisch dem Brenner unter einem höheren
Druck zugeführt werden als sonst, d. h. wenn Körnchen nicht zu bewegen wären.
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Der in Wallung versetzte kornförinige Stoff wirkt in zweifacher Weise.
Einerseits nehmen die Körner einen Teil der von dem Brenner, insbesondere aus dessen
heißesten Teilen bzw. dem Brennerkegel 19
ausströmende Wärme auf, die sonst
von dem Schutzrohr aufgenommen werden würde. Die Körner haben somit eine ähnliche
Wirkung wie der eingangs erwähnte Strahlungsschutz. Andererseits bewegen sich die
Körner in ihrem wallenden Zustand in lotrechter Richtung über verhältnismäßig weite
Strecken. Gewisse Körner können sich sogar praktisch über die ganze Strecke zwischen
dem Boden des Schutzrohres und der obersten Grenze der 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 Körner, die sich genau vor dem heißesten Teile des Brenners
befunden und dabei selbst eine hohe Temperatur angenommen haben, in dem Bereich
kälterer Teile des Brenners, wo sie aufgenommene Wärme abgeben. Andere Körner gelangen
aus kälteren Teilen des Spaltes zu heißeren und haben dann eine verhältnismäßig
niedrige Temperatur und ein entsprechend höheres Vermögen, Wärme aufzunehmen. Außerdem
stoßen die Körner während ihrer Bewegungen unablässig gegeneinander und tauschen
bei jedem Zusammenstoß Wärme aus. Das Gesamtergebnis dieser Vorgänge ist eine ausreichend
gleichmäßige Verteilung der Temperatur über die ganze Länge des Rauchgasrohres.
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Der feste Stoff kann natürlicher Sand sein oder ein zerstampftes oder
gemahlenes Mineral, wie feingemahlener Quarz oder feinzertrümmerte industrielle
Erzeugnisse, wie keramische oder metallische Stoffe. Die Körner können entweder
alle ungefähr die gleiche Größe oder ganz verschiedene Größen haben. Die durchschnittliche
Korngröße wird so gewählt, daß man mit den vorhandenen Abmessungen des Ringraumes
und mit den zur Verftieung stehenden Volumen und Druck der Rauchgase eine in zufriedenstellender
Weise andauernde Turbulenz der Körner erhält. Bei Verwendung von verhältnismäßig
weichen körnigen Stoffen tritt ein langsamer Verschleiß der Körner ein, so daß ihre
Größe allmählich abnimmt. Hierbei werden die feinsten Teilchen mit den entweichenden
Rauchgasen aus dem Schutzrohr mitgerissen, und eine entsprechende Nachfüllung von
Körnern in den Ringraum muß entweder fortdauernd oder periodisch vorgenommen werden.
Durch geeignete Abwägung der Größe und der Menge der Körnchen im Verhältnis zu dem
Querschnitt des Ringraumes und der Gasmenge läßt sich die jeweils gewünschte lotrechte
Erstreckung der Wirbelschicht einstellen.
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Als Beispiel sei erwähnt, daß das Zuleitrohr 16
einen Durchmesser
von 6,5 mm und das Rauchgasrohr 17 einen Durchmesser von 25,4 mm und
jedes Rohr eine Länge von 8 in haben kann. Der Innendurchmesser 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 dM3 Sand der genannten Beschaffenheit eingefüllt.
Das Brennerrohr wird in den Oberteil des Schutzrohres eingeführt, das Gemisch 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 letzteres während des Absenkens d2s Brennerrohres in den Ringraum 22 aufwärts
gewirbelt.
Die Länge der Abstandsstücke 26 ist so gewählt,
daß praktisch genommen die gesamte Sandmenge in den Ringraum hineingezwungen worden
ist, wenn die Abstandsstücke gegen den Boden 18 stoßen. Die Gaszufuhr wird
so eingestellt, daß der Brenner ungefähr 5000 kcal je Stunde abgibt,
was ungefähr einer Entwicklung von 6,3 m3 Rauchgas je Stunde entspricht.
Die Wirbelschicht aus Sand reicht dann aufwärts ungefähr 11 bis 12 m über
den Boden des Schutzrohres, und der Brenner gibt seine Wärme gleichmäßig verteilt
über diese 11 bis 12 m des Außenrohres ab. Die Temperaturabweichungen entlang
diesem Teil des Schutzrohres betragen nur ungefähr ± 5 % der am Schutzrohr
gemessenen Durchschnittstemperatur.
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Die Wärmeverteilung hängt von der Dichte der Wirbelschicht,
d. h. der Geschwindigkeit des Gases in dem betreffenden Querschnitt des Ringraumes
ab. Bei der vorbeschriebenen Brennervorrichtung ist die Gasgeschwindigkeit oberhalb
des kegeligen Brennerteils 19 niedriger als unterhalb desselben, und zwar
wegen des verschieden großen Durchmessers des Zuleitrohrs 16 und des Rauchgasrohrs
17.
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Zwecks Ausgleichs 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 den strichpunktierten Linien in
der Zeichnung angedeutet ist. Der Durchmesser des Rohres 27 ist dann zweckmäßig
gleich dem des Rauchgasrohres 17. Hierdurch wird die Höhe der Wirbelschicht
in entsprechendem Ausmaß im Ringraum 22 aufwärts verlängert. Derartige aufgesetzte
Rohre zur Änderung der Dichte der Wirbelschicht 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.