DE2327008A1

DE2327008A1 - Herstellung von gas aus kohle

Info

Publication number: DE2327008A1
Application number: DE2327008A
Authority: DE
Inventors: Gary H Higgins
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1972-05-30
Filing date: 1973-05-26
Publication date: 1973-12-13
Also published as: US3794116A; GB1382034A; CA989616A

Description

United States Atomic Energy Commission, Washington, D.C. U.S.A.

Herstellung von Gas aus Kohle

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gasherstellung eines unter der Erde befindlichen Kohlelagers zur Erzeugung von synthetischem Erdgas.

Die Wirtschaft in den Vereinigten Staaten.und in anderen Ländern sieht sich den ständig schwindenden Vorräten an heimischen Energiequellen gegenüber, wie beispielsweise den Vorräten an Erdöl und Erdgas. Der Fehlbedarf an natürlichem Gas oder Erdgas wird immer größer, so daß mehr und mehr Importe erforderlich sind oder aber es wird notwendig, synthetisches Erdgas dadurch herzustellen, daß man in großen Fabriken geförderte Kohle oder verschiedene importierte Erdölbestandteile vergast. In jedem Falle sind die Kosten für derartige Energiequelle das Vielfache der

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Kosten für das bislang lieferbare natürliche Gas oder Erdgas. Die Hauptkostenanteile des durch an der Oberfläche befindliche Gaswerke·erzeugten Gases sind die Förderkosten und die Kosten fürdas Gaswerk selbst. Die Förderkosten steigen bekanntlich sehr stark an , wenn tiefer liegende Kohlenlager ausgebeutet werden sollen, und zwar an Stelle der im Tagebau abzubauenden Kohlenlager. Dabei treten, auch verschiedene Probleme hinsichtlich der Umweltsverschmutzung bei solchen Gaswerken auf, wobei insbesondere auch an die Schwefelentfernung, die Verunreinigung durch Flugasche und die Abfallbeseitigung zu denken ist.

Es wurden bereits seit der Mitte des 19. Jahrhunderts Versuche unternommen, Brenngas dadurch zu erzeugen, daß man ein Kohlenlager durch in-situ-Vergasungsverfahren ausbeutet (vergleiche dazu beispielsweise "The Chemistry of Coal Utilization", Supplemental Volume 1968, J. Wylie Press, Kapitel 21, Herausgeber: Homer Lowery). Die meisten dieser Versuche richteten sich auf flache Ablagerungen von subbituminösen Kohlen in Ostdeutschland, in Rußland in der Gegend von Moskau und in Alabama (durchgeführt vom U.S. Bureau of Mines) . Bei diesen Verfahren wird Luft mit ungefähr atmosphärischem Druck nach unten in eine Öffnung gepumpt und über ein oder mehrere brennende Kohlenlager geleitet, worauf dann die Luft in einem anderen Loch gesammelt wird. Diese Löcher hatten verschiedene Formen, aber in jedem Falle wurde der größte Teil der Kohle in CO- umgewandelt, wobei gerade genug H₉ und CO übrigblieben, um ein Heizgas von einer sehr geringen Qualität zu erzeugen. Derartige Gase haben typischerweise Heizwerte von 100 bis 300 BTU/Kubikfuß, während reines Methan (Naturgas) einen Heizwert von annähernd 1000 BTU/Kubikfuß besitzt und für eine wirtschaftliche Pipeline-Verteilung geeignet ist. Analysen der Brennzonen wurden mittels Tunneln ausgeführt, die parallel zu diesen Zonen verliefen und mit diesen durch kleine horizontale Bohröffnungen verbunden waren; die Ergebnisse zeigten, daß der größte Teil des CH und ein wesentlicher Teil von H₀ und CO nahe der Austrittszone verbrannt wird. Dies tritt deshalb auf, weil die Eintrittsluft an der heißen Verbrennungsfront oder -zone vorbeiläuft und mit den Austrittsgasen in Reaktion gerät, wodurch der größte Teil des Gases verbraucht wird. Nichtsdestoweniger wurden nach diesem Verfahren arbeitende Betriebe kontinuierlich

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während der letzten 40 Jahre betrieben, wobei ein Gas niedriger •Qualität aus Kohle erzeugt wurde, die wegen ihres hohen Aschegehaltes sonst nicht brauchbar wäre.

Ähnliche Verfahren sind bei tiefliegenden Kohlevorräten nicht praktikabel, da die Kosten für das Einbringen von Rohren und die Ausbildung von den erforderlichen Tunnels zu hoch wären. Auch würde das Gas eine derart niedrige Qualität und einen derartig niedrigen Kalorienwert besitzen, daß sich der Transport durch Pipelines nicht wirtschaftlich durchführen ließe.

Die Erfindung bezweckt nunmehr, ein Verfahren vorzusehen, mittels welchem derartige Kohlenlager wirtschaftlich in ein Brenngas,, d.h. ein synthetisches Naturgas öder Erdgas wirtschaftlich umgewandelt werden können. -

Zur Durchführung der vorliegenden Erfindung wird ein relativ dickes und tief liegendes Kohlenlager ausgewählt, welches eine Stärke oder zusammengesetzte Stärke von mindestens 50 Fuß besitzt und weit unterhalb des Grundwasserspiegels liegt. Durch irgendwelche geeigneten Mittel wird ein großer Volumenanteil des Lagers zerbrochen. Vom wirtschaftlichen Standpunkt ausgesehen wird allgemein ein Zerbrechen durchr Sprengmittel bevorzugt, da die Sprengmittel durch Bohrlöcher mit dem richtigen Abstand einbringbar sind. Darüber hinaus können ausgewählte Bohrlöcher mit geeigneten Schalungen versehen werden, welche als Reaktionsmittel-Eingangsleitungen benutzbar sind. Die Erzeugnisausgangsleitungen können in Form von Bohrlöchern vorgesehen sein, welche durch Neigungsbohrverfahren hergestellt wurden und sich von der Oberfläche aus zu den untersten zerbrochenen Teilen hin erstrekken. Durch Verwendung geeigneter Schalungen, beispielsweise mit perforierten unteren Enden, kann das erzeugte Gas zur Oberflächezu einer Verarbeitungsanlage geführt werden. In einigen Fällen kann die Ausgangsleitung durch eine geeignet angeordnete Welle geführt werden, und zwar .mit radial verlaufenden Kanälen (Gallerien). ,

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Zu Beginn der Arbeiten wird eine Mischung aus Sauerstoff und einem Brenngas durch die Reaktionsmittel-Eingangsleitungen eingeführt und gezündet, um so die obere Lage der zerteilten Kohle zur Reaktion, d.h. auf Zündtemperatur zu bringen. Im allgemeinen werden die Ausgangsleitungen zu diesem Zeitpunkt abgeschlossen, so daß sich in dem durch das zerteilte Materialvoiumen gebildeten Hohlraum ein Druck bis hinauf zu einem Betriebsbereich in der Größenordnung von 500 bis 1000 psi aufbauen kann. Der Betriebsdruck kann derart ausgewählt werden, daß er mit dem hydrostatischen Druck des Grundwassers in Gleichgewicht steht, so daß kein Wasser eintritt und gleichzeitig der hydrostatische Druck Leckstellen des Hohlraums eliminier oder minimiert. Darüber hinaus fördert ein erhöhter Druck Methanisierungsreaktionen in der zerkleinerten Kohlenlage, so daß sich ein Gas mit einem hohem kalorimetrischen Wert ergibt.

Wenn der gewünschte Betriebsdruck erreicht ist, werden die Gasoder Erzeugsnisaustrittsleitungen geöffnet und Reaktionswasser wird in einer geeigneten Form zusammen mit Sauerstoff eingeleitet, um mit der entzündeten oberen Kohlenlage in Berührung zu kommen. Der Entzug des Produktgases wird dann entsprechend dem Reaktionsmitteleintritt geregelt, um den Betriebsdruck aufxechtzuerhalten. Daraufhin breitet sich die entzündete Lage nach unten hin aus, und zwar mit einer Temperatur im Bereich von ungefähr 600⁰K bis 1500°K, und zwar vorzugsweise im Bereich von ungefähr 650 1100⁰K, wobei diese Entwicklung vor sich geht, wenn das Wasser und der Sauerstoff mit der oberen Kohlenlage reagieren. Die von den fließenden Reaktionsgasen mitgeführte Wärme erhitzt die unterhalb der heißen Lagenzone liegende Schicht auf eine Temperatur, die geringer ist als die in der heißen Zone, wodurch dort Methan erzeugende Reaktionen auftreten. Es sei bemerkt, daß die Verwendung einer nach unten fortschreitenden Reaktion eine stabile Brennoder Reaktionszone sicherstellt, die ein Dan"ebenvorbeilaufen eliminiert. Infolge der oben erwähnten Reaktionen wird ein Gas erzeugt, welches Methan, Wasserdampf, möglicherweise CO und H₂ und auch CO₀ enthält. Das C0_o-Gas kann entfernt werden und der Wasserdampf wird in einer Vorrichtung an der Erdoberfläche kondensiert,

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während - wenn gewünscht - CO und H^ kathalytisch zur Reaktion gebracht werden, um Methan zu erzeugen. In jedem Fall erhält man ein Gas mit einem hohen Kalorienwert, welches als Brennstoff und in chemischen Synthesen verwendet werden kann.

Bei dem erfiridungsgemäßen Verfahren ist es vorteilhaft, daß an der Erdoberfläche keine Asche erzeugt wird, und daß auch sonst keine Abraumhalden entstehen. Darüber hinaus werden die Förderkosten eliminiert und die Kosten für die an der Oberfläche erforderlichen Fabrikanlagen werden drastisch reduziert, da keine großen Reaktionsvorrichtungen und Konverter benötigt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht die in-situ-Vergasung von tief liegenden Kohlenlagern unter Verwendung erhöhter Drücke und Temperaturen möglich.

Ergänzend sei an dieser Stelle zum Stand der Technik noch auf folgende Literaturstellen verwiesen: "Les applications de 1'explosion thermonucleaire" von Camille Rougeron, Editions Berger-Levrault, Paris_r 1956.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt einer unterirdischen Formation mit einem relativ dicken Kohlenlager, weiches für die erfindungsgemäße Anwendung geeignet ist;

Fig. 2 eine Darste-llung eines Sprenglochmusters für die Einbringung eines Sprengmittels zur Erschütterung des in Fig. 1 gezeigten Kohlenlagers;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der zur Vergasung der Kohle dienenden Fabrikanordnung;

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Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht der zerteilten Kohlenlagerstätte der Fig. 3, und zwar zusammen mit einem Temperaturprofil und den in den verschiedenen Teilen der Reaktionszone auftretenden Reaktionen.

Kohlenlagerstätten sind auf dem nordamerikanischen Kontinent und auch in der übrigen Welt weit verteilt. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sind Kohlenlager zwischen ungefähr 600 und 3000 Fuß unterhalb der Erdoberfläche von besonderem Interesse. Die v/estlichen Staaten der USA sind besonders reich mit Kohlenlagern gesegnet, welche geeignete physikalische und chemische

1 2 Eigenschaften besitzen. Schätzungsweise 1,5 χ 10 Tonnen Kohle sind in' diesen Lagerstätten vorhanden (vergleiche The Economy, Energy and the Environment, Joint Economic Committee of Congress of the United States, September 1, 1970). Eine Verarbeitung von

^Y 18 nur 30% dieser Kohlen würde ungefähr 10 000 χ 10 Kubikfuß Gas ergeben, d.h. ungefähr das dreissigfache der gegenwärtig bekannten abbaubaren Reserven.

Zum Zwecke der Beschreibung, der vorliegenden Erfindung sei auf" eine spezielle Kohlenlagerstätte Bezug genommen, die im Central Powder River Basin-of Ost Wyoming ungefähr 20 Meilen westlich von Öillette liegt. In dieser Formation sind im allgemeinen fünf gesonderte Kohlenlagen vorhanden, wobei jede Lage ungefähr 50 Fuß stark ist, obwohl ein Teil einen kontinuierlichen 200 Fuß dicken Kohlensaum aufweist. In einem Gebiet von 9x18 Quadrat-

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meilen gibt es genügend Kohle, um 700 χ 10 Kubikfuß Gas zu erzeugen. Diese Kohle liegt aber zu tief, um eine wirtschaftliche Förderung durchzuführen, so daß die in-situ-Vergasung diese sonst nicht zugänglichen Reserven zugänglich macht.

Ein typischer Abschnitt einer solchen Lagerstätte ist in Fig. 1 dargestellt, wo sich Kohleschichten 11 zwischen schieferartigen Lagen 12 befinden, und zwar mit einem relativ engen Abstand. Darüber liegt dann die obere Schicht 16, die aus verstreut angeordneten Lagen aus Sandstein und Schiefer besteht, wobei darin die Grundwasserlage 14 auf einem bestimmten Niveau unterhalb der

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Erdoberfläche existiert. Allgemein wird eine Formation derart ausgewählt, daß sich die oberste Kohleschicht auf einer solchen Tiefe unterhalb der Wasserlage befindet, daß ein hydrostatischer Druck im Bereich von ungefähr 500 bis ungefähr 10 000 psi oder etwas höher erzeugt wird. Dabei ist der-iiydrostatische Druck ungefähr 435 psi für jede 1000 Fuß unterhalb der Wasserlage. Ferner sollte die Formation derart ausgewählt werden, daß sie im Durchschnitt mindestens ungefähr 20% Kohle enthält, damit man eine zufriedenstellende Reaktionsgeschwindigkeit erhält. Die auszubeutende Formation kann eine kontinuierliche Lage sein, oder aber Kohle mit. Felsgestein gemischt.

Zur Aufbereitung des ausgewählten Kohlelagers werden die Kohlenlagen mit den darin eingestreuten - wenn vorhanden - Schieferlagen durch Explosionsstoffe erschüttert. Das umfaßte.Gebiet ist dabei derart ausgewählt, daß man soviel Kohle aufbereitet, um einen kontinuierlichen Betrieb für eine beträchtliche Zeitspanne, d.h. 1 Jahr oder mehr, aufrechtzuerhalten. Vorzugsweise wird die Kohle in einer möglichst großen Menge, die gleichzeitig verarbeitet werden kann, der Erschütterung ausgesetzt, um so die zwischen zu verarbeitenden Gebieten verbleibende Kohle z\a minimieren. Eine Fläche von einer halben Quadratmeile oder mehr kann gleichzeitig verarbeitet werden. Es können Explosionsmittel wie Ammoniumnitrat-Aluminium-Diesel oder Heizölmischungen oder eine Ammoniumnitrat-Brennölmischung (ANFO-Al oder ANFO) benutzt werden, d.h. Sprengstoffe, die im Bergbau und in der Bauindustrie weit verbreitet sind, es können dabei aber auch für Pflugscharr-Anwendungsfälle. entwickelte Kernexplosionsstoffe benutzt werden. Beispielsweise können die üblichen Explosionsstoffe durch 24 Zoll Bohrlöcher 17 (vergleiche Fig. 1) eingebracht werden, die beispielsweise mit einem 60 Fuß-rAbstand in einem konzentrischen hexagonalen Muster angeordnet sind, wie dies in Fig. 2 der Zeichnung zu erkennen ist. Die für die Einführung der Reaktionsmittel verwendeten Bohrlöcher können vor der Explosion mit Stahlrohren ausgekleidet und verschlossen werden, beispielsweise mit bohrbaren Stopfen oder mit entfernbaren Packmitteln, um die Detonation einzuschließen. In denyerbleibenden Bohrlöchern kann die Auskleidung dazu verwendet werden, um - wenn erforderlich - den Eintritt von Wasser zu verhin-

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dern, oder aber es kann einfach ein Ausfüllen mit wasserdichtem

Material erfolgen. Die Explosionsmittel können nacheinander an ihren Platz gebracht und detoniert werden, beispielsweise ausgehend von der Mittelöffnung, um auf diese Weise ein mögliches Brechen der darüberliegenden Schicht zu verhindern. Die Größe der Explosionsladung ist so ausgewählt, daß sich eine angemessene Bruchmenge ergibt, wobei aber keine "Anheb"-Detonation auftreten soll, welche die Formation unnötig durchexnanderbrxngen könnte. Übliche Lade- und Zündsysteme können verwendet werden. Man kann pro Tonne Explosionsmittel Bruch in der Größenordnung von 600 Tonnen Kohle erreichen. Es ist auch möglich, eine geringere Anzahl von Kernvorrichtungen zu verwenden, wobei der Abstand und die Vorrichtungsgröße aus publizierten Informationen entnommen werden können (siehe UCRL-50929, "Aids for Estimating Effects of Underground Nuclear Explosions", T.R. Butkovich u.a., 8. September 1970).

Wenn die gewünschte Kohlenmenge gebrochen wurde, kann die Detonationszone zur Durchführung des Vergasungsprozesses in der in Fig. 3 schematisch dargestellten Weise angeordnet werden. Die erschütterte oder zerbrochene Kohlenlage 21 kann als in einem geschlossenen Gefäß oder Hohlraum befindlich angesehen werden, wobei das Gefäß durch die umgebenden unzerstörten Teile der ursprünglichen Formation definiert ist. Eines oder mehrere der verkleideten Bohrlöcher 17 (nur eines ist dargestellt) kann ausgebohrt werden, um als Reaktionsmittel-Eingangsleitung zu dienen. Die Leitungslöcher 17 können mit einer Sauerstofferversorgungsanlage 22 verbunden sein und Wasser durch eine Wasseraufbereitungsanlage 23 erhalten. Es wird eine hinreichende Anzahl von Bohrlöchern verwendet, oder aber andere Mittel werden benutzt, beispielsweise Sprühvorrichtungen, um eine in vernünftigen Ausmaßen gleichförmige Verteilung des Wassers an der obersten Schicht der Lage 21 der zerbrochenen Kohle zu erreichen. Sauerstoff wird lediglich durch Einspritzen oder Injektion verteilt. Mindestens eine Ausgängsleiturig 24 (es ist nur eine dieser Leitungen dargestellt) für das Produkt ist vorgesehen und steht mit dem Boden der zerbrochenen Kohlenlage 21 in Verbindung, um die das Endprodukt bildenden Gase (CH₄, CO, CO₂/ H-* H-O, usw.) an

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eine an der Oberfläche befindliche Gasreinigungsanlage 26 zu liefern.. Die Auslaßleitung könnte auch als ausgekleidete Welle mit (nicht gezeigten) Gallerien oder Kanälen ausgebildet sein/ die unterhalb der zerbrochenen Kohlelage liegt und ausgekleidet ist. Es könnte auch eine zentral angeordnete Welle mit verschiedenen Satellitenvergasungskammern benutzt werden. Die Gasreinigungsanlage 26 kann in üblicher Weise so ausgebildet sein, wie dies bei den im oberirdischen Betrieb verwendeten Gasreinigungsanlagen der Fall ist. Wenn das Gaserzeugnis hauptsächlich Methan und CO- enthält - wie dies bei bestimmten Betriebsarten der Fall ist -, dann die Anlage 26 mit lediglich einer CO₂-Entfernungseinheit auskommen, die beispielsweise CO₂ in Wasser absorbiert und wobei eine Wasserkondensationseinheit vorgesehen ' ist, um so für den Pipelinetransport geeignetes Gas zu erzeugen. Das sich in den unteren Teilen des Hohlraumes ansammelnde Überschußwasser kann durch eine eine (nicht gezeigte) Pumpe' verwendende Leitung 24 abgezogen werden. Wenn sich die heiße Zone der Vergasungsreaktion den unteren Teilen der Kohlelage nähert, so kann es passieren, daß die Methanisierung nicht mehr vollständig ist und daß CO und H₂ im Gaserzeugnis auftreten. Für diesen Fall kann'eine kathalytische Methanisierungsanlage üblicher Konstruktion in der Gasreinigungsanlage vorgesehen sein.

Das CO« enthaltende Absorberwasser kann zur Wasseraufbereitungsanlage 23 zirkuliert werden, wo das CO₂ in einem Ausziehturm herausgezogen wird oder indem man Luftblasen hindurchführt. Dieses Wasser und das aus dem Hohlraum-abgezogene Wasser kann dann wieder Reaktion mit der Kohlenlage benutzt werden. Die anfängliche Wasserversorgung braucht nicht durch frisches Trinkwasser geschehen, sondern es kann abgestandenes Wasser aus einem Speichersystem benutzt werden.

Zu Beginn des Vorgangs wird eine entzündbare Mischung, beispielsweise Sauerstoff und ein Brenngas, beispielsweise Erdgas, nach unten geführt und entzündet, um die obersten Schichten der Kohlenlage auf Reaktionstemperatur aufzuheizen, d.h. vorzugsweise auf einen Bereich von ungefähr 65Q°K bis ungefähr 11QO^PK; ganz be-

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sonders bevorzugt ist der Bereich von ungefähr 65O°K bis ungefähr 850 K. Es können auch andere Zündverfahren benutzt werden, wie. sie auf Ölfeidern gebräuchlich sind. Während dieses Vorgangs wird die Erzeugnisausgangsleitung 24 geschlossen, so daß der Hohlraumdruck auf den Betriebsbereich - ungefähr 500 bis 1000 psi öder mehr - ansteigt. Daraufhin wird die Erzeugnisausgangsleitung 24 geöffnet, wodurch sich eine Vergasungsreaktionszone mit einem Temperaturprofil der in Fig. 4 gezeigten Art einstellt. Die Relativmengen von. Wasser und Sauerstoff werden allgemein derart einreguliert, daß die Spxtzenreaktxonstemperatur in den obersten Kohlenlagenschichten auf einem Niveau bleibt, wo Wasser-Gas-Reaktionen und einige Methanxsxerungsreaktxonen auftreten. Eine vollständigere Methanisierung tritt dann in der kühleren Zone vor der Spitzentemperaturzone auf. Wenn die Reaktion über eine Zeitperiode hinweg fortschreitet, verläuft die Reaktionszone nach ■ unten und läßt Asche und Restabfall zurück. Hindurchtretendes Wasser und Sauerstoff nehmen die Restwärme daraus auf, um einen Teil der für die Vergasungsreaktion erforderliche Wärme zu liefern. .

Es sei bemerkt, daß der nach unten gerichtete Vergasungsvorgang eine sehr stabile Reaktionsfront liefert, welche verglichen mit einem nach oben gerichteten oder seitlichen Brennvorgang das Umgehen von noch nicht einer Reaktion unterworfener Kohle minimiert. Ferner sind die reagierten und noch nicht reagierten Sehieferteile und die Kohleasche wirksame Katalysatoren für die Kohlenstoffmonoxyd-Wasser-Reaktion und auch leistungsfähige Sammler für Schwefeloxyde, Schwefelwasserstoff und Säuredämpfe, wie sie durch Verwendung von abgestandendem Wasser erzeugt werden können. Der Fels hat eine geringe thermische Leitfähigkeit, so daß keine merklichen Wärmeverluste auftreten. Außerdem werden Flugasche und Schwermetallverunreinigungen in der langen Vertikalsäule aus Fels und Asche aufgefangen. Es wird also ein synthetisches Erdgas erzeugt, welches keine Umweltverschmutzung zur Folge hat.

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Chemie des Kohlevergasungsverfahrens

Kohle ist eine organische Verbindung, die im wesentlichen keinen freien Kohlenstoff in ihrem natürlichen Zustand enthält. Sie besteht aus einer Reihe von Molekülen; welche drei oder vier Sechs-Kohlenstoff-Ringe mit einer phenanthrenartigen Struktur besitzen. Die phenanthrenartige Struktur ist teilweise mit Wasserstoff gesättigt, so daß sich "bootartige" Formen ergeben. Stickstoff und Schwefel (kein Pyrit) sind in den Ringen enthalten, während Sauerstoff hauptsächlich in der Hydroxy-Form auftritt. Diese Elemente vernetzen somit die Grundringstruktur in phenolformaldehydartige Polymere. Wegen der Ringspannung-ist die ganze Struktur derart locker, daß Wassermqleküle den Raum zwischen locker angeordneten parallelen Ringen ausfüllen und Wasserstoffbindungen mit den nicht gesättigten Kohlenstoffatomen eingehen, wodurch der gesamten Struktur zusätzliche Stabilität verliehen wird. Dieses Wasser macht 10 bis 30% des Gewichts der an Ort und Stelle, befindlichen Kohle aus und ist chemisch ein Teil der Kohle.

Kohlen sind in komplizierter Weise klassifiziert, und zwar abhängig von ihrem Sauerstoff/Kohlenstoff-Verhältnis, den Verkokungseigenschaften, dem Aschegehalt, dem Verhalten bei Erwärmung und dem Schwefelgehalt. Für die vorliegenden Zwecke reicht es aus, vier große Kathegorien zu betrachten: Anthrazitkohlen, Bitumene, Sub-Bitumene und Lignite. In dieser Reihenfolge sind diese Klasseneinteilungen durch im allgemeinen ansteigende Wasserstoff/Kohlenstoff-Verhältnisse und im allgemeinen abnehmende Verbrennungswärmen und im allgemeinen ansteigenden Sauerstoffgehalt gekennzeichnet. Das hier beschriebene Vergasungsverfahren scheint bei den Kohlen der sub-bituminösen und der Lignit-Klassifikation einfacher anwendbar, wo die Wasserstoff/Kohlenstoff-Verhältnisse sich neu geförderter Kohle annähern. Diese Kohlenart besitzt eine große Menge fest eingebauten Kohlenwasserstoffs und besitzt ein günstigeres Wärmegleichgewicht bei der in situ stattfindenden Vergasung.

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Da jede Kohle einen etwas unterschiedlichen chemischen Aufbau be sitzt, kann ein universell anwendbarer Satz von Reaktionen nicht ohne weiteres angegeben werden. Für den vorliegenden Zweck sei die Vergasung der Kohle des Central Powder River Basin als Beispiel für weit verteilte Kohlenablagerungen betrachtet. Diese Kohle besitzt einen Heizwert von ungefähr 9000 BTU/lb und die in Tabelle 1 dargestellten chemischen Eigenschaften. Es gibt dabei im allgemeinen fünf Kohlenlagen in dem Gebiet, wobei jede La ge eine durchschnittliche Stärke von 50 Fuß besitzt, obwohl ein Bohrloch (See. 29 T49NR75W) 205 Fuß von kontinuierlich vorhandener Kohle in einer Lage ergab.

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Analyse der Powder River Kohle ■

Natürliches Vorkommen Analyseergebnis

Feuchtig- Flüchtige Kohlen- Asche S H C NO ke.it Teile stoff

21.4 33.7 38.6 6.4 0.8 5.6 58.6 1.0 27.5

Die "Formel" für die in Tabelle 1 angegebene Kohle ist C H₁ ^g ^O 35 ^No 015 ^o ΟΩ5' ^^ese Formel kann für die thermodynamischen Berechnungen vereinfacht werden zu: C H₁ i_C 0_ ·,,-. Diese Kohle

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besitzt ein Gramm-Formalgewicht von 18.76; dieses Gewicht sollte nicht mit dem Molekulargewicht verwechselt werden, welches wohl näher an ein- oder zweitausend liegt. In der folgenden Berechnung wird das "Mol" verwendet, von welchem angenommen wird, daß es das einfache, oben dargestellte ist.

Zur Berechnung der Wärmegleichgewichte und der chemischen Reaktionen ist es erforderlich, die Enthalpie H ₂go und die Entropie S°2ηο der Kohleverbindung zu kennen. Die Enthalpie oder die Wärme der Bildung der Kohle kann aus der Verbrennungswärme und deti bekannten Formationswärmen des Reaktionsmittels Sauerstoff

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und der Verbrennungsprodukte ermittelt werden. Aus dieser Berechnung ergibt sich, daß H°₂98 d^ieser Kohle -30.627 Kcal Mol"

ist. ' ■ , .

Die Abschätzung der Entropie der Formation ist schwieriger und kann durch Annahmen bezüglich der chemischen Struktur der Kohle durchgeführt werden. Durch Vergleich einer Anzahl organischer Verbindungen, deren Zusammensetzungen ähnlich sind, kann die Eritro-

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pie der Kohle auf Werte zwischen 5 und 15 cal deg Mol geschätzt werden. Die Verwendung der Lätimer-Regel zur Abschätzung der Entropie, S°_2g8 = ^L (3/2 R /ηΜ_±-0.94), ergibt einen Wert von 10.24 cal deg Mol für die in Rede stehende Kohle. Diese sehr wichtige Eigenschaft kann genauer durch übliche Versuchsverfahren bestimmt werden. Es kann sich eine Verschiebung der optimalen Betriebstemperaturen dann ergeben, wenn der wahre Wert wesentlich von dem angenommenen Wert abweicht; ein angenommener Wert kann jedoch verwendet werden, um die auftretenden Wärme- und Gleichgewichtsreaktionen auszuwerten. Diese Auswahl beeinflußt das Wärmegleichgewicht nicht in signifikanter Weise. Für die folgenden Berechnungen wird ein Wert von 10.1 cal deg Mol angenommen.

Die bei der Kohlevergasung auftretenden Reaktionen können nunmehr untersucht werden, wobei unter Bezugnahme auf -Fig. 2 auf die vier Kategorien, d.h. Verbrennung, Pyrolyse, Reaktion mit Wasser und · mit Wasserstoff hingewiesen wird. Dies sind die Verbindungen, die mit der -Kohle an den verschiedenen Stellen in der aktiven Reaktionszone in Berührung kommen. Weder CO₀ noch CO reagieren mit Kohle bei niedrigeren Temperaturen und diese Reaktionen sind inTabelle 2 nicht enthalten.

Das geschätzte Δη für die Reaktion und die freie Energie bJ? sind in Tabelle 2 für Temperaturen von 500°K und 1000⁰K dargestellt. Gemäß der üblichen Konvention bedeutet ein negativer Wert von £-H, daß Wärme freigegeben wird, während ein positiver Wert von AH bedeutet/ daß Wärme verbraucht wird. Negative Werte von AF weisen auf Reaktionen hin, welche das Produkt oder die rechte Seite der chemischen Gleichung begünstigen, während positive Wer-

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te von AF anzeigen, daß die Reaktionsrnittel oder die auf der linken Seite stehenden Verbindungen begünstigt werden."Demnach wird eine Reaktion mit einem positiven AH und einem negativen ^AF unter Wärmeverbrauch vollständig durchgeführt.

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Die thermodynamischen Größen in Tabelle 2 zeigen, daß sich die Kohle nur dann zersetzt oder mit Wasser reagiert (Reaktionen 1 und 2), wenn Wärme bei Temperaturen oberhalb 500 K zugeführt

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wird. Daher wird/bei dieser Kohle und beim NichtVorhandensein von Sauerstoff oder Wasserstoff (Reaktionen 3 und 4) die Reaktion nicht fortsetzen, so daß ein Ausserkontrollegeraten der Verbrennung nicht auftreten kann. Die Reaktion, welche Methan (Reaktion2) direkt aus Kohle erzeugt, benötigt die Zufuhr von Wärme und scheint bei diesen Temperaturen etwas weniger begünstigt zu sein als die Pyrolyse (Reaktion 1), so daß die direkte Umwandlung von Kohle in Methan mit Wasser möglich ist, wenn genügend O₂ züge- , führt wird, um die erforderliche Wärme über Reaktion 4 zu erzeugen. Wenn andererseits die Reaktion 1 schneller vonstatten geht r als Methan durch die Reaktion 1 erzeugt wird und der

Kohlenstoff dann mit Wasser reagiert (Reaktion 5),wird ein Teil des CO weiter mit Wasser reagieren (Reaktion 8), um genügend Wasserstoffzu erzeugen, um Reaktion 9 mit dem gleichen Netto-Resultat ins Gleichgewicht zu bringen. Es können auch zwei in Wettbewerb stehende Reaktionen betrachtet werden. Dieser zweite Weg der Methan-Produktion, d.h. aus Kohlenstoff, kann unterbunden werden, wenn die Reaktion 3 den gesamten Wasserstoff/verbraucht (obwohl Methan jedenfalls durch andere Reaktionen erzeugt wird ), oder wenn Reaktion 10 auftritt und sämtliches CO verbraucht , bevor Reaktionen 8 und 9 auftreten können . Aus Experimenten mit an der Erdoh_erflache verwendeten Methanisiervorrichtungen ergibt sich, daß die Geschwindigkeiten der Reaktionen 8 und 9 unter manchen Bedingungen günstig werden, während die Reaktion 10 u.a. Bedingungen begünstigt wird. Wenn jedoch Reaktion 10 auftritt, dann wird, wenn die höhere Temperaturzone das Produkt Kohlenstoff erreicht, die Reaktion 7 den ganzen Zyklus beginnen, bis das Gaserzeugnis H„ und CO ist. Dies kann an der Oberfläche zur Bildung von Methan in üblicher Weise unter Verwendung eines geeigneten Katalysators kombiniert werden. Die Sekundärreaktionen der Tabelle 2 zwischen C, CH₄, CO „, H„ und H₃O sind einer ähnlichen Tabelle der folgenden Literaturstelle entnommen: "The Chemistry of Coal Utilization", Ergänzungsband 1968, J.Wylie Press, Capitel 21; Herausgeber Homer Lowery.

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Aus dieser Tabelle können noch verschiedene andere Schlußfolgerungen gezogen werden. Selbst bei geringen Temperaturen kann kein Sauerstoff übrig bleiben, da die Reaktionen 4,5 und sämtlich exotherm verlaufen mit stark negativen freien Energien. Die Reaktionen 1,2 und 7 verbrauchen Energie bei hoher Temperatur, während die Reaktionen 6 und 9 oder 10 Energie bei niedrigen Temperaturen erzeugen. Diese Kombination bewirkt, daß sich die Wärme durch die Reaktionszone ausbreitet und stellt sicher bzw. hilft, daß die Verbrennungszone auch über Schieferzonen hinweg springt, ohne daß externe Zündversuche notwendig sind, wenn die Reaktionszone nach unten weiterschreitet.

Sämtliche Information der Tabellen 1 und 2 kann zur Ermittlung einer Gesamtenergiebilanz kombiniert werden, wenn die Anfangs reaktionstemperatur ausgewählt is. Im folgenden zur Veranschaulichung dienenden Beispiel ist vorgeschlagen, daß Wasser und Sauerstoff gerade in einer solchen Menge hinzugefügt werden, daß die Reaktion 2 der Tabelle 2 bei 700°K aufrechterhalten bleibt. Die Umgebungstemperatur wird mit 300°K angenommen und die Kohlezusammensetzung entspricht den in Tabelle 1 genannten Werten. Unter diesen Bedingungen ist die erforderliche Wärme diejenige, die benötigt wird, um die Kohle, die Asche und das Wasser von Umgebungstemperatur auf die Reaktionstemperatur zu bringen und um das Wasser zu verdampfen und die Reaktion aufrechtzuerhalten. Die zugeführte Wärme muß durch die Verbrennung der Kohle erzeugt werden. Für diese Berechnung ist es zweckmäßig, die thermodynamisehen Größen auf einer Einheitsgewichtsbasis anzugeben, wie dies in Tabelle 3 gezeigt ist. Obwohl die obige Berechnung nur angenähert gilt, da verschiedene Wärmekapazitäten geschätzt wurden, kann sie doch bei der anfänglichen Konstruktion der Anlage benutzt werden. Optimierte Bedingungen können mit größerer Genauigkeit durch Computersimulation und/oder durch Änderung der Betriebsbedingungen ermittelt werden. Die Berechnung läßt die Produkte auf 700°K, wobei aber ein beträchtlicher Teil dieser Wärme wieder zurückgewonnen werden kann, wenn die heißen Gase durch die kühlere noch keiner Reaktion unterworfene Kohle unterhalb der Reaktionszone strömt und auch während der Strömung des Eingabesauerstoffs und Wasser durch die Asche und das verbrauchte Material, das zur Reaktionszone reicht und wodurch nachdem der Betrieb einmal in

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Gang gesetzt ist, geringere Mengen von O„ erforderlich sind. Der Wasserverbrauch wurde so berechnet, als ob sämtliches Wasser in der Kohle .bleibt. Es ist höchstwahrscheinlich, daß etwas Wasser in den heißen nach un_ten strömenden Gasen verdampfen wird und als flüssiges Kondensat an der Basis der zerkleinerten oder zerbrochenen Zone erscheint. In diesem Fall wird es zur Oberfläche gepumpt und wenn nötig, wieder eingespritzt.

T ^ra" belle 3

1.1g Kohle an Ort und Stelle = 0,936 Kohle + 0.064 g Asche

2. 1 g Kohle + 1,9,gO₂-*- 2.34 g CO₃ + 0.56 g H₃O (g)

ΛΗ = -5291 cal/g Kohle

3. 1 g Kohle + 0.513 g H₃O (g)-*► 0.475 g CH₄ + 1.038 g CO₃

ΛΗ =529 cal/g Kohle

4. 1 g Kohle ca. 300°K -*· 1 g Kohle ca. .700⁰K

ΔΗ = + 255/cal/g .

5. 1 g H₂O (1) -* 1 g H₂O (g) (T = 393°K)

Δ H = + 575 cal/g

Es seiX. gleich die an der Stelle befindliche Kohle, die zur Erzeugung von Wärme verbrannt werden soll, wobei angenommen wird, daß ein Gramm der an der Stelle befindlichen Kohle in Methan umgewandelt wird. Die Gleichung für das Wärmegleichgewicht ist die folgende:

0.936 κ 5291X -255X = 255 + 529 χ Ο.936+0,936 χ 575/Ό. 51 3 -0. 936* 0.

X.= 0.206

Es müssen somit im wesentlichen 0,2 Gramm der an Ort und Stelle befindlichen Kohle für jedes mit Wasser umgewandelte Gramm der an Ort und Stelle befindlichen Kohle verbrannt werden. Die Tabelle 4 faßt die Erzeugnisse und die Reaktionsmittel pro Tonne

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der an Ort und Stelle befindlichen Kohle zusammen.

Tabelle 4

Reäktionsmittel '

An Ort und Stelle befindliche Kohle Sauerstoff" '

Wasser

1 metrische Tonne 0,304 Tonnen

0,306 Tonnen 306 1

Erzeugnisse

Methan

Kohlenstoffdioxyd

Asche

Stickstoff

0.370.Tonnen 19,8MCF

1,175 Tonnen 22.9 MCF 0,064 Tonnen

0,0072 Tonnen 0.22 MCF

0,0058 Tonnen 0

Es kann nicht vorhergesagt werden, ob Schwefel als SO- oder H-S auftritt, jedoch wird CS~ bei niedrigen Temperaturen nicht festgestellt. Entweder SO₂ oder H₂S wird wahrscheinlich mit den Schieferstoffen reagieren und absorbiert werden, bevor es in die ErZeugnisleitung gerät, so daß ein Gas mit einem geringen Schadstoffanteil erzeugt wird.

Der Heizwert der verwendeten Kohle beträgt 9000 BTU pro Ib (englische Pfund) oder 19,8 Millionen BTÜ pro metrische Tonne. Der Heizwert des erzeugten Methans ist 18,6 Millionen BTU, so daß also der Heizwert der Kohle weitgehend bei diesem Verfahren erhalten bleibt, obwohl nur 46,4% der Kohle in Methan umgewandelt'wird.

Der kleine Verlust ist die in der heißen Asche, dem Schiefer und dem Gas zurückbleibende Wärme. Die Schieferlagen zwischen den Kohlelagen werden etwas Wärme benötigen, aber unter der Annahme_R daß die ganze Erzeugniswärme von der Kohle geliefert wird, und daß die Erzeugnisse oder Produkte auf der Reaktionstemperatur belassen werden, vermindert dieser Verlust den Reaktionswirkungsgrad nicht. Es ist in der- Tat so, daß das der Tabelle 4 zugrunde-

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liegende Wärmegleichgewicht als überaus pessimistisch vom Wirkungsgradstandpunkt angesehen werden muß und daß sich in der Praxis ein noch wesentlich günstigeres Ergebnis einstellen wird,

Verfahren:

Wenn man mit dem zerkleinerten Kohlesystem gemäß Fig. 2 beginnt' und Methan als das Erzeugnis annimmt/ so kann die oben beschriebene thermodynamische Theorie zur Auswahl der besten Betriebsbedingungen des Kohlevergasungsverfahrens benutzt werden. Das zu beschreibende Verfahren ist somit für einen Vergleich mit anderen Vergasungsverfahren und für angenäherte Wirtschaftlichkeitsanalysen zweckmäßig.

Die in Fig. 3 dargestellte schematische Anlagenanordnung kann benutzt werden. Die Sauerstoffanlage kann eine Standard-Kryogeneinheit sein, welche eine Hochdruckinjektionspumpe aufweist. Die Wasseraufbereitungsanlage kann einfach aus einem Speicher, einer CO₀-Auszieheinheit (wenn das Wasser wiederverwendet werden soll) und einem Pumpsystem einschließlich einer Hochdruckinjektionspumpe bestehen. Die Gasreinigungsanlage kann von üblicher Konstruktion sein und ist geeignet, gegebenenfalls im Endprodukt auftretendes SO- zu entfernen.Es ist jedoch höchst wahrscheinlich, daß sich das SO₉ in der Erde bildet und in diesem Falle wird es von dem Schiefer absorbiert, und zwar durch Reaktion mit Karbonaten, so daß im fertigen Gas keine Schwefeloxydgase vorhanden sind. Dies ist eine sehr wichtige und für die Umwelt sehr günstige Folge des in-situ-Verfahrens im Gegensatz zu an der Erdoberfläche vorgenommenen Kohlevergasungen. Die Entfernung von CO₂ kann durch Waschen mit Wasser oder durch Expansionsabkühlung erfolgen. Für die CO₂-Entfernung könnte auch ein einfaches Hochdruck-Kalium·^ karbonat-Waschen benutzt werden, wobei dann auch gleichzeitig gegebenenfalls vorhandene Schwefelverbindungen entfernt werden könnten. Die Lösung könnte dann wieder aufbereitet und erneut verwendet werden.

Die Große der Anlage oder Fabrik hängt von der z;u erzeugenden Gasmenge ab und somit wiederum von der Pipeline-Nähe. Wenn bei-

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spielsweise die gewünschte Rate 100 BCF pro Jahr beträgt und wenn man an'nimmt, daß jede zerbrochene öder ,zerkleinerte Kohleneinheit der in Fig. 3 gezeigten Art in einem Jahr verarbeitet wird und über 5 Millionen metrische Tonnen Kohle an Ort und Stelle aufweist, so sind die Gesamtanforderungen in Tabelle 5 angegeben.

Erzeugte Gasmenge Verbrauchte Kohle

Verbrauchter Sauerstoff

Verbrauchtes Wasser

Bohrlöcher.

Tabelle 5.

Jährlich.

Täglich

100 BCF

274 MMCF

5,05 Millionen 13*8 Tausend metrische metrische Tonnen Tonnen

1.53 Millionen 4,19 Tausend metrische metrische Tonnen Tonnen

1.54 Milliarden 4,23 Millionen Liter Liter

0,6

(Beispielsweise 24 Zoll mit 60 Fuß Abstand) Annähernd 9 Kilotonnen (ANFO-Al) Sprengmittel

Dieses Verfahren erfordert, daß die Kohle von oben nach unten allein'in der durch das Sprengmittel zerbrochenen Zone verbrannt wird. Dies gewährleistet maximale Stabilität an der Brennfront und vermeidet eines der Hauptprobleme bei bekannten in-situ-Vergasungsversuchen, wo die Eingangsgase an der Kohle vorbeiströmen könnten. Aufeinanderfolgend zu verarbeitende Einheiten sollten weit genüg entfernt sein, so daß keine Gasvorbeiströmung in einer, zuvor ausgebrannten Zone auftreten kann. Nachdem sich jedoch die Erde gesetzt ist, ist es möglich, die Restkohle später zu verarbeiten. Dies Macht es zweckmäßig, große Zone gleichzeitig zu verarbeiten, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist. Die im unteren Teil der Fig. 2 angedeutete Zone entspricht in ihrem Maßstab ungefähr einem 100 BCF pro Jähr Betrieb.

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Es erscheint zudem, daß das in-situ-Verfahren unter sehr günstigen kinetischen Bedingungen abläuft. Fig. 4 zeigt einen vorgestellten Vertikalschnitt durch die in Reaktion befindliche Kohlenzone zusammen mit den chemischen Reaktionen und der angenäherten Temperaturverteilung. Das Einlaßzonenwasser ist dabei verdampft und erhitzt. Sobald die Gase die Kohle erreichen, reagieren Sauerstoff und Wasser sehr schnell und erzeugen die hohe Temperaturspitze, in der stromabwärts gelegenen Zone reagieren Kohlenstoffmonoxyd und Wässer bei niedriger Temperatur zur Erzeugung von Kohlendioxyd, Methan und Wärme. Diese Wärme verursacht die ^N ausgedehnte Zwischentemperaturzone. Schließlich, bei der niedrigsten Temperatur, tritt die Wasserverdampfung und Kondensation auf. Die Stärke der eine sehr hohe Temperatur aufweisenden Zone übersteigt wahrscheinlich nicht eine Länge von 1O Metern.

Nimmt man Gaserzeugungsraten aus Tabelle 5 und die Fläche oder Zone aus Fig. 2, so findet man, daß die Oberflächengasgeschwindigkeit in der zerbrochenen Kohle 0,1 Fuß/Minute ist, und bei einer vernünftigen mittleren Porosität der zerbrochenen Kohle sollte die tatsächliche Gasgeschwindigkeit 15 bis 20 cm min sein. Die Reafctioriszone sollte ungefähr 10 m dick sein, so daß die verfügbare Reaktionszeit in der Hochtemperaturzone somit in der Größenordnung von 1 Stunden liegt.

Daten aus Exmperimenten im 1100 - 1300 K-Bereich zeigen an, daß die Reaktionskinetik zur pseudo-ersten-Ordnung gehört und einer Ärreheniqus-Temperaturabhängigkeit folgt. Basierend auf den beobachteten Räten bei den höheren Temperaturen wurden die Raten für vollständige Reaktion bei 700°K auf die Größenordnung von 1 Stunde geschätzt, was mit der Verweilzeit vergleichbar ist. Demgemäß können die maximalen Betriebstemperaturen im vorliegenden Verfahren verringert werden verglichen mit konventionellen Verfahren, wo für einen wirtschaftlichen Betrieb hohe Reäktionsraten erforderlich sind.

Eine wirtschaftliche Analyse zeigt an, daß die Kapitalkostenanforderungen zwischen 15% und 30% von Oberflächen-Fabriken ähnlicher Kapazität liegen. Die Betriebskosten sind gut mit

denjenigen der Oberflächenanlagen vergleichbar, so daß

se gewinnbringende Verkaufspreise für Erzeugnis beträchtlich kleiner (zwischen 27 - 92 % weniger) sein können, als für Gas von einer Oberflächenanlage. Da diese Kosten nicht zu sehr zinsabhängig sind, besteht ein beträchtlich kleiners · Gesamtrisiko für den Investor oder die für die Auswertung des Verfahrens aufgewandten Investionskosten.

Die Bohrkosten bilden die Hauptbetriebskosten und wurden unter der Annahme geschätzt, daß die Bohrgeräte (9) gekauft wurden und das ganze Jahr über von ständigen Betriebsmannschaften benutzt werden. Dies hat beträchtlich geringere "pro Fuß"-Bohrkosten zur Folge. Bei dieser Analyse wurde die Verwendung von Amoniumnitratsprengstoffen angenommen. Die

too gleiche Kohlenmenge könnte durch ca. 9-/kt Kernexplosionen zerbrochen werden. In diesem Falle wären die Sprengmittel teurer und die Bohrkosten wären niedriger.

Per Saldo und im Hinblick auf die Genauigkeit dieser Analyse könnten die Gesamtkosten bis zu 6 US c pro MCF kleiner sein bei Verwendung von Kernexplosionsstoffen, und zwar abhängig von der Größe des seismischen Schadens. Es werden ^ingefähr lediglich 9 kt chemische Sprengmittel benötigt, wobei sie so eingebracht werden, daß ein Anheben des Grundes vermieden wird. Sollte die unter der Erde stattfindende Methanisierung nicht vollständig sein, so würde der Aufbau und Betrieb einer Oberflächen-Methanisiervorrichtung zur Vervollständigung dieser Funktion den Gaspreis um ungefähr 18 US c pro MCF erhöhen (MCF = 1000 Kubik Fuß; MMCF = 10⁶ Kubik Fuß; DCF = 10¹² Kubik Fuß).

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Claims

7327008 ίν ANSPRÜCHE

1. Verfahren zur in-situ-Vergasung einer unterirdischen Kohlenablagerung zur Erzeugung eines synthetischen natürlichen Gases gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Auswahl einer Kohlenlagerformation mit einer relativ dicken Kohle aufweisenden Lage 11, die unterhalb der Wasserschicht angeordnet ist, und zwar auf einer Tiefe, die einen hydrostatischen Druck von mindestens ungefähr 500 psi ergibt; Einsetzen und Detonieren von Explosionsladungen 19 in der Kohle enthaltenden Lage der Formation zur Bildung einer tiefen Schicht aus zerbrochener Kohle in einem durch die - nicht zerstörten Teile der Formation gebildeten geschlossenen Hohlraum 21;

Vorsehen von mindestens einer Reaktionsmitteleingangsleitung M_r die mit den obersten Lagen der zerbrochenen Kohleschicht in dem Hohlraum in Verbindung stehtt und zwar zusammen mit mindestens einer Erzeugnisabzugleitung 24, welche mit den untersten Teilen der Kohlenlage in dem Hohlraum in Verbindung ist;

Injizieren von Sauerstoff durch die Eingangsleitung und Entzündung der oberen Schichtteile der Kohlenlage, wobei der Betriebsdruck in dem Hohlraum für ein Gleichgewicht mit dem hydrostatischen Druck angehoben wird; darauffolgendes Injizieren von Wasser durch die Eingangsleitung für eine Reaktion mit der entzündeten Kohlenlage, und zwar mit "ausreichend viel Sauerstoff, um die für die Reaktion erforderliche Wärme zu liefern, während das Reaktionsprodukt Gas durch die Produktabzugsleitung abgezogen wird, um eine Reaktionszone, zu bilden, welche eine obere Hochtemperaturlagenzone aufweist, die in die untere Zone mit allmählich abnehmenden Temperaturen eindringt, wobei die Reaktionszone nach unten durch die Kohlenlage fortschreitet, so daß ein Methan enthaltendes Produkt Gas.an die Abzugleitung geliefert wird; Trennung des Methans von dem durch die Produktabzugsleitung gelieferten Produkt Gas.

■ '. ' 3Ü985Q/046?

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2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die die Kohle enthaltende Lage, eine zusammengesetzte Stärke von mindestens ungefähr 50 Fuß besitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperaturζone in der Reaktionszone im Bereich von ungefähr 60O⁰K bis ungefähr 15QO°K liegt..

4. Verfahren nach Anspruch Ί dadurch gekennzeichnet, daß

die Temperatur in der Hochtemperaturzone der Reaktionszone im Bereich von ungefähr65o°K bis ungefähr 1100°K liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt-oder Erzeugnisgas eine Mischung einschließlich Methan und CO« aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt Gas eine Mischung einschließlich Methan CO~/ CO und H2 aufweist, wobei das Gas in einer an der Oberfläche angeordneten Methänisiervorrichtung weiter verarbeitet wird, um die Methanisierungsreaktion zu vervollständigen, wobei das Rest CO₂ aus dem Produktgas entfernt wird, um ein synthetisches natürliches Gas hoher Qualität zu erzeugen.

7. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsdruck in dem Hohlraum im Bereich von 500 bis ungefähr 1000 psi liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Hochtemperaturzone in der Größenordnung von 700°K liegt.

3 0 9 8 50/G46?

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