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Verfahren zur Gewinnung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe aus
bituminösen Schieferlagern oder anderen brennstoffhaltigen geologischen Formationen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe
aus bituminösen Schieferlagern oder anderen brennstoffhaltigen geologischen Formationen
am Ort.
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Es ist bereits bekannt, durch Aufspaltung der im Gestein bituminöser
Schieferlager oder anderer brennstoffhaltiger geologischer Formationen vorhandenen
organischen Verbindungen am Ort, d. h. an der natürlichen Lagerstätte des Gesteins,
Öl in Form von ölhaltigen Gasen oder Dämpfen zu bilden. Die Aufspaltung der im Gestein
vorhandenen organischen Verbindungen und damit die Bildung des Öles erfolgt hierbei
mittels Erhitzung des Gesteins am Ort. Im Zusammenhang mit diesem Verfahren wurde
früher vielfach der Ausdruck »Tieftemperaturverkokung« gebraucht, der jedoch, weil
nicht völlig zutreffend, heute in Fachkreisen durch den Ausdruck »Pyrolyse« ersetzt
ist. Unter dem nachfolgend gebrauchten Ausdruck »Pyrolyse« ist demzufolge die Bildung
ölhaltiger Gase oder Dämpfe im Gestein durch Erhitzung desselben zu verstehen.
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Bei der Herstellung bzw. Gewinnung von Öl und Gasen aus bituminösen
Schieferlagern oder anderen brennstoffhaltigen geologischen Formationen unter Pyrolyse
am Ort ist ferner bereits bekannt, das Gesteinslager auf elektrischem Wege zu erwärmen,
um
-die Temperatur zu erreichen, bei der im Lager eine Pyrolyse einsetzt. Bekannt ist
auch, flüssige oder gasförmige Brennstoffe aus Steinkohle oder anderen brennbaren
Materialien unter Mitwirkung von Sauerstoffgas zu gewinnen, das an geeigneten Stellen
in die geologischen, brennstoffhaltigen Formationen hineingepreßt wird. Vorgeschlagen
wurde nun. bereits, mittels des elektrothermischen Erwärmungsverfahrens in einem
brennstoffhaltigen Gesteinslager zunächst einen schmalen porösen Strang oder Streifen
in der Flächenerstreckung des Lagers zustande zu bringen und dann diesen gasdurchlässigen
Strang oder Streifen dazu auszunutzen, Sauerstoff in das Lager einzuleiten und dadurch
eine Verbrennung seiner übrigen brennbaren Teile zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß hat es sich als möglich erwiesen; Durchlässe durch
beispielsweise ein Schieferlager für das Sauerstoffgas und für die zu gewinnenden
Verbrennungsprodukte durch das bloße Zuführen von Sauerstoffgas zum Lager zu schaffen.
Die Erfindung gründet. sich hierbei auf die Beobachtung, daß ein unter ein Schieferlager
mit entsprechendem Druck gepreßtes Gas das Lager urn einige Millimeter zu heben
vermag, und zwar über einen größeren Bereich um die Zuführstelle herum. Die Erfindung
ist demzufolge im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoffgas in das
Lager an seiner natürlichen Lagerstätte unter Druck solcher Größenordnung hineingepreßt
wird, daß das Lager oder ein Teil von ihm gehoben wird, wodurch in der Flächenerstreckung
des Lagers ein Spalt entsteht, der ein Ausbreiten des Sauerstoffgases und damit
ein Fortpflanzen der Verbrennung in dieser Richtung innerhalb weiter Bereiche gestattet.
Falls in dem Brennstoffhaltigen Lager bereits Spalten vorhanden sind, die mit Wasser
angefüllt sind, wird dieses durch den hohen Gasdruck verdrängt.
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Die Erfindung soll nachstehend an Hand eines in der Zeichnung mehr
oder weniger schematischen und beispielhaften Querschnittes durch übereinander gelagerte
Gesteinsformationen, in denen Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens angebracht
sind, näher beschrieben werden. .
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Ein Lager von Ölschiefer 2 ruht auf einem Bett 3 einer unbrennbaren
geologischen Formation. Das Schieferlager 2 kann von einer Schicht aus beispielsweise
Kalkstein q. überlagert sein. Durch das Kalksteinlager q. und das Schieferlager
2 sind Löcher gebohrt, und zwar in einer Anzahl, die von der Größe der auszubeutenden
Fläche bestimmt sind. In der Zeichnung sind vier, mit 5 bis 8 bezeichnete Löcher
dargestellt. In sämtliche Löcher sind Rohre 9, io, ii und 12 eingelassen, wobei
zwischen ihrer Außenwand und der Lochwand, wie bei 13 angedeutet, eine fest gestampfte
Sandschicht vorgesehen ist.
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Die Rohre 9 und 12 sind für die Zuleitung bzw. Wegleitung von Gas
zum bzw. vom Gestein bestimmt und deswegen mit Packungsflanschen 14, .25 versehen,
welche den unter ihnen gelegener' Teil der Löcher freilassen und zusammen mit der
darüber befindlichen Sandschicht diesen Teil der Löcher nach oben abdichten. Die
Packung. 1q. ist an die untere Grenze des Schieferlagers :2 verlegt, die Packung
25 dagegen an dessen obere Grenze. Das Rohr 9 ist zweckmäßig mit einem Manometer
18 zur Beobachtung des Überdruckes versehen, der im Rohr herrscht, wenn Sauerstoffgas.
durch das Rohr unter das Schieferlager 2 gepreßt wird. In den Rohren io und i i
sind elektrische Heizwiderstände 17 runtergebracht, die zusammen mit dem zugehörigen
Rohr über Leiter 15 und 16 in einen Wechselstromkreis eingeschaltet sind.
Die Widerstände 17, die im unteren Teil der Rohre bzw. des Schieferlagers
untergebracht sind; haben zur Aufgabe, das Schieferlager 2 örtlich zu erwärmen.
Sie können durch gasbeheizte Heizkörper ersetzt werden.
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Die Pyrolyse wird so eingeleitet, daß eine kleinere Zone des Schieferlagers
2, die durch die gestrichelte Linie i9 angedeutet ist, in der angegebenen Weise
oder aber auch beispielsweise mittels überhitzten Dampfes erwärmt wird, bis eine
Temperatur von beispielsweise 25o ° oder darüber erreicht ist. Danach oder aber
auch bereits vorher wird Sauerstoff in Gas- oder flüssiger Form in die Leitung 9
eingelassen, und zwar unter einem Druck, der den dem Gewicht der Kalksteinschicht¢
und des Schieferlagers 2 entsprechenden statischen Druck übertrifft. Da Schieferlager
und andere sedimentäre geologische Formationen sich leichter in waagerechter als
in sonstiger Richtung spalten, entsteht ein im wesentlichen waagerechter Spalt2o,
der sich über einen großen Bereich um die Einleitstelle herum ausweitet, wobei die
oberhalb des Spalts liegenden Gesteinsmassen um z. B. einige Millimeter, je nach
der Menge bzw. dem Druck des hineingepreßten Sauerstoffgases, angehoben werden.
Sobald der Spalt 2o die Wärmezone i9 erreicht hat, strömt zu dieser Sauerstoffgas,
in welchem sich die bereits erwärmten brennbaren Bestandteile des Schiefers dann
entzünden, wodurch der Verbrennungsvorgang mit einer von der Sauerstoffgaszufuhr
geregelten Intensität eingeleitet wird.
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Bei Temperaturen zwischen 3oo und 40d" tritt eine Pyrolyse der bituminösen
Substanzen ein, während welcher brennbare Gase, zur Hauptsache Kohlenwasserstoffe,
gebildet werden. Diese Gase suchen mit Hilfe des dabei entstehenden Gasdruckes den
Schiefer in verschiedenen Höhenlagen zu spalten. Sie strömen dabei hauptsächlich
in waagerechter Richtung und werden an geeigneten Stellen, in der Zeichnung beispielsweise
durch den unterhalb des Rohres 12 ausgebildeten Abzugskanal 2i, abgeleitet. Die
Ableitung der Gase aus dem Schieferlager 2 und ihre weitere Verwertung erfolgt zweckmäßig
im wesentlichen- nach den Richtlinien für die bekannte elektrothermische Schieferölherstellung.
Nach dieser Entgasung wird der im Schiefer verbliebene Koksrückstand mit Hilfe des
zugeführten Sauerstoffes verbrannt, wobei sich im wesentlichen Kohlensäure bildet
Lind
die Temperatur auf beispielsweise 5o0'°' ansteigt. Die strichpunktierte
Linie 22 bezeichnet eine durch fortgesetzte Verbrennung erweiterte Wärmezone, und
die Pfeile 23 deuten die Strömungsrichtung der Gase zwischen den Spalten des Schiefers
an.
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Es leuchtet ein, daß - abgesehen von der Einleitungsstufe des Verfahrens
- der unter das Schieferlager :2 gepreßte Sauerstoff zunächst mit dem Schieferkoks-
itr Berührung kommt, wobei dieser fast restlos zu Kohlensäure verbrennt, die ihrerseits
dann diejenige Schicht des Schiefers durchdringt, in welcher die Pyrolyse stattfindet.
Die Pyrolyse wird daher nicht durch Eindringen von Sauerstoff in unerwünschten Mengen
gestört.
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Gemäß der Erfindung kann durch zweckmäßige Bemessung der zugeführten
Sauerstoffmengen der Verbrennungsvorgang so gesteuert werden, daß er sich langsam
und kontinuierlich über sich immer weiter erstreckende Gebiete ausdehnt. Die Wärme
im Schieferlager breitet sich durch Leitung oder Konvektion über die Verbrennungszone
oder -tonen hinaus aus, wobei die Pyrolyse der bituminösen Substanzen des Schiefers
unter ständigem Abzug der dabei erhaltenen Gase durch die Rohre 12 weitergeht. Diesen
Gasen folgt die bei der Verbrennung des Schieferkokses gleichzeitig erzeugte Kohlensäure.
Die für die Pyrolyse erforderliche Wärme wird überwiegend durch die N erbrennung
des Schieferkokses erzeugt, während die wertvollen ölhaltigen Gase unverbrannt durch
die Rohre 12 entweichen und in geeigneter Weise, z. B. in Waschtürmen, für ihre
weitere Verwertung vorbereitet werden können.
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Die Erfindung eignet sich besonders für die durch Pyrolyse erfolgende
Ausbeutung ölarmer Schieferlager. Versuche haben ergeben, daß sich eine ausreichende
Wärmemenge für die Durchführung des Verfahrens bei bituminösem Schiefer durch Verbrennung
von nur der Hälfte des Schieferkoksrückstandes nach der Pyrolyse erhalten läßt.
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Der Verbrennungsprozeß läßt sich unter geringem Kostenaufwand über
große Bereiche ausdehnen. Hierzu trägt vor allem der Leitgedanke der Erfindung bei,
das Sauerstoffgas unter so hohem Druck zuzuführen, daß die Spaltung der Schieferlager
eine Ausbreitung des Gases in der waagerechten Richtung zuläßt. Falls die Schiefer-Lager
Wasser enthalten, wird dieses gleichzeitig verdrängt, weil der Druck des Sauerstoffgases
den Druck des Wassers übersteigt. Befindet sich beispielsweise das brennstoffhaltige
Lager ioo m unter der Erdoberfläche, dann beträgt der Druck des Grundwassers etwa
io Atm., während der für das Heben des Gesteins gemäß der Erfindung zwecks Hervorbringens
des waagerechten Spaltes erforderliche Druck dem Gewicht des Gesteins in der Flächeneinheit
entsprechen muß.
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Denkbar ist auch, die Einleitung des Verbrennungsvorgangs, beispielsweise
auf elektrischem Wege, direkt am unteren Ende des Rohres 9 ertolgen zu lassen. In
diesem Fall besteht das Rohr 9 zweckmäßig aus Kupfer. Das Rohr kann auch mit einem
Kühlmantel ausgestattet sein, der die Verbrennung des Rohres bei Berührung mit dem
Sauerstoffgas verhindert. Auch in diesem Fall läßt sich der Verbrennungsvorgang
unter der Einwirkung des gemäß der Erfindung angewendeten Uberdruckes mit zweckdienlich
bemessener Geschwindigkeit die Schieferlager entlang ausbreiten.
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Bei mit ölarmem Schiefer durchgeführten Versuchen ergab es sich, daß
die Schieferasche ungefähr 75 °lo des Schiefergewichtes betrug und zur Hauptsache
aus Ton bestand, der dem gemäß der Erfindung gewünschten langsamen Verbrennungsvorgang
einen gleichmäßigen Verlauf erteilt. Falls nämlich beispielsweise an einer Stelle
die Verbrennungstemperatur auf zwischen 5oo und 6oo° ansteigt, wird der Ton mehr
oder weniger von ungebranntem in gebrannten Ton verwandelt. Für das Austreiben des
Lehmwassers wird in dem in Rede stehenden Temperaturbereich eine ungefähr doppelt
so große Wärmemenge verbraucht, als zur Erwärmung von Schiefer auf 4oo°» erforderlich
ist. Gleichzeitig vergrößert sich bei der gesteigerten Temperatur die prozentuale
Entstehung von Kohlenoxyd im Verbrennungsprozeß, wobei sich die auf jedes Kubikmeter
Sauerstoffgas erhaltenen exothermischen Kalorien rasch vermindern. Die große Menge
Ton im Schiefer bildet auf diese Weise einen Regler für den Verbrennungsvorgang,
der eine Ausgleichung der auftretenden Temperaturen bewirkt.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellte und
beschriebene Ausführungsform allein begrenzt, sondern sie läßt sich im weitesten
Sinne innerhalb des Rahmens des ihr zugrunde liegenden Erfindungsgedankens abwandeln.