DE3409245A1 - Verfahren zur untertaegigen vergasung von kohle - Google Patents
Verfahren zur untertaegigen vergasung von kohleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur untertänigen Vergasung von Kohle
in Kohleflözen, bei dem ein oder mehrere Vergasungsmittel für die Vergasungsreaktion sowie Zündmittel zu deren Auslösung von der Erdoberfläche
aus durch eine Bohrung dem Flöz zugeführt werden.
Stand der Untertagevergasung von Kohle, Seminar: Eigenschaften und Reaktionen von Kohle für Untertage-Umwandlungsprozesse sowie in situ-Meßverfahren, Kurzfassung der Vorträge, Hannover 12.-14.10.1983, beschriebenen
Verfahren von einem Bohrloch ausgehend eine Abbrandzone in Richtung auf
mindestens ein weiteres Bohrloch vorgetrieben, durch welches die gas
förmigen Umsetzungsprodukte nach übertage gefördert werden. Dieses Ver
fahren wurde bereits mit Erfolg in mäßigen Teufen (>500 m) betrieben.
Seine Durchführung setzt eine gewisse Permeabilität der Kohle voraus, um den gasförmigen Produkten den Abzug bzw. Durchgang zu ermöglichen.
Während bei der Durchführung in geringen Teufen die Porosität des Deck
gebirges zu hohen Gasverlusten führt, verhindert eine mangelhafte Durch-
. IMssigkeit der Kohle eine einfache Durchführung des Verfahrens in großen
Teufen (>1000 m). In diesen Tiefen fehlen die für den Fortschritt des
Abbrandes notwendigen, als Durchlässe dienenden Klüfte (Schlechten)in der Kohle.
Mit großem und kostspieligem Aufwand wurde daher schon versucht, durch
zusätzliche Maßnahmen, wie Rißaufsprengung durch Flüssigkeitskapillarwirkung, mikrobiologische Aufschlußverfahren, flözgängige Bohrungen, eine
Auflockerung bzw. eine Erhöhung der Durchlässigkeit zu bewirken.
Eine weitere hohe Kostenbelastung dieser Untertagevergasungsverfahren ist
gegeben durch die verhältnismäßig stark ansteigenden Bohrkosten mit
zunehmender Teufe.
Vorliegender Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur untertägigen Vergasung von Kohle in Kohleflözen zu entwickeln, das unter Vermeidung der geschilderten Nachteile einen wirtschaftlichen
Betrieb gestattet.
Zur Lösung der Aufgabe werden bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art die Vergasungs- und Zündmittel durch eine in der Bohrung
koaxial angeordnete Rohrleitung bis an das Flöz herangeführt und nach Zündung der exothermen Vergasungsreaktion die Rohrleitung mit ihrer
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BASF Aktiengesellschaft -1S^- O.Z. 0050/37015
Mündung in die durch Abbrand entstehende Vertiefung im Flöz nachgeführt
und dabei Wasser zur Kühlung der Rohrmündung und zur Herabsetzung der Vergasungstemperatur
durch endotherme Teilreaktion herangeführt, so daß mit Fortschritt einer den Abbrand bewirkenden Bohrflamme ein Brennkanal
entsteht, wobei die entstehenden Vergasungsprodukte durch den Ringraum zwischen Bohrung und Rohrleitung nach Übertage geleitet werden.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden nach dem Anlegen eines
ausreichend langen Brennkanals mit Hilfe der Bohrflamme die Vergasungs- und Zündmittel durch den Ringraum an das die vorgeschobene Rohrleitung
umgebende Flözmaterial herangeführt, so daß nach erneuter Zündung der Brennkanal durch Abbrand kavernenartig erweitert wird, wobei die entstehenden
Vergasungsprodukte durch die Rohrleitung nach Übertage geleitet werden.
Einzelheiten und Erläuterungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind
anhand der Zeichnung nachfolgend beschrieben.
Es zeigen
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20
Figur 1 die Erzeugung eines Brennkanals im Flöz durch die Bohrflamme
Figur 2 die kavernenartige Erweiterung des Brennkanals.
Wie Figur 1 veranschaulicht, werden durch eine in einer Tiefbohrung 1
koaxial angeordnete Rohrleitung 2 sowohl ein ader mehrere Vergasungsmittel
S wie Luft, Sauerstoff und Wasser für die Vergasungsreaktion als auch Zündmittel Z wie z.B. gerolltes und Übertage gezündetes Salpeterpapier
zur Auslösung der Vergasungsreaktion bis an das Flöz 3 herangeführt.
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Nach Zündung der exothermen Vergasungsreaktion entsteht durch Abbrand
eine Vertiefung im Flöz, in die die Rohrleitung mit ihrer Mündung 4 oder
einer aufgesetzten Düse mit der sich ausbildenden Bohrflamme nachgeführt wird, so daß mit fortschreitendem Abbrand ein Brennkanal 5 entsteht. Die
dabei erzeugten Vergasungsprodukte V werden durch den Ringraum 6 zwischen Bohrung und Rohrleitung nach Übertage geleitet.
Zur Kühlung der Rohrmündung 4 bzw. Düse wird dem Vergasungsmittel Wasser W zugesetzt. Ohne den Wasserzusatz entstehen - z.B. bei Einsatz
von reinem Sauerstoff - sehr rasch hohe Temperaturen ( 20000C), so daß
das Material der Rohrmündung bzw. der Düse schmelzen würde. Einerseits
kann durch Beimischung geeigneter Wassermengen unter Ausnützung der
BASF Aktiengesellschaft - 1 " , Ο·ζ· 0050/37015
Endothermie der Umsetzung zwischen Kohle, und Wasser gemäß der chemischen
Gleichung
C + H2O-^CO + H2- 31,4 [kcal/mol]
eine Absenkung der Reaktionstemperatur erzwungen werden. Zum anderen kann
bei Einspeisung der gasförmigen Vergasungsmittel mit hoher Austrittsgeschwindigkeit
(bis etwa Schallgeschwindigkeit) der Abstand zwischen Abbrandfront und Rohrmündung bzw. Düse vergrößert werden, wobei gleichzeitig
noch eine schärfere Ausbildung der Bohrflamme und eine lokale Konzentration des Abbrandes erreicht wird, was die Ausbildung eines
engeren Brennkanals und damit einen rascheren Vortrieb bewirkt. Durch diese Maßnahmen kann ohne weiteres eine Absenkung der Reaktionstemperatur
auf Temperaturen unterhalb 15000C und eine Vorverlegung der heißen
Flammenspitze in Bezug auf die Düse erreicht werden, wodurch keine Gefahr für das Schmelzen des Rohr- bzw. Düsenmaterials mehr besteht.
Als Rohr- und Düsenmaterial eignen sich übliche feuer- und oxidationsfeste
Materialien wie Asbest, Schamotte, Sillimanit, Magnesit, Chromit.
Die Rohrleitung kann sowohl als starre wie auch als flexible Anordnung
ausgebildet sein. Im letzteren Fall wird die Rohrleitung in einer etwa
senkrechten Bohrung von der Erdoberfläche aus niedergebracht, dann dem Verlauf des Kohleflözes entsprechend an einer Stütz- und Ablenkeinrichtung
7 abgebogen und dem fortschreitenden Abbrand folgend vorangetrieben. Es genügt im allgemeinen, nur den vorderen Abschnitt der Rohrleitung
flexibel auszubilden, dessen Länge bestimmt ist durch die vorgesehene Länge des Brennkanals.
Der Brennkanal ist je nach Betriebsweise teils sehr glatt und sauber an
seiner inneren Oberfläche und weist einen Durchmesser auf, der nur wenig größer als der äußere Durchmesser der Rohrleitung ist. Teils ist er von
merklich größerem Durchmesser und auch stark zerklüftet. Letzteres ist der Fall bei überwiegender Verwendung von Luft als Oxidationsmittel. Der
erstere Fall entspricht dagegen dem Einsatz von Sauerstoff, wobei Vortriebsgeschwindigkeiten
von mehreren Metern je Stunde erreicht werden.
Beim Abbrand verbrennen sowohl der Kohlenstoff der Kohle als auch die
Teeranteile. Letztere entweichen infolge der hohen Temperatur zunächst
als gasförmige Schwelprodukte und werden schließlich zum Teil oxidativ umgesetzt. Dadurch verbleibt eine konzentrische koksartige Zone um den
Brennkanal. Diese Kokszone hat gewöhnlich eine Ausdehnung vom 3- bis 5-Fachen des Brennkanaldurchmessers und weist eine hohe Porösität auf.
; · 3 4 O 9 2 A
BASF Aktiengesellschaft -K.- O.Z. 0050/37015
Diese hochporöse Zone hat Bedeutung für den Abzug der Vergasungsprodukte,
die sowohl durch den Ringraum zwischen Rohrleitung und Brennkanalwandung
als auch durch die porösen Kohlepartien entweichen.
Nach dem Anlegen eines genügend langen Brennkanals, beispielsweise mit
einer Länge von 10 bis 20 Metern, wird die Arbeitsrichtung in Bezug auf die Gasströme umgekehrt; d.h. die gebildeten Vergasungsprodukte werden
dann durch das Innere der Rohrleitung nach Übertage geleitet, während die
Vergasungsmittel einschließlich Wasser - dieses gegebenenfalls in Form
von Dampf - durch den Ringraum 6 zugeführt werden (Figur 2). Das die Rohrleitung umgebende Flözmaterial wird am Anfang des Brennkanals 5
gegebenenfalls erneut gezündet, so daQ sich die Abbrandfront um die von
Übertage in das Kohleflöz niedergebrachte Bohrung ausdehnt. Die gasförmigen
Umsetzungsprodukte entweichen aus der Abbrandzone durch den Brennkanal und schließlich durch die koaxiale Rohrleitung nach Übertage.
Hierdurch bildet sich eine kavernenartige Erweiterung 8 des Brennkanals bzw. um das Bohrloch von Übertage aus. Durch Anlegen verschiedener Brennkanäle
radial zur Bohrung 1 können durch Stützpfeiler getrennte Abbaukavernen gebildet werden. Auf diese Weise wird den gebirgsmechanischen
Festigkeitserfordernissen entsprochen, um ein unerwünschtes Hereinbrechen des Hangenden zu vermeiden.
Das Verfahren nach der Erfindung umgeht zwei wesentliche Schwierigkeiten
des herkömmlichen Vorgehens zur Untertagevergasung, indem es grundsätzlich mit einer Bohrung von übertage auskommt und durch die Brennkanaltechnik
mittels Flammbohren nicht auf eine vorgegebene Porösität der Kohle als Voraussetzung für den Abbrand angewiesen ist. Das Verfahren
eignet sich daher ganz besonders für die AufschlieQung der in großen
Teufen (1500 bis 5000 m und gegebenenfalls noch tiefer) lagernden Steinkohle.
Die nachfolgenden Beispiele veranschaulichen das erfindungsgemäße Verfahren.
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Ein Steinkohlenwürfel von etwa 10 cm Kantenlänge wird auf seiner Oberfläche
mit einer Gasflamme erhitzt, wobei sich eine Vertiefung von etwa 20 mm Durchmesser ausbildet. In diese Vertiefung wird ein Sauerstoffstrom
von 180 l/h, dem Wasserdampf entsprechend 190 g/h flüssigem Wasser zugemischt ist, durch eine Quarzglasdüse von 1 mm lichter weite und aus
BASF Aktiengesellschaft - \ - _ O.Z. 0050/37015
einer Entfernung von etwa 15 mm gelenkt. Am Boden der Vertiefung leuchtet
die Kohle weißglühend auf. Der oberflächennahe Teil der Vertiefung erscheint in einem helleren bis dunkleren Rot.
Bei stationärer Beschickung der Düse mit Sauerstoff und Wasserdampf wird
die Rohrleitung mit der Düse langsam und stetig in den entstehenden Brennkanal gesenkt. Nach 6 Minuten ist der Kohleblock.in seiner ganzen
Länge durchbohrt. Der Brennkanal ist sehr glatt an seiner Wand und hat einen nur geringfügig größeren Durchmesser (etwa 10 mm) als die Düse bzw.
die Rohrleitung. Die Quarzdüse bleibt unter diesen Betriebsbedingungen unbeschädigt.
Betrieb in der gleichen Weise wie in Beispiel 1. Als Oxidationsmittel
wird anstelle von Sauerstoff 900 l/h Luft zugeführt, welcher 200 g/h
Wasser in Form von Dampf zugemischt wird. Nach etwa 1/4 Stunde ist der
Kohleblock durchbohrt. Das entstandene Loch ist unregelmäßig und in der Wand zerklüftet. Der Durchmesser ist mit 20 bis 25 mm wesentlich größer
als beim Durchbrennen mit einer Sauerstoffflamme.
Ein in etwa 300 m Teufe befindliches und etwa waagrecht verlaufendes
Kohleflöz von 1,60 m Mächtigkeit wird über eine vertikale Bohrung von 200 mm Durchmesser angebohrt. Bis zum Flöz ist die Bohrung mit einem
Stahlrohr ausgekleidet- In diesem Rohr verläuft eine weitere stählerne Rohrleitung von 100 mm lichter Weite, die am unteren Ende in eine
flexible Schlauchleitung aus Asbestgeflecht mündet und mit einer keramisehen
Düse aus Schamotte abschließt. Durch eine Ablenkvorrichtung im Flöz gemäß Figur 1 wird die Düsenöffnung gegen die Kohle gerichtet. Nach
Füllen der Anlage mit Sauerstoff wird ein übertage gezündetes Bündel aus
gerolltem Salpeterpapier durch die innere Rohrleitung nach Untertage befördert. Das brennende Bündel bewegt sich nicht nur im freien Fall,
sondern wird durch die am oberen Ende entweichenden Verbrennungsgase schubartig beschleunigt. Bereits nach wenigen Sekunden hat das brennende
Bündel .den Kohlenstoß erreicht, wobei die Kohle sofort oberflächlich
erhitzt wird. Der gleichzeitig durch die innere Rohrleitung nachströmende
Sauerstoff von mehreren Kubikmetern pro Stunde erzeugt eine gerichtete Flamme, die eine Vertiefung bildet. Unmittelbar darauf wird stündlich der
Sauerstoff bis auf 600 m-'/h erhöht und außerdem Dampf mit 475 kg/h dem
Sauerstoffstrom zugemischt. Die abgelenkte Rohrleitung kann mit einer Ge-
schwindigkeit von etwa 10 m/h in den Brennkanal eingesenkt bzw. vorgeschoben werden. Aus der Bohrung entweicht eine Gasmenge von stündlich
etwa 3000 m3. Das Gas zeigt die folgende Zusammensetzung
| CO2 | 17,1 Vol.-X |
| C=C | 1,9 |
| O2 | 0,5 |
| CO | 27,0 |
| H2 | 46,5 |
| KW | 3,5 |
| N2 | 3,5 |
und hat einen Heizwert von etwa 2570 kcal/Nm3.
Beispiel 4
Nach zweistündigem, stationärem Betrieb gemäS Beispiel 3 hat die vorangeschobene
Rohrleitung einen Brennkanal von etwa 20 m Länge erzeugt. Es wird nun - nach zwischengeschalteter Spülung des gesamten Gasweges mit
Stickstoff - die Strömungsrichtung der Gase umgekehrt. Hierdurch verlagert sich die Abbrandfront in Richtung auf den Anfang des Brennkanals,
so daß im allgemeinen keine erneute Zündung von übertage erforderlich
wird. Das jetzt durch den Ringraum der Bohrung eingeführt Oxidationsgemisch wird langsam steigernd auf etwa 1500 m3/h Sauerstoff und
1200 kg/h Dampf erhöht. Aus der Rohrleitung strömen jetzt stündlich etwa 7500 m3/h Gas von vergleichbarer Analyse und Heizwert wie in Beispiel
Zeichn.
30
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Claims (2)
1. Verfahren zur untertägigen Vergasung von Kohle in Kohleflözen, bei
dem ein oder mehrere Vergasungsmittel für die Vergasungsreaktion sowie Zündmittel zu deren Auslösung von der Erdoberfläche aus durch
eine Bohrung dem Flöz zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergasungs- und Zündmittel (S1 Z) durch eine in der Bohrung (1)
koaxial angeordnete Rohrleitung (2) bis an das Flöz (3) herangeführt werden und nach Zündung der exothermen Vergasungsreaktion die Rohrleitung
mit ihrer Mündung (4) in die durch Abbrand entstehende Vertiefung im Flöz nachgeführt und dabei Wasser (W) zur Kühlung der
Rohrmündung und zur Herabsetzung der Vergasungstemperatur durch endotherme Teilreaktion herangeführt wird, so daß mit Fortschritt der
den Abbrand bewirkenden Bohrflamme ein Brennkanal (5) entsteht, wobei die entstehenden Vergasungsprodukte (V) durch den Ringraum (6) zwischen
Bohrung und Rohrleitung nach Übertage geleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem
Anlegen eines ausreichend langen Brennkanals (5) die Vergasungs- und Zündmittel (S, Z) durch den Ringraum (6) an das die vorgeschobene
Rohrleitung (2) umgebende Flözmaterial herangeführt werden, so daß nach erneuter Zündung der Brennkanal durch Abbrand kavernenartig
erweitert wird, wobei die entstehenden Vergasungsprodukte (V) durch die Rohrleitung nach Übertage geleitet werden.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8130 | Withdrawal |