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Verf,@@@@@ @nd Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus
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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.
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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.
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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.
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Die verminderte Viskosität und der Druck der eingeführten Gase bewirken
eine Strömung des Öles durch die unterirdische Lagerstätte zu einer Ausbringbohrung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen
erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei einer solchen Anordnung ist der Niederdruckkompressor 54 nicht
erforderlich.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Gasreinigungseinheit 72 kann einen geeigneten Separator oder eine
Siebeinrichtung oder eine Waschvorrichtung sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.