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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.
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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.
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Die sich hiermit stellende Aufgabe wird gelöst durch einen doppelwandigen
Rohrstrang, zwischen dessen beiden Wandungen Kühlwasser zirkuliert.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung betrifft desweiteren eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens, die einfach und kompakt ist sowie nach erfolgtem Einsatz abgebaut
und wiederverwendet werden kann.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das zur Gaskühlung und Dampferzeugung bestimmte Wasser wird durch
eine Pumpe 6 zugeführt und durch das Tauchrohr 4 zum Boden des Kühlrohres 1 geleitet.
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Zwischen dem Wasser und den heißen Gasen findet durch die Wandung
des Kühl rohres 1 hindurch ein sehr reger Wärmeaustausch statt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zur Sicherstellung des maximalen Wirkungsgrades bei einer solchen
Vorrichtung muß das Kühlwasser ohne übermäßige Erhitzung zur Bohrlochsohle gelangen
können.
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In vielen Fällen ist dieses Ziel nur dann erreichbar, wenn das Tauchrohr
mit einer wärmeisolierenden Umhüllung versehen ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Außer als Wärmeisolierung dient die Glasfaserumwicklung auch noch
als Verstärkung (Bewehrung) für das einteilige Rohr 9.
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Dadurch vermag das einteilige Rohr 9 sehr hohen Innendrücken standzuhalten,
ohne daß die Dicke seiner Wandungen stark vergrößert werden muß.
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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.