DE3140028C2

DE3140028C2 - Verfahren zur Untertagevergasung

Info

Publication number: DE3140028C2
Application number: DE3140028A
Authority: DE
Inventors: Pierre 4040 Tilff Ledent
Original assignee: INST DEV GAZEIFIC SOUTERRAINE; Institution Pour Le Developpement de la Gazeification Souterraine Liege
Current assignee: Institution Pour Le Developpement de la Gazeificat
Priority date: 1980-10-13
Filing date: 1981-10-08
Publication date: 1986-09-04
Also published as: GB2086416B; FR2491945B1; DE3140028A1; FR2491945A1; NL8104624A; GB2086416A

Abstract

Bei diesem Verfahren werden folgende Schritte durchgeführt: Eine Mischung aus Sauerstoff und CO ↓2 wird in eine Lagerstätte eingegeben und dadurch die Kohle unterirdisch vergast, das CO ↓2 wird in einer Aufbereitungsanlage wiedergewonnen, das erhaltene Rohgas wird durch Zugabe von Wasser in einer Auslaßbohrung für das Vergasungsprodukt abgekühlt und das CO wird oberirdisch mittels des durch die Abkühlung gewonnenen Wasserdampfs umgewandelt, um ein wasserstoffreiches Gas zu erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untertagevergasung, bei dem das erzeugte Gas übertage in wasserstoffreiches Gas konvertiert wird, wobei der lagerstätte ein Gemisch aus Sauerstoff und einem endotherm

reagierenden Vergasungsmittel zugeführt wird und wobei das Kohlenmonoxid des untertage erzeugten, mit Wasserdampf versetzten Produkfgases übertage in Wasserstoff und Kohlendioxid konvertiert wird, wovon das Kohlendioxid abgetrennt und als Vergasungsmittel der Untertagevergasung wieder zugeführt wird. I

Ein derartiges Verfahren zur Untertagevergasung ist aus der US-PS 41 14 688 bekannt. Bei diesem bekannten I Verfahren wird oberirdisch ein Gemisch aus gasförmigem Vergasungsmittel und Wasserdampf gebildet, das anschließend der zu vergasenden Lagerstätte zugeführt wird. Hierbei tritt die Gefahr auf, daß bei den langen Transportwegen, die mit starken Änderungen der Temperatur- und Strömungsverhältnisse verbunden sind, ein Teil des Wasserdampfes kondensiert. In der Praxis wird demgemäß nur ein Beuchteil des Feuchtigkeitsgehaltes zur Vergasungsfront gelangen.

Der Erfindung liegt ausgehend von dem aus der US-PS 41 14 688 bekannten Verfahren die Aufgabe zugrunde, die Zufuhr der jeweils gewünschten Wassermenge zur Vergasungsfront sicherzustellen und gleichzeitig den energetischen Wirkungsgrad der Gaserzeugung zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als endotherm reagierendes Vergasinigsmittei nur das übertage abgetrennte Kohlendioxid eingesetzt wird, daß der Wasserdampf in bekannter Weise aus im Gegenstrom zum Rohgas in der Bohrungsleitung abwärts geführtem Wasser erzeugt und am Bohriochfuß uim Gas zugesetzt wird und daß die dem Rohgas bei der Verdampfung des Wassers untertage entzogene Wärme bei der Konvertierung übertage in nutzbarer Form zurückgewonnen wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird die Zufuhr der jeweils gewünschten Wassermenge zur Vergasungsfront dadurch sichergestellt, daß der Wasserdampf abweichend vom bekannten Verfallen nicht übertage dem Vergasungsmittel, sondern untertage dem Rohgas zugeführt wird, indem im Gegenstrom zum Rohgas in der Bohrungsleitung abwärts geführtes Wasser am Bohrlochfuß dem Gas zugesetzt wird. Die dem Rohgas hierbei durch die Verdampfung des Wassers entzogene Wärme wird erfindungsgemäß bei der Konvertierung übertage in nutzbarer Form zurückgewonnen, so daß der energetische Wirkungsgrad erheblich verbessert wird. Aus »Haus der Technik — Vortragsveröffentüchungen 424«, 1979, Seite 26, ist es zwar bekannt, als Vergasungsmittel auch Sauerstoff und Kohlendioxid sowie deren Gemische zu verwenden. Diese Druckschrift enthält jedoch keinen Hinweis auf die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte.

Auch in »Freiberger Forschungshefte«, A 112, 1959, Seiten 124, 128 ist die Verwendung von Kohlendioxid anstelle von Wasserdampf als Vergasungsmittel bei der Kohlevergasung beschrieben. Auch diese Veröffentlichung betrifft jedoch nicht die unterirdische Kohlevergasung und insbesondere nicht die Erzeugung eines wasserstoffreichen Produktgases.

Der DE-OS 28 48 361 ist lediglich die Kühlung der Austrittsbohrung für das Rohgas durch Wasser unter Dampfbildung zu entnehmen, weshalb dieser Verfahrensschritt als an sich bekannt bezeichnet worden ist. Das Kühlwasser dient bei dem Verfahren nach der DE-OS 28 48 361 jedoch nicht zur Erzeugung von Wasserdampf zwecks Schaffung eines wasserstoffreichen Gases.

Auf der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgelaäßen Verfahrens dargestellt.

Einem unterirdischen Gaserzeuger 1 wird ein Vergasungsmittel bei Normaltemperatur und erhöhtem Druck (z. B. 40 bis 50 bar) zugeführt. Das Vergasungsmittel ist eine Mischung von Sauerstoff, der in einer I.uftzerlegungsanlage 2 gewonnen wird, und CO₂, das aus der Anlage zur Behandlung des erzeugten Gases stammt. Das Rohgas kommt am Ausgang des Gaserzeugers 1 mit einer Temperatur von etwa 600 bis 900° C an. Es wird mittels einer oder mehrerer Produktgasbohrungen 3, die jeweils ein metallisches, im Gebirge einzementiertes Futterrohr und ein Steigrohr aufweisen, zur Oberfläche geführt. Das metallische Steigrohr ist am Bohrlochkopf befestigt und kann sich frei nach unten ausdehnen.

Durch eine Leitung 4 wird Wasser unter Druck in den ringförmigen Zwischenraum, der das Futterrohr vom

Steigrohr trennt, mit Hilfe einer geeigneten Steuerungseinrichtung injiziert. Dieses injizierte Wasser verdampft

bei Kontakt mit der heißen Wandung des Steigrohres. Der so erzeugte Dampf mischt sich mit dem Rohgas am

Fuß der Produktgasbohrung 3.

Die zu injizierende Vergasungsmittelmenge und Kühlwassermenge sind so eingeregelt, daß die Mischung des

Rohgases mit dem aus Kühlwasser erzeugten Dampf an der Oberfläche mit einem Druck von 15 bis 20 bar und einer Temperatur von etwa 200⁰C ankommt. Die Mischung des Rohgases mit dem Dampf durchläuft einen wärmegedämmten Zyklon 5, der den größten Teil der mitgeführten, festen Stoffe ausscheidet Danach gelangt, die Mischung in einen Wäscher 6, der das Gas mit Feuchtigkeit sättigt und feine Staubanteile und kondensierbare Kohlenwasserstoffe eliminiert.

Nach diesem ersten Aufbereitungsschritt gelangt die Mischung aus Rohgas und Dampf zu einem Verdichter 7, der die Mischung auf einen Druck von etwa 40 bis 50 bar und auf eine Temperatur von etwa 300⁰C bringt. Mit einer Leitung 8 kann der Mischung zusätzliches Wasser oder zusätzlicher Dampf zugeführt werden, um die Temperatur und den Feuchtigkeitsgehalt des Gases auf optimale Werte für die katalytische Umwandlung von CO einzustellen. Das Gas wird durch Umwandlung des größten Teils des Kohlenmonoxids mit Wasserstoff angereichert Dabei findet folgende Reaktion statt:

CO + H₂O-CO₂ + H₂(-9,8kcal/mol)

Diese Reaktion wird in Reaktoren 9 und 11 durchgeführt, in denen sich ein Katalysator befindet, der auch bei Anwesenheit von schwefelhaltigen Stoffen arbeiten kann (beispielsweise ein Katalysator auf Kobalt-Molybdänbasis). Jedem der beiden Reaktoren 9 und 11 ist mindestens ein Wärmetauscher 10 bzw. 12 nachgeschaltet. Diese führen die bei der Umwandlungsreaktion anfallende Wärme ab und erzeugen Dampf bei erhöhtem Druck (von etwa 40 bis 50 bar). Alternativ können die Reaktoren 9 und 11 und die Wärmetauscher 10 und 12 jeweils durch einen FIuidatbett-Reaktor ersetzt werden, bei dem Katalysatorpartikel von dem zu konvertierenden Gas fluidiziert werden. In dem Fluidatbettreaktor sind Röhren angeordnet, in denen Wasser zur Kühh-ng des Reaktors verdampft wird.

Nach einer abschließenden Kühlung des Gases in einer Kühlstufe 13 und dem Abführen von Wasser und von Kondensaten in einem Separator 14 wird das Gas in einen Reaktor 15 eingeleitet, wo die Abtrennung des größten Teils an CO2 und H₂S durch Waschen unter Druck mit einem geeigneten Lösungsmittel erfolgt.

Das gereinigte Gas, das sich weiterhin unter Druck befindet, wird über eine Leitung 26 in ein Verteilernetz eingespeist, oder es wird Fabriken zugeführt, wo es für chemische Synthese verwendet wird.

Das Lösungsmittel wird in einem Druckminderer 16 auf Normaldruck entspannt und durchläuft einen Separator 17, wo das flüssige Lösungsmittel mittels eines Heizkreises 18 aufgeheizt wird, so daß sich CO₂ und H₂S vom Lösungsmittel trennen. Dann werden CO₂ und H₂S einem Schwefelwasserstofftrenner 19 zugeführt, wo der größte Teil an H₂S mittels eines herkömmlichen, chemischen Verfahrens abgetrennt wird.

Das für die unterirdische Vergasung notwendige CO₂ wird in mehreren Stufen wieder auf den für die Einspeisung in die Anlage notwendigen Druck gebracht Hierzu dienen Verdichter 20 und 21 mit zwischengeschalteten Kühlstufen. Der Überschuß an CO₂ wird über eine Leitung 22 abgeführt. Pr dient anderen Verwendungszwecken oder wird in die Atmosphäre geleitet.

Die einzelnen Verdichter 7,20,21 werden durch Dampfturbinen 23,24 und 25 angetrieben, denen der in den Wärmetauschern 10 und 12 erzeugte Dampf zugeführt wird.

Durch den Ersatz eines Vergasungsmittels mit einem hohen Anteil an überhitztem Dampf durch ein Vergasungsmittel, das aus einer Mischung von Sauerstoff und Kohlendioxid besteht, die bei Normaltemperatur dem unterirdischen Vergaser zugeführt wird, wird eine Verringerung der Bohrlochdurchmesser und damit der Injektionrbohrungskosten ermöglicht

Es bleibt jedoch die Frage offen, ob diese Vorteile nicht durch eine Verringerung des energetischen Wirkungsgrades aufgezehrt werden, der gegebenenfalls zu einer Erhöhung des Gestehungspreises des erzeugten Gases führen müßte.

Auf diesen Einwand wird im folgenden eine Vergleichsstudie für die Erzeugung eines Gases mit hohem Wasserstoffgehalt nach einem klassischen Verfahren der Vergasung mittels eines Sauerstoff-Dampf-Gemisches mit der Erzeugung desselben Gase.¹, mittels des Verfahrens nach der Erfindung verglichen.

Als Beispiel wird eine Anlage mit einem unterirdischen Gaserzeuger gewählt, der bei einem Druck von 32 bar arbeitet, eine Auslaßtemperatur von 900 Grad Celsius hat und für die Erzeugung eines Gases zur Synthese von Methanol bestimmt ist, wobei das Molverhältnis H2/CO etwas oberhalb von 2 liegen kann.

Der Injektionsdruck des Vergasungsmittels wird mit 45 bar angesetzt, der nutzbare Druck des erzeugten Gases beträgt 15 bar.

Das benutzte Rechenmodell basiert auf den klassischen Gleichgewichten der Reaktionen H₂O+ C und CO₂-J-C und auf der Annahme, daß das erzeugte Methan im wesentlichen aus der Zersetzung der flüchtigen Bestandteile der Kohle stammt: Bei Anwendung dieses Modeiis auf eine Anthrazitkoh'.en-Lagerstätte mit 7% flüchtigen Bestandteilen kommt man zu den folgenden Ergebnissen:

1. Vergasung mittels eines Sauerstoff-Dampf-Gemisches
Zusammensetzung des Gases (in Volumenprozenten des Rohgases)

60

Gas roh bei 900⁰C abgekühlt bei 200°C umgewandelt aufbereitet

H₂ 36,0 36.0 46,5 46,5

333	33,5	23,0	23,0
15,5	15,5	26,0	—
36,0	36.0	46,5	46,5
2,5	2,5	2.J	2,5
12,5	62,5	52,0	—
100,0	150.0	150,0	72.0

Bei diesen Arbeitsbedingungen ist der Vergasungswirkungsgrad (spezifischer Heizwert des Rohgases/spezifischer Heizwert der vergasten Kohle) 88%. Der Vergasungsmittelverbrauch beträgt:

— 0,175 mol Sauerstoff und

— 0,407 mol Dampf pro mol des erzeugten Rohgases.

2. Vergasung mittels eines Sauerstoff-COrGemisches Zusammensetzung des Gases (in Volumenprozenten des Rohgases)

Gas

CO CO₂ H₂ CH₄ H₂O

roh bei 900⁰C	abgekühlt bei 200⁰C	umgewandelt	aufbereitet
55.0	55.0	20,0	20,0
37,0	37.0	72,0	—
5,5	5.5	40,5	40,5
2.2	2.2	2,2	2,2
0.3	50,3	15,3	—

100,0

150,0

Der Vergasungswirkungsgrad liegt bei 86%. Der Vergasur.gsmitteiverbrauch betragt:

— 0,187 mol Sauerstoff und

— 0,441 mol CO₂ pro mo! des erzeugten Rohgases.

Wenn der Vergasungswirkungsgrad und der Vergasungsmittelverbrauch auf dieselbe Produktgasmenge bezogen werden, sind die Ergebnisse bei der Vergasung mittels eines Sauestoff-Dampf-Gemisches günstiger. Berücksichtigt man die Erniedrigung des Heizwertes aufgrund der Umwandlung des Kohlenmonoxids, so ergibt sich:

Für die Vergasung mittels Sauerstoff-Dampf:

Vergasungswirkungsgrad (aufbereitetes Gas/Kohle) = 86,1 %

100 Sauerstoffverbrauch: 0.175 χ-^- = 0,243 mol/mol

100 Dampfverbrauch: 0,407 χ-^- — 0,565 mol/mol

Für die Vergasung mittels Sauerstoff/Kohlendioxid:

Vergasungswirkungsgrad (aufbereitetes Gas/Kühle) = 79,3%

100 Sauerstoffverbrauch: 0,187 χ —— = 0,298 mol/mol

Oz₁/

100 Dampfverbrauch:0,441 χ-rry = 0,703 mol/mol

Die Ergebnisse ändern sich jedoch, wenn man die gesamte Energiebilanz des Verfahrens untersucht. Tatsächlich sprechen zwei wesentliche Fakten für einen Vorteil des Sauerstoff-CO₂-Verfahrens:

1. Das Verdichten eines Mols CO₂ von 1 auf 45 bar verbraucht weniger Energie als die Erzeugung eines Mols Dampf desselben Druckes;

2. die bei der Umwandlung von CO freiwerdende Wärme ist keine verlorene Wärme, sondern eine in Form von Dampf mit einer relativ hohen Temperatur (etwa 300 bis 400 Grad Celsius) wiedergewinnbare Wärme.

Berücksichtigt man diese beiden Fakten und nimmt man einen Wirkungsgrad von 40% für die Umwandlung thermischer Energie in kinetische Energie an, so ergibt sich eine endgültige Energiebilanz, die wie folgt aussieht:

Vergasung mittels Sauerstoff-Dampf

Energieinhalt des Gases wiedergewonnene Umwandlungswärme Erzeugung von Sauerstoff und Dampf Verdichten des Gases vor der Umwandlung energetischer Wirkungsgrad

kca!/mi	Vo des spez.
aufbereites	Heizwertes
Gas	der vergasten
	Kohle
2927	86,1
+ 64	+ 13
-630	-183
-200	-53

2161

63,6

Vergasung mit Sauerstoff-CC^

kcal/mji,	% des spez.
aufbereites	Heizwertes
Gas	der vergasten
	Kohle
2927	79,3
+ 246	+ 6,6
-610	-16,5
-230	-6,2

Energieinhalt des Gases wiedergewonnene Umwandlungswärme

Erzeugung von Sauerstoff und Verdichten von COj —610 —16,5 io

Verdichten des Gases vorder Umwandlung

energetischer Wirkungsgrad 2333 63,2

Diese Ergebnisse zeigen, daß hinsichtlich des energetischen Wirkungsgrades beide Verfahren praktisch gleich sind. Diese Schlußfolgerung würde dadurch weiter verstärkt, wenn die Abtrennung von CO2 im Separator 17 bei 15 einem optimalen Druck erfolgte, der oberhalb des Normaldruckes liegt.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, alle Vorteile zu nutzen, die durch die Verwendung eines nicht kondensierenden Vergasungsmittels erhalten werden, das bei Umgebungstemperatur eingesetzt werden kann, ohne daß Nachteile hinsichtlich des energetischen Wirkungsgrades auftreten. Dieses Ergebnis wird durch Kopplung von unterirdischer Kohlevergasung, Abkühlung des Gases und 20 Umwandlung von CO erreicht. Dabei ist es möglich, den beim Abkühlen des Rohgases zwangsläufig erzeugten Dampf bei niedrigen Druck- und Temperaturbedingungen zu nutzen, um ihn wirtschaftlich im thermodynamischen Kreislauf einsetzen zu können. Weiterhin läßt sich die bei der Umwandlung freiwerdende Wärme nutzbringend einsetzen, indem Dampf hoher Temperatur erzeugt wird, der in einem Kondensationszyklus zur Erzeugung eines Teils der für den Ablauf des Verfahrens erforderlichen Energie genutzt wird. 25

Der energetische Nutzen des Verfahrens wird dadurch begünstigt, daß Kohlendioxid, welches bei der Aufbereitung des Gases anfällt, als Vergasungsmittel benutzt wird und daß das Verdichten von CO2 weniger Energie benötigt als die Erzeugung einer äquivalenten Menge an Wasserdampf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 30

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Untertagevergasung, bei dem das erzeugte Gas übertage in wasserstoffreiches Gas konvertiert wird, wobei der Lagerstätte ein Gemisch aus Sauerstoff und einem endotherm reagierenden Verga-

sungsmittel zugeführt wird und wobei das Kohlenmonoxid des untertage erzeugten, mit Wasserdampf versetzten Produktgases übertage in Wasserstoff und Kohlendioxid konvertiert wird, wovon das Kohlendioxid abgetrennt und als Vergasungsmittel der Untertagevergasung wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß als endothermes Vergasungsmittel nur das übertage abgetrennte Kohlendioxid eingesetzt wird,

ίο daß der Wasserdampf in bekannter Weise aus im Gegenstrom zum Rohgas in der Bohrungsleitung abwärts geführtem Wasser erzeugt und am Bohriochfuß dem Gas zugesetzt wird und

daß die dem Rohgas bei der Verdampfung des Wassers untertage entzogene Wärme bei der Konvertierung übertage in nutzbarer Form zurückgewonnen wird.