NL8104624A

NL8104624A - Werkwijze voor de bereiding van een gas met een hoog waterstofgehalte door het ondergronds vergassen van kolen.

Info

Publication number: NL8104624A
Application number: NL8104624A
Authority: NL
Original assignee: Ledent Pierre
Priority date: 1980-10-13
Filing date: 1981-10-12
Publication date: 1982-05-03
Also published as: FR2491945B1; DE3140028A1; DE3140028C2; GB2086416A; GB2086416B; FR2491945A1

Description

. r \ ? .-1- 22168/Vk/rab

Korte aanduiding: Werkwijze voor de bereiding van een gas met een hoog waterstofgehalte door het ondergronds vergassen van kolen.

5 De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de bereiding van een gas met een hoog waterstofgehalte door het vergassen van ondergrondse kolen. Alle werkwijzen voor het vergassen van kolenextracten zijn gebaseerd op het bereiden van een gas met een hoog waterstofgehalte door het uitvoeren van een reactie van het gas met water welke reactie kan wor-10 den weergegeven door:

HgO + C -> CO + H2 - 28,4 kcal/raol.

De noodzakelijk-e warmte om deze reactie te doen verlopen wordt in het algemeen verkregen door verbranding van een deel van het uitgangsmateriaal. Bij de bekende procédés ging men te werk door een periodieke 15 inversie, waarbij een alternerende injectie plaats had van lucht en waterdamp. De meer recente procédés maken gebruik van een continue gasinblazing met behulp van een gasvormig middel bestaande uit een mengsel van waterdamp en zuurstof. Het zelfde vergassingsmengsel wordt toegepast in Rusland en in de Verenigde Staten van Amerika waarbij de eerste proef-20 nemingen zijn verricht voor het produceren van een gas met een hoog gehalte aan waterstof, bewerkstelligd door het vergassen van ondergrendse kolen met een relatief lage druk in de steenkolenlagen gelegen op een diepte die niet meer is dan 300 meter.

Wanneer men een gas wil bereiden dat rijk is aan waterstof door 25 het vergassen van de ondergrondse steenkolenlagen die gelegen zijn op een grotere diepte (tot 700 of 800 meter) maken economische overwegingen voor het procédé het nodig om de vergassingsdruk te verhogen tot een minimaal niveau van 30 bar-40 bar.

Onder deze werkomstandigheden op een grote diepte en onder een 30 hoge druk is het gebruik als vergassingsmiddel van een mengsel van zuurstof en damp waarbij de hoeveelheid damp een waarde kan bereiken van 65% tot 65% niet zonder nadelen. Om elk risico te vermijden met betrekking tot het condenseren van de damp moet de temperatuur van het mengsel op alle punten boven een minimale waarde blijven van ongeveer 250 °C. Deze 35 verhoogde temperatuur houdt in dat de lengte van de injectieleidingen voor het gasvormige middel moeten worden ingekort en van plaats tot plaats moeten worden compensatieorganen ingevoegi voor de uitzetting. Onder deze omstandigheden is het nagenoeg uitgesloten om een vergassingsmethode toe 8104624 - ' -x 1 -2- 22168/Vk/mb te passen waarin het gasvormige middel door de uitgeboorde niveau’s kan worden geleid volgens een conventionele mijntechniek en om de injectie van het gasvormige middel via de vertikale boringen die direct uitmonden in het gashoudende souterrain, welke slechts kunnen worden bewerkstelligd 5 via boringen van een voldoende grote diameter waarin men dan een thermisch geïsoleerde buis kan inbrengen.

De ondergrondse vergassing met behulp van een mengsel van zuurstof en damp heeft ook twee andere nadelen. Vanwege de relatief hoge temperatuur kan het gashoudende middel zich niet voorverwarmen door het 10 contact met het gesteente dat het gas bevat en het kan daarentegen een deel van de aanwezige warmte hierop overdragen waardoor het energetische rendement van het' gas of de.gasgenerator opnieuw wordt verminderd.

Bovendien bestaat er bij alle procédés voor het ondergronds vergassen een interferentie tussen het verloop van de vergassingsreacties 15 en het verloop van de pyrolysereacties van de kolen waarbij de vluchtige stoffen die aanwezig zijn in de diep gelegen lagen geen andere afvoer dan het contactoppervlak gas-vaste stof waarlangs de vergassingsreacties plaatshebben.

Het vrijmaken van deze vluchtige stoffen die belangrijke hoe-20 veelheden waterstof bevatten heeft een remmende werking die vooral van invloed is op de reactie van het gas met water. Dit resulteert in een verlaging van de mate van ontleding van de geïnjecteerde damp en in een verlaging van het rendement van de vergassing.

De werkwijze volgens de uitvinding heeft als doelstelling om deze 25 verschillende nadelen te overwinnen.

Dit kan worden bewerkstelligd door het toepassen van de werkwijze volgens de uitvinding en deze wordt hierdoor gekenmerkt dat een bewerking voor het ondergronds vergassen van kolen wordt bewerkstelligd met behulp van een mengsel van zuurstof en CO^, waarbij CO^ wordt verkregen uit een 30 inrichting voor het zuiveren van het gasvormige produkt, waarbij verder het ruwe gas wordt afgekoeld door water te injecteren in de boorgaten waaruit gas wordt afgevoerd en CO wordt omgezet, welk CO wordt gevormd aan het oppervlak onder toepassing van waterdamp, gevormd bij het opnieuw afkoelen van het gas.

35 De werkwijze volgens de uitvinding wordt verder hierdoor geken merkt dat CO^ dat noodzakelijk is voor het bewerkstelligen van de ondergrondse vergassing wordt teruggewonnen in een installatie voor het zuiveren van het gasvormige produkt en door het feit dat de reactiewarmte die 8104624 -3- 22168/Vk/mb * - t vrijkomt tijdens de conversie van CO dient om de damp te produceren die wordt toegepast in een condensatiecyclus voor het verkrijgen van een deel van de energie die noodzakelijk is om de installatie in bedrijf te houden.

5 De werkwijze volgens de uitvinding wordt hieronder nader toege- licht onder verwijzing naar het schema in de bijgevoegde tekening.

Aan de gashoudende laag 1 wordt een vergassingsmiddel toegevoerd dat wordt geïnjecteerd bij omgevingstemperatuur en bij verhoogde druk (bijvoorbeeld 40-50 bar). Dit gasvormingsmiddel is samengesteld uit een 10 mengsel van zuurstof waarbij gebruik wordt gemaakt van het scheiden van zuurstof uit lucht, 2, en van CO^ dat wordt verkregen onder toepassing van het gasvormige produkt dat wordt behandeld. Het ruwe gas dat wordt verkregen bij de afvo'er van de gasgenerator heeft een temperatuur van ongeveer 600-800 °C. De afvoer door het oppervlak wordt bewerkstelligd via 15 één of meer gasbuizen met name 3 buizen die elk voorzien zijn van een metallische bekleding vastgezet in het terrein en een metallische binnenbuis vastgehecht aan de kop van de schacht en die vrij kan uitzetten 'in het onderste gedeelte.

Een leiding 4 voorzien van regelapparatuur, geschikt om water 20 onder druk te injecteren in de circelvormige ruimte die afgescheiden is van de bekleding en het binnenste van de buis. Dit water wordt verdampt door het contact met de warme wand van de binnenste buis en de aldus verkregen· damp mengt zich'met het ruwe gas aan de onderkant van de buis.

De hoeveelheid gasvormig middel en de hoeveelheid water die 25 weer wordt afgekoeld worden zodanig geregeld dat het mengsel van ruw gas en de geproduceerde damp door het opnieuw afgekoelde water aan het oppervlak komen bij een druk van ongeveer 15 tot 20 bar en met een temperatuur van ongeveer 200 °C.

Het mengsel van ruw gas en damp wordt door een cycloon 5 30 gevoerd waardoor het grootste deel van de meegevoerde vaste deeltjes wordt afgescheiden daarna naar een wasinrichting 6 waarin het gas wordt verzadigd met waterdamp en waarmee de fijne vaste deeltjes worden afgescheiden evenals de condenseerbare koolwaterstoffen. De cycloon is thermisch geïsoleerd..

Na deze eerste zuivering wordt het mengsel van gas en damp door 35 een compressor 7 gevoerd die de druk brengt op een niveau van 40-50 bar en de temperatuur op ongeveer 300 °C. Een toevoeging van water of damp wordt bewerkstelligd via leiding 8, ten einde de temperatuur en de vochtigheidsgraad van het gas te regelen op een optimaal niveau dat is vereist voor 8104624 -4- 22168/Vk/mb ' ·. i de katalytische omzetting van CO.

Het gas wordt verrijkt met waterstof door de omzetting van het grootste gedeelte van CO, dat in het gasmengsel aanwezig is volgens de reactie: 5 CO + H20 ——» C02 + H2 + 9,8 kcal/mol.

Deze reactie wordt bewerkstelligd in de reactoren 9 en 11 die zijn voorzien van een katalysator die werkzaam is in aanwezigheid van zwavelhoudende verbindingen (bijvoorbeeld een katalysator op basis van kobaltmolybdaat). Elk van deze twee reactoren wordt gevolgd door één of 10 meerdere warmtewisselaars aangegeven met 10 en 12 waarin de warmte die vrijkomt bij de conversiereactie wordt gebruikt om damp onder verhoogde druk te produceren (waarbij de druk een waarde heeft van 40-50 bar). Als alternatief kan men ook de conversiereactoren en warmtewisselaars anders plaatsen waarbij tevens reactoren worden gebruikt met een gefluldiseerd 15 bed, die worden afgekoeld door middel van buizen waarin water kan worden geleid dat wordt verdampt, welke buizen gelegen zijn binnen het bed.

Na het uiteindelijk afkoelen van het gas in koeler 13 en het verwijderen van water en de condensaten in de scheidingsapparatuur 14 wordt het gas toegevoerd aan reactor 15 waarin de scheiding wordt bewerkstelligd 20 van het grootste gedeelte van C02 en H2S door wassen onder verhoogde druk met behulp van een hiertoe geschikt oplosmiddel.

Het gezuiverde gas dat nog steeds onder verhoogde druk is wordt afgevoerd via leiding 26 om verder te worden geleid naar de plaats waar het gas wordt gebruikt bijvoorbeeld voor chemische synthese of naar 25 distributiekanalen.

Het oplosmiddel dat is gebracht op atmosferische druk via klep 16, wordt in separator 17 gebracht waarin de vloeistof wordt verhoogd tot de gewenste temperatuur via een verwarmingsorgaan 18.

C02 en H2S worden afgescheiden en gevoerd naar een ontzwavelings-30 inrichting 19» waarin het grootste gedeelte van H2S wordt verwijderd door een hiertoe op zich bekende chemische techniek.

Het voor het ondergronds vergassen noodaakelijke CC>2 wordt opnieuw samengeperst tot de injectiedruk in de compressie-inrichting, waarbij het comprimeren wordt uitgevoerd in meerdere trappen zoals weer-35 gegeven door 20 en 21 met tussengevoegde afkoelingen. De overmaat aan C02 wordt afgevoerd via leiding 22 om voor andere doeleinden te worden toegepast of om te worden gespuid in de atmosfeer.

De verschillende compressoren worden in werking gesteld met 8104624 \ -5- 22168/Vk/mb i behulp van de dampturbines weergegeven, door 23, 24 en 25, die worden gevoed door de geproduceerde damp in de warmtewisselaars 10 en 12.

De voordelen die men kan bewerkstelligen door het vervangen van een vergassingsmiddel dat een belangrijke hoeveelheid damp bevat bij 5 verhoogde temperatuur, door een vergassingsmiddel bestaande uit een mengsel van zuurstof en kooldioxyde toegevoerd bij' kamertemperatuur zijn boven reeds aangegeven. Deze vervanging maakt het mogelijk om de diameter en de kosten van de injectieboringen voor het vergassingsmiddel te verminderen. Ook wordt het mogelijk om een gemengde methode toe te passen 10 bestaande uit het vervaardigen van een vergassingsinrichting door het toepassen van conventionele mengtechnieken en een verdeling van het gasvormende middel door een leidingenstelsel dat wordt aangebracht in de onderaardse lagen.'

Men kan zich echter afvragen of deze voordelen niet worden ge-15 compenseerd door een belangrijke vermindering van het energetische rendement' dat een aanzienlijke verhoging van de prijs zou bewerkstelligen van het geproduceerde gas. Ter beantwoording van deze tegenstelling worden hierna enkele vergelijkende onderzoeken toegeliéht voor het produceren van een gas met een hoog waterstofgehalte volgens de klassieke vergassing 20 met behulp van een mengsel van zuurstof en damp en de bereiding van een gas met dezelfde samenstelling volgens een procédé waarbij' het principe van de uitvinding wordt toegepast.

Hiertoe heeft men een installatie toegepast waarbij een gas-houdende laag werkt onder e«n druk van 32 bar met een uitgangstemperatuur 25 van 900 °C, met als doelstelling de produktie van een gas dat geschikt is voor de synthese van methanol, waarvan de molaire verhouding H^/CO iets hoger moet zijn dan 2. De injectiedruk van het vergassingsmiddel moet ongeveer 45 bar zijn en de druk van het geproduceerde gas 15 bar.

Verder; past men een berekeningsmodel toe gebaseerd op het be-30 kende evenwicht van de reacties H20 + C en C02 + C en op de hypothese dat het geproduceerde methaan in hoofdzaak wordt verkregen uit de ontleding van vluchtige stoffen en koolstof. Onder aanname van dit model voor een anthraciet-houdende kolenlaag met 7% vluchtige bestanddelen in zuivere koolstof heeft men de volgende resultaten verkregen: 35 I) vergassing met behulp van een mengsel van zuurstof en damp.

8104624 i -6- 22168/Vk/mb

Samenstelling van het gas (uitgedrukt in vol.SS van het onzuivere gas).

bestanddelen bij 900 afgekoeld , . , in het gas (onzuiver) tof 200 °C °mgeZet gezuiverd CO : 33,5 33,5 23,0 23,0 5 C02: 15,5 15,5 26,0 H2 : 36,0 36,0 46,5 46,5 CH^: 2,5 2,5 2,5 2,5 H20: 12,5 62,5 52,0 1Q 100,0 150,0 150,0 72,0

Onder de bewerkingsomstandigheden is het vergassingsrendement (P.C.I. van het ruwe gas/P.C.I. van de vergaste koolstof) 88%.

Het verbruik van de gasvormende middelen bedraagt: 0,175 mol zuurstof en 15 0,407 mol damp per mol ruw geproduceerd gas.

II) Vergassen met behulp van een mengsel van zuurstof en C02. Samenstelling van het gas(vol.$ berekend op het onzuivere gas).

bestanddelen bij 900 °C af gekoeld .

20 in het gas (onzuiver) tot 200 ΐ °"®ezet Sezuiverd CO : 55,0 55,0 20,0 20,0 C02': 37,0 37,0 72,0 Η \· 5,5 5,5 40,5 40,5 25 CH^: 2,2 2,2 2,2 2,2 H20: 0,3 50,3 15,3 100,0 150,0 150,0 62,7

Het vergassingsrendement (P.C.I. van het ruwe gas/P.C.I. van 30 de vergaste koolstof) bereikte een waarde van 86$.

Het verbruik aan vergassingsmiddelen bedraagt: 0,187 mol zuurstof en 0,441 mol C02 per mol ruw gasvormig produkt.

Wanneer deze rendementcijfers voor de vergassing en het ver-35 bruik van de gasvormende middelen worden teruggevoerd op een zelfde produktie aan gezuiverd gas blijkt dat de verkregen waarden in het voordeel zijn voor de vergassing met behulp van het mengsel van zuurstof en damp.

8104824 -7- 22l68/Vk/mb

V

k ------

Wanneer men ten slotte rekening houdt met de verlaging van de calorische energie die wordt verkregen bij de omzetting van CO blijken de volgende gegevens:

Voor de vergassing van zuurstof-damp: 5 Het rendement van de vergassing (gezuiverd gas/koolstof)= 86,1$

Verbruik aan zuurstof: 0,175 x 100/72 = 0,243 mol/mol.

Verbruik van waterdamp: 0,407 x 100/72 =0,565 mol/mol.

Voor de vergassing met zuurstof-kooldioxyde:

Het rendement van de vergassing (gezuiverd gas/koolstof)= 79,3$. 10 Zuurstofverbruik: 0,187 x 100/62,7 = 0,298 mol/mol.

Verbruik aan C02: 0,441 x 100/62,7 = 0,703 mol/mol.

Deze conclusie wordt echter gemodificeerd wanneer men een studie verricht aan de globale energetische balans van het procédé waarbij dan twee belangrijke feiten in het voordeel zijn van het procédé waarin 15 zuurstof en C02 wordt toegepast.

1) Het samenpersen van een mol C02 van 1 bar tot 45 bar verbruikt aanzienlijk minder energie dan de produktie van een mol damp van dezelfde druk; 2) de vrijgekomen warmte door de conversie van CO is niet 20 alleen een compensatie voor de verloren warmte maar hierbij komt warmte vrij die kan worden teruggewonnen in de vorm van damp op een relatief hoog thermisch niveau (nabij 300-400 °C).

Rekening houdende met deze twee factoren en wanneer men aanneemt dat het rendement voor de omzetting van thermische energie tot mechanische 25 energie 40$ bedraagt is de uiteindelijke energetische balans als volgt: vergassing met zuurstof-damp: 3 kcal/Nm gezuiverd gas PCI ($) van de vergaste koolstof

30 energetische inhoud 2 _ „ g6 T

van het gas - * ’ warmteterugwinning bij +64 +19 de conversie ' productie van zuurstof ~ . - bju - io,5 en damp 2^ compressie van het gas' 2qq g „ voor de conversie ~___ ~__ energetisch rendement 2.161 63,6 8104624 * -8- 22168/Vk/mb vergassing met zuurstof-CO^: ..... 3 . PCI {%) van de kcal/Nra gezuiverd gas vergaste koolstof 5 energetische inhoud 2-037 79 3 van het gas ' . ’ warmteterugwinning bij 246 + 66 de conversie ’ productie van zuurstof - 610 - 16 5 en compressie van C02 10 compressie van het gas 2,0 - 6 2 'voor de conversie _ _L_ energetisch rendement 2.333 63,2

Uit deze resultaten blijkt dat met het oog op het energetisch rendement de twee procédés nagenoeg equivalent zijn en deze conclusie 15 zal nog worden versterkt wanneer de afscheiding van CO2 in de separator 17 wordt bewerkstelligd bij een optimale druk, boven atmosferische druk en wanneer men rekening houdt met de remmende werking van de meevoering van de vluchtige bestanddelen van de koolstof op de gasreactie met water.

Samengevat kan worden gesteld dat de werkwijze volgens de uit-20 vinding het mogelijk maakt om voordelen te behalen die samenhangen met het gebruik van een gasvormend middel dat niet-condenseerbaar is en dat kan worden toegepast bij omgevingstemperatuur zonder dat dit nadelen bewerkstelligt met het oog op het energetische rendement van de installatie.

Dit resultaat wordt verkregen door een aaneenschakeling van bewerkingen 25 voor het ondergronds vergassen van kolen, het afkoelen van het gas en de conversie van CO, waardoor het mogelijk wordt om via chemische weg een waardevermeerdering te bewerkstelligen van de uiteindelijk verkregen damp door het afkoelen van het onzuivere gas onder omstandigheden van druk en temperatuur die veel lager zijn zodat een gunstig gebruik mogelijk is in 30 de thermodynamische cyclus en waarbij het mogelijk is om de warmte die vrijkomt bij de conversiereactie op gunstige wijze te gebruiken waarbij damp wordt bereid bij een relatief hoge temperatuur, die kan worden toegepast in een condensatiecyclus om een deel te verkrijgen van de noodzakelijke energie om de installatie in bedrijf te houderi.

35 De energetische balans van het procédé wordt verder begunstigd door het feit dat de C02 die wordt verkregen bij de zuivering van het gas kan worden teegepast als vergassingsmiddel en dat de compressie van dit C02 minder energie verbruikt dan de produktie van een equivalente hoeveelheid waterdamp. g -J Q ^ β 2 4 -CONCLUSIES-

Claims

1. Werkwijze voor de bereiding van een gas met een hoog water-stofgehalte door het ondergronds vergassen van kolen, met het kenmerk, 5 dat een bewerking voor het vergassen van ondergrondse kolen wordt bewerkstelligd met behulp van een mengsel van zuurstof en CO^, waarbij het CO^ wordt verkregen uit een inrichting voor het zuiveren van het gasvormig produkt, waarbij verder het ruwe gas wordt afgekoeld door water te injecteren in de boorgaten waaruit gas wordt afgevoerd en CO wordt omgezet, 10 welk CO wordt gevormd aan het oppervlak onder toepassing van waterdamp, gevormd bij het opnieuw afkoelen van het ‘gas.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de reactie-warmte die vrijkomt bij de omzetting van CO dient om damp te produceren die wordt toegepast in de condensatiecyclus om een deel van de noodzake-15 lijke energie te verkrijgen om de installatie in werking te houden. Eindhoven, oktober 1981 8104624