DE3013293A1 - Verfahren zur untertaegigen vergasung von kohle - Google Patents

Verfahren zur untertaegigen vergasung von kohle

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DE3013293A1 DE19803013293 DE3013293A DE3013293A1 DE 3013293 A1 DE3013293 A1 DE 3013293A1 DE 19803013293 DE19803013293 DE 19803013293 DE 3013293 A DE3013293 A DE 3013293A DE 3013293 A1 DE3013293 A1 DE 3013293A1
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DE19803013293
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Rolf Dipl.-Chem. Dr. 6800 Mannheim Platz
Richard 6718 Gruenstadt Scholl
Karl Dipl.-Chem. Dr. 6700 Ludwigshafen Wisseroth
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BASF SE
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BASF SE
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/16Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons
    • E21B43/24Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons using heat, e.g. steam injection
    • E21B43/243Combustion in situ

Description

  • Verfahren zur untertägigen Vergasung von Kohle
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur untertägigen Vergasung von Kohle in Kohleflözen, bei dem ein oder mehrere Vergasungsmittel sowie die zur Vergasungsreaktion benötigte Energie von der Erdoberfläche aus durch eine Bohrung den Flözen zugeführt und die entstehenden flüchtigen Vergasungsprodukte durch dieselbe Bohrung oder eine oder mehrere andere Bohrungen zur Erdoberläche gefördert werden.
  • Zur Vergasung von Kohle sind viele Verfahren entwickelt worden. Der überwiegende Teil dieser verschiedenen Techniken wird in Vergasungsanlagen oberhalb der Erdoberfläche ausgeführt. Daneben wird in kleinerem Umfang eine unterirdische Vorort-Vergasung betrieben. Zu letzterer wird ein mehr oder weniger tief liegender Kohleflöz mit einem oder auch mehreren Bohrlöchern erschlossen. Durch Zufuhr des eigentlichen Vergasungsmittels - in der Regel Luft, oder auch reiner Sauerstoff neben dampfförmigem Wasser - wird im Flöz ein Abbrand gezündet und die flüchtigen Vergasungsprodukte im allgemeinen durch weitere Bohrlöcher zur-Erdoberfläche gefördert. Bei dieser Verfahrensweise wird insbesondere die aufwendige Bergbautechnik des Abteufens eines Förderschachtes vermieden.
  • Erste praktische Ergebnisse, die sich auf Erfahrungen bis zu einer Teufe von 350 Metern stützen, lassen bereits den Schluß ziehen, daß die Vorort-Technik vor allem zur Erschließung sehr tief liegender Vorkommen geeignet ist.
  • So liegt z.B. der größte Teil (rund 80 %) der sehr-reichlich vorhandenen mitteleuropäischen Steinkohle in Tiefen von 1500 bis 2000 Metern und ist daher z.Z. wirtschaftlich nicht gewinnbar.
  • 'Die seither übliche Untertage-Vergasungstechnik unter Verwendung von Sauerstoff bzw. Luft liefert Gase einer Zusammensetzung, wie sie auch in oberirdischen Vergasungsanlagen gewonnen werden. Wesentliche Bestandteile dieses Gases sind hauptsächlich Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff neben geringen Mengen verschiedener Kohlenwasserstoffe. Bei Verwendung von Luft liegt außerdem noch eine beträchtliche Menge Stickstoff vor. Bei der vollständigen Verbrennung eines Teiles der Kohle wird das Kohlendioxid gebildet, wobei die bei diesem Vorgang freiwerdende Energiemenge zur Aufheizung des Systems dient, um die für den Umsatz erforderlichen Temperatulen in der Nähe von etwa 1000°C zu ermöglichen.
  • Das gewonnene, an die Erdoberfläche geförderte Gas wird entweder wegen seines beachtlichen Energieinhaltes durch weitere Verbrennung mit Luft oder Sauerstoff unmittelbar zur Energieerzeugung verwendet oder dient wegen seines Gehaltes an Kohlenmonoxid und Wasserstoff als Synthesegas für die Umwandlung in verschiedene organisch-ek mische Verbindungen. Im letzteren Falle wird in der Reel eine Abtrennung des begleitenden und bei Synthesen im allgemeinen störenden Kohlendioxides erforderlich.
  • Ein prinzipiell Kohlendioxid-freies Gas ließe sich gewinnen, wenn eine Erhitzung der Kohle im Flöz bei Anwesenheit von Wasser ohne Verwendung von Sauerstoff zur energieliefernden Partialverbrennung der Kohle bewirkt werden könnte. Ein bekanntes Verfahren wendet zu diesem Zweck die elektrische Widerstandserhitzung der Kohle an primärer Lagerstätte an, indem im geeigneten Abstand voneinander zwei Elektroden durch Bohrlöcher in den Flöz eingesenkt werden und durch einen genügend starken elektrischen Strom bei gleichzeitig ausreichender Leistung eine Temperaturerhöhung auf Reaktionsbedingungen ausgelöst wird (H.-G.
  • 'Franck und A. Knop "Kohleveredlung - Chemie und Technologie, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1979, S. 182 und 183). Die Praktikabilität einer solchen Technik ist naturgemäß sehr beschränkt und hat eine sinnvolle Nutzung seither behindert.
  • Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Vergasung von Kohle im Flöz zu entwickeln, bei dem die Verwendung von freiem Sauerstoff und ein Anfallen von Kohlendioxid im Vergasungsprodukt vermieden werden können sowie die Nachteile der Ohmschen Widerstandserhitzung vermieden sind.
  • Die Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß die Energie für die Vergasungsreaktion in Form von Mikrowellen von einem Hochfrequenzgenerator an der Erdoberfläche erzeugt und über mindestens einen Hohlleiter den Kohleflözen zugeführt wird, in denen eine Umwandlung der elektromagnetischen Energie der Mikrowellen in Wärmeenergie stattfindet.
  • Im Mikrowellenfeld kann die Kohle sehr rasch bis auf die rür eine Vergasung mit Hilfe von z.B. Wasserdampf erforderliche Temperatur - d.h. auf etwa 10000 C und gegebenenfalls auch noch höher - erhitzt werden. Dabei zerplatzt die zunächst kompakte feste Kohle in kleine Stücke unter gleichzeitiger Entgasung von Schwelprodukten, wie hauptsächlich verschiedener gasförmiger Kohlenwasserstoffe. Durch die mit der Erfindung leicht erreichbaren hohen Temperaturen ist der Kohlendioxidanfall weitgehend bis nahezu vollständig unterdrückt.
  • Es wurde weiter gefunden, daß die durch den Hohlleiter zugeführte Mikrowellenenergie ungehindert in eine Kaverne in der festen Kohlenmasse - z.B. im Kohleflöz - eindringen kann, sofern die zur Wellenausbreitung der Mikrowellen senkrechten Abmessungen der Kaverne von der Größenordnung der verwendeten Wellenlänge der Mikrowelle sind bzw.
  • diese überschreiten.
  • Ferner zeigte sich, daß die erfindungsgemäße Kohlevergasung nicht nur in kavernenartigen Hohlräumen, sondern sehr leicht auch in Schüttungen der Kohle bei unterschiedlichsten Körnungen vorgenommen werden kann.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus einem anhand der Zeichnung nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel Es zeigen Fig. 1 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Erschließung und Verarbeitung eines Kohleflözes Fig. 2 schematisch den Laboraufbau filr einen lodellversuch Wie Figur 1 veranschaulicht werden durch eine Tiefbohrung 1 der Kohle im Flöz 3 sowohl des Vergasungsmittels, z.B.
  • Wasser oder Wasserdampf, als auch die zur Vergasungsreaktion erforderliche Energie in Form von Mikrowellen 7 zugeführt, für deren Übertragung in der Bohrung ein von der Erdoberfläche 5 bis zum Kohleflöz reichender Hohlleiter angeordnet ist. In der Kohle findet eine Umwandlung, der elektromagnetischen Energie in Wärmeenergie statt, so daß die Kohle bei entsprechender Mikrowellenleistung auf die erforderliche Temperatur von etwa 1000 0C gebracht werden kann. Die bei dieser Temperatur ablaufende chemische Umsetzung von zugeführtem Wasser und Kohlenstoff der Kohle im Flöz liefert als Vergasungsprodukt Kohlenmonoxid und 'Wasserstoff, die durch eine weitere Tiefbohrung 2 zur Erdoberfläche gefördert und in bekannter Weise - ggf.
  • nach Abkühlung in einem Wärmetauscher - zur Energieerzeugung.oder als Synthesegas weiterverwendet werden. Der Vergasungsprozeß läuft gewöhnlich in einer bestehenden bzw.
  • dabei entstehenden Kaverne it des Flözes 3 ab. Auf die zweite Tiefbohrung 2 kann verzichtet werden, wenn die Vergasungsprodukte ebenfalls durch die Bohrung 1 - etwa im Gegenstrom mittels trennender Einrichtungen - zur Erdoberfläche gefördert werden. Die Vergasungsreaktion wird vorzugsweise bei Drücken wesentlich oberhalb des Normaldrucks austefUhrt.
  • Als geeigneter Wellenlängenbereich der einzusetzenden Mikrowellen erweisen sich Wellenlängen zwischen einigen Zentimetern bis zu einigen Dezimetern, wie sie durch in der Fachindustrie zur Verfügung stehenden Hochfrequenzgeneratoren erzeugbar sind. Eine weitgehend verlust arme Zuführung der Mikrowellenenergie bis zum Ort der Vergasung wird durch Transport im Hohlleiter bewirkt, der an der Erdoberfläche an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist.
  • So ist die Energieeinspeisung durch normgerechte Hohlleiter mit kreisförmigem Querschnitt noch leicht bis über Rohrlängen - d.h. bis zu Flöztiefen - von einigen hundert Metern bewirkbar. Bei noch größeren Tiefen werden Sonderanordnungen von Wellenleitern - wie z.B. nach Sommerfeld oder Harms-Goubau - erforderlich, die sich durch besonders geringe Leistungsverluste auszeichnen (G. Megla, "Dezimeterwellentechnik", Verlag Berliner Union, Stuttgart, 1962, S. 27, s. 645-650).
  • Ein Zahlenbeispiel soll die erfindungsgemäße Nutzung der Kohle Untertage veranschaulichen: Die Ausbringung von stündlich etwa 105 Nm3 Gas der Zus ammensetzung von je 50 % Kohlenmonoxid und Wasserstoff erfordert die Einspeisung einer Mikrowellenleistung von etwa 1,04 . 105 KW. Die stündlich ausgebrachte Gasmenge führt neben einer im wesentlichen durch die Vergasungstemperatur bestimmten fühlbaren Wärme von 0,67 . 108 KJ einen Heizwert von etwa 12,6 . 108 KJ mit sich, was etwa 3,5 . 105 Klf entspricht.
  • Nachfolgend sind eine in Figur 2 schematisch dargestellte modellmäßige Anordnung und eine damit erfindllngsgemäß ausgeführte Kohlevergasung erläutert: Von einem Magnetron 10 ausgesendete Mikrowellen 11 einer Dauerstrichleistung von 500 Watt und einer Wellenlänge von 12,5 cm werden durch einen Hohlleiter 12 kreisförmigen Querschnitts mit einem Durchmesser von 10 cm und einer Länge von' 10 meine Hohlraumresonator 13 zugeführt, in welchem sich ein Kohlevergasungsreaktor 14 befindet. Der Hohlraumresonator hat eine Höhe von 25 cm - die entspricht zwei Wellenlängen - und ist oben und unten mit je einem metallischen Abschluß 15 versehen. Der Durchmesser D des Hohlraumresonators von kreisförmigem Querschnitt beträgt -ebenfalls 10 cm. Der im Resonator befindliche rohrfErmige Kohlevergasungsreaktor hat einen Innendurchmesser von 20 mm und ist aus Quarzglas gefertigt. In seinem unteren, z.T.
  • aus dem Resonator herausragenden Teil 16 ist er mit Quarzwolle gefüllt. Dieser Teil dient als Verdampfer des über eine Pumpe 17 kontinuierlich zudosierten Wassers. In seinem mittleren Teil in Höhe des Eingangs des Hohlraumresonators befinden sich im stationär kontinuierlichen Betrieb etwa 20 Gramm körniger (Korndurchmesser 2 - 3 mm), geschütteter Koks oder Kohle 18. Der obere, z.T. aus dem Resonator herausragende Teil weist einen Gas ab gang 19 sowie eine quasi-kontinuierliche, beispielsweise aus einem Schieber 'bestehende Dosiervorrichtung 20 für die Nachlieferung bereits verbrauchten Kokses oder Kohle auf. Dem Gasabgang nachgeschaltet sind ein Kühler 21 zum-Abtrennen evtl.
  • durchgehenden also nicht für die Vergasung verbrauchten Wassers sowie eine Gasuhr 22 zur Gasmengenbestimmung und eine Gaspipette 23 zur Entnahme einer Gasprobe für die ana--lytische Bestimmung der Gaszusammensetzung.
  • Bei Inbetriebnahme des Magnetrons 10 leuchtet die Koks-bzw. Kohle-Füllung nach etwa 45 Sekunden hellrot auf. Mit einem Strahlungspyrometer wurden Temperaturen um etwa 1000°C gemessen. Gleichzeitig setzt eine rasche Vergasung des Kokses ein, die sich nach etwa 15 Minuten auf Werte von etwa 150 bis 200 l/h des gebildeten Gases steigert.
  • Der Betrieb kann ohne Störungen über Stunden aufrecht erhalten werden, wobei eine regelmäßige Nachlieferung von Koks bzw. Kohle mittels der Dosiervorrichtung erforderlich ist.
  • Der Verbrauch an Koks bzw. Kohle beträgt in der Stunde etwa 30 bis 50 Gramm, der Bedarf an Wasser etwa 50 bis 70 Milliliter.
  • Nach längerem Betrieb sammelt sich Schlaeke am Grund der Kohleschicht und bildet einen kugelförmigen, glasartigen Regulus. Während beim Betrieb mit Koks ein nahezu sauberes Abgas entsteht, wird bei Einsatz von Steinkohle das Auftreten von teerartigen Schwelprodukten beobachtet. Andererseits erfolgt die Vergasung von Steinkohle bedeutend rascher als die von Koks.
  • Messungen haben gezeigt, daß das erhaltene Gas weniger als 1 % Kohlendioxid enthielt und aus etwa gleichen Teilen Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestand.
  • Zeichn.
  • Leerseite

Claims (3)

  1. Patentanspruche 1. Verfahren zur untertägigen Vergasung von Kohle in Kohleflözen, bei dem ein oder mehrere Vergasungsmittel sowie die zur Vergasungsreaktion benötigte Energie von der Erdoberfläche aus durch eine Bohrung den Flözen zugeführt und die entstehenden flüchtigen Vergasungsprodukte durch dieselbe Bohrung oder eine oder mehrere andere Bohrungen zur Erdoberfläche gefördert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie für die Vergasungsreaktion in porm von Mikrowellen (7) von einem Hochfrequenzgenrator an der Erdcoerfläche (5) erzeugt und über mindestens einen Hohlleiter den Kohleflözen (3) zugeführt wird, in denen eine Umwandlung der elektromagnetischen Energie der Mikrowellen in Wärmeenergie stattfindet.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzcchnet, daß die Wellenlänge der Mikrowellen (7) htvhstens gleich den zur Wellenausbreitung senkrechten Abmessungen einer im Kohleflöz (3) vorhandenen bzw.
    beim Vergasungsprozeß entstehenden Kaverne (4) ist,
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Kohleflözen (3) als Vergasungsmittel Wasser zugeführt wird.
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