DE3111137C2 - Verfahren zur Untertagevergasung fester Brennstoffe mit vorangehendem Aufschließen der Lagerstätte - Google Patents
Verfahren zur Untertagevergasung fester Brennstoffe mit vorangehendem Aufschließen der LagerstätteInfo
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Abstract
Verfahren zur Untertagevergasung fester Brennstoffe, bei dem das unterirdische Brennstofflager (1) zunächst aufgeschlossen und dann mit einem Vergasungsmittel in einen gasförmigen Brennstoff umgewandelt wird. Der Aufschluß des Brennstofflagers (1) erfolgt durch Behandlung mit einem im überkritischen Zustand befindlichen Gas (3), vorzugsweise mit Kohlendioxid oder niederen Kohlenwasserstoffen, das die flüchtigen organischen Bestandteile des Brennstoffs und das im Brennstoff enthaltene Wasser aufnimmt, wodurch die Gasdurchlässigkeit des Brennstofflagers (1) erhöht wird. Aus der beladenen überkritischen Gasphase (4) werden die gelösten organischen Verbindungen sowie das Wasser durch Druckerniedrigung und/oder Temperaturänderung über Tag in mehreren Fraktionen abgeschieden. Das Gas wird in den überkritischen Zustand überführt und erneut zum Aufschluß des Brennstofflagers (1) verwendet.
Description
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untertagevergasung fester Brennstoffe, bei dem der unter der
Erdoberfläche lagernde Brennstoff zunächst durch Einpressen eines über Tage wiederaufbereiteten gasförmigen
Lösungsmittels aufgeschlossen und dann durch eine chemische Reaktion mit einem Vergasungsmittel in einen
gasförmigen Brennstoff umgewandelt wird.
Es ist bekannt, daß feste Brennstoffe, insbesondere Kohle, am Ort ihres Vorkommens vergast werden können,
wodurch die mechanische Brennstofförderung überflüssig wird und auch weniger abbauwürdige
Brennstoffvorkommen genutzt werden können. Bei den bekannten Untertagevergasungsverfahren werden von
der Erdoberfläche Bohrlöcher bis in die Lagerstätte des Brennstoffs niedergebracht. Über diese Bohrlöcher
wird das Brennstofflager durch einen geeigneten Prozeß aufgeschlossen, wobei eine Erhöhung der bereits
mehr oder weniger vorhandenen Gasdurchlässigkeit des Brennstoffs eintritt. Anschließend wird in das aufgeschlossene
Brennstofflager über eines oder mehrere Bohrlöcher das Vergasungsmittel eingeführt und die
Vergasungsreaktion durch Zündung gestartet. Als Vergasungsmittel werden Luft, mit Sauerstoff angereicherte
Luft oder mit Wasserdampf vermischte Luft verwendet Bei der Untertagevergasung laufen die üblichen bekannten
Vergasungsreaktionen ab. Das bei der Untertagevergasung entstehende Gas hat bei Verwendung von
60% Sauerstoff und 40% Wasserdampf als Vergasungsmittel einen Heizwert von ca. 1350 kcal/Nm3. Dieses
Gas wird über die Bohrlöcher aus dem Brennstofflager gefördert und kann als Heizgas oder — nach entsprechender
Vorbehandlung — als Synthesegas verwendet werden.
Der Aufschluß des Brennstofflagers vor der eigentlichen Untertagevergasung ist erforderlich, um das
Brennstofflager für das Vergasungsmittel und das entstehende Gas genügend durchlässig zu machen. Für den
Aufschluß des Brennstofflagers können die bekannten Aufschlußprozesse verwendet werden, wie das elektrische
Widerstandsverfahren, das Kanalbrennen, die hydraulische Hochdruck-Bohrlochbehandlung und das
Flachbohren. Weiter ist noch bekannt, mit Lösungsmittel zu arbeiten. In der Veröffentlichung EU 00 02 306 ist
als Stand der Technik ein Verfahren beschrieben, bei dem von der Erdoberfläche zunächst Bohrlöcher in ein
Flöz niedergebracht werden, von denen das eine Bohrloch an seinem Ende durch mechanische Mittel und
durch chemische Reaktion (Auflösung oder Extraktion) erweitert wird, und bei dem dann beide Bohrlöcher miteinander
verbunden werden. In der GB-PS 6 81 720 wird vorgeschlagen, in ein Kohleflöz Luft oder ein flüssiges
Lösungsmittel (Pyridin oder Säure) zum Aufschließen einzupumpen. Aus der US-PS 4 30 164 ist ein Verfahren
zum Aufschluß eines Kohleflözes bekannt, bei dem ein flüssiges oder gasförmiges Agens, wie Methanol,
gasförmiges wasserfreies Ammoniak, flüssiges Ammoniak und/oder eine wäßrige Ammoniaklösung, zum
Vergrößern der Permeabilität durch Lösen von Kohle eingesetzt wird. Weiter ist aus der GB-PS 11 22 091 bekannt,
Erdöllagerstätten mit Naturgas (Methan) von solcher Temperatur und solchem Druck (bis etwa 34
bar) zu behandeln, daß thermische und lösende Vorgänge zum Abbau organischer Komponenten auftreten, die
dann durch Kondensation über Tage gewonnen werden. Schließlich ist aus der DE-AS 14 93 190 ein Verfahren
zur Trennung flüssiger und/oder fester organischer Stoffgemische, wie z. B. Erdöl und Paraffinöl, durch Behandlung
der Gemische mit einem überkritischen Gas bei Temperaturen von 50 bis 100°C oberhalb der kritischen
Temperatur des Gases sowie bei Drücken bis zu einigen 100 at und anschließender Abscheidung der in
der überkritischen Gasphase gelösten Stoffe durch Druckerniedrigung und/oder Temperaturerhöhung bekannt,
wobei als Gas unter anderem Kohlendioxid, Äthan, Athen und/oder Propan verwendet werden kann
und wobei die Abscheidung der in der überkritischen Gasphase gelösten Stoffe auch in mehreren Fraktionen
möglich ist.
Einige der bekannten Aufschlußprozesse haben den Nachteil, daß insbesondere die in den festen Brennstoffen
vorhandenen flüchtigen organischen Bestandteile nicht entfernt werden. Dies führt dazu, daß bei der eigentlichen
Untertagevergasung die flüchtigen Bestandteile aus dem vergasten Lagerabschnitt ausgetrieben
werden und die im benachbarten Lagerabschnitt vorhandenen gasdurchlässigen Poren und Risse verkleben.
Außerdem wird das im festen Brennstoff vorhandene Wasser durch die bekannten Aufschlußprozesse nicht
entfernt, was dazu führt, daß der Heizwert des durch Untertagevergasung erzeugten Gases entsprechend
herabgesetzt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Untertagevergasung fester Brennstoffe zu
schaffen, das ein Gas mit hohem Heizwert liefert und bei dem im festen Brennstoff enthaltenen flüchtigen Bestandteile
während des Aufschlusses der Lagerstätte und vor der eigentlichen Kohlevergasung gewonnen
werden können. Außerdem soll die Lenkbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Untertagevergasung mit der Erfindung
verbessert werden.
Die der Erfindung zugrunde Hegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Brennstofflager durch Behandlung
mit einem im überkritischen Zustand befindlichen Gas unter Tage aufgeschlossen wird und daß aus der
dabei anfallenden beladenen überkritischen Gasphase die in ihr gelösten organischen Verbindungen sowie das
enthaltene Wasser durch Druckerniedrigung und/oder Temperaturänderung über Tage in wenigstens zwei
Fraktionen abgeschieden werden. Durch die Extraktion der flüchtigen Bestandteile während des Aufschlusses
der Lagerstätte wird verhindert, daß sie die gasdurchlässigen Poren des Brennstoffes beim folgenden Vergasungsprozeß
verkleben und so die Gasdurchlässigkeit des Brennstoffs nachteilig beeinflussen. Außerdem ist es
vorteilhaft, daß das im Brennstoff vorhandene Wasser durch das überkritische Gas weitgehend aufgenommen
wird, wodurch sich der Heizwert des bei der Untertagevergasung erzeugten Gases entsprechend erhöht.
Durch die nach der Erfindung vorgesehene fraktionsweise Abscheidung der aus dem Brennstoff extrahierten
gasförmigen und flüssigen organischen Verbindungen sowie des Wassers können in vorteilhafter Weise Rohstoffe,
insbesondere aromatische Kohlenwasserstoffe, gewonnen werden. Die Abscheidung der gelösten Stoffe
kann nach der Erfindung allein durch Druckerniedrigung oder allein durch Temperaturänderung (Temperaturerhöhung
oder Temperatursenkung) oder durch gleichzeitige Druckerniedrigung und Temperaturänderung
(Temperaturerhöhung oder Temperatursenkung) erfolgen.
Nach der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn das im überkritischen Zustand befindliche Gas bei seinem
Eintritt in das Brennstofflager eine Temperatur von 10 bis 100°C über seiner kritischen Temperatur und
einen Druck von 2 bis 300 bar über seinem kritischen Druck hat. Durch diese Zustandsbedingungen wird sichergestellt,
daß das Gas einerseits auch im Brennstofflager seinen überkritischen Zustand beibehält und andererseits
mit einem wirtschaftlich vertretbaren Energieaufwand in das Brennstofflager eingebracht wird. Ferner
ist nach der Erfindung vorgesehen, daß die Temperatur des überkritischen Gases bei seinem Austritt aus
dem Brennstofflager noch 5 bis 15°C über seiner kritischen
Temperatur liegt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß sich das überkritische Gas auf seinem Extraktionsweg
laufend mit einer größeren Menge an extrahierten Verbindungen belädt, da das Lösungsvermögen
überkritischer Gase in einem Temperaturbereich, der wenig oberhalb der kritischen Temperatur liegt, in
der Regel ein Optimum aufweist und mit steigender Temperatur abnimmt. Durch den nach der Erfindung
unter Tag vorgesehenen Temperaturgradienten des überkritischen Gases wird also vermieden, daß extrahierte
Stoffe vor dem Austritt der überkritischen Gasphase aus dem Brennstofflager ausfallen und die
gasdurchlässigen Poren des Brennstoffs verkleben. Die Erfindung schlägt auch vor, daß die Eintrittstemperatur
des überkritischen Gases in das Brennstofflager während des Aufschlusses um 2 bis 500C gesenkt wird. Dadurch
wird das Extraktionsvermögen des überkritischen Gases während des Aufschlusses des Brennstofflagers
laufend gesteigert, und die Verringerung der Extraktionsgeschwindigkeit,
die von der Abnahme der zu extrahierenden Stoffmenge während des Aufschlusses verursacht wird, kann durch die Steigerung des L.ösungsvermögens
des überkritischen Gases ausgeglichen werden. Dadurch, daß die Eintrittstemppratur des überkritischen
Gases in das Brennstofflager während des Aufschlusses gesenkt wird und die Austrittstemperatur
des überkritischen Gases aus dem Brennstofflager nur wenig oberhalb der kritischen Temperatur des Gases
liegt, wandert die Zone, innerhalb der das überkritische
Gas eine maximale Extraktionswirkung hat, in vorteilhafter Weise entgegengesetzt zur Strömungsrichtung
des überkritischen Gases. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit besonders gutem Erfolg durchgeführt
werden, wenn zum Aufschluß des Brennstoffs CO2 verwendet wird, da überkritisches CO2 sowohl für Wasser
als auch für die im festen Brennstoff enthaltenen organischen Verbindungen ein hinreichend gutes Lösungsvermögen
besitzt und ohne aufwendige Sicherheitsvorkehrungen eingesetzt werden kann. Außerdem hat CO2 einen
kritischen Druck p/.T„ 73,9 bar und eine kritische
Temperatur von Tkm +31° C, die seinen Einsatz zum
Aufschluß unterirdischer Kohlevorkommen für die Untertagevergasung wirtschaftlich sinnvoll erscheinen lassen,
zumal in vielen Brennstofflagern eine Temperatur herrscht, die oberhalb der kritischen Temperatur des
CO2 liegt. Nach der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß zum Aufschluß des Brennstoffes Äthan (Tknh 327°C,
Pkrii, 48,8 bar) Äthan (Tkm, 9,90C, Pknt, 51 bar), Propan
(Tkm. 96,7° C, Pkni 42,5 bar) oder Mischungen dieser Gase
verwendet werden. Bei der Anwendung dieser erfindungsgemäßen Verfahrensmaßnahme ist allerdings darauf
zu achten, daß Sicherheitsrisiken vermieden werden.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Für die Untertagevergasung sind insbesondere Kohlevorkommen
geeignet, für die ein bergmännischer Abbau nicht lohnend erscheint und die insbesondere keine
wasserführenden Schichten enthalten. Das Verfahren kann aber auch bei ölschiefer- und Ölsand-Lagerstätten
angewendet werden, wenn die geologischen Verhältnisse dies zulassen. Voraussetzung für die Anwendbarkeit
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nämlich eine dichte Lagerstätte, aus der die beladene überkritische
Gasphase nahezu vollständig zurückgewonnen werden kann.
In ein derartiges Kohlevorkommen 1 werden zwei senkrechte Bohrlöcher 2a, 2b niedergebracht. Über das
Bohrloch 2a wird das zum Aufschluß verwendete überkritische CO2 in das Kohlevorkommen 1 gefördert. Anstelle
des überkritischen CO2 können auch überkritisches Propan, Äthan, Athen oder Mischungen dieser
gasförmigen Kohlenwasserstoffe verwendet werden, wobei allerdings gewährleistet sein muß, daß durch die
Verwendung dieser Gase keine Sicherheitsrisiken entstehen. Das überkritische CO2 hat bei seinem Eintritt in
das Brennstofflager eine Temperatur von ca. 60° und einen Druck von ca. 300 bar. Das überkritische CO2
diffundiert durch das Kohlelager und belädt sich dabei mit flüchtigen organischen Verbindungen sowie mit
Wasser. Der Wassergehalt der Kohle liegt im Durchschnitt
bei ca. 1 Gew.-%, und dieses Wasser wird in der Regel von der überkritischen Gasphase aufgenommen,
da sie sich bis zur Sättigung mit Wasser belädt. Das Wasser aus stark wasserhaltigen oder wasserführenden
31 Π
Brennstoffschichten wird nur zum Teil von der überkritischen Gasphase extrahiert. Je weiter der Aufschluß
des Kohlevorkommens fortschreitet, desto mehr Diffusionskanäle werden geschaffen, so daß eine hohe Permeabilität
des Kohlevorkommens für Gase erreicht wird. Die beladene überkritische Gasphase 4 tritt am
Bohrloch 2b aus und wird in ihre Bestandteile aufgetrennt. Das Verhältnis von überkritischer Gasmenge zu
aufgeschlossener Kohlemenge liegt zwischen 1 :3 und 1:10.
Zur Trennung der beladenen überkritischen Gasphase gelangt diese nacheinander in 5 Fraktioniereinrichtungen
5a, 5b, 5c, 5d, 5e. In diesen Fraktioniereinrichtungen
werden aus dem überkritischen CO2 die gelösten organischen Verbindungen entsprechend ihrem Moiekulargewicht
sowie das gelöste Wasser durch Druckerniedrigung und/oder Temperaturänderung in bekannter
Weise abgeschieden. Das regenerierte Aufschlußmittel 6 wird in der Pumpe 7 auf den zum Aufschluß des
Brennstoffs erforderlichen überkritischen Druck kornprimiert und im Wärmetauscher 8 auf die erforderliche
überkritische Temperatur erwärmt. Es gelangt anschließend im überkritischen Zustand in das Bohrloch 2a. Da
während des Aufschlusses eine bestimmte Aufschlußmittelmenge verloren geht, wird aus dem Vorratstank 9
ständig neues Gas — im vorliegenden Fall CO2 — in den Kreislauf gefördert.
Bei Laboruntersuchungen wurde festgestellt, daß eine überkritische Gasphase, die aus Kohlenwasserstoffen
besteht, bis zu 50 Gew.-% der extrahierten Kohle aufnimmt. Der aus der überkritischen Gasphase zurückgewonnene
Extrakt besteht aus leicht-, mittel- und schwerfiüchtigen organischen Verbindungen und aus
geringen Wassermengen. Eine Hydrierung des Extraktes liefert folgende Produkte:
Paraffine 15%
Cycloparaffine 34%
Alkylbenzole 34%
höhere aromatische Kohlenwasserstoffe 10%
Rest 7%
35
40
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
45
50
55
Claims (6)
1. Verfahren zur Untertagevergasung fester Brennstoffe, bei dem der unter der Erdoberfläche
lagernde Brennstoff zunächst durch Einpressen eines über Tage wieder aufbereiteten gasförmigen Lösungsmittels
aufgeschlossen und dann durch eine chemische Reaktion mit einem Vergasungsmittel in
einen gasförmigen Brennstoff umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstofflager
durch Behandlung mit einem im überkritischen Zustand befindlichen Gas unter Tage aufgeschlossen
wird und daß aus der dabei anfallenden beladenen überkritischen Gasphase die in ihr gelösten
organischen Verbindungen sowie das enthaltene Wasser durch Druckernicirigung und/oder Temperaturänderung
über Tage in wenigstens zwei Fraktionen abgeschieden werden.
2. Verfahren nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet,
daß das im überkritischen Zustand befindliche Gas bei seinem Eintritt in das Brennstofflager
eine Temperatur von 10 bis 10.00C über seiner kritischen
Temperatur und einen Druck von 2 bis 300 bar über seinem kritischen Druck hat.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des
überkritischen Gases bei seinem Austritt aus dem Brennstofflager noch 5 bis 15° C über seiner kritischen
Temperatur liegt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittstemperatur des
überkritischen Gases in das Brennstofflager während des Aufschlusses um 2 bis 50° C gesenkt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufschluß des Brennstoffs
CO2 verwendet wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufschluß des Brennstoffs
Athan, Athen, Propan oder Mischungen dieser Gase verwendet werden.
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