DE3047148A1 - "verfahren und vorrichtung zur gewinnung von energie aus heizwertarmem gas" - Google Patents

"verfahren und vorrichtung zur gewinnung von energie aus heizwertarmem gas"

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DE3047148A1
DE3047148A1 DE19803047148 DE3047148A DE3047148A1 DE 3047148 A1 DE3047148 A1 DE 3047148A1 DE 19803047148 DE19803047148 DE 19803047148 DE 3047148 A DE3047148 A DE 3047148A DE 3047148 A1 DE3047148 A1 DE 3047148A1
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calorific value
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Richard Allen Missouri City Tex. Morris
Raymond Joseph Oakmont Pa. Rennard
Thiagarajan Allison Park Pa. Viswanathan
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Gulf Research and Development Co
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Description

  • Verf,@@@@@ @nd Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus
  • heizwertarmem Gas Beschreibung: Diese Erfindung betrifft die Gewinnung von Energie aus Gasen mit geringem Heizwert. Die Erfindung ist besonders geeignet für die Gewinnung von Energie aus solchen Gasen, die bei der in-situ-Verbrennung zur Erzeugung von Öl aus unterirdischen, kohlenstoffhaltigen Lagerstätten angefallen sind; bei solchen unterirdischen kohlenstoffhaltigen Lserstätten handelt es sich insbesondere um Ö1- und Ölschiefervorkommen.
  • Ein Verfahren zur Steigerung der Erzeugung von schweren Rohölen hoher Viskosität aus unterirdischen Lagerstätten liegt in der in-situ-Verbrennung. 3ei einem solchen Verfahren wird Luft unter hohem Druck durch eine Einbringbohrung in die unterirdische Lagerstätte eingeführt, welche das Schweröl enthält. Das in der Lagerstätte benachbart zur rinbringbohrung befindliche Öl wird nach irgendeinem bekannten Verfahren entzündet, beispielsweise nach einem Verfahren, wie es in der US-Patentschrift 3 172 472 (F.M.Smith) beschrieben ist. Nach der Entzündung wird das Einblasen von Luft fortgesetzt, um einen Teil des Öls in der Lagerstätte zu verbrennen und um den Druck in der Lagerstätte benachbart zurEinbringbohrung zu erhöhen, um dadurch das Öl in der Lagerstätte zu einer Ausbring- oder Produktionsbohrung zu treiben, die in einer gewissen Entfernung zur Einbringbohrung angeordnet ist.
  • Ein typisches Verfahren zur in-situ-Verbrennung ist in der US-Patentschrift 2 771 951 (Simm) beschrieben. Die bei der Verbrennung eines Teiles des in der Lagerstätte befindlichen Öles anfallende Wärme heizt die Lagerstätte und das Öl auf, wodurch die Viskosität-des Öles als Folge der hohen Temperatur erheblich vermindert wird, weiterhin wird das Öl gecrackt und das Öl löst sich in den beim Crackvorgang gebildeten niedermolekularen Kohlenwasserstoffen.
  • Die verminderte Viskosität und der Druck der eingeführten Gase bewirken eine Strömung des Öles durch die unterirdische Lagerstätte zu einer Ausbringbohrung.
  • Im Verlauf solcher in-situ-Verbrennungen bewegt sich die Verbrennungsfront, an welcher das in der Lagerstätte befindliche Öl verbrannt wird, nicht mit einheitlicher Geschwindigkeit in allen Richtungen radial nach außen. Ublicherweise wird die Ollagerstätte eine unterschiedliche Durchlässigkeit sowie eine unterschiedliche Ölsättigung von einer Stelle zur anderen Stelle zwischen der Einbringbohrung und der Ausbringbohrung aufweisen. Ein Teil der eingeblasenen Luft streicht in Form von Strömen oder "Fingern" durch die Lagerstätte zu einer Ausbringbohrung, und die Verbrennung tritt an den Grenzen diesr Ströme bzw.
  • Finger auf. Es kann ein Ausbruch an Verbrennungsprodukten in der Art eines Abgases auftreten, lange bevor die Erzeugung von Öl durch die in-situ-Verbrennung abgeschlossen ist.
  • Flüchtige Bestandteile im Öl, oder bei der Ölcrackung gebildete flüchtige Bestandteile werden-von der eingeblasenen Luft oder den Abgasen mitgerissen und mit diesen zur Ausbring- bzw. Produktionsbohrung befördert. Alle diese Faktoren tragen zu zeitlichen Schwankungen der Zusammensetzung des bei einer in-situ-Verbrennung angefallenen Gases bei, die zur Erzeugung von Öl in einer Lagerstätte durchgeführt wird. Derartige Schwankungen können zu einem periodischen Anstieg des Heizwertes des gebildeten Gases von 100% und mehr führen.
  • Die durch die Ausbringbohrung austretenden Bestandteile werden in flüssige Erdölprodukte, welche der Speicherung oder Weiterleitung zugeführt werden, sowie in gasförmige Produkte aufgetrennt. Bislang sind die gasförmigen Produkte zumeist in die umgebende Atmosphäre abgelassen worden. Diese, bei der in-situ-Verbrennung angefallenen, gasförmigen Produkte, die nachstehend als heizwertarmes Gas bezeichnet werden (von "LHV gas" für Low Heating Value gas) enthalten geringe Konzentrationen an Methan und Kohlenwasserstoffen mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen, sowie Stickstoff, Kohlendioxid, Schwefelverbindungen wie etwa Schwefelwasserstoff, Mercaptane und Kohlenoxidsulfid sowie in einigen Fällen einen kleinen Anteil an Kohlenmonoxid und Spuren von Sauerstoff. Derartige gasförmige Produkte stellen einen Brennstoff mit geringem Heizwert dar, welcher einen erheblichen Anteil derjenigen Energie liefern kann, welche zur Verdichtung der Luft erforderlich ist, die an der Einbringbohrung in die unterirdische Lagerstätte eingefiihrt wird. Der Mangel an Erdgas macht es bedeutsam, daß die in den bei der in-situ-Verbrennung angefallenen Produkten enthaltene Energie vollständig ausgenutzt wird. Darüberhinaus haben die Verschärfung der Bestimmungen zur Vermeidung einer Luftverschmutzung zu strengen Auflagen hinsichtlich des Anteils an Kohlenmonoxid und Schwefelverbindungen geführt, die in solchen gasförmigen Produkten sehr häufig enthalten sind, ferner hinsichtlich des Anteils an Kohlenwasserstoffen, abgesehen von Methan, sofern solche Gase in die umgebende Atmosphäre abgelassen werden.
  • Die US-Patentschrift 3 113 620 CHemminger) offenbart eine mit einem einzigen Bohrloch arbeitende in-situ-Verbrennung, wonach eine mittels einer nuklearen Explosion erzeugte Aushöhlung in einer unterirdischen Ölschieferlagerstätte mittels entsprechendem stückigen Gestein gefüllt wird.
  • Anschließend wird eine in-situ-Verbrennung in dieser Aushöhlung durchgeführt, um das Öl aus dem Gestein auszutreiben; weiterhin fördert diese in-situ-Verbrennung das Abfließen des Öls in ein Becken am Boden der Aushöhlung und schließlich das Aufsteigen des Öls im Bohrloch bis zur Erdoberfläche.
  • Die Zusammensetzung der mit der Erzeugung des Öls gebildeten Gase unterscheidet sich von der Zusammensetzung solcher Gase, die bei der üblichen in-situ-Verbrennung in einer Öllagerstätte angefallen sind. Wegen der unterschiedlichen Gas zusammensetzung kann das nach diesem Vorschlag erhaltene Abgas unmittelbar in dem Flammen-Combustor einer Gasturbine verbrannt werden, welche ihrerseits zum Antrieb eines Luft kompressors dient.
  • Die US-Patentschrift 2 449 096 (Wheeler, Jr.) beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung von Energie aus solchem Gas, das aus einem Regenerator eines mit Wirbelschicht arbeitenden, katalytischen Crackverfahrens abgelassen wird. Die heißen Gase aus dem Regenerator werden zuerst im Gegenstrom zu einem nicht-flüchtigen Öl in einen Wäscher geführt, wonach lediglich ein kleiner Anteil an Kohlenwasserstoffen in dem Gas zurückbleibt. Das Gas mit den mitgerissenen Kohlenwasserstoffen wird daraufhin durch eine katalytisch arbeitende Oxidationseinrichtung geführt, um die Kohlenwasserstoffe zu verbrennen; die Verbrennungsprodukte werden daraufhin entweder einer Turbine zur direkten Energiegewinnung oder einem Wasserdampfgenerator zugeführt.
  • Die US-Patentschrift 2 859 954 (Grey) offenbart ein Energiegewinnungssystem für einen Hochofen, in welchem das Hochofengas komprimiert, verbrannt und daraufhin in einer Turbine entspannt wird, um Energie zur Komprimierung der im Hochofen verwendeten Luft zu liefern. Die verbrennbaren Komponenten im Hochofengas bestehen hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Diese Gase werden in verdünnten Gemischen mit inerten Gasen leichter entzündet und verbrannt als das mit Methan unter vergleichbaren Bedingungen der Fall ist. Das Hochofengas, das typischerweise einen Heizwert von mehr als ungefähr 800 kcal/m3 aufweist, wird nach diesem Vorschlag in einem Flammen-Combustor verbrannt, um die thermische Energie freizusetzen.
  • Die US-Patentschrift 3 928 961 (Pfefferle) offenbart eine katalytische Verbrennung von Brennstoffen zum Antrieb von Gasturbinen. Das Verfahren nach diesem Vorschlag besteht darin, katalytische Oxidationen bei einer Temperatur im Bereich von 927 bis 1758°C, vorzugsweise m Bereich von 1093 bis 164700 durchzuführen, was in dieser Patentschrift als Selbstentzündungsbereich angegeben ist. Die vorgesehene Temperatur ist ausreichend hoch, um die thermische Verbrennung in Gang zu setzen, jedoch nicht hoch genug, um eine nennenswerte Erzeugung von Stickoxiden zu bewirken. Die Verbrennung nach diesem Vorschlag stellt hauptsächlich eine thermische Verbrennung dar. Damit die Oxidation vollständig abläuft, wird Luft zumindest in einem stöchiometrischen Äquivalent zu dem Brennstoff verwendet. Sofern die Verbrennung zum Gasturbinenbetrieb vorgesehen ist, liegt das Gewichtsverhältnis Luft:Brennstoff weit oberhalb des stöchiometrischen Verhältnisses und hat Werte im Bereich von ungefähr 30:1 bis 200 oder mehr:1. Da die Zusammensetzung des Brennstoffes konstant bleibt, bewirkt der Sauerstoffüberschuß in dem Luft/Brennstoff-Gemisch keine breiten Schwankungen in der Temperatur der Verbrennungsprodukte.
  • Da Ölschiefer undurchlässig ist, erfordert eine in-situ-Verbrennung zur Gewinnung von Öl aus Ölschiefer, daß eine Durchlässigkeit des Schiefers gewährleistet wird, bevor die in-situ-Verbrennung beginnt. Zur Gewährleistung der Durchlässigkeit wird der Schiefer in einem ausgewählten Abschnitt der Schieferlagerstätte vorzugsweise zerkleinert, um eine unterirdische Retorte zu bilden. Die Verbrennung des Schiefers in der Retorte zur Freisetzung von Schieferöl wird vorzugsweise bei niedrigem Druck durchgeführt, um ein Entweichen von Gas in benachbarte Retorten zu verhindern, in denen stückiges Material bereitgestellt wird. Solche Gase, die aus Retorten bei der in-situ-Verbrennung zur Ölschiefergewinnung angefallen sind, weisen deshalb einen zu niedrigen Druck auf, um diese Gase unmittelbar in eine Gasturbine zur Stromgewinnung einzuführen. Typische in-situ-Verbrennungsverfahren zur Gewinnung von Öl aus Ölschiefer sind in den US-Patentschriften 2 780 449 (Fisher et al) und 3 001 776 (Van Poollen) angegeben.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus heizwertarmem Gas (sog. LHV-Gas), vorzugsweise aus solchem heizwertarmem Gas, das aus den Ausbringbohrungen bei in-situ-Verbrennungen zur Ölerzeugung austritt. Das heizwertarme Gas wird auf eine Temperatur vorgewärmt, die angenähert 2040C übersteigt, daraufhin mit einer begrenzten Menge Luft vermischt, und dieses Gemisch wird in eine katalytisch arbeitende Verbrennungskammer eingeführt, wo die brennbaren Komponenten des heizwertarmen Gases verbrannt werden. Die Menge an mit dem heizwertarmen Gas vermischter Luft ist kleiner als das stöchiometrische Äquivalent der brennbaren Komponenten in dem heizwertarmen Gas, wodurch das Ausmaß der Verbrennung sowie die Höchsttemperatur begrenzt werden, die in der Verbrennungskammer auftreten kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das heizwertarme Gas in einer ersten katalytisch arbeitenden Verbrennungskammer sowie in einer zweiten katalytisch arbeitenden Verbrennungskammer verbrannt, wobei in jede Verbrennungskammer angenähert 50% der gesamten Luftmenge eingeführt werden. Die aus der ersten Verbrennungskammer austretenden heißen Gase werden auf eine solche Temperatur abgekühlt, daß beim Mischen mit Luft für die zweite Verbrennungsstufe das resultierende zweite Verbrennungsgemisch eine geeignete Temperatur aufweist für die Einführung in die zweite Verbrennungskammer.
  • Daß zweite Verbrennungsgemisch wird in die zweite, katalytisch arbeitende Verbrennungskammer eingeführt, um dort die restlichen brennbaren Komponenten in dem Gas zu verbrennen. Die aus der zweiten Verbrennungskammer austretenden Verbrennungsprodukte werden in einer Turbine entspannt, um Energie zu erzeugen.
  • Nachstehend wird die Erfindung im einzelnen anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Figuren erläutert; es zeigt: Fig. 1 ein Flußdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur Gewinnung von Energie aus dem heizwertarmen Gas, das bei einer in-situ-Verbrennung zur Gewinnung von Öl aus einer unterirdischen Öllagerstätte angefallen ist; Fig. 2 ein Flußdiagramm einer Ausführungsform dieser Erfindung, bei welcher die Verbrennungsprodukte zur Erzeugung von Wasserdampf benutzt werden, um eine Turbine anzutreiben; und ring. 3 anhand einer graphischen Darstellung die in einem Zeitraum von 2,5 Jahren aufgetretenen Schwankungen des Heizwertes von Gasen, die bei einer insitu-Verbrennung zur Gewinnung von Öl aus einer Öllagerstätte angefallen sind.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert.
  • Gemäß Darstellung nach Fig. 1 soll eine unterirdische Lagerstätte 10 Rohöl enthalten, das zumeist eie hohe Dichte und hohe Viskosität aufweist; in diese Lagerstätte wird eire Produktions- bzw. Ausbringbohrung 12 und im Abstand dazu eine Einbringbohrung 14 eingebracht. Die aus der Ausbringbohrung 12 austretenden flüssigen und/oder gasförmigen Produkte werden über eine Leitung 16 in einen Separator 18 eingebracht, wo das erzeugte, heizwertarme Gas von den flüssigen Komponenten getrennt wird. Die Flüssigkeiten werden am unteren Ende des Separators 18 in eine Abgabeleitung 20 abgegeben; das heizwertarme Gas wird am Kopf des Separators 18 abgezogen und in eine Leitung 22 eingebracht. Zumeist ist es wünschenswert, das aus dem Separator 18 abgezogene Gas durch.eine (nicht dargestellte) Gasreinigungsanlage zu führen, um feste Partikelchen, Katalysatorgifte und andere unerwünschte Bestandteile abzutrennen, bevor das Gas in die Leitung 22 eintritt. Ein Durchflußsteuergerät 24 gewährleistet einen konstanten Durchsatz an heizwertarmem Gas zu der nachstehend noch beschriebenen Turbine.
  • Typischerweise weist das heizwertarme Gas einen Kohlenwasserstoffgehalt in der Größenordnung von ungefähr 1 bis 8 Vol.-% auf. Die Kohlenwasserstoffe bestehen hauptsächlich aus Methan; der Anteil an C2-C6-Kohlenwasserstoffen beträgt zumeist weniger als 2%. Im Hinblick auf die in dem heizwertarmen Gas vorhandenen Konzentrationen läßt sich eine beständige Verbrennung von Methan und der anderen niedermolekularen Kohlenwasserstoffe, wie sie bei der in-situ-Verbrennung angefallen sind, lediglich in Gegenwart eines Katalysators durchführen. Der Heizwert des bei der in-situ-Verbrennung in Öllagerstätten angefallenen heizwertarmen Gases kann zwischen 44 und 712 kcal/m3 liegen und hat zumeist Werte im Bereich von 355 bis 625 kcal/m3 (das entspricht 40 bis 70 BTU/scf); bei Heizwerten in diesem Bereich arbeitet das Verfahren besonders zweckmäßig. Bei einigen Gelegenheiten kann, zumeist nur für kurze Zeiträume, der Heizwert bis auf 890 kcal/m3 ansteigen. Heizwertarmes Gas mit einem Heizwert oberhalb 134 kcal/m3 kann in einem katalytisch arbeitenden Combustor ohne äußere Zuführung von Wärme verbrannt werden.
  • Sofern andere Wärmequellen zur Verfügung stehen, um eine zusätzliche Vorheizung zu gewährleisten, kann heizwertarmes Gas mit einem Heizwert bis herab zu 45 kcal/m3 in einer katalytisch arbeitenden Verbrennungskammer verbrannt werden.
  • Für die höchst wirksame Ausnutzung zum Antrieb einer Gasturbine, die wiederum zur Verdichtung der zur in-situ-Verbrennung benötigten Luft eingesetzt wird, soll das aus dem Separator 18 austretende Gas einen Druck von wenigstens 537 000 Pa ( 75 psig) aufweisen. Sofern das Gas einen geringeren Druck aufweist, wird ein Teil der Energie zur Verdichtung des heizwertarmen Gases auf einen ausreichend hohen Druck verbraucht, um eine Turbine anzutreiben; jedoch kann auch einenniedrigeren Druck aufweisendes heizwertarmes Gas erhebiche Energiebeträge enthalten, die ausgenutzt werden können, um den bei der Ölraffinerierung eingesetzten Heizeinrichtungen und anderen auf dem Ölfeld vorhandenen Ausrüstungen Wärme zuzuführen, oder um elektrischen Strom zu erzeugen, oder um Wärme für die Wasserdampferzeugung bereitzustellen, welcher Wasserdampf dann einen zum Antrieb einer Turbine ausreichenden hohen Druck aufweist. Der Druck in den Ausbringbohrungen einer in-situ-Verbrennung hat zumeist Werte im Bereich von geringfügig oberhalb Atmosphärendruck bis etwa zu 5,6 MPa (800 psig). Dieser Druck ist zumindest teilweise von der Tiefe der Lagerstätte abhängig, in welcher die Verbrennung stattfindet. Es könnte auch bei Druckwerten höher als 5,6 MPa in den Ausbringbohrlöchern gearbeitet werden, jedoch setzen derartig hohe Drücke hohe Kosten zur Verdichtung der Luft voraus, welche in die unterirdische Lagerstätte eingeführt wird; andererseits kann ein erheblicher Anteil derjenigen Energie wiedergewonnen werden, die zur Verdichtung der Luft aufgewandt wird.
  • Während der Anlaufphase wird das Gas in der Leitung 22 durch eine Heizeinrichtung 26 geführt. Ein Brennstoff wie etwa Flüssiggas (LPG) wird über die Leitung 28 zugeführt und in der Heizeinrichtung 26 verbrannt, um die Temperatur des heizwertarmen Gases auf einen solchen Wert zu steigern, daß nach dem Vermischen mit der primären Verbrennungsluft die Oxidation beim Kontakt mit dem noch zu beschreibenden Oxidationskatalysator erfolgt. Die Heizeinrichtung 26 wird lediglich in der Anlaufphase benutzt und später, nachdem die Oxidation des heizwertarmen Gases in Gang gekommen ist, wird die Heizeinrichtung 26 umgangen, indem das heizwertarme Gas aus der Leitung 22 durch die Umgehungsleitung 30 strömt.
  • Das aus der Heizeinrichtung 26 austretende heizwertarme Gas wird über die Leitung 32 einem Wärmetauscher 34 zugeführt. Das heizwertarme Gas erfährt in dem Wärmetauscher 34 solange keinen Wärmeaustausch, bis die katalytische Verbrennung in der Verbrennungskammer in Gang gekommen ist.
  • Nach Durchströmen des Wärmetauschers 34 wird das heizwertarme Gas mit Druckluft vermischt, welche über die Leitung 35 herangeführt worden ist, und das gebildete Gemisch wird über die Leitung 36 in eine erste katalytisch arbeitende Verbrennungskammer 38 (nachfolgend kurz "erste Verbrennungskammer") eingebracht. Die Temperatur des in die Verbrennungskammer 38 abgegebenen Gases soll einen Wert im Bereich von angenähert 204 bis 4270C aufweisen, wodurch beim Kontakt des heizwertarmen Gases mit dem Katalysator die Oxidation in Gang kommt. Zumeist liegt die Einlaßtemperatur im oberen Teil dieses Temperaturbereiches. Eine adiabatische Verdichtung der Luft auf einen Druck von angenähert 0,54 MPa steigert die Temperatur auf angenähert 2040C. Folglich kann es erforderlich sein, das heizwertarme Gas in dem Wärmetauscher 34 auf einen Wert geringfügig höher als 42700 zu erwärmen, um die angestrebte Temperatur des Gasgemisches zu gewährleisten.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer katalytisch arbeitenden Oxidationskammer ist Platin auf den Oberflächen handelsüblicher, keramischer Katalysatorträger in der Form von Honigwaben aufgebracht, welche in der ersten Verbrennungskammer 38 in einer Reihe von querliegenden Schichten 39 Platten oder dgl. angeordnet sind, zwischen denen freie Zwischenräume 40 bestehen. Die freien Zwischenräume zwischen den Katalysatorlagen sind vorgesehen, um eine Vergleichmäßigung der Temperatur der Gase zwischen den Katalysatorlagen zu ermöglichen, und um die Entwicklung von Uberhitzungsatellen möglichst gering zu halten; jedoch ist ein zufriedenstellender Betrieb auch mit benachbarten Katalysatorlagen durchgeführt worden, die sich gegenseitig berühren. Die honigwabenförmigen Katalysatorträger sind zweckmäßig, um einen hohen Gasdurchsatz bei einem geringen Druckabfall im Katalysator zu gewährleisten. In einer typischen Verbrennungskammer können 10 oder 20 oder sogar mehr Eatalysatorlagen 39 angeordnet sein. Ein brauchbarer Katalysator ist in der US-Patentschrift 3 870 455 (Hindin) beschrieben. Der angegebene Katalysator und die vorgesehene Katalysatoranordnung sind im Rahmen dieser Erfindung vorzugsweise vorgesehen; jedoch ist diese Erfindung nicht auf die Anwendung eines bestimmten Katalysators beschränkt. Es können andere Oxidationskatalysatoren, die auf anderen Eatalysatorträgern niedergeschlagen sind, verwendet werden. Zum Beispiel können Katalysatoren mit Kobalt oder Lanthan als dem katalytisch aktiven Bestandteil verwendet werden, die auf einem Honigwabenträger oder einem schwammförmigen Träger niedergeschlagen sind. Andere, ebenfalls im Rahmen dieser Erfindung brauchbare Katalysatoren sind in der US-Patentschrift 3 565 830 (Keith et al) beschrieben. Oxidationskatalysatoren, die zur Anwendung bei Temperaturen oberhalb 10930C bestimmt sind, lassen sich der US-Patentschrift 3 928 961 (Pfefferle) entnehmen.
  • Die Gase treten durch die Leitung 41 aus der Verbrennungskammer 38 aus und weisen hierbei vorzugsweise eine Höchsttemperatur von angenähert 8700C auf. Diese Maximaltemperatur ist durch die Höchsttemperatur begrenzt, welche der Katalysator über lange Betriebszeiten ohne Schädigung aushalten kann; diese Höchsttemperatur wird durch die Luftmenge gesteuert, welche dem heizwertarmen Gas zugesetzt wird, bevor das resultierende Gasgemisch in die Verbrennungskammer 38 eintritt. Die im Rahmen dieser Erfindung, wobei die Verbrennungsprodukte durch eine Gasturbine geführt werden, vorzugsweise eingesetzten Oxidationskatalysatoren, bestehen aus einem Trägerkatalysator aus Platin auf einem keramischen Träger und halten über kürzere Zeitspannen höhere Temperatur ren als 8700C ausi jedoch verringert sich ihre Lebensdauer bei fortlaufendem Einsatz bei höheren Temperaturen. Das heizwertarme Gas wird über die Leitung 41 in den Wärmetauscher 34 eingebracht und strömt im indirekten Wärmetausch mit der anfänglichen Mischung aus Luft und heizwertarmem Gas, welche dem Wärmetauscher 34 über die Leitung 32 zugeführt wird. Das teilweise oxidierte, heizwertarme Gas wird aus dem Wärmetauscher 34 bei einer Temperatur, vorzugsweise von angenähert 42700 abgegeben und daraufhin, nachdem es mit der über die Leitung 42 zugeführten, sekundären Verbrennungsluft vermischt worden ist, über die Leitung 44 in die zweite, katalytisch arbeitende Verbrennungskammer 46 (nachstehend kurz "zweite Verbrennungskammer") eingeführt. Diese zweite Verbrennungskammer 46 kann identisch zur ersten Verbrennungskammer 38 ausgebildet sein. Wie bereits kurz angedeutet, macht die über die Leitung 42 zugeführte Luftmenge vorzugsweise angenähert die Hälfte der gesamten Luftmenge aus, die zur Oxidation des heizwertarmen Gases zugeführt wird. Die Oxidation der in dem aus dem Wärmetauscher 34 abgegebenen, teilweise oxidierten heizwertarmen Gas noch enthaltenen brennbaren Komponenten erfolgt in der zweiten Verbrennungskammer 46.
  • Durch Begrenzung der gesamten, in die erste und zweite Verbrennungskammer eingeführte Luftmenge auf einen Betrag geringfügig (beispielsweise 5%) kleiner als das stöchiometrische Äquivalent eines solchen Heizwertes des heizwertarmen Gases der zu einem maximal zulässigen Temperaturanstieg führenwürde, werden übermäßig hohe Temperaturen in den katalytisch arbeitenden Verbrennungskammern vermieden, selbst dann, wenn die Zusammensetzung des heizwertarmen Gases in weiten Bereichen schwankt.
  • Die in der zweiten Verbrennungskammer freigesetzte Wärme kann die Temperatur der Gase an der Auslaßleitung 48 aus der zweiten Verbrennungskammer auf einen Wert von beispielsweise angenähert 8700C steigern. Zumeist wird es wünschenswert sein, die Gase in der Leitung 48 abzukühlen, um die Temperatur der Gase auf einen solchen Wert herabzusetzen, der ausreichend unterhalb der maximalen Betriebstemperatur der Gasturbine 52 liegt, in welche das Gas eingeführt wird.
  • Einige Turbinen können Temperaturen bis zu ungefähr 10900C vertragen; jedoch ist vorzugsweise vorgesehen, die Temperatur der Gase durch Verdünnung mit Luft auf einen Wert zwischen 760 und 8700C herabzusetzen, bevor das resultierende Gemisch in die Turbine eingeführt wird. Diese angestrebte Kühlung kann erreicht werden, indem Kühlluft aus der Leitung 50 in die Leitung 48 eingeführt wird. Die Temperatur, mit welcher die Verbrennungsprodukte die zweite Verbrennungskammer verlassen, liegt weit unter derjenigen Temperatur, die zur Entzündung dieser teilweise verbrannten Gase mit geringem Heizwert bei Abwesenheit eines Katalysators erforderlich ist; demzufolge besteht keine Gefahr einer weiteren Verbrennung mit dem entsprechenden Auftreten übermäßig hoher Temperaturen beim Zumischen von Luft aus der Leitung 50 in die in der Leitung 48 geführten heißen Gase, selbst wenn diese heißen Gase noch unverbrannte brennbare Bestandteile enthalten. Die über die Leitung 50 zugeführte Luft stellt Kühlluft dar und keine Verbrennungsluft.
  • Der Pig. 3 kann entnommen werden, daß der Heizwert eines bei einer typischen in-situ-Verbrennung angefallenen heizwertarmen Gases beträchtlich schwankt. Während der überwiegenden Zeitspanne im Verlauf der mit Fig. 3 wiedergegebenen, 2,5-jährigen Betriebsdauer, weist das bei der insitu-Verbrennung angefallene, heizwertarme Gas einen Heizwert oberhalb von angenähert 490 kcal/m3 auf; jedoch hatte der Heizwert häufig auch Werte im Bereich von 620 kcal/m3 und erreichte bei einer Gelegenheit sogar einen Wert oberhalb 890 kcal/m3. Bei einigen Gelegenheiten fiel der Heizwert bis auf 445 kcal/m3 ab. Die breiten Schwankungen der Zusammensetzung des heizwertarmen Gases führen zu Schwierigkeiten bei der Temperatursteuerung, um solche übermäßig hohen Temperaturen zu vermeiden, die zu einer Schädigung des Katalysators oder der Gasturbine führen könnten, oder die wenigstens den Betrieb der Gasturbine unter optimalen Bedingungen beeinträchtigen könnten. Um die überhaupt auftretbare Maximal temperatur zu steuern und darüberhinaus eine gleichmäßige Temperatur aufrechtzuerhalten, werden die katalytisch arbeitenden Verbrennungskammern mit einer kleineren Luftmenge betrieben, als dem stöchiometrischen Äquivalent der verbrennbaren Komponenten in dem heizwertarmen Gas entspricht.
  • Auf diese Weise steuert die den Verbrennungskammern zugeführte Luftmenge die in den Verbrennungskammern auftretende Naximaltemperatur und damit die Maximaltemperatur, die überhaupt auftreten kann. Sofern die in der katalytisch arbeitenden Verbrennungskammer maximal zulässige Temperatur 8700C beträgt, dann wird die Menge der Luft, welche mit dem kalten, heizwertarmen Gas vermischt wird, bevor das Gasgemisch in die erste Verbrennungskammer 38 eintritt, bei einem solchen Wert gehalten, daß auch dann, wenn der Sauerstoffgehalt der Luft vollständig zur Verbrennung der brennbaren Komponenten im heizwertarmen Gas verbraucht worden ist, die Temperatur in der Verbrennungskammer einen Wert von 8700C nicht übersteigt. Sofern Oxidationskatalysatoren verwendet werden, die bei der Verbrennung von heizwertarmem Gas bei höheren Temperaturen eine akzeptable Lebensdauer aufweisen, und der Heizwert des heizwertarmen Gases ausreichend hoch ist, um die Temperatur der Verbrennungsprodukte auf einen Wert oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Katalysators zu steigern, dann könnte die den Verbrennungskammern zugeführte Luftmenge gesteigert werden, um dadurch die Maximaltemperatur zu steigern, welche in den Verbrennungskammern erreicht werden kann. Die Luftmenge würde auch dann kleiner sein als das stöchiometrische Äquivalent des heizwertarmen Gases, um die angestrebte Temperatursteuerung aufrecht zu erhalten.
  • Nimmt man an, daß das in der Leitung 32 dem Vorwärmer 34 zugeführte heizwertarme Gas eine Temperatur von 380C aufweist, und nimmt man weiter an, daß die maximal zulässige Katalysatortemperatur 8700C beträgt, dann darf die maximale Gesamtluftmenge, welche mit dem in die erste Verbrennungskammer 38 eintretenden heizwertarmen Gas, sowie mit dem aus dieser Verbrennungskammer austretenden und in die zweite Verbrennungskammer eintretenden heißen Verbrennungsprodukten vermischt wird, lediglich ein stöchiometrisches Sauerstoffäquivalent enthalten, das den brennbaren Komponenten eines heizwertarmen Gases mit einem Heizwert von angenähert 445 keal/m3 entspricht. Sofern der Heizwert des heizwertarmen Gases in dem oben erläuterten Bereich liegt, dann würde die zugeführte Luftmenge im Verlauf von angenähert 90% der Betriebsdauer weniger als das stöchiometrische Sauerstoffäquivalent entsprechend den in dem heizwertarmen Gas enthaltenen brennbaren Komponenten enthalten. Vorzugsweise werden angenähert 50% der gesamten, in das System eingeführten Verbrennungsluftmenge mit dem heizwertarmen Gas vermischt, bevor dieses in die erste Verbrennungskammer eintritt; die restliche Luftmenge wird mit den aus der ersten Verbrennungskammer austretenden Verbrennungsprodukten vermischt, bevor diese in die zweite Verbrennungskammer eintreten.
  • Obwohl eine Steuerung der Luftmenge, die mit dem in die erste und zweite Verbrennungskammer einzuführenden heizwertarmen Gas vermischt wird, auf einen Wert, der unterhalb dem stöchiometrischen Äquivalent der Zusammensetzung von üblichem heizwertarmem Gas liegt, den maximalen Temperaturanstieg in den Verbrennungskammern begrenzt und den Katalysator wirksam vor Temperaturanstiegen schützt, die ansonsten bei einem Anstieg des Heizwertes des heizwertarmen Gases auftreten könnten, ist eine genaue Steuerung zur Aufrechterhaltung eines konstanten Durchsatzes und einer konstanten Temperatur des an die Turbine abgegebenen Gases wünschenswert, um optimale Betriebsbedingungen der Turbine zu gewährleisten. Das Durchflußmeßgerät 24 in der vom Separator 18 wegführenden Leitung 22 gewährleistet den gewünschten Durchsatz an heizwertarmem Gas in das System. Sofern der Durchsatz an den Verbrennungskammern zugeführter Luft konstant gehalten wird, zeigt ein Temperaturabfall der die zweite Verbrennungskammer verlassenden Gase an, daß der Anteil an brennbaren Komponenten in dem heizwertarmen Gas kleiner ist, als dem stöchiometrischen Äquivalent der in das System eingeführten Verbrennungsluft entspricht. Die gewünschte Temperatur kann bei geringfügigen Änderungen im Durchsatz dadurch aufrechterhalten werden, daß ein Hilfsbrennstoff in das System eingeführt wird. Ein Temperaturfühler 53 in der Leitung 48 benachbart zum Auslaßende der zweiten Verbrennungskammer 46 kann so angeschlossen sein, daß er ein Durchfluß-Steuerventil 55 in einer Hilfsbrennstoff führenden Leitung 57 betätigt. Sofern die Temperatur des Gases in der Leitung 48 abfällt, würde der Temperaturfühler 53 das Durchfluß-Steuerventil 55 betätigen, um das der zweiten Verbrennungskammer 46 zugeführte Gemisch anzureichern. Um beständige Betriebsbedingungen zu gewährleisten, wird diese Steuerung eine ausreichende Menge Hilfsbrennstoff einführen, damit der Heizwert desin die Verbrennungskammern eingeführten heizwertarmen Gases auf einem solchen Wert gehalten wird, daß die Luftmenge geringfügig kleiner ist, als das stöchiometrische Äquivalent aller brennbaren Komponenten im heizwertarmen Gas und im Hilfsbrennstoff. Alternativ kann eine Kohlenwasserstoff-Analysiereinrichtung installiert werden, um aus der Leitung 22 eine Probe zu ziehen, um deren-Eohlenwasserstoffgehalt zu bestimmen, um daraus den Heizwert des heizwertarmen Gases zu ermitteln. In diesem Falle kann das Signal der Kohlenwasserstoff-Analysiereinrichtung zur Steuerung des Durchfluß-Steuerventils 55 verwendet werden.
  • Es ist ersichtlich, daß der Hilfsbrennstoff an irgendeiner Stelle stromaufwärts von der zweiten Verbrennungskammer 46 in das System eingeführt werden kann, etwa in die Leitung 22. Ublicherweise wird der Hilfsbrennstoff Erdgas oder r1lüssiggas (LOG) sein. Die Heizwerte von Erdgas und Flüssiggas sind hoch und die Gehalte an Inertkomponenten in diesen Brennstoffen sind klein; folglich kann eine angestrebte Temperatursteigerung der Verbrennungsprodukte bei einer vernachlässigbaren Änderung des Durchsatzes an der Turbine zugeführtem Gas erreicht werden.
  • Die heißen Gase werden in der Turbine im wesentlichen bis auf atmosphärischen Druck entspannt, und die aus der Turbine austretenden Gase werden an die umgebende Atmosphäre abgelassen. Sofern das notwendig ist, können die aus der Turbine austretenden Gase durch einen geeigneten Wäscher geführt werden, um Verunreinigungen aus diesen Gasen zu entfernen, bevor die letzten in die Atmosphäre abgelassen werden. Die aus der Turbine 52 austretenden Gase sind heiß und können durch einen Wärmetauscher geführt werden, um Wärme für Prozeßzwecke oder sonstige Anwendungen zu liefern, sofern dies angestrebt wird.
  • Die von der Turbine 52 erzeugte Energie wird zur Verdichtung der Luft verwendet, die zur Verbrennung des heizwertarmen Gases und zur in-situ-Verbrennung benötigt wird. Bei der erläuterten Ausführungsform treibt die Turbine unmittelbar einen Niederdruckkompressor 54 an, welcher die Luft auf einen Druckwert verdichtet, welcher den Betriebsdruck der Verbrennungskammer 38 ausreichend übersteigt, um eine leichte Steuerung des Lufteintritts in das System zu ermöglichen.
  • Diese Luft wird in die Sammelleitung 56 eingespeist, von welcher die Leitungen 35, 42 und 50 abzweigen, um Luft nach Bedarf der Verbrennung von heizwertarmem Gas und der anschliessenden Kühlung der aus der zweiten Verbrennungskammer austretenden Verbrennungsprodukte zuzuführen.
  • Die Turbine 52 treibt ebenfalls einen Hochdruckkompressor 58 an, welcher die zur in-situ-Verbrennung benötigte Luft verdichtet. Die vom Kompressor 54 verdichtete Luft, soweit sie den zur Verbrennung des heizwertarmen Gases und zur Kühlung vorgesehenen Luftbedarf übersteigt, wird vom Kompressor 54 abgezweigt und über die Leitung 59 dem Kompressor 58 zugeführt. Die Leitung 59 ist mit einer Durchfluß-Steuereinrichtung versehen, wie sie mit dem Ventil 61 angedeutet ist, um die Strömung an abgezweigter, dem Kompressor 58 zugeführter Luft zu steuern. Bei einer bevorzugten Anordnung verdichtet der turbinenartige Kompressor 58 die Luft bis auf einen mittleren Druck in der Größenordnung von 1,78 bis 2,13 MPa (250 bis 300 psig); diese Luft wird durch die Leitung 60 einem Zentrifugalkompressor oder einem Kolbenkompressor 62 zugeführt, um dort weiter auf einen Druck typischerweise im Bereich von 14,2 bis 21,2 NPa (2000 bis 3000 psig) verdichtet zu werden. Der Druck, auf welchen die Luft vom Kompressor 62 verdichtet wird, hängt von dem besonderen in-situ-Verbrennungsprozeß ab und schwankt darüberhinaus in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern der in-situ-Verbrennung, wie etwa der Tiefe der unterirdischen Lagerstätte, in welche die Luft eingeführt werden muß, die Viskosität des Öles, die Durchlässigkeit der unterirdischen Lagerstätte, die Einbringgeschwindigkeit der Luft in die Lagerstätte sowie dem angestrebten Druck an dem Ausbringbohrloch. Die vom Kompressor 62 abgegebene Luft wird durch die Leitung 64 in das Einbringbohrloch 14 eingeführt. Bei einer alternativen Anordnung ist der Luftkompressor 58 so ausgelegt, daß der Abzug von Luft aus einer Zwischenstufe des Kompressors bei einem tieferen Druck möglich ist, so daß diese Luft zur Verbrennung des heizwertarmen Gases eingesetzt werden kann.
  • Bei einer solchen Anordnung ist der Niederdruckkompressor 54 nicht erforderlich.
  • Obwohl die Zuführung von Luft in einer Menge, welche kleiner ist als das stöchiometrische Äquivalent der brennbaren Komponenten in dem heizwertarmen Gas einen geringfügigen Verlust an potentieller Energie bedeutet, die ansonsten mit den brennbaren Komponenten in dem heizwertarmen Gas zur Verfügung stehen würde, wird die Bedeutung dieser Verluste minimal gehalten durch den Zugewinn an Druckluft, welche für die Anwendung bei der in-situ-Verbrennung zur Verfügung gestellt wird. Sofern die Luft in einer Menge an die katalytischen Verbrennungskammern abgegeben würde, welche dem stöchiometrischen Äquivalent von heizwertarmem Gas mit einem Heizwert von beispielsweise 623 kcal/m3 (70 BTU/scf) entspricht, und ferner die maximal zulässige Temperatur in der Gasturbine 8700C betragen soll, dann wäre es notwendig, das aus der zweiten Verbrennungskammer austretende Gas abzukühlen, bevor das letztere in die Turbine eingeführt wird. Stern die vom Kompressor 54 verdichtete Luft zur Verdünnung der Verbrennungaprodukte und damit zu deren Abkühlung auf eine für die Gasturbine geeignete Temperatur verwendet werden, würde diese Luft diejenige Luftmenge verringern, welche vom Kompressor 54 an den Kompressor 58 abgegeben wird, um nach entsprechender Verdichtung schließlich der in-situ-Verbrennung zugeführt zu werden.
  • Ein wichtiger Vorteil dieser Erfindung ist darin zu sehen, daß die gewünschte Sicherheit gegenüber Temperaturschwankungen und Durchflußschwankungen sowie ein Schutz vor zu hohen Temperaturen erzielt werden kann, während gleichzeitig die üblichen Auflagen hinsichtlich der Vermeidung von Umweltschäden eingehalten werden können. Im Vergleich mit Methan werden Schwefelwasserstoff und die Kohlenwasserstoffe mit höherem Molekulargewicht in den katalytisch arbeitenden Verbrennunskammern bevorzugt oxidiert. Das in dem aus der zweiten Verbrennungskammer austretenden Gas noch enthaltene unoxidierte, brennbare Material besteht wegen dem Luftmangel nahezu ausschließlich aus Methan, einem Gas, das üblicherweise nicht Gegenstand der Auflagen zur Vermeidung von Umweltschäden ist.
  • Zum Nachweis der bevorzugten Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit höherem Molekulargewicht als Methan gegenüber Nethan wird ein Kohlenwasserstoffgas/Luft-Gemisch in Kontakt mit einem Trägerkatalysator aus Platin auf einem keramischen Träger geführt, wobei die Einlaßtemperatur 44900 und die maximale Temperatur 67600 beträgt. Die Kohlenwasserstoffe waren mit ungefähr 50guß der stöchiometrisch erforderlichen Luftmenge vermischt; d.h. es lag ein Gemisch mit einem erheblichen Luftmangel vor. Die Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe und die Gaszusammensetzung am Auslaß, sowie die prozentuale » sletzung jedes einzelnen Kohlenwtsserstoffs sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt: Tabelle 1 Kohlenwasserstoffumsetzung Einlaß-Zusammens. Auslaß-Zusammens. Umsetzung (/o) Methan 1,09% 0,97% 11,00 Äthan 0,22% 0,15% 31,8 Propan 0,34% 0,19% 44,1 iso-Butan 0,06% 0,03% 50,0 n-Butan 0,22% 0,10% 54,5 iso-Pentan 0,06% 0% 100,0 n-Pentan 0,08% 0% 100,0 Ähnliche Untersuchungen wurden mit einem größeren Äquivalenz-Verhältnis (Verhältnis der zugeführten Luftmenge zur stöchiometrisch äquivalenten Luftmenge bezüglich der brennbaren Komponenten im Gas) durchgeführt. Die entsprechenden Ergebnisse sind in den nachstehenden Tabellen II und III aufgeführt: T a b e l l e II Kohlenwasserstoffumsetzung Einlaß-Zusammens. Auslaß-Zusammens. Umsetzung(%) Methan 3,54% 0,47% 8r?% Äthan 0,39% 0% 100% Propan 0,32% 0% 100% iso-Butan 0,116% 0% 100% n-Butan 0,24% 0% 100% iso-Pentan 0,14% 0% 100% n-Pentan 0,16% 0% 100% Äquivalenz-Verhältnis - 0,96 T a b e 1 1 e III Kohlenwasserstoffumsetzung Einlaß-Zusammens. Auslaß-Zusammens. Umsetzung (,) Methan 3,62% 2,23% 38% Äthan 0,40% 0,16% 60% Propan 0,28% 0,06% 79 iso-Butan 0,09% 0% 100% n-Butan 0,18% 0% 100% iso-Pentan 0,08% 0% 100% n-Pentan 0,07% 0% 100% Äquivalenz-Verhältnis = 0,60 Aus den mit den Tabellen I, II und III wiedergegebenen Brgebnissen wird deutlich, daß es bei einem Luftmangel, der stärker ist, als er zumeist bei einem sprunghaften Anstieg an brennbaren Komponenten in dem heizwertarmen Gas auftreten könnte, vorzugsweise zu einer Entfernung der schwersten Kohlenwasserstoffe aus dem heizwertarmen Gas führt, sofern eine katalytische Verbrennung vorgesehen wird. Die Verbrennung des Methans bleibt weit hinter der Verbrennung der anderen Kohlenwasserstoffe zurück. Sofern das Äquivalenz-Verhältnis auf einen Wert gesteigert wird, wie er zumeist angewandt wird, dann sind die anderen Kohlenwasserstoffe, abgesehen von Methan, praktisch vollständig aufgebraucht. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist daher dort besonders vorteilhaft, wo der verfügbare Brennstoff in seinem Heizwert schwankt und aus einem Gemisch brennbarer Komponenten besteht, zu denen Methan als eine der brennbaren Komponenten gehört.
  • Ein wichtiger Vorteil des erfinduiigsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß das bei der in-situ-Verbrennung angefallene heizwertarme Gas ausgenutzt und daraus ein Gas mit einem Druck vorzugsweise höher als 0,53 iIPa erzeugt werden kann, welcher Druck zum Betrieb einer Turbine ausreicht; unter diesen Bedingungen ist die Energieausnutzung im heizwertarmen Gas wirksamer als bei Gas mit einem höheren Heizwert. Sofern Brennstoffe mit hohem Heizwert wie etwa Erdgas in einer Gasturbine ausgenutzt werden sollen, muß das Luft: Brennstoff-Verhältnis hoch sein, etwa einen Wert von 40:1 oder noch höher aufweisen, um die Verbrennungsprodukte zu verdünnen und dadurch höhere Temperaturen zu vermeiden, als die Turbinenschaufelnaushalten können. Ein erheblicher Betrag der von der Turbine erzeugten Energie wird zur Verdichtung der Verdünnungsluft für das Gemisch mit den heißen Gasen verwendet, bevor diese in die Turbine eingeführt werden. Im Gegensatz dazu enthält das heizwertarme Gas inerte Gase, die als Verdünnungsmittel dienen, um zur Vermeidung übermäßig hoher Temperaturen in der Turbine beizutragen und es ist daher lediglich erforderlich, zusätzlich zu der für die Verbrennung der brennbaren Komponenten im heizwertarmen Gas benötigte Luft lediglich sehr kleine Mengen Verdünnungs luft zu verdichten.
  • Der Temperaturanstieg, der bei Verbrennung eines heizwertarmen Gases mit einem Heizwert von 445 kcal/m3 mit einer stöchiometrisch erforderlichen Luftmenge auftritt, führt angenähert zu einer Temperatur von 77400. Da es notwendig ist, die Temperatur des dem Katalysator zugeführten heizwert armen Gas/Luft-Gemisches wenigstens bei 2040C und vorzugsweise im Bereich von 316 bis 4270C zu halten, würde die Verbrennung dieses heizwertarmen Gases mit einem Heizwert von 445 kcal/m3 in einer einzigen Stufe zu einer Katalysatortemperatur deutlich oberhalb 8700C führen.Deshalb wäre ein einstufiger, sich selbst unterhaltender katalvtischer Verbrennungsprozess von heizwertarmem Gas, dessen, einem Heizwert von 445 kcal/m3 entaprechende brennbare Komponenten verbraucht werden, lediglich dann möglich, wenn der Xatalysator über längere Zeiträume Temperaturen von 99500 und mehr, vorzugsweise Temperaturen oberhalb 11070C standhält. Unter einem sich selbst unterhaltenden Verfahren wird ein Prozeß verstanden, bei welchem die aus der Verbrennungskammer austretenden heißen Verbrennungsprodukte das heizwertarme Gas auf eine solche Temperatur aufheizen, daß beim Vermischen mit Druckluft das Gemisch eine Temperatur von 204°C aufweist. Die einstufige katalytische Verbrennung mit einem Katalysator, dessen Maximaltemperatur auf 87000 begrenzt ist, beschränkt daher die Verbrennung der brennbaren Komponenten auf die Freisetzung von ungefähr 294 kcal/m3 heizwertarmes Gas. Im Gegensatz zu der bevorzugten zweistufigen Betriebsweise wäre an dieser einstufigen katalytischen Verbrennung nachteilig, daß wegen der niedrigeren Temperatur des an die Turbine abgegebenen Gases eine geringere Turbinenleistung resultieren würde, sofern die aus der Verbrennungskammer austretenden heißen Gase zur Aufheizung des heizwertarmen Gases verwendet werden, um nach dem Vermischen mit Druckluft die notwendige Gemischtemperatur von 2040C oder höher zu erzielen. Bei einer einstufigen Betriebsführung und Anwendung eines Katalysators, dessen Naximaltemperatur auf 8700C begrenzt ist, wäre die mit dem heizwertarmen Gas vermischbare Luftmenge auf ein stöchiometrisches Äquivalent eines heizwertarmen Gases mit einem Heizwert von angenähert 294 kcal/m3 beschränkt, um den Katalysator vor übermäßig hohen Temperaturen zu schützen, die bei einem periodischen Anstieg des Heizwertes infolge von Schwankungen der Zusammensetzung des heizwertarmen Gases auftreten könnten, wie sie bei einer in-sltu-Verbrennung auftreten. Das Konzept eines Schutzes vor Schwankungen der Brennstoffzusammensetzung durch Begrenzung der der Verbrennungskammer zugeführten Sauerstoffmenge kann daher bei der einstufigen Betriebsführung angewandt werden. Demgegenüber wird eine zweistufige katalytische Verbrennung, vorzugsweise für heizwertarmes Gas vorgesehen, das einen Heizwert von 356 bis 752 kcal/m3 aufweist, um einen größeren Anteil der im heizwertarmen Gas verfügbaren Energie auszunutzen und um die Turbine bei höherer Leistung zu betreiben.
  • Sofern die mit Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebene zweistufige katalytische Verbrennung zur Verbrennung solcher Gase angewandt wird, die durchwegs Heizwerte höher als ungefähr 712 kcal/m3 aufweisen, dann wäre es erforderlich, einen erheblichen Anteil des Heizwertes des Gases unausgenutzt zu lassen, indem unverbrannte Kohlenwasserstoffe die zweite Verbrennungskammer verlassen würden.
  • Sofern der normale Heizwert des bei der in-situ-Verbrennung angefallenen Gases dauerhaft oberhalb angenähert 623 kcal/m3 liegt, beispielsweise oberhalb von 623 bis 712 kcal/m3, und sofern darüberhinaus die maximal zulässige Katalysator- und Turbinentemperatur angenähert 870° beträgt, dann ist es wünschenswert, eine dritte, katalytisch arbeitende Verbrennungskammer vorzusehen, um die Energieverluste in Verbindung mit den unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu verringern. Es ist dann erforderlich, die aus der zweiten Verbrennungskammer austretenden Gase abzukühlen, bevor sie in die dritte Verbrennungskammer eingeführt werden. Eine solche Kühlung kann in der Weise durchgeführt werden, daß die aus der zweiten Verbrennungskammer austretenden Gase durch einen Boiler geführt werden, um dort im Wärmetausch mit Wasser Wasserdampf zu erzeugen. Das aus dem Boiler austretende Gas wird daraufhin mit tertiärer Verbrennungsluft vermischt und dieses Gasgemisch in die dritte, katalytisch arbeitende Verbrennungskammer eingeführt. Der in diesem Boiler erzeugte Dampf kann als Prozeßdampf oder zum Antrieb einer Turbine verwendet werden. Ein im Rahmen der Erfindung bevorzugtes Verfahren zur Gewinnung von zusätzlicher Energie aus heizwertarmem Gas, dessen Heizwert normalerweise oberhalb von ungefähr 623 kcal/m3 liegt, besteht darin, die dritte Verbrennungskammer 66 stromabwärts von der Gasturbine 52 anzuordnen, wie das in der Zeichnung angedeutet ist. Die aus der Turbine austretenden Gase werden durch die dritte Verbrennungskammeer bei Temperaturen im Bereich von 204 bis 4270C geleitet. Vom Kompressor 54 her durch die Leitung 67 wird Luft in die dritte Verbrennungskamer 66 eingeführt und das resultierende Gasgemisch wird in Berührung mit einem Oxiadionskatalysator in dieser dritten Verbrennungskammer gebracht, um die Kohlenwasserstoffe zu oxidieren, die in dem aus der Turbine austretenden Gas noch verblieben sind. Ventile in den Leitungen 67 und 59 erlauben eine Steuerung derjenigen Luftmenge, die in die dritte Verbrennungskammer 66 eingeführt bzw. dem Kompressor 58 zugeführt wird. Die aus der dritten Verbrennungskammer 66 austretenden heißen Gase werden einem Boiler 68 zugeführt, um Wasserdampf zu erzeugen.
  • Bei der Ausführungsform mit drei Verbrennungskammern wird die Luft-Abgabe an die ersten beiden Verbrennungsstufen mit dem Ziel der Gewährleistung optimaler Betriebsbedingungen für die Turbine gesteuert. Die dritte Verbrennungsstufe kann bei stöchiometrischen Bedingungen oder sogar bei einem Luftüberschuß betrieben werden, sofern das Gas einen solchen Heizwert aufweist, daß in der dritten Stufe keine übermäßig hohen Katalysatortemperaturen auftreten. Unter allen Bedingungen und Zeiten arbeitet die Gasturbine 52 bei einer kleineren als stöchiometrischen Luftmenge.
  • Die anhand der Fig. 2 erlaeuterte Ausführungsform der Erfindung ist für solche Situationen vorgesehen, wo das bei der in-situ-Verbrennung angefallene heizwertarme Gas keinen ausreichend hohen Druck aufweist, um wirksam zum Antrieb einer Gasturbine geeignet zu sein. Ein solches heizwertarmes Niederdruck -Gas kann beispielsweise bei einer mit geringem Druck durchgeführten in-situ-Verbrennung zur Gewinnung von Öl aus einer unterirdischen, in geringer Tiefe gelegenen Lagerstätte oder bei dera-situ-Verbrennung von Ölschiefer anfallen. Das heizwertarme Gas wird über eine Rohrleitung 70 einer geeigneten Gasreinigungseinheit 72 zugeführt, um feste Bestandteile und andere Komponenten zu entfernen, welche die nachfoigende katalytische Oxidation des Gases stören könnten.
  • Die Gasreinigungseinheit 72 kann einen geeigneten Separator oder eine Siebeinrichtung oder eine Waschvorrichtung sein.
  • Das aus der Gasreinigungseinheit 72 austretende heizwertarme Gas wird einem Vorwärmer 74 zugeführt, der von ähnlicher Bauart wie der mit Bezugnahme auf Fig. 1 erläuterte Vorwärmer 34 ist; in diesem Vorwärmer 74 wird das Gas auf eine Temperatur von 204 bis 4270C vorgewärmt. Das aus dem Vorwärmer 74 austretende, vorgewärmte, heizwertarme Gas wird mit Verbrennungsluft vermischt, die von einem geeigneten Gebläse oder einem Kompressor 76 geliefert worden ist; das resultierende Gasgemisch wird daraufhin bei einer Temperatur von 204 bis 4270C in eine erste, katalytisch arbeitende Verbrennungskammer 78 eingeführt; diese erste Verbrennungskammer 78 ist vorzugsweise von ähnlicher Bauart, wie die mit Bezugnahme auf Dig. 1 erläuterte, katalytisch arbeitende Verbrennungskammer 38.
  • Die aus der ersten Verbrennungskammer 78 austretenden heißen Verbrennungsprodukte werden erneut dem Vorwärmer 74 zugeführt, um dort im indirekten Wärmetausch das heizwertarme Gas vorzuwärmen. Die aus dem Vorwärmer 74 austretenden Verbrennungsprodukte- werden mit zusätzlicher, vom Gebläse 80 her geführter Verbrennungsluft vermischt, so daß das resultierende Gasgemisch eine Temperatur im Bereich von 204 bis 4270C aufweist, welches daraufhin in eine zweite, katalytisch arbeitende Verbrennungskammer 82 eingeführt wird. Wie das bei der mit Bezugnahme auf Fig. 1 erläuterten Ausführungsform der Fall ist, kann auch hier die zur Oxidation in der zweiten Verbrennungskammer benötigte Luft den aus der ersten Verbrennungskammer austretenden, teilweise verbrannten Gasen zugemischt werden, bevor diese Gase in den Vorwärmer 74 eintreten.
  • Anstatt die aus der zweiten Verbrennungskammer 82 austretenden Verbrennungsprodukte einer Gasturbine zuzuführen, wie das bei der mit Bezugnahme auf Fig. 1 erläuterten Ausführungsform der Fall ist, werden die Verbrennungsprodukte einem Boiler 84 zur Wasserdampferzeugung zugeführt. Da die aus der zweiten Verbrennungskammer 82 austretenden Verbrennungsprodukte nicht an eine Turbine abgegeben werden, müssen diese Verbrennungsprodukte vor der Zuführung zu dem boiler 64 nicht gekühlt werden. Die hohe Temperatur der aus der zweIten Verbrennungskammer austretenden Verbrennungsprodukte erlaubt die Erzeugung von Wasserdampf bei hohem Druck, welcher zum Antrieb einer Kraftmaschine, wie etwa einer Dampfturbine, geeignet ist. Der im Boiler 84 erzeugte Wasserdampf wird über die Leitung 86 einer Dampfturbine 88 zugeführt, welche vorzugsweise an einen Generator 90 angeschlossen ist, um elektischen Strom zu erzeugen, der seinerseits zum Betrieb der Luftkompressoren für die zur in-situ-Verbrennung benötigte Luft verwendet wird. Alternativ könnte die Dampfturbine unmittelbar an die Kompressoren angeschlossen sein. Der aus der Turbine 88 austretende Dampf wird einem Kondensor 92 zugeführt, und der-kondensierte Dampf wird schließlich einer geeigneten Einrichtung 94 zur Wasserbehandlung zugeführt, zu welcher eine Pumpe für die Rückführung des Kondenswassers zum Boiler 84 gehört. Als eine Alternative zu der anhand der iig. 2 erläuterten Erzeugung von Wasserdampf könnte das bei der in-situ-Verbrennung von Ölachiefer angefallene Niederdruck-Abgas, beispielsweise auch in dem mit Bezugnahme auf Fig. 1 erläuterten, entsprechend modifizierten System verwendet werden, um einen Teil der von der Turbine 52 erzeugten Energie zur Verdichtung des heizwertarmen Gases zu verwenden, um dieses auf einen ausreichend hohen Druck zu bringen, damit eine Turbine angetrieben werden kann.
  • Die Temperaturen, auf denen das heizwertarme Gas im Vorwärmer 74 vorgewärmt, sowie die aus der ersten Verbrennungskammer austretenden heißen Verbrennungsprodukte im gleichen Vorwärmer 74 abgekühlt werden, sind so vorgesehen, daß übermäßig Fohe Temperaturen vermieden werden, die zu einer Sch=-digung des Katalysators in den Verbrennungskammern 78 und 82 führen könnten. Wie bei der anhand der Fig. 1 erläuterten Ausführungsform erfolgt die Steuerung der Höchsttemperaturen durch eine Steuerung der Luftmenge, die mit dem heizwertarmen Gas vermischt wird, bevor das letztere in die katalytisch arbeitenden Verbrennungskammern eingeführt wird, um eine Überhitzung des Katalysators in diesen Verbrennungskammern zu vermeiden, selbst wenn ein erheblicher Anstieg in der xonzentration an verbrennbaren Komponenten im heizwertarmen Gas auftritt, welches durch die Leitung 70 zugeführt wird. Der Anteil der mit dem Gebläse 76 zugeführten Luftmenge beträgt vorzugsweise angenähert die Hälfte des stöchiometrischen Äquivalentes am Anteil der verbrennbaren Komponenten, welche die maximal zulässige Temperatur ergeben; die gleiche Luftmenge wird anschließend mittels dem Gebläse 80 zur Oxidation in der zweiten Verbrennungskammer 82 zugeführt.
  • Das hier beschriebene Verfahren sowie die hier beschriebene Vorrichtung sind höchst zweckmäßig zur Gewinnung von Energie aus heizwertarmem Gas, das bei der in-situ-Verbrennung zur Gewinnung von Öl angefallen ist, und das zeitliche Schwankungen des Heizwertes des Gases zeigt. Obwohl das Verfahren höchst zweckmäßig ist zur Gewinnung von Energie aus Gas, das bei mit höherem Druck arbeitenden in-situ-Verbrennungen zur Gewinnung von Öl aus Öl- oder Teersand-Vorkommen angefallen ist, kann dieses Verfahren ebenfalls zur Gewinnung von Energie aus Niederdruck-Abgasen eingesetzt werden, die bei der in-situ-Verbrennung von schiefer unter solchen Bedingungen anfallen, wo das Abgas wegen seines geringen Heizwertes nicht in einem Flammen-Gombustor verbrannt werden kann. Die Beschränkung der mit dem heizwertarmen Gas vermischten Luftmenge bezüglich des stöchiometrischen Äquivalentes von üblichem heizwertarmem Gas schützt sowohl den Katalysator wie die Turbine vor solchen Betriebsbedingungen, die ansonsten infolge der Zusammensetzungsschwankungen des heizwertarmen Gases auftreten könnten. Die Erfindung ist dann besonders zweckmäßig, wenn Methan eine der brennbaren Komponenten des heizwertarmen Gases darstellt.

Claims (15)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Gewinnung von Energie aus heizwertarmen, bei einer in-situ-Verbrennung zur Gewinnung von Öl aus unterirdischen Lagerstätten angefallenen Gasen, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) das heizwertarme Gas wird auf eine solche Temperatur vorgewärmt, daß nach dem Vermischen mit Luft entsprechend dem nachstehenden Verfahrens schritt (b) eine Temperatur von 204 bis 42700 resultiert; b) das vorgewärmte, heizwertarme Gas wird mit einer solchen Menge Luft vermischt, daß der Luftanteil kleiner als das den brennbaren Komponenten entsprechende stöchiometrische Aguivalent ist, und im nachstehenden Verfahrensschritt (c) nicht zu einem zur Schädigung des Oxidationskatalysators ausreichendem Temperaturanstieg führt; c) dieses Gemisch aus Luft und heizwertarmem Gas wird in Kontakt mit einem Oxidationskatalysator gebracht, um die im heizwertarmen Gas enthaltenen brennbaren Komponenten zu oxidieren, wobei heiße Yerbrennungsprodukte anfallen; und d) aus diesen heißen Verbrennungsprodukten wird Energie gewonnen.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekernzeichnet, daß zur Gewinnung von Energie gemäß Verfahrensschritt (d) die heißen Verbrennungsprodukte in einer Gasturbine expandiert werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in-situ-Verbrennung in einer Erdöl-Lagerstätte zur Erzeugung von Erdöl durchgeführt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in-situ-Verbrennung in einer mit stückigem Ölschiefer gefüllten Retorte einer Ölschiefer-Lagerstätte zur Erzeugung von Schieferöl durchgeführt wird,
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung von Energie gemäß dem Verfahrensschritt (d) die heißen Verbrennungsprodukte durch einen Boiler zur Erzeugung von Wasserdampf geführt werden, und mit diesem Dampf eine Kraftmaschine angetrieben wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmung der heizwertarmen Gase gemäß Verfahrensschritt (a) durch indirekten Wärmetausch mit den im Verfahrensschritt (c) angefallenen heißen Verbrennungsprodukten erfolgt.
  7. 7. Verfahren zur Gewinnung von Energie aus heizwertarmen, bei einer in-situ-Verbrennung zur Gewinnung von Öl aus unterirdischen Lagerstätten angefallenen Gasen, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) das heizwertarme Gas wird auf eine solche Temperatur vorgewärmt, daß nach dem Vermischen mit primärer Verbrennungsluft entsprechend dem nachstehenden Verfahrensschritt (b) eine Temperatur von 204 bis 4270C resultiert; b) das vorgewärmte, heizwertarme Gas wird mit einer solchen Menge primärer Verbrennungsluft vermischt, daß der Luftanteil kleiner als das den brennbaren Komponenten entsprechende stöchiometrische Äquivalent ist, und im nachstehenden Verfahrensschritt (c) nicht zu einem zur Schädigung des Oxidationskatalysators ausreichenden Temperaturanstieg führt; c) dieses Gemisch aus Luft und heizwertarmem Gas wird in einer ersten Verbrennungskammer in Kontakt mit einem Oxidationskatalysator gebracht, um die in dem heizwertarmen Gas enthaltenen brennbaren Komponenten zu oxidieren, wobei ein teilweise oxidiertes, heizwertarmes Gas anfällt; d) das die erste Verbrennungskammer verlassende, teilweise oxidierte Gas wird auf eine solche Temperatur abgekühlt, daß nach dem Vermischen mit sekundärer Verbrennungsluft entsprechend dem nachstehenden Verfahrensschritt (e) das Gemisch eine Temperatur von 204 bis 4270C aufweist; e) das abgekühlte, teilweise oxidierte Gas wird mit einer solchen Menge sekundärer Verbrennungsluft vermischt, daß der Luftanteil kleiner als das den verbliebenen brennbaren Komponenten entsprechende stöchiometrische Äquivalent ist; f) das im Verfahrensschritt (e) erhaltene Gemisch wird in Kontakt mit einem Oxidationskatalysator gebracht, um die im Gemisch enthaltenen brennbaren Komponenten zu oxidieren, wobei heiße Verbrennungsprodukte anfallen; und g) aus diesen heißen Verbrennungsprodukten wird Energie gewonnen.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung von Energie gemäß Verfahrensschritt (g) die heißen Verbrennungsprodukte in einer Gasturbine expandiert werden.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung von Energie gemäß Verfahrensschritt (g) die heißen Verbrennungsprodukte durch einen Boiler geführt werden, um Wasserdampf zu erzeugen, und mit diesem Wasserdampf eine Kraftmaschine angetrieben wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmung des heizwertarmen Gases im Verfahrens schritt (a) und die Kühlung im Verfahrens schritt (d) durch indirekten Wärmetausch mit dem aus der ersten Oxidationskammer ausströmenden Gas erfolgt.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung von Energie die aus der zweiten Verbrennungskammer austretenden heißen Verbrennungsprodukte in einer Gas turbine expandiert werden.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung von Energie die aus der zweiten Verbrennungskammer austretenden heißen Verbrennungsprodukte durch einen Boiler zur Wasserdampfgewinnung geführt werden.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrens schritte: h) die aus der Gasturbine austretenden Gase werden mit tertiärer Verbrennungsluft vermischt; i) das im Verfahrensschritt (h) erhaltene Gasgemisch wird in einer dritten Verbrennungskammer über einen Oxidationskatalysator geführt, um die im Gas enthaltenen brennbaren Komponenten zu oxidieren; und å ) die im Verfahrensschritt (i) angefallenen Gase werden durch einen Boiler zur Wasserdampfgewinnung geführt.
  14. 14. Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus heizwertarmen Gasen, gekennzeichnet durch eine Gasturbine, einen von der Gasturbine angetriebenen Luftkompressor, einen Combustor mit äußerer Wärmezufuhr zur Verbrennung des heizwertarmen Gases, welcher Combustor eine Verbrennungskammer zur ersten Stufe einer katalytischen Verbrennung (nachfolgend kurz "erste Verbrennungskammer") und eine Verbrenmlngskammer zur zweiten Stufe einer katalytischen Verbrennung (nachfolgend kurz "zweite Verbrennungskammer") aufweist, einen zwischen der ersten Verbrennungskammer und der zweiten Verbrennungskammer befindlichen und so angeschlossenen Wärmetauscher, daß die aus der ersten Verbrennungskammer austretenden Gase durch den Wärmetauscher hindurch in die zweite Verbrennungskammer eintreten; eine dem Wärmetauscher heizwertarmes Gas zuführende Leitung, wobei der Wärmetauscher so aufgebaut und angeordnet ist, daß das heizwertarme Gas in indirekten Wärmetausch mit den heißen Gasen aus der ersten Verbrennungskammer kommt, einer von dem Wärmetauscher zur ersten Verbrennungskammer führenden Leitung, um der ersten Verbrennungskammer heizwertarmes Gas zuzuführen, einer vom Auslaß der zweiten Verbrennungskammer zu der Gasturbine führenden Leitung, um der Gasturbine die heißen Verbrennungsprodukte zuzuführen, um die letzteren unter Energiegewinnung zu entspannen, eine an den Luftkompressor angeschlossene Druckluftleitung, um dem aus dem Vorwärmer ausgetretenen heizwertarmen Gas Druckluft zuzuführen, bevor das heizwertarme Gas in Kontakt mit dem Katalysator in der ersten Verbrennungskammer kommt, und weiterhin solche Druckluft den aus dem Vorwärmer austretenden, in die zweite Verbrennungskammer einzuführenden Gasen zuzuführen, bevor diese heißen Gase in Kontakt mit dem in der zweiten Verbrennungskammer befindlichen Katalysator kommen.
  15. 15. Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus heizwertarmem Gas, gekennzeichnet durch eine erste Kammer zur katalytischen Verbrennung (nachstehend kurz "erste Verbrennungskammer") und eine zweite Kammer zur katalytischen Verbrennung (nachstehend kurz 'zweite Verbrennungskammer"), einen so aufgebauten und angeordneten Wärmetauscher, daß er die aus der ersten Verbrennungskammer austretenden Verbrennungsprodukte aufnimmt und diese an die zweite Verbrennungskammer abgibt und heizwertarmes Gas in indirekten Wärmetausch mit dem in der ersten Verbrennungskammer gebildeten Produkten gelangen läßt, eine mit dem Vorwärmer verbundene erste Leitung zur Zuführung von heizwertarmem Gas, eine mit dem Wärmetauscher und der ersten Verbrennungskammer verbundene Leitung, um der ersten Verbrennungskammer heizwertariaes Gas zuzuführen, einen Luftkompressor, eine an den Luftkompressor angeschlossene Leitung, um Druckluft in das aus dem Wärmetauscher austretende heizwertarme Gas einzuführen, bevor dieses heizwertarme Gas mit dem Katalysator in der ersten Verbrennungskammer in Kontakt kommt, eine weitere Leitung, um Druckluft aus dem Kompressor in die aus dem Wärmetauscher austretenden und in die zweite Verbrennungskammer einzuführenden Verbrennungsprodukte einzuführen, bevor diese Verbrernungsprodukte in Kontakt mit dem Katalysator in der zweiten Verbrennungskammer kommen, einen Boiler, eine mit dem Boiler und mit der zweiten Verbrennungskammer verbundene Leitung, um die aus der zweiten Verbrennungskammer austretenden heißen Verbrennungsprodukte in den Boiler einzubringen, um dort Wasserdampf zu erzeugen.
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