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Verfahren zur Erzeugung brennbarer Gase durch Ent- und Vergasen von
Brennstofflagerstätten unter Tage Die Erfindung betrifft ein Verfahren zurr Erzeugung
brennbarer Gase durch Ent- und Vergasen von Brennstofflagerstätten unter Tage, beispielsweise
Kohlen- oder Schieferklötze, am Ort, d. h. an ihrer natürlichen Lagerstätte.
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Es ist bekannt, in unterirdischen Brennstofflagerstätten, beispielsweise
Kohlen- oder Schieferfläze, durch Hinabpressen von Luft oder Sauerstoffgas die Bildung
von insbesondere brennbaren Gassen hervorzurufen, wobei der auf diese Weise erhaltene
gasförmige Brennstoff durch in den Erdboden und in das Brennstoffvorkommen niedergebrachte
Bohrlöcher über Tage geleitet wird. Das Niederbringen der Bohrlöcher für die Zufuhr
von Sauerstoff und für das Herauffördern und Sammeln des gasförmigen Brennstoffes
war bisher mit großen Kosten verbunden, weil die Bohrlöcher eine genügende Größe
für das Durchführen manueller Arbeiten abwärts und :entlang den Brennstofflagerstätten
erhalten mußten. Die Kosten steigen mit zunehmender Tiefe, und das Verfahren ist
praktisch schwer durchführbar, wenn die Brennstofflagerstätten in übereinanderliegende,
durch nicht brennstofführende Gesteins- oder Erdschichten voneinander getrennte
Zonen aufgeteilt sind.
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Die Brmnstofflagerstätten, beispielsweise Kohlenflöze, können in lotrechter
Richtung eine' so geringe Mächtigkeit haben, daß sie sich nur bearbeiten
lassen,
wenn über oder unter -ihnen liegende Schichten nicht brennbaren Materials weggeschafft
werden.. Es leuchtet ein, daß sich ein Graben oder Aussprengen von Stellten in der
Flächenerstreckung solcher Ablagerungen besonders teuer und deswegen unwirtschaftlich
stellt.
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Die Erfindung weist nun zur Beseitigung dieser Nachteile einen Weg;
den Kaloriengehalt dieser Brennstoffvorkommen meiner arbeitssparenden und - daher
vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt aus günstigen Weise zu gewinnen, selbst wenn
die brennstofführenden Lagerstätten tief unter der Erdoberfläche liegen oder nur
.eine geringe Mächtigkeit haben. Erfindungsgemäß besteht das Verfahren darin, daß
ein Teil der Brennstofflagerstätte mittels elektrischer Erhitzung in einen gasdurchlässigen
Zustand gebracht, daß dann Sauerstoff (Luft) durch diese gasdurchlässige Brennstoffschicht
geleitet -wird und daß die durch unvollständige Verbrennung erzeugten Gase abgeleitet
werden. Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung werden von der Erdoberfläche
aus gruppenweise lotrechte Bohrlöcher niedergebracht, von denen ein Teil mit elektrischen
Heizkörpern versehen- wird und zur Einführung von Sauerstoff (Luft) dient, wobei
durch den anderen Teil der Bohrlöcher die sich infolge der hierbei einsetzenden
unvollständigen Verbrennung bildenden Gase .abgezogen werden.
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In &z Zeichnung sind einige Ausführungs-Beispiele der Erfindung
schematisch dargestellt. Es zeigt Fig. r einen lotrechten Schnitt durch eine Bodenpartie
bzw. eine Gesteinsformation mit einer Anlage zur Durchführung der Gasgewinnung gemäß
der Erfindung, Fg. 2 bis 5 vier verschiedene Anordnungen der Ent- und Vergasungsanlage
von oben gesehen in verkleinertem Maßstab.
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In der Fig. i sind drei Brennstoffschichten io; 12 und 14, z. B. Kohlenflöze,
dargestellt, die in größerer oder geringerer Tiefe unter der Erdoberfläche liegen
und durch Schichten 16 und 18 nicht brennbaren Materials voneinander getrennt sind.
In den Erdboden sind lotrechte Bohrlöcher --o und 26 niedergebracht, von denen die
mit 2o bezeichneten Bohrlöcher mit an ein Stromnetz 2q.-angeschIossenen elektrischen
Heizkörpern 22 versehen sind. Die Bohrlöcher 26 sind offen und: oben an ein RohrleitUngssystem
28 angeschlossen.
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Die Bohrlöcher 2o mit den elektrischen Heizkörpern 22 sind zweckmäßig
in Gruppen von je sechs um ein gemeinsames Gasaustrittsbohrloch 26 herum angeordnet,
wie aus den Fig. 2 bis 5 ersichtlich ist. Die -Ausbildung und Herstellungsart der
Bohrlöcher 20 und 26 und der elektrischen Heizkörper 22 ist an sich bekannt und
bedarf daher im `vorliegenden Zusammenhang keiner Beschreibung im einzelnen. Die
von den Bohrlöchern 20 und 26 gebildeten Bohrlochgruppen sind erfindungsgemäß zu
einer von oben gesehen langgestreckten Figur zusammengestellt, z. B. mit nur ,einer
Reihe GasaustrittsbohrlöcheM 26, die von Heizkörperbohrlöchern 2o umgeben sind.
Solche Gruppenreihen können .sich gemäß der Fig. 2 in gerader Richtung oder gemäß
der Fig.3 in einer eine oder mehrere Schlingen bildenden Richtung oder aber auch
gemäß der Fig. q. in, einer eine hufeisenförmige Figur bildenden Richtung erstrecken.
Wesentlich ist nur, .daß die Bohrlochgruppen eine zusammenhängende Kette mit im
Verhältnis zu ihrer waagerechten Erstreckung geringer Breite bilden.
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Bei .der Einleitung des Gewinnungsprozesses wird zunächst ,den Heizkörpern
22 elektrische Energie zugeführt. Die Heizkörper 22 sind läerbei derart ausgebildet,
daß Wärme nur in den: Höhenlagen abgegeben wind, in denen das oder die Brennstoffvorkommen
liegen. Diese Zuführung von Wärme auf ,elektrischem Wege hat zur Folge, daß die
in der Erhitzungszone der Lagerstätte befindlichen brennbaren Substanzen .durch
Trockendestillation in Gasform aus ,dem Brennstoffvorkommen entweichen, wobei gleichzeitig
ein Koksrückstand zurückbleibt. Die brennbaren Gase entweichen durch die Bohrlöcher
26 und werden von dem Leitungssystem 28 aufgefangen und gesammelt. Die ,elektrische
Erhitzung des Brenm;stofivorkommens hat nun weiterhin zur Folge, daß dieses in waagerechter
Richtung porös b,zw. gasdurchlässig wird, und zwar innerhalb eines Brennstoffstranges
oder -streifens, der in den Fig. 2 biss 5 mit 3o bezeichnet ist und der
im Verhältnis zu .seiner Breite eine große Länge aufweist.
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Nachdem die auf ,elektrischem Wege durchgeführte Entgasung beendet
ist, wird durch einen oder einige der Bohrlöcher 26 unter Druck Luft oder Sauerstoff
in das oder die Brennstoffvorkommen hineingepreßt. Infolge der Porosität des Brennstoffstranges
30 ,ach ,der Entgasung dessielben mittels .der elektrischen Erhitzung durchdringt
Luft bzw. Sauerstoff den Brennstoffstrang 3o, wobei unter weiterer Gasbildung eine
unvollständige Verbrennung der noch im Kokslager verbliebenen brennbaren Stoffe
stattfindet. Die hierbei sich bildenden brennbaren Gase werden durch ein oder mehrere
der hierfür in passendem Abstand von den Sanerstoffzuführungsbohrlöchern vorgesehenen
Bohrlöcher 26 abgezogen. Während dieses unvollständigen Verbrennungsprozesses bildet
sich nun Wärme, die sich auf die Seitenpartlen des Brennstoffstranges 3o ausbreitet
und dazu führt, daß die Entgasung des Brennstoffvorkommens weiter fortschreitet,
wobei sich der poröse Brennstoffstrang 30 ständig seitwärts weiter ausbreitet. Nach
einer gewissen Zeit wird der Brennstoffstrang 3o dann den in den Fig.2 bis q. gestrichelt
angedeuteten Umfang 32 angenommen haben.
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Erfindungsgemäß braucht somit nur ein Teil der brennstoffhaltigen
Lagerstätte elektrisch erhitzt zu werden, während deren übrigeir, größerer Teil
während der nachfolgenden Einleitung von Sauerstoff oder Luft vergast wird. Diese
nachfolgende Vergasung wird ermöglicht durch die vorhergehende elektrische Erhitzung
und ist bedingt durch die durch unvollständige Verbrennung entstehenden chemischem.
Reaktionen. Für die Durchführung des Verfahrens sind keinerlei manuelle Arbeiten
unter
Tage erforderlich. Das Verfahren gestattet somit in wirtschaftlich
tragbarer Weise die Ausnutzung von Brennstofflagerstätten auch selbst dann, wenn
dieselben verhältnismäßig dünn und in großer Tiefe gelegen sind.
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Bei der Ausführungsfarm gemäß der Fig. 5 wird einer Gruppe von Heizkörpern,
die mittels der gestrichelter Linie 3 ¢ abgegrenzt ist, elektrische Energie zugeführt.
Die Stromzuführung zu den einzelnen Heizkörpern kann hierbei nacheinander eingeschaltet
werden, so @daß beispielsweise der Heizkörper 36 bereits ioo Tage eingeschaltet
war, bevor die Einschaltung des Heizkörpers 38 vorgenommen wird. Die Einschaltung
der zwischen den beiden Heizkörpern 36 und 38 angeordneten Heizkörper erfolgt zweckmäßig
mit gradweise zunehmenden Einschaltungszeiten. Auf diese Weise erhält man einen
in seiner Längsrichtung langsam anwachsenden Strang poröser Brennstoffmasse. Nachdem
die elektrische Entgasung im wesentlichen abgeschlossen. ist, z. B. nach i 5o Tagen,
werden einige der Gasawstrittsbohrlöcher in der Gruppe 3q., von denen einer mit
¢o bezeichnet ist, statt an die Gas.sammelleitung 28 an die Zuführungsorgane für
Sauerstoff oder Luft angeschlossen. Inzwischen geht die elektrische Erhitzung außerhalb
der Gruppe 34 in der Längsrichtung ,derselben. weiter, und auch in diesem Erhitzungsbereich
.erfolgt dann zu gegebener Zeit die Vergasung mittels Sauerstoff- bzw. Luftzufuhr.
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Brei der der elektrischen Erhitzung folgenden Vergasung mittels Sauerstoff
bzw. Luft wird durch Vermittlung der Reaktionswärme auch bei dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 5 die Brennstoffschicht zu beiden Seiten der mittels der elektrischen Erhitzung
porös ;gemachten Zone erwärmt. Der porös gemachte Teil des Brennstoffvorkommens,
in welchem die Gasbildung und Gewinnung stattfindet, breitet sich @demzufolge ständig
weiter seitwärts, aus und erreicht ,nach einer gewissen Zeit einen Umfang, der etwa
der gestrichelten Linie qz der Fig. 5 entspricht. Der Teil des Brennstoffvorkommens,
in welchem die elektrische Erhitzung stattfindet, hat dann etwa dein durch die gestrichelte
Linie ¢ 1 gekennzeichneten Bereich erreicht.
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,Wie :die Fig. 5 zeigt, ist der außerhalb des Teils 30 liegende, in
Vergasung befindliche Teil des Brennstoffvorkommens zu Anfang verhältnismäßig schmal,
wird aber dann immer breiter. Durch Einschalten einer entsprechenden Anzahl Abzugsbohrlöcher
26 in den letzten breitesten Teil der Entgasungszone und durch Einführen von Sauerstoff
m eine entsprechende Anzahl Bohrlöcher in dem vorderen schmalen Teil der Vergasungszone
läßt sich tdie Vergasung so, steuern, daß der Prozeß sich unter günstigen Temperaturverhältnissen
abspielt.
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Das Wärmieleitvermögen der Brennstoffschicht bestimmt die Geschwindigkeit
der seitlichen Ausbreitung der erhitzten Zone, wobei die durch die Wärmeleitung
übermittelte Wärmemenge durch die Reaktionstemperatur bestimmt wird. Da die Reaktionstemperatur
mit Hilfe der Sauerstoffzufuhr verändert werden kann, kann demzufolge auch die Geschwindigkeit
der seitlichen - Ausbreitung der erhitzten Zone den jeweils günstigsten Verhältnissen
angepaßt werden. Die Bohrlöcher 26 können hierbei wechselweise mit den Leitungen
für die Zufuhr von Sauerstoff bzw. Verbrennungsluft wie auch mit .den Gassam@melleitungen
verbunden werden, wodurch Beine der Steuerung der in der Brennstoffmasse vor sich
gehenden chemischen Reaktionen dienende Wechselwirkung von Begichtung mit Sauerstoff
und Vergasung erzielt wird.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die vorstehend beschriebenen
und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele begrenzt, :so,ndern im weitesten
Sinne innerhalb des Rahmens des ihr zugrunde liegenden Erfindungsgedankens abwandelbar.
Die. elektrische Erhitzung braucht z. B. nicht unbedingt so weit getrieben werden,
daß eine Gasbildung im Brennstoffvorkommen eintritt. Die Erhitzung kann vielmehr
auch darauf beschränkt bleiben, daß lediglich eine Verdampfung der im Brennstoffvorkommen
vorhandenen Feuchtigkeit stattfindet. Diese Verdampfung der Feuchtigkeit ist schon
ausreichend, um die für die nachfolgende Sauerstoffzufuhr und .den Abzug der brennbaren
Gase erforderliche Parösität im Brennstoffvorkommen hervorzubringen. Günstig wirkt
sich auch die durch die Erhitzung hervorgerufene Wärmeausdehnung des Gesteins im
Brennstoffvorkommen aus, die sich insbesondere auf die nächste Umgebung der Heizkörper
erstreckt. Es ist zweckmäßig, vor allem ,an dem oder den Bohrlöchern, .durch welche
später Sauerstoff zugeführt werden soll, die elektrische Erhitzung so weit zu treiben,
daß der Brennstoff beim Einsetzen der Sauerstoffzufuhr von selbst enzündet. Durch
die in dieser Weise ermöglichte Begrenzung der Erhitzung während der ersten Behandlungsstufe
ergibt sich ein besonders geringer Verbrauch an elektrischer Energie.