EP0002306B1 - Verfahren zur Umsetzung der Kohle in situ, insbesondere Vergasung - Google Patents
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Classifications
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- E21B43/295—Gasification of minerals, e.g. for producing mixtures of combustible gases
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- E21B43/243—Combustion in situ
Definitions
- the invention relates to a method for converting the coal in situ, in particular gasification, in which two boreholes are drilled from the surface of the day into the relevant seam, of which at least one hole is at least partially located in the surface of the seam which has two boreholes on its Ends are connected together, through one of the wells, a means is supplied which reacts chemically or physically with the coal, and the reaction product is discharged through the other well.
- Lignite, lignite, hard coal and similar carbon-containing substances are referred to here as 'coal'.
- the first is the partial combustion of the coal with simultaneous formation of flammable gases that are discharged ('gasification' of coal), but also the dissolution of the coal with the aid of a reactant, sometimes under supercritical conditions. for example with the aid of a basic aqueous solution as described in US-A-4,032,193. Since the prior art in coal gasification provides the most points of contact for the more general problem of coal implementation in situ, the 'gasification' of coal is discussed below. The extraction by dissolving the coal, as mentioned above, is also to be regarded as the subject of the present invention.
- the first limiting factor, the length of the extraction area, is due to the possibilities of connecting the boreholes to one another.
- the distance between the boreholes is 20 to 50 m with today's means such as 'electro-linking' or 'hydraulic-fracturing'.
- 'Electro-linking' means the connection of two boreholes by using the shrinkage cracks that arise in the coal when it is converted into coke using an electric current.
- 'Hydraulic-fracturing' means the connection of two boreholes using a crevice system, which arises when a medium (water or air) exerts high pressure on the seam in one or both boreholes.
- the second limiting factor, width. is caused by the flow pattern of the circulating reagent. It has been found that this flow must remain turbulent. When the created cavity becomes too wide. the quality of the gas obtained decreases or the combustion stops even as a result of the insufficiently turbulent flow of the reactant. There are similar disadvantages when using liquid reactants.
- the difference between the two methods is that the gasification front moves transversely to the gas flow direction with the ' long-wall' method, whereas with the 'inline-burn' technique the front moves in the same direction as the gas or in the opposite direction.
- the 'long wall' process creates an elongated reaction front.
- the reaction product is removed at the end of the front.
- the space widens and problems arise due to insufficient gas mixing, which means that the gas produced can contain enough oxygen to ignite in the exhaust line.
- this can be avoided in part by moving the cavity formed. This is associated with disadvantages, on the one hand because the technique for introducing the backing material is not sufficiently developed and the required amount of backing material can be determined on the other hand because one is less free in the choice of a borehole system in the inclined seam.
- the distance between the boreholes is theoretically a free parameter for the 'inline burn' method. In practice, however, it turns out that the connection between two boreholes over distances of more than 50 m using currently used techniques such as 'electro-linking' and 'hydraulic-fracturing', the use of explosives, the blowing of a hole, etc difficult to realize.
- the distance between the boreholes at a depth of approx. 1000 m must be 200 m or more for economic reasons.
- the connection of these boreholes represents the main problem in the gasification of coal in situ.
- the distance between the boreholes must therefore be much larger than the previously technically feasible distance of approx. 50 m.
- US-A-3,563,606 discloses a process for gasifying coal in situ, in which it is necessary to drill a large number of holes in a coal seam. That is why this extraction process is very expensive.
- US Pat. No. 3,933,447 describes a process for the underground gasification of coal, in which two holes from the surface are drilled obliquely more or less parallel to one another into the coal seam and transversely to the cracks located there. This method can only be used successfully if the direction of the cracks can be determined at all and if the cracks are more or less continuous and run parallel to one another. Because of these conditions, this method is of very limited use.
- US-A-2,788,956 a method for preparing coal seams by chemical means, e.g. 90% sulfuric acid, disclosed for undercarriage gasification. The production borehole drilled into the seam as the second borehole has an expansion created by blasting at the end.
- the general object of the present invention is now to improve the economy of the implementation of the coal in situ, especially in the extraction at large depths.
- the object of the invention is, in particular, to make it possible for boreholes intended for gasification to be arranged and connected to one another at much greater intervals than was previously possible in practice.
- Another task is above all to enlarge the possible uses of the 'inline burn' process.
- the first borehole is drilled in the area of the seam to be converted as far as the geological conditions, the conditions of the surface of the day or the technical conditions allow, and at least this borehole is expanded at least at the end in the seam into a chamber whose length and width are at least double corresponds to the maximum expected deflection of the second borehole in the horizontal projection, and that the second borehole is at least brought down into the chamber.
- a first borehole is drilled through the bedrock into the seam to be converted and expanded in this seam mechanically, by chemical reaction or dissolution, after which a second borehole is drilled at least partially in the area of the seam into the expanded area. Thanks to the extension, the accuracy is considerably greater, despite deflections in the direction of the drilling that are to be expected.
- Techniques known per se can be used for mechanical expansion, but also for expansion by chemical reaction or dissolution.
- the method according to the invention has the great advantage that it is only necessary to start with the second borehole after knowing with certainty the distance over which the first borehole that has been drilled in the area of the seam to be converted has been able to continue.
- the length can e.g. be caused by previously unknown geological conditions in the seam or by mechanical circumstances.
- the expansion at the end of the first borehole is preferably accomplished by mechanical means.
- a system suitable for this is described in US Pat. No. 3,961,824 and consists of a scraping device which is divided into sections which are introduced into the borehole in the stretched state and are arranged there in a zigzag shape.
- the shots arranged in this way are moved back and forth so that the wall of the borehole and thus the coal can be loosened by means of scratches or water nozzles which are located on the joints of the shots.
- the dissolved coal is discharged through the same borehole with the help of flushing liquid.
- the length and width of the part over which the coal is on this must be solved depends on the maximum expected deflection of the second borehole.
- the arrangement of the second borehole in the method according to the invention is dependent on secondary factors, for example geological factors.
- it will be a more or less vertically drilled hole that cuts the layers of the bedrock and extends into the extension of the first hole.
- this borehole is partly drilled in the surface of the seam.
- One of these situations can be. that one will drill from each of the two boreholes into the surface of the seam as far as is technically possible in order to obtain the longest possible channel. In this case too, an expansion at the end of one of the boreholes is essential to increase accuracy.
- the invention is explained in more detail with reference to a drawing.
- the figure shows schematically how a connection is established between two boreholes, a hole first being drilled in the surface of the seam to be extracted and this hole being expanded into a chamber at the end. after which a second borehole is drilled through the bedrock to the chamber at the end of the first hole.
- a borehole 23 is drilled from the day surface 21 with the aid of a drilling rig 22, which enters the seam 26 horizontally shown here at 25 under a previously used deflection 24 at 25 up to point 28, where there is a fault 29 which makes further hearing pointless.
- the seam thrown is designated 26 '.
- the chamber 30 is then created at the end of the borehole in the floz with the aid of the scratching device previously described in US Pat. No. 3,961,824. Only then is a second hole 31 drilled using the drilling system 32. Part 33 of this drilling 31 shows a clear deflection in comparison to the vertical line 34 and reaches the chamber 30 at point 35 on the edge of the chamber. In this way, despite the deflection of the second borehole (31, 34), a good continuous connection is nevertheless achieved been.
- the distance of the borehole 27 to the hatched chamber 36 can be extended.
- the gasification agent can be supplied according to the arrows via borehole 23, 24, 27 and the combustible gases can be discharged according to the arrows via borehole 31, 33 after the seam e.g. has been ignited in chamber 30 and supplies combustible gas by the reversed-flow gasification method.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung der Kohle in situ, insbesondere Vergasung, bei dem von der Tagesoberfläche zwei Bohrlöcher bis in das betreffende Flöz gebohrt werden, von denen sich zumindest ien Loch wenigstens teilweise in der Fläche des Flözes befindet, welche zwei Bohrlöcher an ihren Enden miteinander verbunden werden, durch eines der Bohrlöcher ein Mittel zugeführt wird, das chemisch oder physikalisch mit der Kohle reagiert, und das Reaktionsprodukt durch das andere Bohrloch abgeführt wird.
- Als 'Kohle' werden hier Lignit, Braunkohle, Steinkohle und ähnliche kohlenstoffhaltigen Stoffe bezeichnet. Wo hier von einer Reaktion der Kohle mit einem Reaktionsmittel die Rede ist. wird an erster Stelle die partielle Verbrennung der Kohle unter gleichzeitiger Bildung von brennbaren Gasen, die abgeführt werden, gemeint ('Vergasung' von Kohle), aber auch das Auflösen der Kohle mit Hilfe eines Reaktionsmittels, manchmal unter überkritischen Bedingungen. zum Beispiel mit Hilre von einer basischen wässerigen Lösung, wie beschrieben in US-A- 4,032,193. Da der Stand der Technik bei der Vergasung von Kohle die meisten Anknüpfungspunkte für das allgemeinere Problem der Umsetzung von Kohle in situ bietet, wird nachstehend die 'Vergasung' von Kohle besprochen. Die Gewinnung durch Auflösung der Kohle, wie oben genannt, ist ebenfalls als Gegenstand der vorliegenden Erfindung zu betrachten.
- Im Boden von Westeuropa gibt es riesige Kohlenvorkommen, die sich jedoch in derart grosser Teufe befinden, dass ihre Gewinnung mit den heute bekannten Mitteln, namentlich in klassischen Untertagebau, unmöglich ist. Die Suche nach anderen Verfahren, mit denen wenigstens ein Teil dieses Energievorrats gewonnen werden kann, liegt somit nahe. Möglichkeiten dazu sind die Vergasung oder Auflösung der Kohle unter Tage, wobei allerdings vor allem das Problem der hohen Kosten auftaucht. Beim gegenwärtigen Stand der Technik sind z.B. sowohl die Länge als die Breite des Gewinnungsgebiets und somit die je Bohrloch zu gewinnende Menge Kohle beschränkt. Da die Bohrarbeiten einen wichtigen Kostenfaktor darstellen, ist der Preis je Tonne der gewonnenen Kohle oder des daraus umgesetzten Produkts noch hoch.
- Der erste einschränkende Faktor, die Länge des Gewinnungsgebietes, wird bedingt durch die Möglichkeiten, die Bohrlöcher miteinander zu verbinden. Der Abstand zwischen den Bohrlöchern beträgt mit den heutigen Mitteln wie 'electro-linking' oder 'hydraulic-fracturing' 20 bis 50 m. Unter 'electro-linking wird das Verbinden von zwei Bohrlöchern durch Benutzung der Schrumpfrisse verstanden, die in der Kohle entstehen, wenn diese mit Hilfe eines elektrischen Stromes in Koks umgesetzt wird. Unter 'hydraulic-fracturing' wird das Verbinden von zwei Bohrlöchern unter Anwendung eines Spaltensystems verstanden, das entsteht, wenn unten in einem oder beiden Bohrlöchern von einem Medium (Wasser oder Luftl ein hoher Druck auf das Flöz ausgeübt wird.
- Der zweite einschränkende Faktor, die Breite. wird bedingt durch das Strömungsbild des umlaufenden Reaktionsmittels. Es hat sich herausgestellt, dass diese Strömung turbuient bleiben muss. Wenn der geschaffene Hohlraum zu breit wird. nimmt die Qualität des gewonnen Gases ab oder es hört die Verbrennung sogar infolge der zu wenig turbulenten Strömung des Reaktionsmittels auf. Bei Anwendung flüssiger Reaktionsmittel gibt es ähnliche Nachteile.
- Die Verfahren zur partiellen Verbrennung (Vergasung) von Kohle unter Anwendung von Bohrlöchern zur Zufuhr eines Reaktionsmittels und zu Abfuhr eines Reaktionsproduktes lassen sich in zwei Gruppen verteilen:
- a. das 'longwall'-Verfahren;
- b. das 'inline-burn'-Verfahren.
- Der Unterschied zwischen beiden Verfahren ist, dass die Vergasungsfront sich beim 'long- wall'-Verfahren quer zur Gasströmungsrichtung fortbewegt, während die Front sich bei der 'inline-burn' Technik in der gleichen Richtung wie das Gas oder in entgegengesetzer Richtung bewegt.
- Beim 'long-wall'-Verfahren entsteht eine längliche Reaktionsfront. Am Ende der Front wird das Reaktionsprodukt abgeführt. Während die Kohle verbrennt, wird der Raum breiter und es treten Probleme infolge unzureichender Vermischung der Gase auf, wodurch das produzierte Gas soviel Sauerstoff enthalten kann dass es manchmal in der Abfuhrleitung zündet. In einem schrägstehenden Flöz kann dies zum Teil vermeiden werden, indem man den gebildeten Hohlraum versetzt. Dies ist mit Nachteilen verbunden, einerseits weil die Technik zum Heranführen des Versatzmaterials nich genügend entwickelt ist und sich die benötigte Menge Versatzmaterial bestimmen lässt andererseits weil man in der Wahl eines Bohrlöchersystems im schrägstehenden Flöz weniger frei ist.
- Beim 'inline-burn'-Verfahren treten diese Nachteile nicht auf. Nach diesem Verfahren werden zwei Bohrlöcher z.B. mittels hydrauiic fracturing' miteinander verbunden. Sobald sich ein Verbindungsspalt oder -kanal gebildet hat. wird das Flöz in der Nähe eines der Bohrlöcher angezündet, während in das andere Bohrloch ein Reaktionsmittel (z.B. Luft) engeleitet wird. Aus dem erstgenannten Bohrloch wird nun brenn- bares Gas gewonnen. Man arbeitet vorzugsweise auf solche Weise, dass sich die Vergasungsfront entgegengesetzt zum Luftstrom bewegt ('reversed-flow gasification in diesem Fall beschränkt sich die Vergasungszone auf die unmittelbare Umgebung oes Verbindungskanals. Versuche, die mit der letztgenannten Methode in Hanna (USA) ausgeführt wurden, haben gezeigt, dass die Kohle über eine Breite von nur 20 bis 30 m, abhängig von der Mächtigkeit des Flözes, verbrennt. Dies ist auf die Abnahme der Turbulenz des strömenden Reaktionsmittels bei zunehmender Breite des Raumes zurückzuführen.
- Zusammengefasst sind die wichtigstens einschränkende Faktoren für das 'inline-burn'-Verfahren momentan:
- a, der Abstand, über den zwei Bohrlöcher im Flöz miteinander verbunden werden können; b. der Umfang des Raumes, in dem eine ausreichend hohe Reynolds'sche Zahl aufrechterhalten werden kann.
- Für das 'inline-burn'-Verfahren ist der Abstand zwischen den Bohrlöchern theoretisch ein freier Parameter. In der Praxis stellt sich jedoch heraus, dass die Verbindung zwischen zwei Bohrlöchern über Abstände von mehr also 50 m mit Hilfe der momentan benutzten Techniken wie 'electro-linking' und 'hydraulic-fracturing', der Anwendung von Sprengstoffen, des Durchbrennens eines Loches usw. schwer realisieren lässt.
- Für das 'inline-burn'-Verfahren muss der Abstand zwischen den Bohrlöchern bei einer Tiefe von ca. 1000 m aus wirtschaftlichen Gründen 200 m oder mehr betragen. Das Verbinden dieser Bohrlöcher stellt das Hauptproblem bei der Vergasung von Kohle in situ dar. Aus den genannten Gründen muss der Abstand zwischen den Bohrlöchern somit viel grösser als der bisher technisch realisierbare Abstand von ca. 50 m sein.
- In der US-A-3,563,606 ist ein Verfahren zum Vergasen von Kohle in situ angegeben bei dem es erforderlich ist eine grosse Anzahl von Löchern in ein Kohlenflöz zu bohren. Deswegen ist dieses Gewinnungsverfahren sehr kostspielig. In US-A- 3,933,447 ist ein Verfahren zum Untertagevergasung von Kohle beschrieben, bei dem zwei Löcher von übertage mehr oder weniger parallel zu einander schräg in das Kohleflöz und quer zu den sich dort befindlichen Rissen gebohrt werden. Dieses Verfahren kann nur dann mit Erfolg angewand werden, wenn man die Richtung der Rissen überhaupt feststellen kann und wenn die Rissen mehr oder weniger durchgehend sind und parallel zu einander verlaufen. Durch diese Bedingungen ist dieses Verfahren sehr beschränkt anwendbar. In US-A- 2,788,956 wird ein Verfahren zum Präparieren von Kohlenflözen mit chemischen Mitteln, z.B. 90%-iger Schwefelsäure, für Untertragevergasung offenbart. Dabei weist das als zweites Bohrloch in das Flöz niedergebrachte Produktionsbohrloch eine durch Sprengen erzeugte Erweiterung am Ende auf.
- Die allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nun die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Umsetzung der Kohle in situ, vor allem bei der Gewinnung in grossen Teufen. Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, zu ermöglichen, dass für die Vergasung bestimmte Bohrlöcher in viel grösseren Abständen angeordnet und miteinander verbunden werden können, als bisher praktisch möglich ist. Eine weitere Aufgabe ist vor allem die Vergrösserung der Anwendungsmöglichkeiten des 'inline-burn'-Verfahrens.
- Nach der Erfindung wird die bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch erreicht. dass das erste Bohrloch soweit in der Fläche des umzusetzenden Flözes gebohrt wird wie es die geologischen Bedingungen, die Bedingungen der Tagesoberfläche oder die technischen Bedingungen erlauben, und wenigstens dieses Bohrloch zumindest am Ende im Flöz zu einer Kammer erweitert wird deren Länge und Breite wenigstens der doppelten der maximal zu erwartenden Ablenkung des zweiten Bohrlochs in der horizontalen Projektion entspricht, und dass das zweite Bohrloch wenigstens bis in die Kammer niedergebracht wird.
- Dazu wird ein erstes Bohrloch durch das Nebengestein bis in das umzusetzende Flöz gebohrt und in diesem Flöz auf mechanische Weise, durch chemische Reaktion oder Auflösung erweitert, wonach ein zweites Bohrloch zumindest teilweise in der Fläche des Flözes bis in den erweiterten Raum gebohrt wird. Dank der Erweiterung ist trotz Ablenkungen in der Bohrrichtung, die bestimmt zu erwarten sind, die Treffsicherheit beachtlich grösser. Für die mechanische Erweiterung, aber auch für die Erweiterung durch chemische Reaktion oder Auflösung können an sich bekannte Techniken Anwendung finden.
- Das erfindungsgemässe Verfahren bietet den grossen Vorteil, dass mit dem zweiten Bohrloch erst begonnen zu werden braucht, nachdem man sit Sicherheit weiss, über welche Strecke man das erste Bohrloch, das in der Fläche des umzusetzenden Flözes gebohrt wird, hat fortsetzen können. Die Länge kann z.B. durch vorher nicht bekannte geologischen Verhältnisse im Flöz oder durch mechanische Umstände bedingt sein.
- Die Erweiterung am Ende des erstgenannten Bohrlochs wird vorzugsweise mit mechanischen Mitteln zustande gebracht. Eine hierfür geeignete Anlage wird in der US-A-3,961,824 beschrieben und besteht aus einer Kratzvorrichtung, die in Schüsse unterteilt ist, welche in gestreckten Zustand in das Bohrloch eingebracht und dort zichzackförmig angeordnet werden. Die auf diese Weise angeordneten Schüsse werden hin- und herbewegt, so dass mittels Kratzer oder Wasserdüsen, die sich auf den Gelenken der Schüsse befinden, die Wand des Bohrlochs und somit die Kohle gelöst werden kann. Die gelöste Kohle wird mit Hiife von Spülflüssigkeit durch das gleiche Bohrloch abgeführt. Die Länge und die Breite des Teiles, über den die Kohle auf diese Weise gelöst werden muss, hängen von der maximal zu erwartenden Ablenkung des zweiten Bohrlochs ab.
- Obwohl Erweiterung des Endes des ersten Bohrlochs mit mechanischen Mitteln zu bevorzugen ist, wird die Erweiterung mittels Verbrennung oder Auflösung, nicht ausgeschlossen
- Wie bereits erörtert, wird beim erfindungsgemassen Verfahren die Anordnung des zweiten Bohrlochs durch Nebenfaktoren bedingt, etwa durch geologische Faktoren. Im allgemeinen wird es sich um ein mehr oder weniger senkrecht gebohrtes Loch handeln, das die Schichten des Nebengesteins schneidet und bis in die Erweiterung des ersten Loches reicht. Es lassen sich jedoch Situationen erdenken, in denen dieses Bohrloch auch zum Teil in der Fläche des Flözes gebohrt wird. Einer dieser Situationen kann sein. dass man von jedem der beiden Bohrlöcher aus soweit in die Fläche des Flözes bohren wird, als techniisch möglich ist, um auf diese Weise einen möglichst langen Kanal zu erhalten. Auch in diesem Fall ist eine Erweiterung am Ende eines der Bohrlöcher unentbehrlich, um die Treffsicherheit zu erhöhen.
- Unter bestimmten Bedingungen, die von der Härte der Kohle und/oder des Nebengesteins und von den auf ein Bohrloch oder auf beide Bohrlöcher ausgeübten Kraften abhängen, kann es erforderlich sein, ein oder beide Bohrlöcher völlig oder über einen grossen Teil ihrer Länge in der Kohle zu erweitern. Dies kann manchmal notwendig sein, um sich in der Kohle kreuzende Bohrlöcher miteinander zu verbinden, und ist sogar erforderlich, wenn die beiden Bohrlöcher von nahezu entgegengesetzten Richtungen aus gebohrt werden.
- Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird somit bereits eine gute Verbindung zwischen den Bohrlöchern erhalten, bevor die Kohle in Reaktion (Zündung) gebracht wird. Nach der Zündung kann unmittelbar eine ausreichend grosse Gasbelastung und somit eine turbulente Strömung in dem gebildeten Hohlraum erhalten werden, dies im Gegensatz zu denjenigen Verfahren, bei denen das Reaktionsmittel ständig oder in erster Linie über ein Spaltensystem zugeführt wird. Es wird klar sein, dass namentlich das 'inline-burn -Verfahren mit gutem Erfolg Anwendung finden werden kann.
- Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt schematisch, wie eine Verbindung zwischen zwei Bohrlöchern zustande gebracht wird, wobei zunächst in der Fläche des zu gewinnenden Flözes ein Loch gebohrt und dieses Loch am Ende zu einer Kammer erweitert wird. wonach durch das Nebengestein ein zweites Bohrloch bis zur Kammer am Ende des ersten Loches niedergebracht wird.
- Nach der Figur wird von der Tagesoberfläche 21 mit Hilfe einer Bohranlage 22 ein Bohrloch 23 niedergebracht, das unter einer vorher eingesetzten Ablenkung 24 bei 25 in das hier waagerecht gezeichnete Flöz 26 tritt Diesem Flöz 26 wird in seiner Fläche uber die Strecke 27 durch das Bohrloch gefolgt bis zum Punkt 28, wo sich eine Verwerfung 29 befindet die ein Weiterhohren sinnlos macht. Das erworfene Flöz wird mit 26' bezeichnet.
- Anschliessend wird mit Hilfe der vorher in der US-A- 3.961.824 beschriebenen Kr3tz- vorrichtung am Ende des Bohrlochs im Floz die Kammer 30 geschaffen. Erst dann wird ein zweites Loch 31 mit Hilfe der Bonranlage 32 niedergebracht. Der Teil 33 dieser Bonrung 31 zeigt eine deutliche Ablenkung im Vergleich zur senkrechten Linie 34 und erreicht die Kammer 30 bei Punkt 35 am Rande der Kammer Auf diese Weise ist trotz der Ablenkung des zweiten Bohrlochs (31, 34) doch eine gute durchgehende Verbindung zustande gebracht worden.
- Nötigenfalls kan die Strecke des Bohrlochs 27 bis zur schraffiert angegebenen Kammer 36 erweitert werden. Nach der Zündung kann das Vergasungsmittel gemäss den Pfeilen über Bohrloch 23, 24, 27 zugeführt werden und können die brennbaren Gase gemäss den Pfeilen über Bohrloch 31, 33 abgeführt werden, nachdem das Flöz z.B. in der Kammer 30 angezündet worden ist und nach der Methode der 'reversed-flow gasification' brennbares Gas liefert.
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