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Verfahren zur untertägigen Vergasung von Kohle
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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.
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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.
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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.
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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.
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'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.
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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.
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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.
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'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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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diese überschreiten.
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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.
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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.
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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.
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nach Abkühlung in einem Wärmetauscher - zur Energieerzeugung.oder
als Synthesegas weiterverwendet werden. Der Vergasungsprozeß läuft gewöhnlich in
einer bestehenden bzw.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Betrieb kann ohne Störungen über Stunden aufrecht erhalten werden,
wobei eine regelmäßige Nachlieferung von Koks bzw. Kohle mittels der Dosiervorrichtung
erforderlich ist.
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Der Verbrauch an Koks bzw. Kohle beträgt in der Stunde etwa 30 bis
50 Gramm, der Bedarf an Wasser etwa 50 bis 70 Milliliter.
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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.
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Messungen haben gezeigt, daß das erhaltene Gas weniger als 1 % Kohlendioxid
enthielt und aus etwa gleichen Teilen Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestand.
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Zeichn.
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