DE2623318A1 - Verfahren und vorrichtung zum verschwelen fester brennstoffe unter tage - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum verschwelen fester brennstoffe unter tageInfo
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Description
- Verfahren und Vorrichtung zum Verschwelen fester Brennstoffe unter Tage Es sind verschiedene Verfahren zum Verschwelen (Vergasen) von festen Brennstoffen in der Lagerstätte unter Tage bekannt, bei denen der Umlauf des der Verschwelung dienenden Medienstroms durch Einleiten von Gas in das Innere der Lagerstätte zwischen zwei oder mehr von über Tage aus niedergebrachten Bohrlöchern bewerkstelligt wird.
- Bei diesen Verfahren kann die Temperatur des aus dem unterirdischen Gaserzeuger austretenden Gases hohe Werte erreichen, so daß bei Verschwelung mit hohem Druck es besonders zweckmäßig ist, die für den Gasabzug bestimmten Bohrlöcher zu kühlen, indem sie mit einer Vorrichtung ausgestattet werden, die drei Funktionen erfüllt: - Sicherstellung der mechanischen Festigkeit des Rohrstrangs trotz der hohen Temperatur der in seinem Innern zirkulierenden Gase; - Sicherstellung und Vorhaltung einer einwandfreien Abdichtung zwischen dem Rohrstrang und dem umgebenden Gebirge, indem eine Zersetzung der Zementierung durch Wärmeeinflüsse verhindert wird; und Rückgewinnung der Eigenwärme des Verschwelungsgases in einer zur Energieerzeugung geeigneten Form.
- Die sich hiermit stellende Aufgabe wird gelöst durch einen doppelwandigen Rohrstrang, zwischen dessen beiden Wandungen Kühlwasser zirkuliert.
- Die Verwendung dieser Vorrichtung bringt jedoch drei Nachteile mit sich: - der doppelwandige Rohrstrang ist starrer als ein normaler Rohrstrang, so daß sein Einsatz in Bohrlöchern mit starken Richtungsänderungen nicht in Frage kommt; - der doppelwandige Rohrstrang verringert in starkem Maße den Gasströmungsquerschnitt; diese Reduzierung muß durch eine Vergrößerung des Durchmessers der Bohrungen wettgemacht werden, was zu einer Erhöhung der Kosten zu ihrer Herstellung führt; und - der doppelwandige Rohrstrang ist eine Kühivorrichtung, die "verloren" installiert wird und nach erfolgtem Einsatz nicht wiederverwendet werden kann.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Ausschaltung dieser Nachteile sowie die Lösung des Problems der Gaskühlung und des Schutzes des Rohrstrangs mit Hilfe eines Verfahrens, bei dem in das Innere des Rohrstrangs eine rohrartige Vorrichtung eingesetzt wird, in welcher ein Wasserstrom zirkuliert mit dem Ziel, das Gas zu kühlen, die Eigenwärme des Gases zurUckzugewinnen und die Wandung des Rohrstrangs auf einer so niedrigen und so konstanten Temperatur zu halten, daß die Dichtheit des zementierten Verbinders zwischen Rohrstrang und Gebirge durch Wärmeeinwirkungen nicht gefährdet wird.
- Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Bohrloch mit einem einfachen Rohrstrang ausgekleidet, dessen Großteil aus Standardelementen aus Normalstahl besteht, wobei die Abdichtung zwischen Gebirge und Rohrstrang durch Zementieren nach dem Stand der Technik erfolgt. Die zur Auskleidung des unteren Teils des Bohrlochs bestimmten Rohre können zweckmäßigerweise unter Verwendung von Elementen aus Cr-Ni-Spezialstahl, die hochtemperaturbeständig sind, hergestellt werden; sie werden nicht gegen die Bohrlochwand zementiert, damit ihre Dehnungsfreiheit gewahrt bleibt.
- Die Erfindung betrifft desweiteren eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die einfach und kompakt ist sowie nach erfolgtem Einsatz abgebaut und wiederverwendet werden kann.
- Sie umfaßt ein Kühlrohr für die Wasserzirkulation aus einem am unteren Ende geschlossenen Rohr, dessen Durchmesser zwischen 40 und 60 % des effektiven Durchmessers des Bohrlochs ausmacht, und ein Tauchrohr kleineren Durchmessers für die Wasserzufuhr.
- Die Erfindung wird in ihren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung im Längsschnitt; Fig. 2 einen im größeren Maßstab gezeichneten Querschnitt einer abgewandelten Ausführungsform der Kühlvorrichtung; Fig. 3 eine Kühlvorrichtung gemäß Figur 2 im Längsschnitt.
- Eine erfindungsgemäße Kühl vorrichtung besteht aus einem Kühlrohr 1 mit einem Durchmesser gleich 40 Es 60 % des effektiven Durchmessers eines Bohrlochs 2 und ist freihänaend imE9hrlochinnern angeordnet. Das Kühlrohr 1 ist an seinem unteren Ende mit einem halbkugelförmigen Boden 3 abgeschlossen und dient der Aufnahme eines Tauchrohres 4 geringeren Durchmessers.
- Das aus der Verschwelungszone mit hoher Temperatur und hohem Druck anfallende Gas strömt in dem Ringraum zwischen Bohrloch 2 und Kühlrohr 1 von unten nach oben und tritt über einen seitlichen Stutzen 5 aus.
- Das zur Gaskühlung und Dampferzeugung bestimmte Wasser wird durch eine Pumpe 6 zugeführt und durch das Tauchrohr 4 zum Boden des Kühlrohres 1 geleitet.
- Zwischen dem Wasser und den heißen Gasen findet durch die Wandung des Kühl rohres 1 hindurch ein sehr reger Wärmeaustausch statt.
- Das überhitzte Wasser steigt im Ringraum zwischen dem Kühlrohr 1 und dem Tauchrohr 4 wieder hoch und wird dort durch den gemeinsamen Einfluß von Erhitzung und Druckabfall verdampft. Der erzeugte Dampf wird Uber einen seitlichen Stutzen 7 abgeführt und mittels isolierter Leitungen zu einer Energieerzeugungszentrale geleitet.
- Durch den Kontakt mit dem wassergekühlten Kühlrohr 1 erfährt das hochsteigende Gas eine rapide Abkühlung in der Weise, daß es beim Erreichen eines oberen zementierten Bohrlochbereiches eine so niedrige und ausreichend konstante Temperatur aufweist, daß die Dichtheit des zementierten Verbinders zwischen Bohrloch und Gebirge durch Wärmeeinwirkungen nicht beeinträchtigt wird.
- Besitzt das Kühlrohr 1 beispielsweise einen Umfang von 500 mm und wird seine Wand mit Hilfe des Kühlwassers auf einer Temperatur von 250° C gehalten, so läßt sich der resultierende Wärmeaustausch für 1 m Rohrlänge nach der folgenden Gleichung ermitteln: Q = k (TG - 250) . 0.5 (Kcal/h) wobei: TG = die Gastemperatur und k = die Wärmeübergangszahl in kcal/h/m²/°C.
- Unter Berücksichtigung des Drucks und der Strömungsgeschwindigkeit des im Ringraum zwischen dem Kühlrohr 1 und dem Bohrloch 2 hochsteigenden Gases kann die Wärmeübergangszahl k Werte in der Größenordnung zwischen 200 und 300 kcal/m² h °C erreichen.
- Unter Ansatz eines mittleren Wertes k = 250 sowie in der Annahme, daß die hochsteigenden Gase in einer Menge von 10.000 Nm3/h und mit einer spezifischen Wärme von 0.35 kcal/Nm3 0C anfallen, ergibt sich die Gaskühlung über einen Längenabschnitt dx hinweg mit: dT = - Q . dx = - 250 x 0,5 (Tg - 250) dx (°C) 10.000 x 0,35 3.500 10.000 x 0,35 3.500 gleich ca. - 3'57 (TG - 250)dx (°C) 100 Unter Einbeziehung des Abschnitts vom Eintritt des Bohrlochs 2 bis zu einem Punkt x erhält man: Beträgt die Gastemperatur am Bohrlocheintritt 1.0000 C, so läßt sich die Temperatur Tx des Gases nach einer Strecke von 100 m aus der folgenden Gleichung ableiten: ln (Tx - 250) = In (1.000 - 250) - 3,57 woraus sich ergibt : Tx = 271 0C Die Berechnung zeigt die Wirksamkeit der Kühl vorrichtung und bestätigt die Möglichkeit, die zementierte Zone der Rohrstränge auf einer so niedrigen und so konstanten Temperatur zu halten, daß die Dichtheit des zementierten Verbinders zwischen Rohrstrang und Gebirge durch Wärmeeinwirkungen nicht gefährdet wird.
- Um eine Behinderung des Wasserstroms im Innern des Tauchrohrs 4 durch Dampfblasenbildung auszuschalten, ist es wichtig, daß der im Innern herrschende Wasserdruck stets größer ist als der in der gleichen Ebene im Ringraum zwischen dem Kühlrohr 1 und dem Rauchrohr 4 vorhandene Druck. Dies läßt sich erreichen durch Abschluß des Tauchrohrs 4 mit einer Drossel mit kalivierter Oeffnung, deren Durchmesser so gewählt wird, daß ein die Druckdifferenz auf den jeweils gewünschten Wert haltender Lastverlust bewirkt wird.
- Zur Sicherstellung des maximalen Wirkungsgrades bei einer solchen Vorrichtung muß das Kühlwasser ohne übermäßige Erhitzung zur Bohrlochsohle gelangen können.
- In vielen Fällen ist dieses Ziel nur dann erreichbar, wenn das Tauchrohr mit einer wärmeisolierenden Umhüllung versehen ist.
- Das Vorhandensein dieser Isolierung vergrößert den Raumbedarf für das Tauchrohr, wobei die Wirksamkeit der Isolierung darüberhinaus noch durch Wärmeübergänge in Frage gestellt weden kann, die sich im Bereich der Gewindeverbindungen (Schraubverbindungen) ergeben, wenn das Tauchrohr aus mehreren relativ kleinen Längen zusammengesetzt ist, die nach herkömmlichen Methoden wie zur Verbindung von Gestängerohren und Rohrstrangelementen üblich miteinander verbunden werden.
- In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die geschilderten Nachteile ausgeschaltet durch Einsatz eines mit Wärmeisolierung versehenen einteiligen Tauchrohres von so ausreichender Festigkeit, daß es auf eine Länge von 1.000 bis 2.000 m im Innern der Kühlvorrichtung freihängend angeordnet werden kann, und mit einer so großen Flexibilität, daß Transport und Verladung im auf eine Trommel entsprechenden Durchmessers aufgewickelten Zustand erfolgen kennen, Das Prinzip dieser Vorrichtung veranschaulicht die Figur 2, die einen Querschnitt durch die Kühlvorrichtung darstellt, und die Figur 3, die einen Schnitt senkrecht durch die Bohrlochachse zeigt.
- Bei dem Tauchrohr handelt es sich um eine flexible Leitung mit drei konzentrischen Elementen wie folgt: - einen einteiligen Rohr 9, dessen effektiver Durchmesser 20 bis 25 mm betragen kann und dessen Wandung aus einem flexiblen Kunststoff, einem formbaren Metall wie Kupfer oder Messing oder dünnem Stahlblech, das durch eine Wellenprofilierung flexibel gemacht wurde, besteht; - einer Wärmeisolierung 10 aus aufeinanderfolgenden Schichten aus Glasfaserband, das spiralförmig um das Innenrohr gewickelt wird, wobei die verschiedenen Lagen durch Zwlschenschichten aus Teflon (Polytetrafluoräthylen) oder durch Tränkung mit einem geschmeidigen und undurchlässigen Lack mit hoher Temperaturfestigkeit, wie er gegenwärtig aus Silikon hergestellt werden kann, verfestigt werden; - einer äußeren Hülle 11 aus Hartstahldraht, der im Wege von zur Herstellung von Hubkabeln üblichen Verfahren in aufeinanderfolgenden Lagen spiralförmig um das Rohr herumgewickelt oder auf dieses aufgeklöppelt wird.
- Außenhülle und flexible Leitung sind an ihrem unteren Ende mit einem starren Rohr 12 von 10 m Länge aus Guß oder Stahl in starkwandiger Ausführung verbunden, das durch sein Gewicht und seine Starrheit die Einführung und das Niederbringen der flexiblen Leitung im Innern der Kühlvorrichtung vereinfacht.
- Außer als Wärmeisolierung dient die Glasfaserumwicklung auch noch als Verstärkung (Bewehrung) für das einteilige Rohr 9.
- Dadurch vermag das einteilige Rohr 9 sehr hohen Innendrücken standzuhalten, ohne daß die Dicke seiner Wandungen stark vergrößert werden muß.
- Die äußere Hülle aus Stahldraht verleiht dem Ganzen eine Zugfestigkeit, die der von Hubkabeln vergleichbar ist, so daß das Tauchrohr auf sehr große Längen freihängend angeordnet werden kann.
Claims (8)
1. Verfahren zum Verschwelen (Vergasen) fester Brennstoffe in der
Lagerstätte unter Tage, dadurch gekennzeichnet, daß in das Innere eines Rohrstrangs
eine rohrartige Vorrichtung eingesetzt wird, in welcher ein Wasserstrom zirkuliert
mit dem Ziel, das Gas zu kühlen, die Eigenwärme des Gases zurückzugewinnen und die
Wandung des Rohrstrangs auf einer so niedrigen und so konstanten Temperatur zu halten,
daß die Dichtheit des zementierten Verbinders zwischen Rohrstrang und Gebirge durch
Wärmeeinwirkungen nicht gefährdet wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet
durch ein Kühlrohr (1) für die Wasserzirkulation mit einem geschlossenen Ende, dessen
Durchmesser zwischen 40 und 60 % des effektiven Durchmessers des Bohrlochs ausmacht,
und ein Tauchrohr (4) kleineren Durchmessers für die Wasserzufuhr.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tauchrohr
(4) am unteren Ende in einer Drossel (8) versehen ist, deren Durchmesser so gewählt
wird, daß eine entsprechende Druckdifferenz zwischen dem Innern und Äußeren des
Tauchrohres entsteht, damit der Abwärtsstrom des Kühlwassers im Tauchrohr nicht
durch Bildung von Dampfblasen behindert wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Tauchrohr (4) ein einteiliges Rohr von großer Länge ist,
welches aus drei konzentrischen Elementen besteht, und zwar:
-
einem flexiblen Innenrohr (9); - einer Wärmeisolierung (10) aus aufeinanderfolgenden
Schichten spiralförmig gewickelter Isolierbänder, wobei die verschiedenen Lagen
durch Zwischenschichten aus Kunststoff oder durch Tränken mit einem geschmeidigen,
undurchlässigen und hochtemperaturfesten Lack verfestigt sind; und - einer äußeren
Hülle (11) aus Hartstahldraht, die in aufeinanderfolgenden Lagen spiralförmig um
das Rohr herumgewickelt bzw. auf dieses aufgeklöppelt ist.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung
des Innenrohres (9) aus einem flexiblen Kunststoff, einem formbaren Metall wie Kupfer
oder Messing, oder dünnem Stahlblech, das durch Wellenprofilierung flexibel gemacht
wurde, besteht.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolierung
(10) unter Verwendung von Faserbändern hergestellt wird, welche durch Zwischenschichten
aus Teflon oder durch Tränken mit einem geschmeidigen Lack auf Silikonbasis verfestigt
werden.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere
Hülle (11) aus geklöppelten oder verdrallten Stahldrähten besteht, die nach bei
der Herstellung von Hubkabeln üblichen Verfahren gefertigt werden.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Außenhülle
und flexible Leitung des Tauchrohres (4) am unteren Ende mit einem starkwandigen
starren Rohr (12) von 10 m Länge aus Guß oder Stahl verbunden sind.
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