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Abbau von Kohle.
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Die Erfindung betrifft den Abbau von Kohle durch Gewinnung von Stoffen
und Energie aus einer unterirdischen Kohle-Ablagerung.
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Kohle tritt in horizontalen Lagerstätten auf, die im Falle von Steinkohle
häufig große Ausdehnung besitzen. Die Dicke oder Mächtigkeit der Lagerstätten schwankt
zwischen 30-50cm und 30m und mehr. Die Lagerstätten werden in unterschiedlichen
Tiefen angetroffen. Es gibt zwei klassische Verfahren des Kohle-Abbaus. Das eine
ist der Tagebau. Bei diesem wird der Mutterboden entfernt und die darunterliegende
Kohle-Ablagerung abgetragen. Der Tagebau führt in der Regel zu schwerer Umweltbeeinträchtigung,
da der Mutterboden entfernt und zugeschüttet wird, da die über und unterirdische
Drainage des Landes schwer gestört wird, und da im allgemeinen stark saure Bestandteile
aus dem Material ausgelaugt werden, das nach Entfernung von Deckgebirge und Kohle
freiliegt. Die Wiederherstellung des Landes im Anschluß an den Tagebau ist teuer
und wird nur in seltenen Fällen erfolgreich durchgeführt. Daher wird der Tagebau
wegen der begleitenden Umweltschäden immer mehr als unannehmbar angesehen.
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Als zweites Verfahren des Kohleabbaus wird der bekannte Tiefbau angewandt.
Auch mit dem Tiefbau ist eine ernsthafte Umweltbeeinträchtigung verbunden. Dies
liegt hauptsächlich an dem zusammen mit der Kohle zutagegeförderten Abraum, am Kohlenstaub
und an den Abgasen. Der bergmännische Tiefbau ist außerdem kostspielig und erfordert
einen großen Einsatz manueller Arbeit. Weiterhin ist der Tiefbau wegen Steinschlag
und Gasexplosionen zwangsläufig sehr unfallträchtig.
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Dartiberhinaus führt der Kohlenstaub in den Wettern zu Lungen-Erkrankungen;
es ist ja bekannt, daß viele Bergleute unter der sogenannten Staublunge leiden.
Schließlich wird beim Tiefbau von Kohle nur die Hälfte der Kohle in einem Flöz gewonnen
und ein großer Teil der Kohle überhaupt nicht abgebaut, da die Flöze für wirtschaftliches
Arbeiten entweder zu niedrig sind oder zu tief liegen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders schere und
wirtschaftliche Möglichkeit des Kohleabbaus anzugeben.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Verfahren
zur Gewinnung und auch Verarbeitung von Stoffen und Energie aus einer unterirdischen
Kohle-Ablagerung, das durch elektrische Induktionserwärmung eines bestimmten Abschnittes
der Kohle-Ablagerung an Ort und Stelle auf eine Temperatur, die zur Erzeugung der
Stoffe und/oder Energie durch Zersetzungsdestillation des Abschnittes ausreicht,
und durch Förderung der so erhaltenen flüssigen oder gasförmigen Stoffe sowie gegebenenfalls
der Energie zur Erdoberfläche, um-dort gesammelt zu werden, gekennzeichnet ist.
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Die elektrische Induktionserwärmung wird bevorzugt dadurch bewirkt,
daß man den zu behandelnden Abschnitt der Kohle-Ablagerung mit einer Spulenanordnung
aus elektrischen Leiter-TeilstUcken im wesentlichen umschließt.
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Bei einer bevorzugten Ausfühungsform der Erfindung läuft das Verfahren
zur Gewinnung von Gasen, Flüssigkeiten und Energie aus einer unterirdischen
Kohle-Ablagerung
an Ort und Stelle unter Anwendung elektrischer Induktionserwärmung in mehreren,
im folgenden angegebenen Stufen ab: 1. Wenn die Temperatur der Ablagerung aufgrund
der Induktionserwärmung über 1000C ansteigt, beginnt die Kohle Wasserdampf abzugeben,
welcher zur Erdoberfläche geleitet und dort mittels eines Dampfgenerators weiter
erhitzt wird, damit er später nach Verbrennung von Koksin den dadurch erhitzten
Bereich eingeleitet und zum Abführen von Wärme aus dem erhitzten, unterirdischen
Bereich benutzt werden kann.
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2. Wenn die Temperatur der Kohle den Bereich zwischen 4500C-7500C
erreicht, werden von der Kohle Gase und Kohlenteer in Gasform erzeugt.
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Diese Gase werden zur Erdoberfläche geleitet, wo Kohlenteer und Kohlengas
von einander getrennt werden.
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3. Nach dem Freisetzen der Gase in der Ablagerung verbleibende Rückstände
sind hauptsächlich Koks. Die Leiter-Teilstücke der Induktionsspule werden entfernt,
und Luft oder Sauerstoff wird zur Verbrennung des Kokses injiziert bzw. eingeleitet.
Hierdurch tritt eine Verbrennung ein, deren Hauptprodukt, nämlich Kohlendioxid,
zur Erdoberfläche geleitet und zum Antrieb einer Gasturbine benutzt wird. Die Abgase
der Gasturbine speisen den im Zusammenhang der ersten Stufe erwähnten Dampfgenerator.
Die Dampfturbine und die Gasturbine können mechanisch gekoppelt sein und beispielsweise
einen Wechselstromgenerator antreiben, aus welchem die Induktionsspulenanordnung
gespeist wird.
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4. Zum Schluß kann die nach der Verbrennung des Kokses im Untergrund
verbliebene Wärme durch Einleitung von Dampf niedriger Temperatur in den erhitzten
unterirdischen Abschnitt gewonnen werden. Dieser Dampf erhitzt sich im Untergrund
und kann nach Heraus leiten zur Erdoberfläche zum Antrieb einer Dampfturbine eingesetzt
werden.
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In jedem Falle eignet sich zur elektrischen Induktionserwärmung besonders
gut eine quasi-toroidale Spulenanordnung, wobei dann ein ringförmiger
Abschnitt
der Kohle-Ablagerung erhitzt wird.
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Die Literatur besagt, daß der spezifische Widerstand von Kohle mit
zunehmender Temperatur der Kohle drastisch kleiner wird.
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Auf der Basis der Richtigkeit dieser Aussage wird erfindungsgemäß
weiter vorgeschlagen, Sauerstoff, Luft oder ein anderes geeignetes Verbrennungsmittel
in vertikale Bohrlöcher, die am Innenradius der Ouasi-Toroidspule angeordnet sind,
oder in einen Zentralschacht in der Mitte der Quasi-Toroidspule einzuleiten bzw.
zu injizieren und zu entzünden. Durch die sich einstellende Verbrennung wird die
Temperatur einer dünnen Kohleschicht am vertikalen Zentralschacht oder an den Bohrlöchern
schnell erhöht und dadurch der spezifische Widerstand der Kohle in diesen Gebieten
gesenkt. Der herabgesetzte spezifische Widerstand ermöglicht größere Induktionsströme
an den Bohrlöchern oder dem Zentral schacht, wodurch hie elektrische Induktionserwärmung
besonders leicht in Gang gesetzt wird und sich von diesen Gebieten in Form einer
gleichförmigen zylindrischen Schale ausbreitet.
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Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten
anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläuter.
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In den Zeichnungen zeigen: Figur 1 - ein Blockschaltbild einer elektrischen
Speise- und Steuerschaltung für eine zur Erwärmung dienende Induktionsspule, Figur
2 - eine Seitenansicht eines leitfähigen Weges und zugeordneter elektrischer Geräte
an der Oberfläche zur Induktionserwärmung eines bestimmten Abschnittes einer Kohle-Ablagerung
unter Anwendung einer Wendelspule, Figur 3 - eine Draufsicht auf die Anordnung nach
Figur 1, Figur 4 - eine Ansicht eines Musters gradliniger Bohrlöcher, die so angeordnet
sind, daß der leitfähige Weg nach Figur 2 simuliert wird, Figuren 5 und 6 - jeweils
eine isometrische Ansicht eines alternativen unterirdischen leitfähigen Weges für
die Induktionserwärmung eines bestimmten Abschnittes einer Kohle-Ablagerung, Figur
7 - eine isometrische Ansicht eines typischen leitfähigen Weges und der Oberflächen-Anschlüsse
bei Anwendung eines Quasi-Toroids, Figur 8 - ein Schemadiagramm zur Erläuterung
sechs verschiedener, zur Wahl stehender Anschluß-Anordnungen für die leitfähigen
Wege nach Figur 7, Figur 9 - eine Seitenansicht zweier Windungen einer unterirdischen
Quasi-Toroidspule einschließlich der Verbindungen zu den oberflächenseitigen Geräten
des Systems, Figur 10 - eine Seitenansicht eines typischen quasi-toroidalen leitfähigen
Weges bzw. Leiterweges für eine Erwärmung in vier aufeinanderfolgenden Stufen als
Schnitt nach der Linie A-A in Figur 11,
Figur 11 - eine Draufsicht
auf die Anordnung nach Figur 10 mit einer Darstellung der Lage der unterirdischen
Leiter im Schacht, in den Tunnels und in den Bohrlöchern zur Erwärmung der Kohle-Ablagerung,
Figur 12 - eine vereinfachte Seitenansicht der Anordnung bzw. Konfiguration nach
Figur 11, Figur 13 - eine Schemadarstellung einer Gitteranordnung auf der Erdoberfläche
zur Durchführung einer bevorzugten Methode der Induktionserwärmung bei einem großen
zu erwärmenden Gebiet, Figur 14 - ein Fließbild aller Verfahrensstufen zur Gewinnung
von Gasen, Flüssigkeiten und Energie aus einer unterirdischen Kohle-Ablagerung.
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Figur 1 zeigt eine Speise- und Steueranordnung an der Erdoberfläche,
wie sie für jede Art unterirdischer Spulen-Konfiguration verwendet wird. Aus einer
Wechselstromquelle 15, z.B. einem Wechselstromgenerator oder einer Obertragungsleitung,
wird über einen Frequenzwandler 16 und einen Wellenformer 17 die Primärwicklung
eines Transformators 19 gespeist. Der Transformator 19 ist ein Abspanntransformator,
der eine unterirdische Spulenanordnung 23 mit einer relativ niedrigen Spannung und
einer hohen Stromstärke beaufschlagt.
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Der Transformator ist normalerweise dicht neben einer oberflächenseitigen
Verbindungseinheit 22 für die Spulenwindungen angeordnet.
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Zwischen den Transformator und die Verbindungseinheit 22 und damit
die unterirdische Induktionsspule, welche auf Grund ihrer Gestalt eine beträchtliche
Induktivität hat, ist ein Kondensator 20 eingefügt, welcher Resonanz der unterirdischen
Spule bei der gewählten Betriebsfrequenz bewirkt. Bei einem Serienresonanzkreis
ist die positive Reaktanz der Spule numerisch gleich der negativen Reaktanz des
Kondensators 20, so daß sich aus der Kombination eine rein ohmsche Impedanz ergibt,
die dem ohmschen Widerstand der Spule plus dem Spulen-Verlustwiderstand entspricht,
der den Widerstand eines von der Spule 23 umschlossenen und durch Induktinn zu erwärmenden
Ahschnittes 24 einer Kohle-Ablagerung 25 (Fig. -2) qeqenüber den h'irbelströmen
widerspiegelt.
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Der Resonanz-Kondensator 20 ird nur dann anapwandt, wenn die Spulen-Ströme
sinusförmig
oder ungefähr sinusförmig sind. Wird eine Rechteckwelle oder ungefähre Rechteckwelle
angewandt, ist der Resonanz-Kondensator 20 nicht vorhanden, so daß die positive
Reaktanz der Induktionserwärmungsspule unkompensiert bleibt.
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Experimentelle Untersuchungen lassen erwarten, daß die induktive Wärmeentwicklung
in der Kohle-Ablagerung von der Frequenz des in der unterirdischen Spule fließenden
Wechsel stromes und auch von der Gestalt seiner Wellenform abhängt, wobei eine zusätzliche
Abhängigkeit von der Temperatur und anderen Parametern während der Erwärmung der
unterirdischen Masse gegeben sein kann.
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Aus diesem Grunde sind der Frequenzwandler 16 und der Wellenformer
17 vorgesehen; mit ihnen lassen sich Frequenz und Gestalt der Wellenform des der
Spule zugeführten Wechselstromes in gewünschter Weise beeinflussen.
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Sollte sich jedoch bei späteren Untersuchungen ergeben, daß Frequenz
und Wellenform-Gestalt des von der Wechselstromquelle 15 erhaltene Wechselstromes
unmittelbar richtig sind, können der Frequenzwandler 16 und der Wellenformer 17
auch weggelassen und statt dessen der Transformator 19 unmittelbar an die Wechselstromquelle
15 angeschlossen werden. (In Nordamerika wird ein Wechselstromgenerator oder eine
Obertragungsleitung als Wechselstromquelle gewöhnlich Wechselstrom mit einer Frequenz
von 60 Hz und sinusförmiger Wellenform führen).
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Die oberflächenseitige Verbindungseinheit 22 für die Spulenwindungen
ist genauer in Figur 8 dargestellt und im allgemeinen für die noch zu erläuternde
Quasi-Toroidspule bestimmt. Anschlüsse 200 und 201 stellen die Verbindung zwischen
den untereinander verbundenen Windungen der Induktionsspule und der Sekundärwicklung
des Transformators 19 sowie dem Kondensator 20 her. Im Falle der wendelförmigen
Induktionsspule gemäß den Figuren 2 bis 6 werden gewöhnlicherweise keine Zwischenverbindungen
hergestellt, da alle Spulenwindungen normal in Serie liegen. Jedoch könnten auch
Parallel-oder Serien-Parallel-Schaltungen der Windungen der Wendelspule in der Weise
hergestellt werden wie es unter Bezugnahme auf Figur 8 für die Quasi-Toroidspule
beschrieben wird. Die Figuren 2 bis 5 zeigen eine Wendelspule mit in Serie geschalteten
Windungen, so daß bei dieser die Verbindungseinheit 22 gemäß Figur 1 nicht angewandt
wird. Im Gegensatz dazu arbeitet
die Wendelspule gemäß Figur 6
mit einer Verbindungseinheit 22.
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In Figur 1 hängt die Anzahl der Verbindungen zwischen der Verbindungseinheit
22 und der unterirdischen Spule 23 von der Anschlußart und der Anzahl der Spulenwindungen
ab. Als Beispiel sind zwölf Anschlüsse entsprechend zwölf Spulenwindungen gezeigt.
Die genaue Anzahl hängt von den Betriebsumständen und Parametern des jeweiligen
Falles ab.
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Gemäß Figur 2 liegt die Kohle-Ablagerung 25 zwischen einem Deckgebirge
26 und einem Felsboden 27. Innerhalb der Kohle-Ablagerung verläuft ein elektrischer
Leiter 11 längs eines ungefähr schraubenlinien- bzw.
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wendelförmigen Weges, der das Volumen ABCD innerhalb der Ablagerung
im wesentlichen umschließt. In der Draufsicht auf den gleichen Bereich gemäß Figur
3 ist das gleiche Volumen mit ABEF bezeichnet. An jedem Ende der von ihm gebildeten
Wendelspule 23 erstreckt sich der Leiter 11 längs je eines Weges bzw. mit je einem
Abschnitt 12 a bzw. 12 b vertikale nach oben bis zur Erdoberfläche 28. Von dort
ist der Leiter auf der Erdoberfläche mit zwei weiteren Abschnitten 13a bzw. 13b
zur Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 an deren Anschlüsse 200 und 201 geführt.
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Bei industriellen Induktionswärme-Geräten wird eine zylindrisch-wendelförmige
Spulen-Konfiguration häufig angetroffen, da das elektromagnetische Feld am stärksten
innerhalb der Wendel ist und seine Intensität außerhalb der Spule abnimmt. Wenn
das Material innerhalb des von der Wendel umschlossenen Volumens relativ gleichförmig
ist, kann daher erwartet werden, daß die induktive Wärmeenergie zu praktisch allem
von der Spule umschlossenen Material übertragen wird. Das oben Gesagte trifft auch
auf eine Toroidspule zu, wobei mit einem Toroid zusätzlich noch die bei einer Wendel
auftretenden Endverluste vermieden sind. Wenn es sich in der jeweiligen Situation
wirtschaftlich rechtfertigen läßt, kann daher ein Toroid oder ein simulierter Toroid
anstelle einer Wendel angewandt werden.
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Das Maß der EnergieabsorPtion aus dem wendelförmigen leitförmigen
Weg nimmt mit der Intensität des erzeugten elektromagnetischen Feldes zu,
außerdem
mit der Leitfähigkeit des energieabsorbierenden oder -aufnehmenden Materials, das
innerhalb des Wendels liegt. Das Maß der Energieabsorbtion nimmt außerdem innerhalb
bestimmter Grenzen mit ansteigender Frequenz zu.
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Auf Grund von Resonanzeffekten kann sich jeweils für eine bestimmte
Situation bezüglich der Energieabsorbtion eine optimale Frequenz ergeben, welche
sich aber er:sichtlicherweise während der Dauer der Erwärmung und während Extraktionsvorgängen
ändern kann.
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Eine Wendel, die rechtwinkelig zu der Wendel gemäß Figuren 2 und 3
orientiert ist, läßt sich möglicherweise leichter als die Wendel gemäß Figuren 2
und 3 herstellen. Figur 5 zeigt einen solchen wendelförmigen Weg bzw.
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Leiter 11, der im wesentlichen das durch Induktion zu erwärmende Volumen
GHIJ als Spule umschließt.
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Jedenfalls läßt sich die Wendel gemäß Figuren 2 und 3 durch eipe Anzahl
untereinander verbundener geradliniger leitfähiger Wege simulieren, die sich in
der aus Figur 4 ersichtlichen Weise herstellen lassen. Die leitfähigen Wege gemäß
Figur 4 sind in geradlinigen, miteinander verbundenen Bohrlöchern ausgebildet. Es
werden vertikale Bohrlöcher 31 und 71 hergestellt. Bohrlöcher 33, 35, 37, 39, 41,
43, 45, 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59, 61, 63, 65, 67 und 69 werden unter geeigneten
Winkeln gegenüber der Erdoberfläche so hergestellt, daß sich diese Bohrlöcher gegenseitig
und mit den vertikalen Bohrlöchern 31 und 71 an Punkten 73, 75, 77, 79, 81, 83,
85, 87, 89, 91,93, 95, 97, 99, 101, 103, 105, 107, 109, 111 und 113 schneiden, wodurch
ein simulierter wendelförmiger oder schraubenlinienförmiger Weg entsteht, welcher
am Punkt 73 beginnt und am Punkt 113 endet. Einzelne Leiter können in den jeweils
richtigen Abschnitten, z.B. zwischen den Schnittpunkten und zwischen der Erdoberfläche
und den Punkten 73 und 113, der genannten Bohrlöcher angeordnet und an den genannten
Schnittpunkten untereinander so verbunden werden, daß ein durchgehender leitfähiger
Weg gebildet ist, welcher mit dem vertikalen Teilstück 31 beginnt und mit dem vertikalen
Teilstück 71 endet.
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Alternativ können gemäß Figur 6 mehrere, ungefähr rechteckige leitfähige
Schleifen bzw. Leiterschleifen gebildet werden, von denen jede innerhalb
einer
Ebene liegt und die Ebenen der einzelnen Schleifen parallel zueinander sind, so
daß ein umschlossenes Volumen KLMNOP definiert wird. Naturlich bleiben die rechteckigen
Schleifen an einer Stelle, nämlich an einer Ecke, offen, damit ein Strom -fluß durch
die Schleife möglich ist. Die Schleifen werden dann an der Oberfläche in der Verbindungseinheit
22 in der aus Figur 6 ersichtlichen Weise untereinander so verbunden, daß zwischen
den Anschlüssen 200 und 201 ein durchgehender Stromkreis gebildet ist. Weitere mögliche
Anordnungen aus untereinander in Serie oder parallel verbundenen Schleifen dürften
vom Fachmann auffindbar sein.
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In den Figuren 2 bis 6 stellen die Anschlüsse 200 und 201 jeweils
die Verbindungspunkte zwischen der unterirdischen Induktionsspule und der Schaltungsanordnung
nach Figur 1 dar.
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Alternativ kann zur Induktionserwärmung einer unterirdischen Kphle-Ablagerung
eine quasi-toroidale Spulen-Konfiguration benutzt werden.
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Figur 7 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer inneren, quasi-toroidalen
Umhüllung nach der Erfindung. Innerhalb einer Kohle-Ablagerung 25 sind innere vertikale
Leiter-Teilstücke 1 über obere horizontale Leiter-Teilstücke 3 und untere horizontale
Leiter-Teilstücke 4 mit äußeren vertikalen Leiter-Teilstücken bzw. Elementen 2 und
5 verbunden. Die oberen Teilstücke 3 sind hierbei an die Teilstücke 5 angeschlossen.
Figur 7 zeigt als Beispiel zwölf Windungen, von denen jede aus drei vertikalen Teilstücken
1, 2 und 5 und aus zwei horizontalen Teilstücken 3 und 4 ungefähr in Rechteckform
zusammengesetzt ist. Jeweils zwei Windungen schließen einen Winkel von ungefähr
30 ° miteinander ein. Ersichtlich sind die Windungen nicht vollständig durchgehend.
An der äußeren oberen Ecke jeder rechteckigen Windung ist eine Diskontinuität vorhanden.
Dies ist natürlich deshalb notwendig, damit die parallel, serie oder serieparalleljgeschalteten
Windungen mit Strom beaufschlagt werden können. Zur Bezeichnung einer derartigen
Windung mit einer Diskontinuität wird auch der Begriff "unterbrochene Windung" benutzt.
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Die vertikalen Teilstücke 2 und 5 reichen bis über die Erdoberfläche
28,
wo in der Verbindungseinheit 22 gemäß Figur 1 verschiedene
gegenseitige und anhand von Figur 8 noch zu erläuternde Verbindungen hergestellt
werden können. Die gepunkteten Linien in Figur 7 stellen den Fall dar, daß die Windungen
in Serie geschaltet sind. An den Anschlüssen 200 und 201 ist die Spulen-Konfiguration
an die Schaltungsanordnung nach Figur 1 angeschlossen.
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Bei Beaufschlagung der Anschliisse 200 und 201 mit Wechselstrom wird
von den rechteckigen Windungen der Spule 23 ein elektromagnetisches Feld erzeugt.
Das elektromagnetische Feld sucht einen quasi-toroidalen Raum zu durchsetzen, welcher
sich von einem echt oder genau toroidalen Raum nicht nur durch den Feldstärkeabfall
zwischen den leitfähigen Windungen (insbesondere an deren äußerem Rand) sondern
auch durch die unterbrochene, rechteckige Spulen-Konfiguration unterscheidet, die
im Gegensatz zu der üblichen kreisförmigen Spulen-Konfiguration steht, wie sie beilüblichen,
kleineren Anwendungen von Toroid-Induktivitäten angetroffen wird. Der quasi-toroidale
Raum hat einen Innen-Radius, welcher durch den Radius des gedachten Kreises definiert
ist, auf dem die Verbindungspunkte zwischen den Teilstücken 1 und den Teilstücken
4 liegen. Der Außenradius des quasitoroidalen Raumes ist durch das äußere vertikale
Teilstück 2 definiert.
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Die Obergrenze des quasi-toroidalen Raumes ist durch eine gedachte
horizontale Kreisfläche definiert, in welcher die oberen Teilstücke 3 liegen.
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Eine entsprechende gedachte Kreisfläche, in welcher die unteren Teilstücke
4 liegen,definiert die Untergrenze des quasi-toroidalen Raumes. Also bilden die
Windungen aus inneren und äußeren vertikalen Teilstücken 1, 2 und 5 und oberen und
unteren horizontalen Teilstücken 3 und 4 zusammen eine quasi-toroidale Umschließung
bzw. Umhüllende, welche den oben definierten quasi-toroidalen Raum im wesentlichen
umgibt. Natürlich wird sich das tatsächliche elektromagnetische Feld in umso besserer
Annäherung durch den gesamten, von der Umhüllenden umgebenen quasi-toroidalen Raum
erstrecken, desto mehr Windungen für die Umhüllende benützt werden. Es ist jedoch
zu beachten, daß für die EinSuhrung jedes Leiter-Teilstückes in eine unterirdische
Kohle-Ablagerung eine Tunnelbildung oder ein Bohrvorgang notwendig ist und dementsprechend
eine Abwägung zwischen dem Wirkungsgrad bei der Erzeugung des elektromagnetischen
Feldes im quasi-toroidalen Raum und den wirtschaftlichen Vorteilen auf Grund einer
Herabsetzung der Anzahl der
gebohrten oder gegrabenen Löcher und
Tunnel zu erfolgen hat. Für die folgende Diskussion sei angenommen, daß die Quasi-Toroidspule
zwölf Windungen hat. Jedoch kann auch eine andere Windungszahl in entsprechenden
Situationen angewandt werden; zweifellos wird man bei der jeweiligen Anwendung eine
empirische Abschätzung der Wirtschaftlichkeit auf der Basis der ursprünglichen Windungszahl
vornehmen und danach entscheiden, ob eventuell eine größere oder kleinere Windungszahl
zweckmäßig ist. Natürlich können zusätzliche Tunnel und Bohrlöcher zur Erhöhung
der Windungszahl im benötigten Umfang erzeugt werden. Da Einzelheiten der konstruktiven
Auslegung die erläuterten Prinzipien nicht verändern, sollten die angegebenen Beispiele
nicht als die einzig möglichen angesehen werden.
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Die Verbindungseinheit 22 für die Spulenwindungen wird genauer anhand
Figur 8 erläutert. Die Anschlüsse der Spule an der Erdoberfläche sind wie in Figur
1 mit 200 und 201 bezeichnet. j Figur 8 zeigt schematisch die Spule nach Figur 7
mit zwölf Windungen, wobei diese Windungen auf sechs verschiedene Arten miteinander
verbunden sind.
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Bei der Verbindungsart A liegen die zwölf Windungen in Serie, so wie
es auch in Figur 7 gezeigt ist. Bei der Verbindungsart B liegen sechs Anordnungen
aus jeweils zwei in Serie geschalteten Windungen parallel. Bei der Verbindungsart
C liegen vier Anordnungen aus jeweils drei in Serie geschalteten Windungen parallel.
Bei der Verbindungsart D liegen drei Anordnungen aus jeweils vier in Serie geschalteten
Windungen parallel. Bei der Verbindungsart E liegen zwei Anordnungen aus jeweils
sechs in Serie geschalteten Windungen parallel. Und schließlich sind bei der Verbindungsart
F alle zwölf Windungen zu einem einzigen Weg parallel geschaltet. Aus der folgenden
Tabelle ergibt sich, daß die verschiedenen Verbindungsarten einen Bereich relativer
Induktivität von 144:1 abdecken (was einem Bereich der relativen Resonanz-Kapazität
von 1:144 entspricht).Dieser große Bereich erlaubt die passende Wahl der Schaltungsparameter
für eine große Anzahl verschiedener Kohle-Ablagerungen.
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Verbindungsart Relative Relative Relativer Induktivität Maximalströme
Widerstand A 144 1 144 B 36 2 36 C 16 3 16 D 9 4 9 E 4 6 4 F 1 12 1 Figur 9 zeigt
eine schematische Seitenansicht zweier Windungen der Spule nach Figur 7, deren Leiter-Teilstücke
1 bis 5 in vertikalen Bohrlöchern 8, einem vertikalen Zentral schacht 9 und horizontalen
oberen und unteren Tunneln 10 verlegt sind und an der Erdoberfläche 28 in der Verbindungseinheit
22 nach einer der Verbindungsarten gemäß Figur 8 zusammengeschaltet sind.
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Der spezifische Widerstand trockener Kohle bei 20 ° Celsius liegt
zwischen 1010 und 1014 Ohm cm. Jedoch nimmt der spezifische Widerstand exponentiell
mit der Temperatur ab und erreicht bei ungefähr 900 ° Celsius den Wert von 5 Ohm
cm. Von dieser Eigenschaft der Kohle kann man mit Vorteil vor Beginn der Induktionserwärmung
Gebrauch machen, in dem Sauerstoff oder ein anderes geeignetes gasförmiges oder
flüssiges Medium an der Innenfläche des zu erhitzenden Abschnittes der Ablagerung
eingeleitet oder injiziert wird Die Injektion würde bei einer Quasi-Toroidspule
am Innenradius, also in den Zentral schacht 9 gemäß Figur 9 oder in die Bohrlöcher
8 gemäß Figur 10 hinein erfolgen. Als nächstes wird die Kohle entlang der Innenwand,
z.B.
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den Bohrlöchern, entzündet. Dadurch wird der spezifische Widerstand
der Kohle an der Innenwand herabgesetzt. Entsprechend läßt sich bei Beginn der Induktionserwärmung,
wenn die Windungen der Spule mit Strom beaufschlagt werden, wegen des stark herabgesetzten
spezifischen Widerstandes leichter ein großer Stromfluß erzielen. Die Induktionserwärmung
breitet sich dann von der entzündeten und erhitzten Innenwand, z.B. den Bohrlöchern,
nach außen aus. Bei der Anordnung gemäß Figur 9 würde die Ausbreitung nach außen
vom Zentralschacht 9 ausgehen.
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Aus -zuvor erläuterten Gründen gibt es eine praktische Obergrenze
für das Verhältnis des Außenradius der quasi-toroidalen Umhüllenden, der durch die
vertikalen Teilstücke 2 nach Figur 9 definiert ist, zum Innenradius der quasi-toroidalen
Umhüllenden, der durch die Lage der inneren vertikalen Leiter-Teilstücke 1 nach
Figur 9 definiert ist. Aus diesem Grund kann es zweckmäßig sein, eine weitere quasi-toroidale
Umhüllende wie sie in Figur 7und 9 dargestellt ist, vorzusehen. Solch eine weitere
quasitoroidale Umhüllende kann als innere vertikale Leiter-Teilstücke die Teilstücke
2 nach Figur 7 und 9 verwenden. Mathematische Untersuchungen haben ergeben, daß
das Verhältnis des Außenradius zum Innenradius der quasi-toroidalen Umhüllenden
für beste Ergebnisse nicht größer als 5 oder 6 sein sollte. Wenn diese Grenze eingehalten
wird, wird die Wirtschaftlichkeit der Induktionserwärmung bedeutend verbessert,
da die ohmschen Verluste in den Spulen-Leitern auf einem niedrigen Wert gehalten
werden und die Energie im wesentlichen zur Erhitzung der Kohle aufgewandt wird.
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Figur 10 ist eine schematische Seitenansicht der Leiterwege, die für
eine in vier Phasen ablaufende Kohleerwärmung benutzt werden können. Von der Erdoberfläche
28 aus wird durch das Deckgebirge 26 und durch die Kohle-Ablagerung 25 hindurch
ein Zentralschacht 9 mit einem Radius von ungefähr 1,5 m niedergebracht. Vom Zentralschacht
9 aus werden zwei Gruppen gleichmäßig beabstandeter radialer horizontaler Tunnel
10 von beispielsweise 1 m Durchmesser gebohrt. Eine Gruppe horizontaler Tunnel 10
befindet sich an der Oberseite 29 der Ablagerung 25. Die zweite Gruppe horizontaler
Tunnel 10 befindet sich an der Unterseite 30 der Ablagerung. Als nächstes werden
von der Erdoberfläche aus vier Gruppen vertikaler Bohrlöcher 8 bis zum Boden der
Kohle-Ablagerung 25 niedergebracht. Jede Gruppe besteht aus zwölf vertikalen Bohrlöchern
8 , die mit gleichem gegenseitigem Abstand auf dem Umfang eines Kreises so angeordnet
sind, daß sie die oberen und unteren horizontalen Tunnel 10 schneiden. Jedes vertikale
Bohrloch hat einen Radius von ungefähr 40 cm. Die Gruppenzahl der vertikalen Bohrlöcher
hängt von der Ausdehnung der Kohle-Ablagerung 25 ab. Als Beispiel sind vier Gruppen
beschrieben.
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Figur 11 zeigt die Lage der vertikalen Bohrlöcher 8 nach Figur 10
in der
Draufsicht. Vier Gruppen vertikaler Bohrlöcher 8 sind gezeigt.
Die innere Gruppe von zwölf Bohrlöchern 8 liegt auf dem Umfang eines Kreises mit
einem Radius von 6 bis 9 m . Die zweite Gruppe liegt auf einem Kreis mit einem Radius
von 30 bis 60 m. Die dritte Gruppe liegt auf einem Kreis mit einem Radius von 150
bis 360 m. Die vierte Gruppe schließlich liegt auf einem Kreis mit einem Radius
von 750 bis 2200 m. Die gestrichelten Linien in Figur 11 zeigen die horizontalen
Tunnel 10 . Die zwölf Tunnel an der Oberseite 29 und der i"r,lf weiteren Tunnel
an der Unterseite 30 überdecken sich in der Draufsicht der Figur 11.
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Figur 12 ist eine schematische Seitenansicht, aus der die Lage der
Leiter bzw. Leiter-Teilstücke einer Windung der Spule in den vertikalen Bohrlöchern,
dem Zentralschacht und den horizontalen Tunnel hervorgeht. Der Zentralschacht 9
ist durch Schraffur angedeutet. Die ausgezogenen Linien zeigen einen horizontalen
Tunnel, ein vertikales Bohrloch oder den Zetralschacht mit einem darin angeordneten
leitfähigen Element. Eine gestrichelte Linie repräsentiert den Tunnel, das Bohrloch
oder den Zentralschacht ohne Leiter darin.
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Im Bild A von Figur 12 ist eine einzelne Windung der Spule gezeigt.
Es ist zweckmäßig, die Leiter für alle vier Phasen der Kohleerwärmung vor Beginn
der ersten Erwärmungsphase zu verlegen. Während der ersten, durch Bild A dargestellten
Phase ist das innere vertikale Leiter-Teilstück l/mit dem unteren horizontalen Leiter-Teilstück
4'verbunden. Teilstück 4' ist an das äußere vertikale Leiter-Teilstück 21angeschlossen.
Das vertikale Teilstück 1 ist außerdem an das obere horizontale Teilstück 31angeschlossen
und letzeres mit dem vertikalen Leiter-Teilstück 5/verbunden. Die Teilstücke 2'und
5' sind zur Verbindungseinheit in einer der Ausführungen gemäß Figur 8 geführt.
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Der Innenradius der Spule während der Phase 1 beträgt ungefähr 1,5
m, was dem Radius des Zentralschachtes 9 entspricht. Der Außenradius der Spule während
der Phase 1 beträgt 6 bis 9 m. Es wird jetzt der Spule Strom zugeführt, um die Erwärmung
der Kohle in Gang zu setzen.
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Nach Abschluß der Erwärmung des Abschnittes 24', der innerhalb der
Leiter-Teilstücke 51, 3! r, 4rund 2 liegt, ist die erste Phase der Kohleerwärmung
beendet,
so daß die zweite Phase gemäß Bild B von Figur 12 zur Erwärmung des den Abschnitt
24' konzentrisch umgebenden, ringförmigen Abschnittes 24" der Ablagerung 25 begonnen
werden kann. Gemäß Bild B sind analog bezeichnete Leiter-Teilstücke 2', 4", 1",
3" und 5" so untereinander verbunden, daß eine Windung der elektrischen Induktionsspule
gebildet ist. Die Spule der Phase 2 hat einen Innenradius von 6 bis 9m und einen
Außenradius von 30 bis 60m. Das Leiter-Teilstück 2' wird für beide Phasen 1 und
2 verwendet.
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In entsprechender Weise folgen nach Vornahme der notwendigen änderungen
die dritte und vierte Phase unter Verwendung von analog bezeichneten Leiter-Teilstücken
1'' und 2''' -5''' bzw. 2"', 1 " " und 3'''' - 5''''.
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Bilder C und D von Figur 12 zeigen die gegenseitigen Verbindungen
der Leiter-Teilstücke für Phase 3 bzw. 4, bei welchen die konzentrischen ringförmigen
Abschnitte 24"' bzw. 24"" erhitzt werden. Näch Abschluß jeder Phase können die in
der vorhergehenden Stufe nicht mehr benötigten Leiter abgeklemmt und für eine andere
Verwendung entfernt werden. Es ist daraufhinzuweisen, daß die Spulenanschlüsse aus
jedem zweiten Bohrloch längs des in Figur 12 gezeigten Radius herausgeführt werden.
Dadurch wird der Wechsel der Anschlüsse zwischen den aufeinanderfolgenden Phasen
erleichtert. Die Installationsanordnung in einer konzentrischen Konfiguration hat
zwei wichtige Vorteile. Sie erlaubt die zweimalige Verwendung der vertikalen Bohrlöcher
und Leiter-Teilstücke als äußere Teilstücke während der einen Phase und als innere
Teilstücke während der nächsten Phase. Außerdem wird während einer Phase nach außen
übertragene Wärme in der nächsten folgenden Phase ausgenutzt. Am oberen Ausgang
des Zentralschachtes 9 werden keine Spulen-Verbindungen hergestellt. Dies ist sehr
günstig, da dieser Zentral schacht unter anderem für die Ableitung von Gas und anderen
Produkten benutzt wird, welche sich bei der Erwärmung von Kohle ergeben. Nötigenfalls
können weitere vertikale Bohrlöcher als Kanäle für die Ableitung der Gase niedergebracht
werden.
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Nach Erläuterung der Maßnahmen zur elektrischen Induktionserwärmung
der unterirdischen Kohle-Ablagerung auf eine Temperatur,die zur Aufspaltung der
Kohle in andere Produkte ausreicht, werden jetztEinzelheiten der Verarbeitung bzw.
Behandlung der Kohle-Ablagerung dargestellt.
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Figur 14 zeigt in schematischer Form den gesamten Prozeß, der mit
der elektrischen Induktionserwärmung eines bestimmten, ausgewählten Abschnittes
einer Kohle-Ablagerung beginnt und sich über mehrere Stufen bis zur Erzeugung von
Elektrizität fortsetzt. Von dieser wird ein Teil für die Induktionserwärmung eines
weiteren, bestimmten Abschnittes der Kohle-Ablagerung benutzt. Es ist daran gedacht,
daß die im folgenden beschriebenen Stufen beispielsweise gleichzeitig durchgeführt
werden. Ein Abschnitt der Ablagerung, in welchem die Erwärmung beendet ist, könnte
der Verbrennung unterzogen werden, während ein weiterer Abschnitt durch Induktion
erwärmt und einem wiederum anderen Abschnitt, in dem die Verbrennung schon durchgeführt
wurde, im Wärmetausch Wärme entzogen wird.
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Ein Wechselstromgenerator 115 beaufschlagt mit seiner Ausgangswechselspannung
einen Transformator 118, an den in Serie der Frequenzwandler 116, der Wellenformer
117 und der Resonanz-Kondensator 120 angeschlossen sind. Vom Resonanz-Kondensator
120 verläuft eine Verbindung zur Induktionsspule 123, welche einem durch Induktion
zu erwärmenden bzw.
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zu erhitzenden Abschnitt 139 der Kohle-Ablagerung zugeordnet ist.
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Eine Induktionserwärmung kann an halbleitenden Materialien ausgeführt
werden, zu denen Kohle in ihren verschiedenen Erscheinungsformen gehört.
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Der spezifische elektrische Widerstand halbleitender Materialien oder
Stoffe liegt im Bereich zwischen 10 4 Ohm cm bis mindestens 10 6 -Ohm cm und möglicherweise
darüber. Im Gegensatz hierzu liegt der spezifische Widerstand von Metallen im Bereich
von 10 6 Ohm cm bis 2 x 10 5 Ohm cm.
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Bei der elektrischen Induktionserwärmung erzeugt der Strom, welcher
durch die Induktionsspule fließt, welche den zu erwärmenden Abschnitt der Kohle-
Ablagerung
umschließt, ein zeitveränderliches magnetisches Feld. Die Kraftlinien des magnetischen
Feldes durchsetzen die Kohle und erzeugen elektrische Ströme, sogenannte Wirbel
ströme. Diese in der Kohle fließenden Wirbelströme führen zur Erwärmung der Kohle
aufgrund des elektrischen Widerstandes derselben. Während des Vorgangs der Erwärmung
ändert sich der Widerstand der Kohle, und zwar zuerst aufgrund von Wasserverlust,
dann aufgrund der Abgabe von Kohlengas- und Kohlenteer-Bestandteilen, dann weiter
aufgrund der änderung des spezifischen Widerstandes des Koks-Rückstandes in Abhängigkeit
von der Temperatur, und schließlich aufgrund des sich ändernden Radius der Kohle-Fläche
bzw. -Seite. Deshalb wird der Spulenstrom manuell oder selbstätig so eingestellt,
daß die vom Wechselstromgenerator 115 abgegebene Leistung (Voltampère) ungefähr
konstant bleibt.
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Bei Erwärmung über 100C beginnt die Kohle Wasserdampf abzugeben. Der
Wasserdampf, der niedrige Temperatur hat, wird als sogenannter Kaltdampf 140 aus
der Kohle-Ablagerung zu Erdoberfläche geleitet und dort einem Dampfgenerator 142
zugeführt.
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Mit weiterer, fortgesetzter Temperaturerhöhung der Kohle-Ablagerung
wird bei ungefähr 4000C eine ausgeprägte Stufe aktiver Zersetzung bzw.
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Ausspaltung erreicht. Im Bereich zwischen 400 und 500°C wird der Großteil
des Kohlenteers erzeugt. Dieser Kohlenteer ist eine komplexe Mischung chemischer
Verbindungen, die sich deutlich von der Kohle unterscheiden, obwohl diese Verbindungen
natürlich mit der chemischen Kohle-Struktur verwandt sind. Die flüssige Kohlenteer-Fraktion
ist reich an aromatischen Ringkohlenwasserstoffen, die sich durch fraktionierte
Destillation von einander trennen lassen. Hierzu gehören Benzol, Toluol, Xylol,
Naphtalin und Antrazen.
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Bei Erhöhung der Temperatur der unterirdischen Ablagerung über 5000C
beginnt die Freisetzung von Kohlengasen; außerdem wird der flüssige
Kohlenteer
gasförmig. Die flüchtigen Gase enthalten eine große Menge Ammoniak, das sich vom
Kohlengas durch Lösung in Wasser trennen läßt.
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Nach weiterem Reinigen und Waschen zur Entfernung von Schwefelverbindungen
enthält das Kohlengas überwiegend Methan, Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die sämtlich
wertvolle Brenngase sind, außerdem geringe Mengen Stickstoff. Durch die Erwärmung
über 5000C hinaus wird auch die Umwandlung des Kohlenteers aus der flüssigen Phase
in Gasform bewirkt. Untersuchungen haben gezeigt, daß die Maximaltemperatur, auf
die eine Kohle-Ablagerung erhitzt wird, bei ungefähr 7500C liegen sollte. Bei Erhitzung
über 9000C hinaus würde sich ein Teil des den niedrigeren Temperaturen zugeordneten
Teers zersetzen,und die bei diesen hohen Temperaturen von beispielsweise 900°C erzielbare
Ausbeute ist häufig nur halb so groß wie die bei ungefähr 5000C erhaltene.
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Das Gemisch 144 aus Kohlengas und gasförmigem Kohlenteer wird durch
den Zentral schacht oder die vertikalen Bohrlöcher zur Erdoberfläche geleitet. Dort
wird in einem Separator 145 das Ammoniak aus dem Kohlengas entfernt und das Gemisch
in die Bestandteile Kohlengas 146 und Kohlenteer 147 getrennt.
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Zusammengefaßt wird also in der ersten Stufe des Gewinnungsprozesses
als erstes Kaltdampf 140 erzeugt und für weitere Verwendung zur Erdoberfläche geleitet.
Mit weiterer Temperaturerhöhung der Kohle-Ablagerung werden Kohlengas und Kohlenteer
als Gas-Gemisch 144 erzeugt.
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Dies steigt zur Oberfläche auf, wo es gesammelt und mittels des Separators
145 in seine Bestandteile 146 und 147 zerlegt wird.
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Nachdem die Temperatur der Ablagerung auf 5000 C oder mehr angestiegen
ist und das Kohlengas sowie der gasförmige Kohlenteer freigesetzt worden sind, verbleibt
ein Koks-Rückstand in der Ablagerung, der hauptsächlich aus Kohlenstoff und Asche
mit Einschlüssen von Gestein besteht.
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Dieses Material kann im Falle leichtflüchtiger bituminöser Kohlen
eine
Dichte haben, die nur ein Drittel bis zu einer Hälfte der
Dichte der ursprünglichen Kohle beträgt; das Material ist daher porös und gasdurchlässig.
Nach Entfernung der Induktionsspulen-Leiter wird in der zweiten Stufe des Prozesses
in einen solchen erhitzten, koksenthaltenden Abschnitt 149 der Ablagerung über ein
oder mehrere der existierenden Bohrlöcher Luft oder Sauerstoff 148 mit kontrollierter
Geschwindigkeit eingeleitet. Hierdurch tritt Verbrennung auf, und die erhitzten
Verbrennungsprodukte 150, nämlich heiße Gase, die hauptsächlich aus Kohlendioxid
bestehen, werden zur Oberfläche geleitet, wo sie zum Antrieb zuerst der ersten Stufe
151 und anschließend der zweiten Stufe 152 einer Gasturbine dienen. Natürlich kann
es sich auch um eine Gasturbine mit mehr als zwei Stufen handeln. Das Abgas 153
der Gasturbine wird dem Dampfgenerator 142 zugeleitet, welchen es als Abgas 154
wieder verläßt, nachdem es den Kaltdampf 140 erwärmt hat, welcher zu Beginn der
Stufe 1 aus der Ablagerung ausgetreten ist.
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Die zweistufige Gasturbine 151, 152 ist über eine Welle 155 mechanisch
mit einer noch zu erläuternden Dampfturbine 157 gekuppelt und treibt gemeinsam mit
dieser den Wechselstromgenerator 115 sowie einen weiteren Generator 114 an, der
entweder Gleich- oder Wechselstrom erzeugt. An den Ausgang des Wechselstromgenerators
15 ist über den Transformator 118, den Frequenzwandler 116, den Wellenformer 117
und den Resonanz-Kondensator 120 die in Stufe 1 eingesetzte Induktionsspule 23 in
der schon erläuterten Weise angeschlossen.
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Nach Abschluß der zweiten Stufe der Behandlung der Ablagerung im Abschnitt
149 kann die dritte Stufe beginnen. Es ist jetzt der gesamte Koks in der Ablagerung
verbrannt. Jedoch bleibt der unterirdische, urspriinglich kohleführende Bereich
sehr heiß zurück, und zwar wegen seiner Dicke und wegen der niedrigen Wärmeleitfähigkeit
des Deckgebirges. Die Wärme wird mit vernachlässigbaren Verlusten über lange Zeit
festgehalten und kann mit praktisch jeder gewünschten Geschwindigkeit einer Nutzung
zugeführt werden. Die Wärme kann durch Einleiten
bzw. Injizieren
von Dampf in den Abschnitt 159 der Ablagerung gewonnen werden, in welchem die Induktionserwärmung
und die Verbrennung abgeschlossen sind. Bei dem Dampf kann es sich um den auf niedriger
Temperatur befindlichen Abdampf 158 der Dampfturbine 157 oder um den auf mittlerer
Temperatur befindlichen,vom Dampfgenerator 142 erzeugten Warmdampf 143 handeln.
Die entsprechenden Maßnahmen bilden die dritte Stufe des Prozesses. In der Regel
wird der in Stufe 1 aus der Kohle-Ablagerung erhaltene Dampf 140 zur Durchführung
des gesamten Prozesses ausreichen; sollte dies jedoch nicht der Fall sein, kann
dem Dampfgenerator 142 zur Ergänzung Zusatzwasser 141 zugeführt werden.
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Der Warmdampf 143 vom Dampfgenerator wird nach dem Einleiten in die
heiße, unterirdische Ablagerung dort erwärmt und tritt als Heißdampf 156 wieder
an der Oberfläche aus. Mit diesem auf hoher Temperatur befindlichen Heißdampf 156
wird die Dampfturbine 157 betrieben.
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Es handelt sich also bei dem Gewinnungs-Verfahren um einen dreistufigen
Prozeß. In der ersten Stufe wird die Kohle-Ablagerung durch elektrische Induktion
erwärmt, um Dampf, Kohlengas, und gasförmigen Kohlenteer zu erzeugen. Nach Gewinnung
dieses Dampfes, des Kohlengases und des gasförmigen Kohlenteers ist Stufe 1 des
Prozesses gemäß Figur 12 beendet.
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Nach Ableitung der Gase zur Erdoberfläche besteht die unterirdisChe
Ablagerung hauptsächlich aus erhitztem Koks. Nach Entfernung der Leiter-Teilstücke
wird Sauerstoff oder Luft in den heißen Koks eingeleitet und dadurch eine Verbrennung
in Gang gesetzt. Als Verbrennungsprodukte werden heiße Gase, insbesondere Kohlendioxid,
erhalten, zur Erdoberfläche geleitet und dort zum Antrieb einer Gasturbine verwendet.
Die vollständige Verbrennung des Kokses stellt das Ende der zweiten Stufe des Prozesses
dar.
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In der dritten Stufe wird die durch die Koks-Verbrennung erzeugte
Wärme durch Einleitung von Warmdampf in den erhitzten Untergrund extrahiert
bzw.
gewonnen. Der Warmdampf wird in Heißdampf umgewandelt, der zum Antrieb einer Dampfturbine
verwandt werden kann. Ersichtlicherweise werden die obenerläuterten Stufen 1, 2
und 3 an einem bestimmten Abschnitt der Kohle-Ablagerung zeitlich nacheinander ausgeführt.
Natürlich können die Prozeß-Stufen auch gleichzeitig ablaufen, wenn man mehrere
verschiedene Abschnitte oder Bereiche der Ablagerung betrachtet. An einem Abschnitt
der Ablagerung, in welchem Stufe 1 abgeschlossen ist, kann gerade Stufe 2 des Prozesses
durchgeführt werden, während gleichzeitig in einem anderen Abschnitt die Stufe 1
abläuft.
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Figur 13 illustriert eine alternative Arbeitsmethode, bei welcher
konzentrische Indukti onsspul en in drei benachbarten Gebieten verlegt werden. Es
kann sich um kreisförmige Gebiete handeln, die an einander anstoßen. Eine mögliche
Arbeitsfolge für beispielsWeise die ersten vier ringförmigen Abschnitte, kurz Ringe,
in diesem Falle geht aus der Tabelle am Schluß der Beschreibung.
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Bei der Anordnung gemäß Figur 13 beträgt das Verhältnis aufeinanderfolgender
Radien der vier konzentrischen Ringe bzw. ringförmigen Abschnitte. a, b, c und d
im Gebiet I, II und III ungefähr 5:1 bis 6:1.
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Die drei Gebiete I-III sind so festgelegt, daß sie jeweils ungefähr
die gleiche Brennstoffmenge umschliessen und dadurch die Produktion beim Erwärmungsvorgang
zeitlich ungefähr konstant ist. Einzelheiten der Gruppen konzentrischer Spulen,
die jeweils im Gebiet I, II und III angeordnet sind, sind anhand der Figuren 10-12
erläutert worden. Die kleinen Kreise in Figur 13 stellen die von der Erdoberfläche
aus niedergebrachten vertikalen Bohrlöcher 8 dar, während die unterbrochenen geraden
Linien die unterirdischen horizontalen Tunnel 10 zeigen.
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Es sind auch andere Verfahrensweisen möglich, erscheinen jedoch weniger
vorteilhaft als die zuvor erläuterte. Dieser Plan ist für insgesamt drei benachbarte
Gebiete gedacht, von denen jedes in beispielsweise vier konzentrische
Ringe
unterteilt ist. Es werden also drei separate Gebiete der Ablagerung herausgegriffen
und zuerst Ring a im Gebiet I, Ring a im Gebiet II und Ring a im Gebiet III bearbeitet,
wobei die Arbeitsschritte gemäß der genannten Tabelle jeweils nach Abschluß eines
Prozesses in jedem Ring wechseln.
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Zur Erwärmung der Kohle mittels elektrischer Induktion wird eine Eingangsleistung
für die unterirdische Toroidspule, welche das Flöz oder die Flöze umschließt, von
möglicherweise 400MW benötigt.
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Kohle und Lignit werden als Eigen-Halbleiter klassifiziert, genauso
wie andere fossile Brennstoffe, z.B, Ul-Sand, Ul-Schiefer, Rohöl und dergleichen.
Ihr spezifischer elektrischer Widerstand oder ihr spezifischer elektrischer Leitwert
liegt in dem Bereich, der für diese Klasse von Stoffen typisch ist. Der spezifische
elektrische Widerstand trockener Kohle bei 200C ist extrem hoch und liegt im Bereich
zwischen 1010 und 1014 Ohm cm, wobei sich Anthrazit an der Obergrenze und Lignit
an der Untergrenze befindet. Der spezifische Widerstand nimmt exponentiell mit zunehmender
Temperatur ab und erreicht für alle Kohlen bei 9000C einen Wert in der Größenordnung
von 5 Ohm cm. Um Kohle mit elektrischer Induktionserwärmung wirtschaftlich erhitzen
zu können, kann die große Herabsetzung des spezifischen Widerstandes mit steigender
Temperatur vorteilhaft ausgenutzt werden. Wie bereits erwähnt, kann daher vor Beginn
der elektrischen Induktionserwärmung und nach Verlegung der elektrischen Leiter
Sauerstoff oder ein anderer geeigneter Stoff durch die Bohrlöcher an der Innenwand
des gerade bearbeiteten Ringes injiziert und die Kohle in diesen Bohrlöchern entzündet
werden. Die entstehende Verbrennung führt zu einer schnellen Temperaturerhöhung
in einer dünnen Kohleschicht an jedem Bohrloch und senkt dort den spezifischen Widerstand
auf einen niedrigeren Wert. Sobald dies geschehen ist, wird die Zufuhr des Sauerstoffs
oder des anderen Stoffes unterbrochen und die unterirdische Spule mit Strom beaufschlagt.
Das Magnetfeld induziert Wirbelströme hauptsächlich in den auf hoher Temperatur
befindlichen Nachbargebieten
der einzelnen Bohrlöcher oder des
Zentralschachtes, wo der spezifische Widerstand niedrig ist. Von diesen Brennpunkten
breitet sich die Induktionserwärmung unter Bildung einer gleichförmigen zylindrischen
Schale aus.
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Die Innenfläche der Kohle am Ring a des Gebietes I wird durch Zufuhr
von Sauerstoff oder Luft und anschließende Entzündung in Brand gesetzt, wodurch
sich die Temperatur einer dünnen Schicht der Fläche auf ungefähr 6000C erhöht. Bei
dieser Temperatur ist der spezifische Widerstand auf wenige Ohm cm herabgesetzt,
so daß unter der Wirkung des intensiven magnetischen Wechsel feldes, das durch den
Strom in der Induktionsspule hervorgerufen wird, starke Wirbelströme fließen können.
Entsprechend wird eine Spulen-Fläche schnell erhitzt; die gasförmigen Produkte werden
ausgetrieben und die auf hoher Temperatur befindliche, zylindrische Fläche vergrößert
schnell ihren Durchmesser unter HinterlasFung lediglich des porösen und gebrochenen
Kokses, der ungefähr halb so schwer wie die ursprüngliche Kohle ist, sowie eventuelle
Asche und Mineralstoffe. Die zu Beginn in Brand gesetzte Kohlen-Innenfläche am Ring
a des Gebietes I wird in den Figuren 7, 9, 10-und 12 durch den Vertikalschacht 9
repräsentiert.
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Der Feuchtigkeitsgehalt, der bei üblichen Kohlen 20 Gewichts-Prozent
und mehr beträgt, führt zum ersten Produkt während der Erwärmung. Hierauf fol gen
Gase, hauptsächlich Methan, und gasförmige Bestandteile des Kohlenteers.
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Typische Produktionsmengen liegen in der Größenordnung von 8880 Tonnen
Dampf pro Tag und ungefähr 14000 Tonnen gasförmiger Produkte pro Tag.
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Die 14000 Tonnen gasförmiger Produkte pro Tag teilen sich, grob abgeschätzt,
in vermutlich 30QO Tonnen Methan und 11000 Tonnen gasförmigen Kohlenteer auf. Die
letztgenannten Produkte werden entweder an Ort und Stelle weiter aufbereitet oder
über Rohrleitungen auf den Markt gebracht, wo sie so viel Erlös erzielen, daß das
hauptsächliche Produkt der Anlage, nämlich die Elektrizität, im Ergebnis ohne Kostenaufwand
erhalten wird.
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Das vom Kohlenflöz erzeugte Wasser reicht für den Prozeß aus, ohne
daß ein Rückgriff auf Oberflächenwasser notwendig ist, und wird in noch zu erläuternder
Weise bei der Abgabe voll benutzt. Eine im zu erhitzenden Flöz evtl. eingeschlossene
unterirdische Wasserader wird lokalisiert und über Bohrlöcher zur Oberfläche abgeleitet.
Ihr Wasser kann als Prozeß-Wasser,in jedem Falle aber zum Vorteil für die Umgebung
eingesetzt werden.
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Nach Durchführung der Induktionserwärmung im Ring a des Gebietes I
bis zum Punkt, ån welchem der gesamte Dampf und alle gasförmigen Produkte zur Oberfläche
gefördert sind, werden die elektrischen Anschlüsse zum Ring a des Gebietes II verlegt,
um dort die Induktionserwärmung zu beginnen. Dies wird dann in der erläuterten Weise
fortgesetzt. Als nächstes wird Luft zum Ring a des Gebietes I geleitet, um dort
den Koks-Rückstand mit der gewünschten Geschwindigkeit zu verbrennen. Hierbei entsteht
hauptsächlich ein Ausfluß heißer Gase zur Oberfläche, die überwiegend aus Kohlendioxid
und Stickstoff bestehen. Mit diesen Gasen wird eine Gasturbine angetrieben, welche
in Verbindung mit einer Dampfturbine und einem elektrischen Generator arbeitet.
Das Abgas der Gasturbine wird zur Erwärmung des Kaltdampfes benutzt, der bei der
Induktionserwärmung des Ringes a im Gebiet I entsteht. Dies ist zuvor anhand von
Figur 14 erläutert worden.
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Nach Abschluß der Verbrennung im Ring a des Gebietes II werden die
oberirdischen elektrischen Anschlüsse verlegt, um den Ring a des Gebietes III durch
elektrische Induktion zu erwärmen. Der vom Dampfgenerator erhaltene Warmdampf wird
in den Ring a des Gebietes II eingeleitet, der jetzt praktisch einen hocherhitzten
Hohlraum darstellt, welcher Asche und anderes organisches Material enthält. Der
Dampf wird im Untergrund auf hohe Temperatur erhitzt und als Heißdampf wieder zur
Erdoberfläche und dort zu einer Dampfturbine abgeleitet, welche mit der Gasturbine
und dem elektrischen Generator gekoppelt ist. Der Abdampf der Gasturbine wird kondensiert
und das entstehende Heißwasser auf kultiviertes Land geleitet, wo es sowohl zur
Bewässerung als auch zur Erwärmung des Landes dient. Beispielsweise kann das Abwasser
in einer Menge bis zu 8000 cbm pro Tag auftreten. Dies
reicht in
trockenen nördlichen Klimata, wie sie z.B. im nördlichen Alberta in Kanada anzutreffen
sind, aus, auf einer Fläche von 48Q-730 ha jährliche Rekordernten an Getreide zu
erzielen oder in einem noch deutlich größeren Gebiet eine erstklassige Park-oder
Erholungslandschaft zu schaffen.
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Bei diesem Vorgang erzeugen die kombinierten Gas- und Dampfturbinen
durchgehend rund 2.000 MW; . Von dieser Leistung werden rund 400 NW für die Induktionserwärmung
benötigt und rund 100 MW: für den sonstigen Betrieb der Anlage und der Gemeinschaftsdienste.
Es stehen also 1.500 MW; für die Dbertragung zur Verfügung.
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Wie bereits erwähnt, decken die in der Anlage erzeugten Kohlenteere
und -gase, die vermarktet werden können, die gesamten Betriebskosten, weshalb die
1.500 NW Elektrizität praktisch ohne KostenbS3lastung zur Verfügung stehen. Oberirdischen
Gewässern braucht kein Wasser entnommen zu werden; im Gegenteil sind große landwirtschaftliche
oder botanische Projekte durch Verwendung des Wassers möglich, das zusammen mit
der Kohle abgebaut und mit Wärme, die sonst vergeudet wäre, auf die erforderliche
Temperatur gebracht wird. Sowohl das Wasser als auch die darin enthaltene Wärme
werden bei dem Verfahren mit gutem Erfolg und -Gewinn reich ausgenutzt.
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Bei der vorangegangenen Diskussion der Figur 13 wurde auf die in-
Figur 14 gezeigten Bezugszeichen nicht Bezug genommen, da alle Maßnahmen der Erfindung
anhand Figur 14 bereits ausführlich erläutert worden waren und die Beschreibung
der gleichzeitigen Erwärmung dreier benachbarter Gebiete nur eine Anwendung des
anhand von Figur 14 bereits ausführlich erläuterten Prozesses darstellt.
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Periode Gebiet Ring Induktions- Koksver- Dampferwärmung brennung flutung
1 I a x 2 I a - x -3 I a - - x 2 II a x - -3 II a - x -4 II a - - x 3 III a x -
-4 III a - x -5 III a - - x 4 r b x - -5 I b - x -6 1 b - - x 5 II b x - -6 II b
- x -7 II b - - x 8 III b x 9 III b - x -10 III b - - x 9 I c x - -10 I c - x -11
I c - - x 10 II c x - -11 II c - x -12 II c - - x 11 III c x-12 III c - x -13 III
c - - x 12 I d x - -13 I d - x -14 1 d - - x
Periode Gebiet Ring
Induktions- Koksver- Dampferwärmung brennung flutung 13 II d x -14 II d - x 15 II
d - - x 14 III d x -15 III d - x 16 III d - - x .., Patentansprüche
Leerseite