DE2652213A1

DE2652213A1 - Verfahren zur gewinnung von kohlenwasserstoffen aus kohle

Info

Publication number: DE2652213A1
Application number: DE19762652213
Authority: DE
Inventors: George T Arnold; Michael A Gibson; Robert E Pennington
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1976-01-22
Filing date: 1976-11-16
Publication date: 1977-07-28
Also published as: BE849005A; AU1868976A; GB1558381A; FR2338987B1; ZA766355B; US3999607A; CA1056302A; FR2338987A1

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAlR

8 MÜNCHEN 86, POSTFACH 86 02 45

Anwaltsakte 27 531 1 6. NOV '976

EXXON RESEARCH AND ENGINEERING COMPANY Linden, New Jersey/USA

Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen aus Kohle

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von flüssigen Kohlenwasserstoffen aus Kohle. Sie ist besonders anwendbar auf ein verbessertes Verfahren in situ für die Gewinnung von Kohlenwasserstoffen, das es gestattet, die Gewinnung von Kohlenwasserstoffen in flüssigem Zustand in beträchtlichen Mengen vorzunehmen.

Sehr viel Arbeiten sind ausgeführt worden, um die überführung von Kohle in den gasförmigen Zustand unterirdisch vorzunehmen. Die ersten Arbeiten waren meistens vorgenommen

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·)« «2 72 8 München 80, Maucrkirthr rslraUe 45 Banken: Bayerische V'ereinsbank München 453 100

W043 Telegramme BERGSTAPt PATENT München Hypo-Bank München 3890002624

«83310 TELEX. 0524 560 BERCi d Postscheck München 65343-808

worden mit dem Ziel, Luft oder Sauerstoff entweder allein oder in Kombination mit Damnf in Kohlenflöze zu injizieren. Man konnte auch die Luft oder Sauerstoff allein oder in Kombination mit Dampf in die unterirdischen Gr.nge injizieren, die durch Pergwerksoperationen entstanden. Pn f. diese Weise war es möglich, brennbare Gase, clic -aroße Mengen von Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthielten, zu erhalten.

Verhältnismäspig wenig ist getan "orden, um in situ Verfahren für die Cewinmmg von Flüssigkeiten aus Kohle zu entwickeln. Man hat beobachtet, daß die Gase die während der unterirdischen Vergasung entstehen, Teere enthalten können und auch niedrigmolekulare Kohlenwasserstoffe, "!an hat früher vorgeschlagen, daß Wasserstoff oder verschiedene aromatische Kohlenwasserstoffe in unterirdische Flöze injiziert werden könnten bei hoher Temperatur untf hohen Drucken, um einen Teil dar Kohle zu hydrieren und auf diese Weise die Gewinnung von flüssigen Produkten zu ermöglichen. Plan hat auch vorgeschlagen, daß Kernexplosion mittel detoniert werden in ölschiefer und anderen Formationen, um Hohlräume zu bilden und um die Gewinnung von verdampften oder verflüssigten Kohlenwasserstoffen zu ermöglichen. Jedoch im allgemeinen waren diese Vorschläge nur von einer spekulativen Natur. Pis jetzt ist noch kein Verfahren dieser Art entv/ickelt worden, das kommerziell

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anwendbar war.

Die vorliegende Erfindung bereichert die Technik um ein verbessertes in situ-Verfahren, das die Gewinnung von Flüssigkeiten aus dicken unterirdischen Kohlenflözen gestattet. Diese Flüssigkeiten v/erden in beträchtlichen Mengen erhalten. Das neue Verfahren hat zahlreiche Vorteile - gegenüber den Verfahren, die früher vorgeschlagen wurden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist gefunden worden, daß Flüssigkeiten aus Kohle und auch Gase aus Kohle gewonnen werden können, wenn man in das Flöz ein oder mehrere Bohrlöcher bohrt, ausgehend von der Oberfläche der Erde. Das Bohrloch oder die Bohrlöcher sollen den unteren Teil der Kohlenflöze erreichen. Dann wird gemäß der Erfindung die Kohle in der Nähe des Grundes oder tiefsten Teils des Flözes in einem begrenzten Bereich abgebrannt, die darüberliegende Kohle wird zum Zusammenstürzen gebracht, um eine aus kleinen Teilen bestehende Zone zu bilden, die sich senkrecht zu einem Punkt in der Nähe der oberen Grenze des Flözes ausdehnt, wonach man eine Flammenfront senkrecht und vorzugsweise in nach unten gehender Fichtung, durch die verkleinerte Zone lenkt um die Kohlenwasserstofflüssigkeiten freizusetzen und um Gase zu erzeugen. Danach v/erden die Gase und Flüssigkeiten aus der in kleine Teile aufgebrochenen Zone gewonnen. Das vorliegende Verfahren gestattet eine wirtschaftliche Gewinnung von aus Kohle stammenden Flüs-

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sigkeiten in bedeutenden Fengen. Es gestattet also die gleichzeitige oder nachfolgende Vergasung von Kohlesubstanzen, die während der Gev/innung der Flüssigkeiten entstehen. Das neue Verfahren vermeidet viele der Schwierigkeiten, die charakteristisch sind für in situ-Verfahren für die Herstellung von Kohlenwasserstoffen und anderen Materialien aus Kohle, welche früher vorgeschlagen worden sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen.

Fig. 1 der Zeichnungen ist ein schematisches Diagramm das einensenkrechtenQuerschnitt durch einen unterirdischen Kohlenflöz und die darüberliegenden Formationen zeigt im Zeitpunkt nahe des Beginnes eine Operation, die auf die Gewinnung von Flüssigkeiten aus Kohle gemäß der vorliegenden Erfindung abgezielt ist;

Fig. 2 ist eine Zeichnung, die das Kohlenflöz und die darüberliegenden Formationen von Fig. 1 illustriert in einem späteren Stadium des Verfahrens;

Fig. 3 ist eine Zeichnung, die das Flöz zeigt und die darüberliegenden Formationen von Fig. 1 und 2 sowie die Anlagen auf der Oberfläche in einem noch

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späteren Zeitpunkt des Vorfahrens;

Fig. 4 ist ein schenatischos Diagramm dos unterirdischen Flözes von Fig. 1 bis 3 sowie der damit verbundenen Anlagen auf der Oberfläche während einer Vergasungsoperation, die nach der Ccv^Tinnung von Flüssig]ceiten aus Kohle gemäf der Erfindung ausgeführt wi rd; und

Fig. 5 zeigt in einer Ebene eine besondere Ausführungsforrr des Verfahrens acrc'Äß der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten ?usführungsformen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann angewendet werden auf bituminöse Kohle, suhbituninöse Kohle, Braunkohle und ähnliche ."Taterialien. Es kann ausgeführt v/erden in Flözen verschiedener Dicke, Tiefe und Orientierung. Das Verfahren ist besonders vorteilhaft in seiner Anwendung auf tiefe und verhältnismässig dicke Flöze oder eine Vielzahl von Flözen, die dicht zusammenliegen und getrennt werden durch verhältnismäpsig dünne Schichten von Schieferstein, Schiefer, Sandstein oder ähnliche Materialien. Die Flöze auf die die Erfindung vorteilhaft angewandt wird, liegen normalerweise in Tiefen zu groß für eine wirtschaftliche Gewinnung der Kohle durch Tagebau oder konventionelle Tief-

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bauoperationen. Besonders passende Kandidaten für das Verfahren der Erfindung sind Flöze oder Gruppen von Flözen, die in ihrer Dicke zwischen ungefähr 5o und looo Fuß (feet) liegen und die sich ein paar hundert oder einige tausend Fuß unter der Erdoberfläche befinden. Man hat durch Untersuchungen festgestellt, daß es sehr viele Flöze dieser Art gibt und daß viele von ihnen nicht auf wirtschaftliche Weise durch konventionelle Bergbaumethoden abgebaut werden können. Kohlen, die verhältnismässig wenig zum Zusammenbacken neigen und die verhältnismässig geringe plastische Eigenschaften besitzen, die ja gemessen wird durch den sogenannten Free Swelling Index und andere Tests stellen normalerweise ein bevorzugtes Ausgangsmaterial dar. Doch ist das Verfahren gemäß der Erfindung nicht auf solche Kohlen beschränkt.

Kohlen, die zusammenbacken, unterscheiden sich von Kohlen, die nicht zusammenbacken, dadurch, daß sie eine Tendenz haben, plastisch bei erhöhten Temperaturen zu werden, welche benötigt werden, um Flüssigkeiten aus der Kohle zu gewinnen. Bei weiterem Erhitzen verhärten diese Kohlen und bilden zusammenhängende Massen von geringer Durchdringbarkeit und Porosität. Solche verhältnismässig wenig durchdringbare und poröse Massen stellen ein ernstes Hindernis dar für die Gewinnungsoperationen. Die Schwierigkeit kann zum Teil dadurch beseitigt werden, daß man die Kohle mit einer Lösung von einer Alkalimetall oder Erdalkalimetallverbindung, wie

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sie weiter unten beschrieben ist, behandelt. Diese Verbindungen reagieren mit der Kohle, wenn sie erhitzt wird, und reduzieren in beträchtlichem Grade die Tendenz der Kohle zusammenzubacken oder Agglomerate zu bilden. Zusätzlicherweise wirken diese Verbindungen als Vergasungskatalysatoren. Sie haben auch noch andere Vorteile. Deshalb kann man sie sowohl mit zusammenbackender wie mit nicht zusammenbackender Kohle verwenden.

Verschiedene Alkalimetall- und Erdalkalimetallverbindungen können angewandt werden, um die Kohlen zu behandeln, die dem Verfahren gemäß der Erfindung unterworfen werden. Tm allgemeinen bevorzugt man Alkalimetallverbindungen, wie z. B. die Alkalimetallcarbonate, Bicarbonate, Pormate, Biphösphate, Oxalate, Aluminate, Amide, Hydroxide, Acetate, Sulfate, Hydrosulfate, Wolframate, Sulfide und ähnliche Substanzen. Nicht alle von diesen Verbindungen sind in gleicher Weise wirksam im Zusammenhang mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung. Manche ergeben bessere Ergebnisse als andere. Im allgemeinen sind die Caesiumverbindungen, insbesondere Salze, die aus organischen oder anorganischen Säuren stammen, und die Ionisationskonstanten geringer als einmal lo~^ besitzen. Auch das Hydroxid ist sehr wirksam. Nach den Caesiumverbindungen kommen die Kalium-, Natrium- und Lithiumverbindungen in der genannten Reihenfolge. Aus wirtschaftlichen Gründen werden die Kaliumverbindungen im allgemeinen bevorzugt.

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Die Alkalinetall- und FrdalkalinetallvDrbindungen verden im allgemeinen benutzt, \xv\ die Tendenz zusammenzubacken von den betroffenden Kohlen zu verringern. Ohne diene behandlung könnten Kohlen dieser Art ernste ^cchvierigkeiton tei der Durchführung der Erfindung bereiten. Deshalb behandelt nan diese Kohlen mit einer vräßrigen Lösung der Alkalimetall- oder Erdalkalircetallverbindung, die nan für diesen Zweck ausgewählt hat. Dies kann man bp.i Ppginioor Gev?innungsoporation tun, die nach den Bohren von einen odar mehreren Bohrlöchern in das Kohlenflöz erfolgt. Gewöhnlich wird man die Behandlung· jedoch durchfähren, nachdem ein Hohlraum am unteren Hand der, Flözes gebrannt worden ist und nachdem die darüberliegende Kohle verkleinert V7orden ist, so daß sich eine aus kleinen Stücken bestehende Zone gebildet hat, die sich vertikal über der größten Teil, des Flözes ausdehnt. Tm allgemeinen bevorzugt man die Lösung die die /alkalimetall- oder Erdalkalimetallverbindung enthält, in das Kohlenflöz oder in die aus zerkleinerten Stücken bestehende Zone einzuführen in einer ?ⁱ'enge, die genügt, ungefähr 0,1 bis ungeführ 20 % der Verbindung, bezogen auf die Menge der Kohle, die anwesend ist, zu liefern. Diese Behandlung der Kohlenarten v/ird snäter noch in grösserem Detail beschrieben werden.

Der geologische Schnitt der in Fig. 1 der Zeichnung aligebildet ist, ist gekennzeichnet durch eine verhältnis massig dicke Schicht oder Flöz von nicht zusammenbackender

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Kohle 11 und einem etwas dünneren Flöz von ähnlicher ¹ToIiIe 12. Die Leiden Flöze werden getrennt durch eine dünne Barriere von Schieferstein 13, so daß eine Gesamtdicke von ungefähr 200 Fuß besteht. Die obere Grenze des oberen Flözes 11 liegt in einer Tiefe von unqefähr 1000 Fuß unter der "rdoberflache 15. Über den Flöz liegt Sandstein und andere Formationen 16. Finicre von ihnen können was^ertragend sein. Unter den untersten der beiden Flöze sind verhältnisinässig undurchdringliche Formationen 17. nie abgebildete Sektion ist besonders günstig für die /».asführung des vorliegenden Verfahrens. Aber man wird verstehen, daß die Erfindung nicht beschränkt ist auf eine derartige Sektion und angewendet v/erden kann auf eine Vielzahl von anderen Kohlenablagerungen.

Bei der Ausführung des Verfahrens gcnäß der Frfindung wird ein senkrechtes Bohrloch 18 zunächst von der Erdoberfläche aus in den unteren Teil des Kohlenflözes gebohrt, indem nan konventionelle Methoden anwendet. Das Rohrloch wird in allgemeinen ausgerüstet sein mit einem Futterrohr grossen Durchmessers oder einem Oberflächenrohr 19. Dieses erstreckt sich zu einer Tiefe, die unterhalb etwa vorhandener v/assertragender Schichten in der Nähe der Oberfläche liegt und somit u.a. dazu dient, eine Verunreinigung von Oberflächenwasser zu verhindern. Das Oberflächenrohr wird in konventioneller Weise an Ort und Stelle fest zementiert, wie durch die Zahl 20 angegeben. Durch das

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Oberflöchenrohr erstreckt sich nach unten hin ein Zwi schenfutterrohr 21, das auch fest zementiert wird, nor Zement wird durch die Ziahl 22 gezeigt. Tn der Anordnung, die in Fig. 1 dargestellt ist, erstreckt sich das ?vischenfutterrohr bis zur¹, oberen Fand 14 des Kohlenflözes 11. Ein inneres Rohr oder Serie von Pohren, die 7-uf hangelnrichtung und die anderer Vorrichtungen, die dazu nötig sind, un die Rohrleitung in dam Bohrloch aufzuhorchen, v/erden nicht in der Zeichnung gezeigt. T^-Tio ,lic Futterrohre tatsächlich in dem Bohrloch angeordnet werden, h"ngt teilweise von der Tiefe des Kohlenflözes ab, von der "atur der darüborliegenden Schichter, der ?rt ur/i Heise, auf welche die in situ-Operation ausgeführt "erden soll und auch noch von anderen Umntn.noen. Natürlich kanr die Anordnung variiert ve r el pn je nachdem wie r>s erforderlich ist. Tin konventioneller Bohrlochkopf 24 und ein Erur»- tionskreuz 25 werden installiert, wie in der Zeichnung gezeigt worden ist. Das Fruptionnkreuz 25 ist mit verschiedenen Pohren und Ventilen verbunden. Durch diese Rohre und Ventile können Flüssigkeiten injiziert werden oder auch erhalten werden von der zentralen rohrleitung oder Serie von Rohrleitungen und den darum herumliegenden ringförmigen Durchgängen. Der besondere Typ des Bohrlochkopfcs und der. Eruptionskreuzer, die angewandt werden, werden in allgemeinen zur.. Teil abhängen von der Art der Futterrohre in dem Bohrloch und von der ?rt und Weise, auf die eine bestimmte Operation ausgeführt werden

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BAD ORieiNAL

soll. Vorrichtungen, die normalerweise in der FrcV'lir.dustrie benutzt werden, si^d irr. allger.oir.en ^rnuchbar und passend.

Das Verfahren gen."Π der Erfindung kann nit eine^r^ einzigen Dohrloch el or pit zwei oder >ehr Bohrlöchern eingeleitet werden. Bei der Operation, die in Fig. 1 dargestellt int, wurde zun-ichst das Rohrloch 13 gebohrt un-f. mit Futterrohren versehen, vie ölen beschrieben. Tin zweiter, bohrloch 30 wurde später von einer abliegenden Ftelle aus gebohrt ausgehend von der Frdolerfliehe bis zu einen Pun]:t in der l^ühe des unteren Endes von Bohrloch 18. Pohrungen in verschiedenen richtungen nach den "ethoden der sogenannten Pichtungsbohrung ure die Beobachtung der Bohrlöcher zu verschiedenen Zeiten und ihre Untersuchung nach Verfahren, die in der Erdölindustrie angewandt werden, können benutzt werden, um die Lage des unteren Endes des zweiten Bohrloches zu !. rs tinner.. Das zweite Bohrloch ist versehen nit den Oberflächenrohr 31, das an ^r>rt und Stelle zementiert wird, wie durch die Zahl 32 angegeben. Dieses zweite Bohrloch hat eine Serie von Zwischenrohrauskleidungen 33, die durch Zen.ent 34 umgeben werden. Es erstreckt sich bis zum oberen Rand des Kohlenflözes 11. Das zweite Bohrloch enthält auch ein zentrales ¹⁷¹OHr oder Serie von Pohren 35, die sich nach unten erstrecken durch

. das Oberflächenrohr und die Zwischenrohrauskleidung bis zu einen Punkt in der K"he des unteren Endes von den Kohlenflöz 12. In einigen Fällen kann es von Vorteil

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sein, die Zwischenrohrauskleidung bis in die J'ohlenzcne auszudehnen und eirzuzementieren in dor Kohle, um die Rohrleitung v/ährend rpr.terer Operationen zu schützen. Ein Bohrlochkopf 36 und ein Eruptionskreuz 37, die ähnlich sein können vie jene, die im Zusammenhang r.iit den Bohrloch 18 benutzt werden,werden installiert. Wiederum ist es natürlich klar, daß das Verfahren nicht begrenzt ist durch das besondere Bohrlocharrangement, das in Fiq. 1 gezeigt vird. Andere Anordnungen können angewandt werden.

Nachdem ein oder mehrere Bohrlöcher in den unteren Rand des Kohlenflözes getrieben worden sind, wie oben beschrieben, fängt man mit der Verbrennung an, um einen Hohlraum in der Nähe des unteren Landes des Flözes zu erzeugen. Dies kann auf verschiedene Weise getan werden. In Fällen, wo ein einziges Bohrloch benutzt wird, kann man z.B. die Verbrennung in der Kähe des unteren Endes des Flözes dadurch beginnen, daß man eine kleine Menge eines flüssigen Brennstoffes, wie z.B. eine schwere Benzinfraktion oder Kerosin in den untersten Teil des Eohrloch^s injiziert, Luft durch das zentrale Rohr zum unteren Ende des Loches zirkuliert, wobei die Luft durch den ringförmigen Raum, der das Rohr umgibt, zurückkommt. Daraufhin kann man einen elektrischen Anzünder, der bis zum unteren Ende des Loches herabgeser.kt worden ist, durch das Rohr anstellen, während nan gleichzeitig den Luftstrom fortsetzt. Eine andere Methode besteht darin, daß man hyoergolische Koirraonenten

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z.B. hoci;ur.<Tosät-hi rt3 Xoliler'iar.r.entoffo und r Salpetersäure odor ander»"¹ stark oxydierende Mittel getrennt in das Bohrloch einführt und dafür sorgt, daß sie einander am unteren Ende des Loches reagieren. Eine weitere Methode besteht darin, daß nan Sauerstoff zum unteren Ende des Loches zirkulieren läßt, bis die Verbrennung spontan stattfindet. Weitere Methoden, die angewandt werden können, um die Entzündung zu verursachen, sind dein Fachmann ohne weiteres geläufig. In Fällen, wo zwei Bohrlöcher verwendet werden, wie in Fig. 1 illustriert, kann die Verbrennung in jedem Bohrloch eingeleitet werden durch jede beliebige der oben erv/ähnten "fethoden. Sie kann fortgesetzt werden durch die Injektion von Luft in jedes der beiden Bohrlöcher und durch die J.bnahme von Verbrennungsprodukten bis eine Verbindung zwischen den beiden Bohrlöchern hergestellt worden ist. Ein anderes Verfahren besteht darin, die Verbindung zwischen den beiden Bohrlöchern herzustellen, bevor die Verbrennung eingeleitet wird. Das kann dadurch geschehen, daß man Luft oder ein Gas in eines der Bohrlöcher unter einem Druck einleitet, der hoch genug ist, um die Kohle zwischen den beiden Bohrlöchern niederzubrechen. Man kann die Kohle zwischen den Bohrlöchern auch auf hydraulische Weise niederbrechen, man kann sie in einer gewünschten Richtung durch Explosionsmittel, die in einem oder beiden Bohrlöchern angebracht sind, erreichen, man kann auch Elektroden in die beiden Löcher hinunterlassen und einen Strom zwischen ih-

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nen durchgehen lassen, um auf diese Weise die Kohle in Kohlenstoff umzuwandeln. J¹UCh andere konventionelle Mittel können angewandt werden. Erst wenn dies geschehen ist, kann die Verbrennung begonnen werden, wie oben beschrieben und fortgesetzt werder durch die Injektion von Luft oder Sauerstoff in eines der Bohrlöcher. Die Verbrennungsprodukte werden dann aus den¹ anderen Bohrloch abgezogen.

Nachdem die Verbrennung eingeleitet worden ist, was man bestimmen kann, indem man von Zeit zu Zeit die Temperatur und die Zusammensetzung der abgezogenen Gase bestimmt oder auch durch Thermoelemente oder ähnliche Vorrichtungen, wird Luft,mit Sauerstoff bereicherte Luft oder Sauerstoff durch das Rohr oder die Serie von Rohren in einem Bohrloch injiziert. Die Verbrennungsprodukte werden durch die Rohrleitung des anderen Loches abgezogen oder aber auch durch den ringförmigen Raum, der das Futterrohr umgibt, in demselben Bohrloch. Dies trifft zu, wenn nur ein Bohrloch benutzt wird. Auf diese Weise unterhält man die Verbrennung,-Dampf kann injiziert v/erden, um die Verbrennung zu kontrollieren oder zu regulieren, wenn man dies wünscht. Normalerweise bevorzugt man die ίrwendung von zwei Bohrlöchern und die Injektion von Luft oder anderen Sauerstoff enthaltenden Gasen durch das Rohr 23 in dem Bohrloch 18, während man Verbrennungsprodukte durch das Rohr 35 in dem Bohrloch 30 abzieht. Auf diese Weise unter-

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stützt man eine Bewegung der Verbrennungszone in zeitlicher Richtung von Bohrloch 18 und begrenzt eine vertikale Bewegung der Verbrennungszone. Um eine Beschädigung der zentralen rohrleitung 35 in dem Bohrloch 30 zu vermeiden, die infolge der hohen Verbrennun<~rstemperaturen eintreten könnte, kann man das Rohr aus der Nachbarschaft der brennenden Kohle entfernen, inüen man es von der Oberfläche her nach oben zieht. Man kann auch Wasser in beschränkten Mengen durch den ringförmigen Raum einer oder beider Bohrlöcher nach unten hin injizieren, um eine Beschädigung der Rohre zu verhindern. Das so injizierte Wasser wird verdampft und letzten Endes zum Teil als Dampf zusammen mit den Verbrennungsgasen erhalten. In einigen Fällen kann auch eine Beschädigung durch Isolierung verhindert werden. Die so hergestellten Verbrennungsgase werden normalerweise Kohlenmonoxid/Kohlendioxid-Verhältnis aufweisen. Sie können benutzt werden als Brennstoff für das Betreiben von Luftkompressoren an der Oberfläche oder auch für andere Zwecke. Wasserstoff, der aus dem in dem Syster. anwesenden Wasser oder Wasserdampf entsteht, vrird den Heizwert der produzierten Gase erhöhen.

Die am Anfang begonnene Verbrennungsoperation, wie sie in dem vorhergehenden Absatz beschrieben wurde, setzt man fort, bis ein wesentliches Volumen von Kohle ausgebrannt ist in der Nähe des unteren Endes des Flözes. Das wird durch Fig. 2 in der Zeichnung illustriert. Das Volumen

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des Hohlraumes, der so gebildet wird und den ir.an in einer bestimmten Operation benötigt, vn.rd teilweise von der Höhe und der Tiefe des Kohlenflözes abhängen. Tr wird auch von der Zahl und der Dicke der Schieferbrüche des Schieforqesteins oder anderer nicht verbrennbarer Zonen, sofern sie in der Kohlenmasse bestehen, abhängig sein. Der Charakter der Oberschicht, die Zusammensetzung der Kohle und andere Faktoren haben auch einen Einfluß. Im allgemeinen bevorzugt man einen Hohlraum am unteren Ende des Flözes auszubrennen, der 5 bis ungefähr 30 % des Volumens beträgt von der darüberliegenden Kohle in einem Gebiet von ungefähr 1/4 zu ungefähr zwei Acres in der Nähe oder IJachbarschaf t des Injektionsbohrloches. In tiefen, dicken Flözen kann ir.an ein etwas grösseres Volumen ausbrennen als iaan es nornalerweise tun würde in einem verhältnismässig flachen dünnen Flöz. In einem tiefen Flöz, das eine Dicke von etwa 2GO Fuß hat, um ein Beispiel zu nennen, wird ein Hohlraum rait einer, Radius von ungefähr 100 Fuß der so einer Oberflächenfläche von ungefähr 3/4 eines Acres um die Injektionsbohrung herum, entspricht, ist im allgemeinen ausreichend. In dickeren Formationen wird man einen Hohlraum von etwas grösseren Dimensionen bevorzugen. Die ungefähren Dimensionen des erzeugten Hohlraums kann man bestimmen, indem man das Volumen und die Zusammensetzung der injizierten und erhaltenen Gase registriert, das Volumen der in dem Verbrennungsprozeß verbrauchten Kohle berechnet, und dann den Abstand zwischen der Oberfläche und der Verbrennungszone in

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der Injektionsbohrung abmißt. Andere 'lethoden, die man benutzen kann, um das Volumen der^ Hohlraums zu bestimmen, sind die- Verfahren, die auf dem Druckverhalten nach dem Abstellen des Gasstromes an dem Produktionsoder Injektionsbohrloch basieren. Andere Methoden können auch angewandt v/erden.

Die Bildung eines Hohlraumes am unteren Eand des Kohlenflözes wurde oben primär beschrieben, als ein Ergebnis der Verbrennung der Kohle. Es werden jedoch auch andere Vorgänge stattfinden. Die Gegenwart von Dampf in der Nähe der sehr heissen Verbrennungszone, wobei der Dampf durch Verdampfung von Wasser, das schon in der Kohle vorhanden ist, oder als Folge von injiziertem Dampf oder Wasser entstanden sein kann, wird zu einer gewissen Vergasung der Kohle führen und in der Bildung von Wasserstoff und zusätzlichem Kohlenmonoxid resultieren. Auch andere Vergasungsreaktionen können sich abspielen. Wie oben schon angegeben, können diese reaktionen gefördert werden durch Injektion einer Lösung von Kaliumcarbonat oder einer ähnlichen wasserlöslichen Alkalimetall- oder Erdalkalimetallverbindung. Diese Lösung wird in die Kohle am unteren Ende des Bohrloches eingeführt, bevor man die Verbrennung einleitet oder auch während der Verbrennungsoperation. Die Benutzung von einer solchen Verbindung beschleunigt die Vergasung und die Verbrennung des Kohlenstoffes. Auf diese Weise macht sie es möglich, einen Hohlraum der erforderlichen Größe schneller zu erzeugen wie es anderenfalls der

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Fall sein würde. Die Anwendung von Kaliumcarbonat wird im allgemeinen bevorzugt aber auch andere Alkalinetalloder Erdalkalimetallverbindungen können benützt werden.

nachdem ein Hohlraum des gewünschten Volumens erzeugt worden ist auf die oben beschriebene Weise, beendet man die Injektion von Verbrennungsluft oder einen anderen Sauerstoff enthaltenden Gas in das Kohlenflöz durch das In j ektionsbohr locb 18. Danach wird die KoJiIe, die über dem Hohlraum liegt, in kleine Stücke zerbrochen, um eine sogenannte Schuttzone zu bilden von hoher Durchdringlichkeit, die sich vertikal durch fast das ganze Flöz ausdehnt. Das kann auf hydraulische, pneumatische oder explosive Weise geschehen. Indem man Explosionsmittel detonieren läßt in einem der Bohrlöcher oder in beiden, kann derselbe Effekt erzielt werden. .Andere Methoden sind auch bra achbar. Wenn man die Kohle durch hydraulische oder pneumatische Methoden zerbricht, kann man die Serie von P.ohren 23 aus dem Bohrloch IS herausziehen, mit Packern 26 und 27 versehen sowie mit einem Ventil oder einem anderen Verschluß am unteren Ende, woraufhin das Rohr wieder in das Bohrloch zurückgeführt wird. In Abhängigkeit von dem bestimmten Typ der verwendeten Packer, kann man die Packer entweder mechanisch oder hydraulisch montieren. Auf diese Weise bewirkt man einen Verschluß zwischen der äusseren Oberfläche des Rohres und der es

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umgebenden ?^Tand des Bohrloches an der Stelle von jedem Packer. V⁷enn man dies mal getan hat, wird ein perforierendes Werkzeug durch das ^ohr hinuntergelassen, bis es eine Stelle zwischen den rackern erreicht hat. Dieses Werkzeug kann vof. Typ einer sogenannten geformten Ladung oder Schießkugel sein. Dieses Werkzeug wird abgefeuert, um Perforationen in den Pohr zwischen den Packern zu erzeugen und um die benachbarten Kohlenflächen zu durchdringen, wie dies durch die Zahlen 2 8 und 2 9 gezeigt ist. Andere Packer und Rohranordnungen können auch benutzt werden. Einige von ihnen erfordern evtl. keine Perforierung des Pohres. Nachdem die Perforierungen gebildet worden sind, wird die Plohle niedergebrochen durch die Injektion von Luft oder einem inerten Gas. "an kann auch eine hydraulische oder explosive Flüssigkeit durch das Rohr und die Perforierungen leiten in den ringförmigen Raum zwischen den Packern und der sie umgebenden Kohle. Wenn gewünscht, kann die gleiche Perforierungs- und iliederbrechungsoperation auch in dem Bohrloch 30 ausgeführt v/erden, um die Zerkleinerung der Kohle zu fördern. Im Ergebnis v/erden die Kohlestücke auf die Asche und die anderen Feststoffe 3 8 auf dem Boden des darunterliegenden Hohlraums fallen. Schiefervorkommnisse oder andere Materialien, die in der Kohle eingeschlossen sind, wie z.H. die Schieferschicht 13, werden zusammen mit der Kohle zerbrochen. Die Gegenwart solcher Materialien ist oft vorteilhaft, da sie später helfen, Fließschemen in der Schuttzone abzu-

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brechen. Auf diese Weise wird die Bildung von Kanälen unterdrückt. Die Perforierung und Zerbrechungsoperation kann so oft ausgeführt v/erden, wie es nötig ist, darit die Kohle unter der oberen Grenze 14 verkleinert worden und in eine Schuttzone überführt worden ist. Diese sollte sich praktisch über das ganze Ausmaß des um das Bohrloch herumliegenden Kohlenflözes erstrecken. Wenn zwei Rohrlöcher benutzt v/erden, soll die Kohlenschuttzone zwischen den Bohrlöchern liegen.

Anstelle einer Verkleinerung der Kohle durch mechanische Bruchmethoden, wie oben beschrieben, kann nan die Kohle auch dadurch aufbrechen, daß man die Serie von Pohren aus dem Loch herauszieht, eine Reihe von geformten explosiven Ladungen in das offene Bohrloch heruntersenkt bis zu einem Punkt unter dem Zwischenrohrfutter 21, und dann die geformtenLadungen der Reihe nach detoniert. Um die Kohle zu zerbrechen, können auch richtungsunorientierte Ladungen in der¹ offenen Bohrloch detoniert werden. Hier kann man wieder die Zerkleinerungsoperation in beiden Bohrlöchern 18 und 30 ausführen, um die Menge der Kohle, die niedergebrochen wird, zu vergrössern, und das Ausmaß der entstehenden Schuttzone zu erhöhen, falls dies gewünscht ist. Falls erforderlich, können Verbrennungsprozesse zwischen den Niederbrechungsoperationen wiederholt v/erden, um den Hohlraum zu vergrössern und die Bildung der Schuttzone zu fördern.

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Von anderen Methoden, die benutzt werden können, um die
Kohle und dazwischenliegende Schieferschichten oder noch andere Materialien zu zerbrechen, besonders in sehr dicken und tiefen Formationen, ist die Benutzung von Werkzeugen zu erwähnen, die es gestatten, ein oder mehrere Bohrlöcher in abgelenkten und auseinandergehenden Richtungen von dem Bohrloch 18 aus in der Kohle über dem Hohlraum
zu bohren. Wenn dieses Verfahren benutzt wird, wird man
die in andere Richtungen gehenden Löcher normalerweise
bohren, wenn das Bohrloch 18 schon bis zum Grunde des
Kohlenflözes gebohrt worden ist, doch bevor der Hohlraum ausgebrannt worden ist. Nachdem der Hohlraum erzeugt worden ist, können Sprengstoffladungen in dem abgelenkten , d.h. in einer anderen Richtung verlaufenden Bohrloch detoniert werden. Falls mehrere von solchen Bohrlöchern
existieren, werden Sprengstoffladungen in allen von ihnen detoniert, um die Kohle zu zerkleinern, in den darunterliegenden Hohlraum fallen zu lassen und die Schuttzone zu bilden. Ein anderes Verfahren, das man benutzen kann, besteht darin, daß man zwei oder mehr vertikale Bohrlöcher anstelle von einem vertikalen Bohrloch und einem in anderer Richtung verlaufenden Loch, wie in der Zeichnung
gezeigt, benützt. Die Verbindung zwischen den Bohrlöchern am Grunde des Kohlenflözes kann zunächst dadurch hergestellt werden, daß man eine elektrische Carbonisierung der Kohle vornimmt. Man kann sie auch mechanisch nieder-

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brechen oder ähnliche Methoden für die Zerkleinerung benützen. Danach wird der Hohlraum durch Ausbrennen erzeugt, ähnlich v/ie oben beschrieben, nachdem dies geschehen ist, kann man durch hydraulische oder explosive Zerbrechungsmethoden oder andere Fittel die obenliegende Kohle zerkleinern, so daß sie in den Tohlraum f".llt und auf diese Weise die Schuttzone gebildet wird. VTenn Sprengstoffe benutzt werden, kann man die Geschwindigkeit der Explosion so wählen, daß man bis zu einem gewissen Grade das Ausmaß der Zertrümmerung der Kohle kontrollieren kann, das stattfindet. Die Anwendung verhältnismässig langsam brennender Sprengstoffe ist oft vorteilhaft, weil solche Sprengstoffe in großen Gebieten in verhältnism'issig große Fragmente aufbrechen.

Wenn die Kohle, aus der Flüssigkeiten gewonnen werden sollen, Backkohle ist, kann sie zu diesem Zeitpunkt mit einer Alkalimetall- oder Erdalkalimetallverbindung behandelt werden, um die Schwierigkeiten, die durch Zusammenbacken entstehen können, zu verringern. Das wurde schon vorher erwähnt. Zur Ausführung dieser Behandlung wird man Wasser, das gelöstes Kaliumcarbonat oder eine ähnliche Verbindung enthält, in die Schuttzone durch Pohrloch 13 oder 30 injizieren, bis ungefähr 0,1 bis 20 %, vorzugsweise ungefähr 0,5 bis ungefähr 5 % Kaliumcarbonat oder eine ähnliche Verbindung, bezogen auf das Gewicht der Kohle innerhalb der Zone, eingeführt worden ist. Die injizierte Lösung fließt durch die Zwischenräume zwischen

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ZO

den Kohlenteilchen und wird mindestens teilweise von der Kohle aufgenommen v/erden oder sie imprägnieren. Die Gegenwart von Kaliumcarbonat oder ähnlichen Verbindungen wird die Tendenz zusarunenzubacken, reduzieren und auf diese Weise es ermöglichen, die Operation praktisch in derselben Weise auszuführen, wie wenn die Kohle nicht backender Art wäre.

Die Fig. 3 der Zeichnung illustriert das Kohlenflöz und die darüberliegenden Tormationen von Abbildung 1 und 2 nachdem die Kohle zerkleinert worden ist, in den ausgebrannten Hohlraum gefallen ist und die Schuttzone wie oben beschrieben erzeugt worden ist. Man kann erkennen, daß die Zone sich senkrecht über fast die ganze Tiefe der Kohle in der Nähe von Bohrloch 18 erstreckt. Das Rohr 23 ist in das Bohrloch herabgelassen worden bis zu einem Punkt in der Mähe des oberen Randes der Schuttzone. Das Rohr wurde mit dem Eruptionskreuz verbunden, um die Einführung von Luft oder von einem anderen Sauerstoff enthaltenden Gas zu gestatten. Das Bohrloch 30 ist wieder bis zum Grunde der Schuttzone gebohrt worden und die Serie von Rohren 35 ist in das Loch eingeführt worden bis zu einem Punkt nahe am Grunde. Es wurde mit dem Eruptionskreuz 37 verbunden, um die Gewinnung von Flüssigkeiten aus der Schuttzone herauf zur Oberfläche zu ermöglichen. Vorrichtungen zur Benutzung bei der Flüssigkeitsgewinnung sind auf der Oberfläche erstellt worden.

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Nachdem die Schuttzone gebildet v.^Torden ist, wird Luft oder Sauerstoff durch das Rohr 23 eingeleitet. Nunmehr wird die Kohle am oberen Rand der Zone entzündet. Das kann man dadurch erreichen, daß man einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff benutzt in Verbindung mit einem elektrischen Anzünder, wobei man so verfährt wie oben schon beschrieben. Man kann auch eine hypergolische Mischung oder etwas ähnliches benützen. Da die Feststoffe in der Schuttzone 39 einen großen Teil der freigesetzten Kitze zurückhalten werden, während der Hohlraum ausgebrannt wird, kann die Temperatur in der Zone sehr viel höher sein als die in dem Rest des Kohlenflözes. Daher kann die Entzündung spontan erfolgen, wenn Sauerstoff oder Luft durch die Serie von Rohren eingeführt wird. Im allgemeinen bevorzugt man Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft zu verwenden, um die Verbrennung einzuleiten. Laborarbeiten haben gezeigt, daß eine Fronttemperatur über ungefähr 1000° F, vorzugsweise in der Größe von 1500 bis 1800° F normalerweise aufrechterhalten werden sollte. Wenn die anfängliche Verbrennungstemperatur nicht hoch genug ist, kann - wie Versuche gezeigt haben - ein Teil des indizierten Sauerstoffs um die anfängliche Verbrennungszone herumgehen und nach weiter unten strömen. Das Ergebnis ist, daß verdampfte Kohlenwasserstoffe verbraucht werden können, Kohlenwasserstoffe, die sonst durch Verbrennungsprodukte verdrängt und auf diese Weise für die Gewinnung aus dem Verfahren erhältlich gemacht würden. Wenn man Sauerstoff

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-as-

oder mit Sauerstoff angereicherte Luft verwendet, um die Verbrennung zu starten am oberen Ende der Schutbzone, so wird eine genügend hohe Anfangstemperatur bei der Verbrennung entstehen. Auf diese Weise wird der oben beschriebene Verlust vermieden und die Entstehung einer passenden Flammenfront gesichert.

die Verbrennung ingang gekommen ist, kann der Sauerstoffgehalt des injizierten Gases im allgemeinen reduziert v/erden bis zu einem niedrigeren Niveau, wie z.B. dem Sauerstoffgehalt der Luft. Nach Start der Verbrennung und Ausbildung einer Flammenfront kann man die Luftgeschwindigkeit so einstellen, daß die Front sich nach unten bewegt durch die Schuttzone. Wie Experimente gezeigt haben, kann die Geschwindigkeit, mit der sich die Front vorwärtsbewegt, leicht kontrolliert werden. Bei niedrigen Injektionsgeschwindigkeiten haben die verbrennbaren "iatari alien eine Tendenz zurück in die Sauerstoff enthaltende Zone zu diffundieren, so daß die Flammenfront sich in einer Richtung bewegen kann, die entgegengesetzt ist zu der, in welche die injizierten Gase strömen. Bei höheren Geschwindigkeiten findet ein solches Diffundieren nicht in erheblichem Maße statt und daher bewegt sich die Flammenfront vorwärts zusammen mit den injizierten Gasen. Die Luftgeschwindigkeit, welche für optimale Ergebnisse erforderlich ist in einer bestimmten Operation, wird zum Teil abhängen von der Größe und den physikalischen Charakteri-

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stikas der Schuttzone, von der Zusammensetzung der Kohle in der Zone, von der Zusammensetzung des injizierten Gasstromes, von dem Feuchtigkeitsgehalt der Kohle innerhalb der Zone, ändere Faktoren spielen auch eine Rolle. Durch zeitweises Analysieren der Flüssigkeiten und durch die Beobachtung der Temperaturen an dem Injektionsbohrloch und an dem Produktionsrohrloch 3cann man die Luftgeschwindigkeit normalerweise so einstellen, daß eine zufriedenstellende Bewegung der Flammenfront eingestellt wird, ohne irgendwelche Schwierigkeiten. Dadurch, daß man einen passenden Rückdruck an dem Produktionsbohrloch aufrechterhält, kann der Druck innerhalb der Hchuttzone kontrolliert werden. Wie später noch ausgeführt werden wird, ist es oft vorteilhaft, bei erhöhten Drucken von ungefähr 100 bis lüOO psi oder noch höher zu arbeiten.

Während die Flammenfront durch die Schuttzone nach unten fortschreitet, v/erden Kohlenwasscrstoffe in der Kohle vor der Flammenfront verflüchtigt und durch die Produkte der Verbrennung verdrängt. Diese Kohlenwasserstoffe bewegen sich nach unten innerhalb der Schuttzone. Zum Teil kondensieren sie sich in dem unteren Teil der Zone. Nachdem die Verbrennungsfront sich eingestellt hat für eine beträchtliche Zeitneriode, werden flüssige Kohlenwasserstoffe anfangen, sich anzusammeln in dem unteren Ende der Zone und sie werden produziert werden zusammen mit Verbrennungsgasen durch die Serie von Rohren 35 in der

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SV

Bohrung 30. Eine alternative Methode besteht darin, daß die Flüssigkeiten durch das Rohr abgezogen werden und die Gase durch den umgebenden ringförmigen ⁿaunn abgenommen v/erden. Eine Pumpe, die in der Zeichnung nicht gezeigt wird, kann installiert werden, um die Gewinnung der Flüssigkeiten zu erleichtern, wenn dies nötig sein sollte. Die Flüssigkeiten, kondensierbaren Dämpfe und Gase, die auf diese Weise zur Oberfläche geführt worden sind, können an dem F.runtionskreuz 37 abgenommen werden. Fenn erforderlich, kann Fasser in das Bohrloch, das das Rohr 35 umgibt, injiziert werden, um das Pohr zu kühlen und übernäss igen Schaden zu vermeiden. Die Injektion von Luft und die Produktion von Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten v/erden fortgesetzt, bis die Verbrennungsfront einen Punkt in der Nähe des Grundes der Schuttzone erreicht. Das kann man daran erkennen, daß die 'Tenge der produzierten Flüssigkeiten deutlich herabgeht.

Normalerweise bevorzugt man die Verbrennung am oberen Rande der Schuttzone einzuleiten und die Flammenfront nach unten durch die Zone zu treiben, wie oben beschrieben. In einigen Fällen kann es jedoch vorteilhaft sein, die Front in der entgegengesetzten Richtung zu bewegen oder die Richtung, in welcher die Front sich bewegt, zu wechseln. In den meisten Fällen wird eine Bewegung der Front durch die Zone nach unten den Betrag der flüssigen Kohlenwasserstoffe die verbraucht werden auf ein Minimum

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IS

zurückführen. Hehr Flüssigkeiten als sonst möglich werden gewonnen v/erden. Sollte die Ansammlung von Asche in den oberen Teil der Zone die Passage der injizierten Flüssigkeiten durch die Zone nach unten hin erschweren und sollten Anzeichen bestehen, daß Flüssigkeiten durch die Zone in Kanälen laufen - um ein Beispiel zu nennen - kann die Fließrichtung durch die Schuttzone umgekehrt werden, um diese Schwierigkeiten zu verringern. Wenn dies getan wird, wird es oft von Vorteil sein, zumindestens am Anfang, die Verbrennungsluft durch den ringförmigen "auxri des Eohrloches 30 zu injizieren, Flüssigkeiten durch das Rohr 35 abzuziehen und damit fortzufahren, Verbrennungsgase und Flüssigkeiten oben von der Zone durch das Bohrloch 18 abzunehmen. Nachdem diese Schwierigkeit überwunden worden ist, kann die Operation in normaler Weine fortgeführt werden.

DLe Flüssigkeiten, die aus dem Produktionsbohrloch abgezogen werden, werden durch die Leitung 40 zu einem Flüssigkeit—Gasbrenner 41 geleitet, v/o sie genügend gekühlt werden, um Wasser und die anwesenden Kohlenwasserstoffflüssigkeiten zu kondensieren und die Wiedergewinnung von Hitze zu gestatten. Die gasförmigen Komponenten, die normalerweise primär aus Kohlenmonoxid, Stickstoff, Wasserstoff und Methan sowie kleineren Mengen von Schwefelwasserstoff, Blausäure, Mercaptanen, Ammoniak, Schwefeldioxid und ähnlichen Verbindungen bestehen, werden oben am Trenner abgenommen durch die Leitung 42. Dieser Gasstrom,

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der im allgemeinen einen Btu-Gehalt von ungefähr 120 bis ungefähr 300 Btu's per SCF hat und etwas dem Producergas ähnlich ist, kann durch die Leitung 4 3 geleitet v/erden zu weiter unten in dem Fließschema liegenden Vorrichtungen fär die Entfernung von sauren Gasen, ^nmoniak und anderer Verunreinigungen. Das Gas wird dann als Brannstoff benutzt oder weiterverarbeitet, um Wasserstoff zu gewinnen oder um die Herstellung von synthetischen Flüssigkeiten vorzunehmen .

Die Zusammensetzung des erhaltenen Gases hängt teilweise von der Zusammensetzung der Kohle ab, in der die Operation ausgeführt wird. Die Analyse einer typischen Kohle, in welcher solche Operationen ausgeführt werden können, ist im folgenden angegeben.

Tabelle I

Kohlenanalyse, trockene	Komponente	Basis
gebundener Kohlenstoff	Gew. %
Kohlenstoff-Wasserstoffrückstand	45,42
flüchtige Substanzen	7,67
Letztliche Analyse	45,79
Kohlenstoff
Wasserstoff	68,42
Gesamtschwefel	4,92
0,75

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- 30 -

Fortsetzung

Gew.js

Stickstoff 0,96

Chlor 0,02

Sauerstoff (als Differenz) 16,17 Asche (SO₃-frei) 8,79

Feuchtigkeitsgehalt, Gew.%

wie analysiert 19,45

der höhere Heizwert, Btu/lb

wie analysiert 9,4

der höhere Heizwert, Btu/lb.

im trockenen Zustand 11,73

Aschenanalyse, Gew.% Oxide
trockene J-sche

0,62 28,47

4,27 18,49

1,21 20,47

5,69 20,98 0,80

0,85

Labortests, die im Zusammenhang mit dem Verfahren gemäß der Erfindung ausgeführt wurden, wobei die oben beschriebene Kohle benutzt wurde und Luft diente die Verbrennung zu erhalten, ergaben ein Rohprodukt Gas, das die unten

709830/0616 - 31 -

P₂O	5
SiO	2
Fe₂	°3
^2	°3
TiO	2
CaO
MgO
^S03
^K2°
Na₂	0

-it-

angegebene Zusammensetzung hatte.

Tabelle_II
Ga.s zusammensetzung bei_ der_ ^nutzung _ ^ν2Β_ίΉίί.

Bestandteil ' ^:^2λ±

^U2 27,27

O₂ 0,06

M₂ 42,83

CO 3,34

CO₂ 7,4 9

CH₄ 11,67

C₂H₄ 0,31

C₂H₆ 0,98

C₃Ii₆ 0,38

99,59

Wie nan sieht, enthielt das obige Gas beträchtliche ■ !engen von Methan und von C₂ und C₃-Kohlenwasserstoffen. Diese Kohlenwasserstoffe waren in dem Gas anwesend primär als ein Ergebnis von Pyrolyse der Kohle bevor der Verbrennungsfront. Das Gas hatte einen Heizwert von ungefähr 267 Btu/SCF.

Im allgemeinen ist es vorteilhaft, mindestens einen Teil des Gasstromes, der aus dem Separator gewonnen wird, durch die Leitung 44 zu einer Turbine 45 zu leiten. Dies geschieht

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zum Zweck der Wiedergewinnung von Fnergie,die man dazu benutzen kann, die Luftkompressoren 46 zu betreiben, welche angewandt v/erden, um die Operation auszuführen. Das unter niedrigem Druck stehende Gas, das aus der Turbine durch Leitung 47 herauskommt, kann dann zu Vorrichtungen weiter unten in dem Schema geleitet werden. Ein Teil des unter hohem Druck stehenden Gases kann auch zu dem Injektionsbohrloch durch Leitung 48 zurückgeführt v/erden, um in dem in situ Gewinnungsverfahren zu helfen, falls dies gewünscht wird.

Die Flüssigkeiten, die von dem aus dem Produktionsbohrloch austretenden Strom in dem Flüssigkeits-Gasseparator 41 gewonnen werden, werden durch Leitungen 49 zu einem öl-Wasser separator 50 geleitet. Hier v/erden die flüssigen Kohlenwasserstoffe, die durch Pyrolyse der Kohle in der Schuttzone erzeugt wurden, von dem anwesenden Wasser getrennt. Laborexperimente haben in der Gewinnung von flüssigen Kohlenwasserstoffen von der Größenordnung von ungefähr 20 Gallonen pro Tonne trockener Kohle resultiert. Deshalb kann eine Operation, wie sie oben beschrieben wurde, in einem Kohlenflöz, das200 Fuß oder mehr dick ist, nach vernünftiger Erwartung 100 000 Barrels oder mehr von flüssigen Kohlenwasserstoffen ergeben. Diese Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten werden aus dem Separator 50 über Leitungen 51 abgezogen und können dann durch konventionelle Methoden weiterverarbeitet werden, wie z.B. durch

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Hydrierung, katalytisches Reforming, katalytisches Kracken, Coking und andere Verfahren zur Herstellung von -wertvollen Produkten.

Labortests des Verfahrens, wenn ausgeführt mit der oben beschriebenen Kohle, ergaben ein flüssiges Kohlenv/asserstoffprodukt, das die unten angegebenen Eigenschaften besaß.

Tabelle III
Eigenschaften des flüssigen Kohlenwasserstoffprodukts

Gev. %

C 80,71

H 9,83

S 0,57

N 0,59

Asche 0,14

O₂ (bei Differenz) 8,16

100,00

API Schv/ere - 13.0°

kinematische Viskosität - 70,0 CS (? 100°F

33,1 CS (* 210°F

Destillation

IBP 122°F

10,59 % 329°F

20,65 % 376°F

709830/0616 "³⁴ "

Fortsetzung Tabelle III

Destillation

30,74 % 400⁰F

34,53 % 434°F

4 4,2 % 5O9°F

54.43 % 557°F

55.44 S 622°F 76,02 % 681°F 33,62 % 700°F 91,84 % 1000°F Rest 1000°F.

Wie man sieht, hatten die gewonnenen Flüssigkeiten einen weiten Siedebereich. Sie enthielten beträchtliche "!engen von verhältnisniässig hochsiedenden Materialien, durch konventionelle Raffinierverfahren zu sehr wertvollen Produkten aufgewertet werden können.

Das aus dem Flüssigkeitsstrom abgetrennte Wasser kann man durch Leitung 5 2 abnehmen und in der Zone 53 speichern zum Zwecke der Wiedereinführung in das Injektionsbohrloch durch Leitung 54 oder in das Produktionsbohrloch durch Leitung 55. Wie früher schon ausgeführt vurde, ist es oft vorteilhaft, Wasser auf diese Weise zu injizieren, um das Bohrloch zu kühlen und um Schaden an den Rohrleitungen zu verhindern. Die Injektion von Wasser oder von Dampf während der anfänglichen Ausbrennperiode des Hohl-

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raums und während der darauf nachfolgenden Operation in der Schuttzone hat auch eine gute Wirkung als ein Mittel zur Erhöhung des Wärmegehaltes der produzierten Gase durch Reaktion von Dampf mit Kohlenstoff unter Bildung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Das Wasser, das nan aus der Schuttzone gewinnt, wird normalerweise Phenole und andere Verunreinigungen enthalten. Diese müssen entfernt werden, bevor man das Wasser in Flüsse und ähnliche Oberflächenströme leitet. Wenn man das Wasser xrieder injiziert, verringert man den Betrag des Wassers, für walchen eine Behandlung nötig ist. Man verringert dadurch auch den Betrag des Wassers, der aus Oberflächenguellen benötigt wird, um das Verfahren auszuführen.

Obwohl das Verfahren gemäß der Erfindung bisher primär beschrieben worden ist als ein Verfahren, das Luft benutzt um die Verbrennung innerhalb der Schutzzone zu unterhalten, sollte man sich darüber klar sein, daß Sauerstoff anstelle von Luft benützt werden kann, wenn gewünscht. Die Benutzung von Sauerstoff anstelle von Luft resultiert in einem Gasstrom, der einen niedrigen Stickstoffgehalt hat und einen höheren Etu-Wert als das Gas, das man sonst erzeugen würde. Wenn man mit der Luft oder dem Sauerstoff beträchtliche Mengen von Wasser oder Dampf in den oberen Teil der Schutzzone einführt, vorzugsweise ungefähr 2 bis ungefähr 10 Mole Dampf pro Hol Sauerstoff, kann die Operation so ausgeführt werden, daß gleichzeitig flüssige Kohlenwasserstoffe

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durch Pyrolyse der Kohle entstehen. Bei dieser Operation führt die Vergasung des Halbkoks zu einem Gas von einem mittleren Btu-Gehalt. Dieses Gas enthält Kohlenmonoxid, V.'asserstoff, Carbondioxiä und Methan als Ilauptkonponenten. Wenn genügend Dampf benützt wird, wird praktisch der gesamte Halbkoks, der durch Pyrolyse geformt wurde, vergast, wobei Feststoffe, die vor allem aus Asche bestehen und wenig Kohlenstoff enthalten, zurückbleiben. Eine typische. Analyse eines Gases, das bei Labortesten des Verfahrens der Erfindung erzeugt wurde, bei Benützung der oben beschriebenen Kohle und eines Verhältnisses von Dampf zu Sauerstoff wie 3 : 5 Mole von Dampf i)ro Hol Sauerstoff ergab die folgenden Resultate:

Tabelle IV

Die Zusammensetzung des Gases bei der Anwendung von Dampf und Sauerstoff

Bestandteile Moll

H₂ 35,5

O₂ 0,1

N₂ 1,3

CO 43,0

CO₂ 12,7

CH₄ 6,4

C₂+ 1,0

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Das obige Gas hat einen -Heizwert vjter .300 Btu pro SCF. Es kann als Erennstoff benutzt .-werden oder in wertvollere Produkte umgewandelt werden durch, konventionelle Verfahren zur Entfernung sauren Gases.,- Wassergas.-Shiftreaktionen, und 'lethanbildungsoperationen. Wie man sieht,: hat dieses Gas einen-etwas niedrigeren Methangehalt: als das Gas, das in Tabelle II beschrieben ist- Unterschied ist nicht das Ergebnis der Benutzung von Dampf und Sauerstoff anstelle von Luft. Der Grund ist vielmehr, daß die Gase die in Tabelle IV betreffs ihrer Zusammensetzung beschrieben sind, zu einem späteren Zeitpunkt des Verfahrens gewonnen wurden, und zwar nachdem der größte Teil der Pyrolyse beendet war.

Eine weitere Modifikation des Verfahrens, wie es bisher beschrieben wurde, besteht darin, -daß man ein Kohlenwasserstoff -enthaltendes Lösungsmittel in den oberen Teil der Schuttzone gibt, nachdem die Kohle niedergebrochen worden ist und bevor sich eine Verbrennung^front in der Zone ausgebildet hat. Eine ganze Menge von flüssigen Kohlenwasserstoff -enthaltenden Lösungsmitteln kann für diesen Zweck benutzt v/erden. Normalerweise bevorzugt man es, einen Kohlenwasserstoff zu benutzen, der in dem Bereich zwischen ungefähr 400 und ungefähr 1OOO°F siedet. Besonders v/irksam sind die Wasserstoff-gebenden Lösungsmittel (Wasserstoffgeber), die ungefähr 20 % oder mehr von Verbindungen enthalten, die als Wasserstoffgeber (Wasser-

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donor) bei Temperaturen von ungefähr 700 F und höher fungieren. Typische Verbindungen dieser Art schließen ein Indan, C_1n-C,₂ Tetrahydronaphthalene, C,„ und C Acenaphthalene, Di-, Tetra-, und Octahydroanthracene, Tetrahydroacenaphthene, Crysen, Phenanthren, Pyren und andere Abkömmliche von teilweise gesättigten aromatischer! Verbindungen. Verbindungen dieser Art sind normalerweise anwesend in Kohlenwasserstoff-enthaltenden Flüssigkeiten, die sich von Kohle ableiten. Lösungsmittel, die sie enthalten, sind in der Literatur beschrieben worden und sind dem Fachmann geläufig. Solche Lösungsmittel v/erden normalerweise hydriert, bevor sie zum Zwecke eines Wasserstoff geber s benutzt v/erden. Studien zeigen, daß die Gegenwart von alkalimetallverbindungen in dem System die Wirkung dieser Lösungsmittel verbessern kann und auf diese Weise die Menge der gewonnenen Flüssigkeiten erhöhen kann.

Wenn man ein Lösungsmittel zum Zwecke der Erfindung benützt, wird eine Lösungsmittelmenge, die ungefähr 1 bis 20 % des Volumens der Schuttzone äquivalent ist, zunächst in das System durch Leitung 56 eingeführt und abwärts durch die Serie von Rohren 18 in die obere Sphr.re der Schuttzone eingeführt. Das so injizierte Lösungsmittel wird abwärtsfließen in den leeren Räumen zwischen den Kohleteilchen. Es wird die Tendenz haben, eine Schicht in dem oberen Teil der Zone zu bilden. Einige Lösungsmittel werden von der Kohle aufgesaugt werden. Nachdem die In-

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Hi

jektion des Lösungsmittel stattgefunden hat, v/ird eine Verbrennungsfront am oberen Rand der Pchuttzone gebildet, und Sauerstoff wird durch die Leitung 57 eingeführt. Nasser oder Dampf aus Leitung 54 werden nach unten zu durch das Bohrloch geleitet. Sie gelangen so in die Zone zum Zwecke der Unterstützung der Verbrennung und des Vorwärtsbev/egens der Verbrennungsfront. Die Reaktion des
Dampfes mit dem Kohlenstoff, der in der Kohle hinter der Front enthalten ist, führt zu einem hohen Wasserstoffpartialdruck in dem System. Sie Verbrennungsprodukte und die flüchtigen Kohlenwasserstoffe, die infolge der Pyrolyse in Freiheit gesetzt wurden, bewegen sich vor
der Verbrennungszone her nach unten hin durch die Zone und verdrängen zum Teil die injizierten Lösungsmittel. Bei verhältnismässig hohen Drucken in der Schuttzone und in der Gegenwart von beträchtlichen '"engen von Wasserstoff werden Flüssigkeiten aus den festen Kohleanteilen extrahiert durch das Lösungsmittel. Auf diese Weise wird die Ausbeute an Flüssigkeiten in dem Verfahren erhöht. Zusätzlich wird jedes Lösungsmittel das injiziert wurde, die Tendenz haben, die Viskosität der schweren Kohlenwasserstofflüssigkeiten zu reduzieren. Diese schweren
Kohlenwasserstoffe sind in dem System anwesend. Auf diese Weise wird die Gewinnung von Flüssigkeiten vom unteren Teil der Schuttzone unterstützt.

Die Gewinnung von Flüssigkeiten ohne die Injektion be-

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η h i" /A --V .<=% FJ

If

trächtlicher Mengen von Dampf wird normalerweise zu der Bildung von Halbkoks führen in der Schuttzone. Wenn die"" Gewinnung der Flüssigkeiten in einer solchen Operation zum größten Teil vollendet ist, können die Kalbkokskoropo-

Jo:;;-" „';;■: ^:·^·;; riorii: rrorsäOt' μ ·; ·■·:>,,.-.; ϊοΰ -.--.ii?- ϊ-.;xC-Xi ::-mo 7ε;-¹ nenten vergast werden, mn die Gewinnung zusätzlicher I-'engen von Kohlenwasserstoffen und Gasen zu ermöglichen. Die Feststoffanteile, die zurückbleiben, loestehen hauptsächlich aus Tsehe. In Laborexperimenten, bei denen die Gev/innung von Flüssigkeiten und die nachfolgende Vergasung

•"-i"~"~ .---..PHi; ns.'ior" sronxo lit 2Ί.ήΙ''% .jst ίνϊ^.^'ν :: Λ- -" studiert vnirde, bestanden die zurückbleibenden Feststoffe gewöhnlich aus über 95 Gew.% JVsche. Wenn man eine solche

~" " ■■■-■■ --io!l,:i ά.lh ^ c^^o.ja-ioae.cl··::^! ;!o;^; -.·■.· ί^ '- ; ·" _ ·- r-''-nachfolgende Vergasungsoperation ausführt, bevorzugt man

"■ . ^l" rein Π-? "-"OXvSd! . nei:-"i.'.·".; Jr:. Jr₃;--ο ρ ;;..::<: :. c-j: "Ί ,.Λ λγ lies im allgemeinen, das Produktionsbohrloch in ein Injek- tionsbohrloch umzuwandeln. Dann wird das Bohrloch, das zunächst zur Injektion verwendet wurde, umgeändert, um seine Anwendung für Produktionszwecke zu gestatten, wie das in Abb. 4 der Zeichnung dargestellt ist.

Die Vergasungsoperation, die in Fig. 4 der Zeichnung'abgebildet ist, wird durch die Injektion von Luft durchgeführt. Die Luft wird in das System durch Leitung 60, Kompressor 61 und Leitung 62 eingeführt bzw. injiziert. Sauerstoff wird durch Leitung 63 eingeführt. Man kann auch eine Mischung von den beiden Gasen benutzen. Die Luft bzw. der Sauerstoff gelangen nach unten hin zu dem Grund der Schuttzone 39. Dabei durch die Rohrserie 35. Als Folge der vorangegangenen Gev/innung von Flüssigkeiten wird die Temperatur im unteren Teil der'Zone evtl. "hoch

" " 7 09830/ 0,61 6 - 41 -

genug sein, um eine Entzündung des Halbkoks und etwa vorhandener Flüssigkeiten auf spontane Weise zu bewirken. Wenn dies nicht geschieht, kann ein elektrischer Anzünder durch die Pohrserie 35 nach unten geführt werden. Es können auch andere Mittel, die schon oben beschrieben wurden, angewandt v/erden, urn die Verbrennung im unteren Teil der Zone einzuleiten. Nachdem die Verbrennung ingang gekommen ist, wird Dampf in das System durch Leitung 64 eingeführt. Der Dampf wird durch die P.ohrserie 35 gemeinsam mit Luft oder Sauerstoff geleitet, um die Vergasung des Kohlenstoffes und die Produktion von Fasserstoff und Kohlenmonoxid durch die Damnf-Kohlenstoffreaktion zu bewirken. Der Betrag des Sauerstoffs, den man entweder in der Form von Luft oder mit Sauerstoff bereicherter Luft oder als reinen Sauerstoff anbietet, muß hoch genug sein, um die Kohlenanteile in der Schuttzone zu einer Temperatur zu erhöhen, die Vergasung bewirkt. Es muß auch die endotherme Reaktionswärme geliefert werden. Das Verhältnis von Dampf zu Luft oder Sauerstoff hängt daher teilweise von der Temperatur ab, bei der Dampf und Luft oder Sauerstoff injiziert werden. Weitere Faktoren, die das Verhältnis bestimmen, sind der Betrag der Hitze, der durch die Feststoffe in der Schuttzone zurückgehalten wird, die Zusammensetzung der Feststoffe und etvraiger Flüssigkeiten, die in der Zone verbleiben, der Druck in der Schuttzone und andere Faktoren. Im allgemeinen kann man ein Dampf zu Sauerstoff-Verhältnis zwischen ungefähr 1 : und ungefähr 20 : 1 verwenden. Im allgemeinen bevorzugt

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raan Verhältnisse zwisehe η ungefähr 2 : 1 und ungefälir 10 : 1. Uenn man ungenügende riengen von Fauerstoff anwendet, v/erden die Vergasungsgeschwindigkeiten in: allgemeinen kleiner sein und die Produktion von Nasserstoff und Kohlenmonoxid wird geringer sein. Die Anwendung von überschüssigem Sauerstoff wird in allgemeinen zu einen Gasstrom führen, der Kohlendioxid in verhültnismüssig hohen Konzentrationen enthält. Das optinale Verhältnis für eine bestimmte Operation kann man in allgemeinen ohne besondere Schwierigkeiten bestimmen, wenn nan die Zusammensetzung der produzierten Gase von Seit zu Seit feststellt und das Verhältnis so einstellt, daß die Bildung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid ein Maximum erreicht. Optimale Dampf- und Luft- oder Sauerstoff-Injektionsgeschwindigkeiten kann man im allgemeinen auf ähnliche Weise bestimmen. Was man macht ist, daß man das Druckverhalten an dem Injektions- und Produktionsbohrloch beobachtet.

Die Gase, die durch Reaktion von Dampf und Sauerstoff mit dem Halbkoks erzeugt werden in der Schuttζone, enthalten Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, '!ethan, unumgesetzten Dampf, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Blausäure und ähnliche Stoffe. Wenn Luft verwandt wird, um den erforderlichen Sauerstoff zu liefern, werden auch beträchtliche Mengen an Stickstoff anwesend sein. Die Anwendung von gasförmigem Sauerstoff anstelle von Luft führt zu einem Rohproduktgas, das einen höheren Heizwert aufweist und die später in dem Schema erforderlichen Ver-

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falirensschritte vereinfacht. Die produzierten Gar.e werden vom oberen Teil der Schuttzone durch die Rohrleitung 23 abgezogen. Wenn gewünscht, kann üian auch die Gase sovOhl durch das Rohr als auch den ihn umgebenden ringförmigen Paum abziehen. Die Rohrserie 23 ist während dieser Phase der Operation nicht wesentlich. In einigen Fällen kann sie entfernt v/erden. Im allgemeinen bevorzugt man jedoch, die Rohrserie an Ort und Stelle zu lassen und das Produktionsbohrloch durch Einführung begrenzter Mengen von Wasser durch den ringförmigen Raum zu kühlen.

Die Gase, die man durch das Produktionsbohrloch gev/innt, werden durch Leitungen 65 zu eine^. konventionellen Flüssigkeits/Gasseparator 66 geleitet. Dort wird Wärme aus dem Gasstrom zurückgewonnen und die Gase werden genügend gekühlt, um Wasser und Kohlenwasserstoffe, die normalerweise flüssig sind, zu kondensieren. Der so erhaltene Flüssigkeitsstrom wird durch Leitung 67 zu einem Öl/Wasserseparator 68 geleitet. Dort werden die Kohlenwasserstoffe gex'/onnen, wie durch Bezugszahl 69 angegeben. Das erhaltene Wasser fließt durch Leitung 70 zu der Wasserspeicherzone 71. Wasser aus dieser Zone kann durch Leitung 72 in das Injektionsbohrloch injiziert werden, um zu kühlen und um zusätzlichen Dampf zu erzeugen. Wasser kann durch Leitung 73 zu dem Produktionsbohrloch 18 geleitet werden und zum Zv/ecke der Kühlung benutzt werden. Wenn auch die Zeichnung dies nicht speziell zeigt, so kann doch Wasser aus der Zone 71 in vielen Fällen dazu verwendet v/erden, um den

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Dampf zu liefern, der in das System durch Leitunq G 4 injiziert wird. Die Anwendung des Wassers zun Zwecke dar Dampferzeugung wird es normalerweise erforderlich machen, konventionelle Wasserbehandlungsmethoden anzuwenden, bevor das Wasser den Dampf generatoren zugeführt wird. Dadurch, daß man das Wasser auf diese Heise wieder benutzt, wird der Bedarf für Wasser aus externen Quellen reduziert, und die WasSerbehandlung zur Vermeidung potentieller Verunreinigungsprobleme kann so erleichtert werden.

Der Gasstrom, den man aus dem Flüssigkeits/Gasseparator G6 gewinnt, wird oben von dem Separator durch Leitung 75 abgenommen. Dieses Gas kann durch Leitung 7G zu weiter hinten in der Anlage befindlichen Verfahrensstufen geleitet werden, um Wasserstoff zu gewinnen, das Produkt in ein Brennstoffgas höheren Btu-Gehaltes zu verwandeln oder um seine Benutzung in der Synthese von flüssigen Kohlenwasserstoffen zu gestatten, wie z.B. in dem Fischer-Tropsch-Verfahren. Alternativ kann man auch das gesamte produzierte Gas oder einen Teil davon durch Leitung 77 und Turbine 78 leiten, um aus dem Gasstrom Energie zu gewinnen, bevor er durch Leitung 79 zum Zwecke der Speicherung und weiterer Verfahrensstufen abgezogen wird. Dadurch, daß man die Turbine benutzt, um Luftkompressoren, die in dem Prozeß angewandt v/erden, zu treiben, kann man oft die gesamten Kosten für die Operation erheblich reduzieren. Wenn Sauerstoff anstelle von Luft benutzt wird, ist der Grad

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der Kompression der nötig ist, im allgemeinen beträchtlich geringer. Daher können in diesem Falle andere Systeme benutzt v/erden, un Energie aus dem Produkt Gas zu gev/innen.

Es gibt zahlreiche Modifikationen, die in der Vergasungsoperation, die oben beschrieben wurde, ausgeführt v/erden können, ohne von der Erfindung abzuweichen. Obgleich man es normalerweise bevorzugt, die Vergasungsoperation nach oben vorzunehmen, wie beschrieben, kann man - wenn man wünscht - eine nach unten gehende Operation an ihrer Stelle verwenden. Der Dampf und der Sauerstoff, die benutzt v/erden, können in einigen Fällen abwechselnd anstatt gleichzeitig injiziert werden. Ausserdem kann man Vergasungskatalysatoren anwenden, um die Geschwindigkeit der Vergasung zu erhöhen während der Vergasungsphase des Verfahrens. Wie oben schon angegeben, kann man Kaliumcarbonat, ITatriumcarbonat, Cesiumcarbonat, Kaliumcarbonat und eine Ilenge von anderen Alkalimetall- und Erdalkalimetallverbindungen dazu benutzen, um die Dampf-Kohlenstoffreaktion zu katalysieren und auf diese Weise höhere Vergasungsgeschwindigkeiten oder niedrigere Reaktionstemperaturen zu ermöglichen als sonst erlaubt wäre. Wenn man einen solchen Katalysator benutzen will und ihn noch nicht früher geliefert bzw. in das System eingeführt hat, so wird man ihn normalerweise in das System geben, bevor die Vergasungsoperation eingeleitet wird. Das kann man nach der Flüssigkeitsgewinnungsoperation tun, indem man eine wäßrige Lösung von Kaliumcarbonat oder einer ähnlichen wasseriösliehen

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Alkalimetall- oder Erdalkalimetallverbindunq durch Leitung 80 in die Katalysatormischzone 81 einfährt und dann -Jie erhaltene Lösung in die Schuttzone durch Rohrloch 18 injiziert. Der Betrag an Katalysator, den man anwendet, v/irei im allgemeinen im Bereich zwischen ungefähr 0,1 und ungefähr 20 Gew.% liegen, bezogen auf den Betrag von Kohlenstoff, der in der Schuttzone anwesend ist. Die Einführung der Katalysatorlösung wird zu einer beträchtlichen Vermehrung des Wasserbetrages führen, der in die Zone gelangt, aber dieser Wasserbetrag wird verdampft und in Dampf umgewandelt werden in dem Maße, wie die Vergasunasoperation fortschreitet. Dadurch, daß man einen Vergasungskatalysator benutzt zur Erhöhung der DampfVergasungsgeschwindigkeit, wird die Dauer der Vergasungsoperation verringert v/erden. Auf diese Weise kann man in vielen Fällen die Gesamtkosten des Verfahrens reduzieren. Kenn gewünscht, kann ein beträchtlicher Teil der Alkalimetall- oder Erdalkalimetallverbindung, die man als Vergasungskatalysator benutzt, wiedergewonnen v/erden nach der Vergasungsoperation, indem man Wasser oder eine wäßrige Lösung von Schwefelsäure, Ameisensäure od. dgl. durch die Schuttzone zirkulieren läßt und so das Kalium oder die andere Alkalimetallkomponente auslaugt.

Die Anwendung von Kohlenstoff-Alkalimetallkatalysatoren für die Katalysierung der Vergasungsoperation ist besonders vorteilhaft. Weitgehende Studien haben gezeigt, daß Kalium?

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Lithiur^ iTatriuiTi-und Cesium-Verbindungen, die rr-it Kohlenstoff-haltigen Feststoffen innig vermischt werden, nit dein Kohlenstoff eine reaktion eingehen, die zur Bildung von /lkalircetallverbindungen oder Komplexen fährt. Diese reaktionsprodukte katalysieren nicht nur die Dampf-Kohlenstoff reaktion, sondern sie führen auch zu einer= Gleichgewicht der sich in der Gasphase abspielenden Reaktionen bei der Kohlenstoff-, Wasserstoff-und Säuerntoff-Verbindunger in einen solchen System iritnpielen. Dieses Gleichgewicht, das man normalerweise irit Erdalkalinetallverbindungen mischt erhält, ist von größter Bedeutung, weil es es möglich macht, die Verfahrensbedingungen in der tfoise z.B. zu beeinflussen oder zu kontrollieren, daß die Produktion von Methan und Kohlendioxid anstelle von Passerstoff und Kohlenronoxid erhöht wird. Venn ein Katalysator dieses Typs benutzt wird, kann es oft von Vorteil sein, die Alkalir.ietallverbindung in Forr¹ ihrer Lösung, z.E. eine wäßrige PCaliumcarbonatlösung, in den oberen Teil der Schuttzone durch das Loch 18 zu indizieren, in einer Menge, die genügt, um Impregnation oder 7mfsaugung der Lösung von bzw. durch die Kohlenstoff-haltigen Feststoffe zumindestens in dem oberen Teil der Zone zu gestatten. Vcrteilhafterweise erfolgt diese Irn.prägnation bzw. Aufsaugung in dem ganzen Pereich der Zone, bevor die Vergasungsoperation begonnen v/ird.

Nachdem die Alkalimetallösung indiziert worden ist, kann die Verbrennung im oberen Teil der Zone eingeleitet v/erden.

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Luft oder Sauerstoff kann durch das bohrloch 13 geliefert werden, uir; die Verbrennung und die Feststoffe zumindest im oberen Teil der Zone auf hohe Temperaturen von der Größenordnung von 800 bis 1200 F oder höher zu erhitzen. Bei diesen hohen Temperaturen v/erden die Alhali^ietall-Bestandteile mit dem Kohlenstoff unter Bildung des Kohlenstoff-Alkalimetallkatalysators reagieren. Die Verbrennungsprodukte, die man erhr.lt, können vom unteren Teil der Schuttzone durch das Bohrloch 3o abgezogen werden. Nach der Injektion genügen Mengen von Luft oder Sauerstoff zur Erhitzung der Feststoffe in dem oberen Teil der Schuttzone auf die erforderlichen hohen Temperaturen, kann man diese Phase der Operation beenden und die Vorrichtungen auf der Oberfläche können modifiziert v?erden, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, so daß man die Vergasungsoperation ausführen kann. Während der nun folgenden Vergasung der Kohlenstoff-haltigen Feststoffe in der Schuttzone werden die Gase in dem oberen Teil der Zone mit dem vorher produzierten Kohlenstoff -Alkalimetall-Katalysator in Berührung kommen, und die Gasphasereaktionen werden dazu neigen, in ein Gleichgewicht zu kommen. Hoher Druck in der Schuttzone besonders Drücke in der Größenordnung von 500 bis 2000 psi oder höher werden die Tendenz haben, die Bildung von Methan und Kohlendioxid anstelle von Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu fördern. Als Folge davon wird ein Gas von höherem Btu-Gehalt als sonst der Fall wäre, produziert. Da der Kohlenstoff-Alkalimetallkatalysator auch ein Vergasungskatalysa-

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tor ist, wird der Sauerstoffgehalt des in den unteren Teil der Schuttzone eingeführten Gases reduziert werden können, um auf diese Weise die Temperatur in der Schuttzone zu erniedrigen und so die Erzeugung von f-tethan im Gegensatz zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu fördern. Wenn gewünscht, kann ein Teil des erzeugten Gases nach Entfernung der Flüssigkeiten durch Leitungen 77 und 83 zu einem Gerät für die Entfernung saurer Gase (84) zu leiten. Dort werden Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und ähnliche Stoffe entfernt. Das Gas wird Wasserstoff und Kohlenmonoxid in höheren Konzentrationen enthalten als das Produktionsgas. Seine Wiedereinführung in die Schuttzone wird die Tendenz haben, das Gleichgewicht weiter in der Richtung der Erzeugung von Methan und Kohlendioxid zu verschieben. Ausserdem kann der gesamte Gasstrom, der aus der Schuttzone abgezogen wird, wenn es gewünscht wird, zur Entfernung saurer Gase behandelt werden. Die sich anschliessende Gewinnung des Methans läßt einen Gasstrom zurück, der primär aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht. Der Gasstrom kann in den Kreislauf zurückgeführt werden, um die Verschiebung des Gleichgewichtes weiter zu unterstützen. In einer solchen Operation wird das Primärprodukt aus der Vergasungsphase des Verfahrens Methan sein. Das kann man benutzen als Pipeline-Gas ohne v/eitere erhebliche Verfahrensschritte.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wurde oben anhand einer einzigen Schuttzone beschrieben. Es ist jedoch klar, daß

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Operationen auch in zv/ei oder mehreren Zonen dieser Art gleichzeitig ausgeführt werden können. Fig. 5 der Zeichnung ist eine in einer Ebene liegende Darstellung eines Gebietes, das über einem dicken, tiefen Kohlenflöz liegt, in welchem man mehrere Schuttzonen wie oben beschrieben erzeugt hat. Bei dieser Operation bedeuten die Bezugszahlen 85, 86, 87 und 88 unterirdische Schuttzonen, in denen Operationen zur Gewinnung von Flüssigkeiten beendet worden sind und Vergasungsoperationen im Gange sind. Jede von diesen Schuttzonen enthält ein zentrales Bohrloch und ein davon abgesetztes Bohrloch ähnlich wie dies in Fig. 1 bis 4 illustriert ist. Die zentralen Bohrlöcher der Schuttzonen 85 und 86 sind mit einem Produktgas-Sammelrohr 89 verbunden. Dieses kommt von den Gastrennungs- und Eehandlungsvorrichtungen, die in Fig. 5 nicht gezeigt sind. Auf gleiche Weise können die Injektionslöcher in diesen Schuttzonen mit einem Injektionssammelrohr 90 verbunden werden, das aus Vorrichtungen für die Injektion von Flüssigkeiten kommt. Die Injektions- und Produktionsbohrlöcher in den Schuttzonen 87 und 88 sind in ähnlicher Weise durch die Leitungen 91 und 92 verbunden. Die Operationen in diesen vier Schuttzonen werden zur gleichen Zeit ausgeführt. Bezugszahlen 93 und 94 zeigen Schuttzonen, die vorher noch nicht der Gewinnung von Flüssigkeiten unterworfen waren und in denen Vergasungsoperationen durch die Bohrlöcher 95, 96 und 98 ausgeführt wurden. Nach Beendigung dieser Operationen wurden die Schuttzonen mit einer Aufschlämmung von Schlacke, Sand, Abfallprodukten und anderen Feststoffen gefüllt, um eine Senkung

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des Bodens zu vermeiden und die in der Umgebung befindliche Kohle zu stützen. Die Bohrlöcher wurden dann verschlossen, so daß die Operationen in den Cchuttzonen 85, 8C, 37 und 88 ausgeführt werden konnten. Nenn gewünscht, kann ein Dichtungsmittel, wie ein Kunststoff oder ein Harz in Form einer Lösung benutzt werden, um die Wände der ausgebrannten Zonen abzudichten, bavor man die Bohrlöcher verschließt. Wie man aus der Zeichnung sieht, sind die zwei Reihen von Schuttzonen getrennt durch ein Gebiet, das weit genug ist, um die Schaffung von zusätzlichen Schuttzonen zwischen ihnen zu gestatten. Die Bohrlöcher 99, 100, 101, 102, 103 und 104 wurden gebohrt, um die Bildung von zusätzlichen Schuttzonen zu ermöglichen, während die Operationen fortschreiten. Die Schaffung von multiplen Schuttzonen, die gemeinsame Vorrichtungen auf der Oberfläche benützen und wenn erforderlich, Feststoffe um die Schuttzonen auszufüllen, nachdem die Gewinnung von Flüssigkeiten und die Vergasungsoperationen ausgeführt wurden, ermöglicht die Gewinnung von Kohlenwasserstoffen aus einem hohen Prozentsatz der anwesenden Kohle in dem Flöz, gestatten Einsparungen bei den Operationen, die auf andere Weise schwer zu erhalten sind.

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Claims

Ansprüche :

1. Verfahren zur Gewinnung von flüssigen Kohlenwasserstoffen aus kohleführenden unterirdischen Ablagerungen, dadurch gekennzeichnet, daß man von der Oberfläche der Erde aus mindestens ein Bohrloch in den unteren Teil der Kohleablagerung bohrt, daß man die Kohle in der Nähe des unteren Teils der Ablagerung über eine begrenzte Fläche in der Nähe des Bohrloches ausbrennt, um einen Hohlraum zu bilden, dessen Volumen etwa 5 bis etwa 3o % der Kohle in der über dieser begrenzten Fläche liegenden Ablagerung beträgt, in der Ablagerung, daß man die über dem Hohlraum liegende Kohle niederbricht, um eine Schuttzone zu erhalten, die sich in der Ablagerung senkrecht bis zu einem Punkt in der Nähe der oberen Grenze der Ablagerung erstreckt, daß man in der Schuttzone eine Flammenzone erzeugt, diese vertikal durch die Schuttzone treibt und aus der Schuttzone Flüssigkeiten und Gase abzieht.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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daß man die Flammenfront durch Einblasen eines die Verbrennung unterstützenden Gases in den oberen Teil der Schuttzone abwärts durch die Schuttzone treibt und man Flüssigkeiten und Gas aus dieser Zone an einem Punkt in der Nähe des Bodens dieser Zone abzieht.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammenfront durch Einführung von Dampf und eines Sauerstoff-enthaltenden Gases in die Zone hinter der Flammenfront durch die Schuttzone getrieben wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Dampf zu Sauerstoff im Bereich von 2 : 1 bis etwa Io : 1 beträgt.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle in der Schuttzone mit einer Lösung einer Alkalimetallverbindung behandelt wird, ehe die Flammenfront in der Zone erzeugt wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Alkallmetallverbindung Kaliumcarbonat ist.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kohlenstoffwasserstoff-Lösungsmittel in die Schuttzone eingeführt wird, ehe die Flammenfront in der Zone erzeugt wird.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Flüssigkeiten und Gase aus der Schuttzone abgezogen werden, bis die Menge der erhaltenen flüssigen Kohlenwasserstoffe erheblich abnimmt, das Einblasen von Gasen in die Schuttzone dann beendet wird, anschließend Dampf und Sauerstoff in die Schuttzone eingeblasen und Gase aus der Schuttzone abgezogen werden.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenablagerungen aus einer Mehrzahl von Kohlenflözen bestehen.

Io. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum in der Nähe des unteren Teils der Ablagerung sich über

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eine horizontale Fläche von etwa o,l bis etwa 0,8 ha erstreckt.

11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis Io, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schuttzone in der Kohleablagerung vertikal über eine Entfernung von etwa 15 bis etwa 3oo m erstreckt.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle in den Hohlraum niedergebrochen wird, indem man eine Serie von Sprengladungen in mindestens einem der Bohrlöcher an Punkten über dem Hohlraum zur Explosion bringt.

13· Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle in den Hohlraum niedergebrochen wird, indem man eine die Brechung bewirkende Flüssigkeit in die Kohle oberhalb des Hohlraumes von mindestens einem der Bohrlöcher ausgehend injiziert.

14. Verfahren gemäß Anspruch I3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Brechung bewirkende Flüssigkeit eine explosive Flüssigkeit enthält.

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15· Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei
Bohrlöcher in den unteren Teil der Kohleablagerung gebohrt werden und eine Verbindung
zwischen diesen Bohrlöchern durch die Injektion einer Flüssigkeit aus einem der Bohrlöcher in die Kohle hinein bei einem Druck, der genügt, um die Kohle zu brechen, gebildet wird.

16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Dampf und ein
Sauerstoff-enthaltendes Gas in die Ablagerung eingeführt werden, während die Kohle ausgebrannt wird, um den Hohlraum zu bilden.

17· Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch folgende zusätzliche Verfahrensschritte :

Beendigung der Plammenfront und Abziehen von
Flüssigkeiten und Gasen aus der Schuttzone,
nachdem der Gehalt an flüssigen Kohlenwasserstoffen erheblich abgenommen hat, Bildung von Verbrennung in der Schuttzone in der Nähe des Bodens der Zone, Injektion von Dampf und eines

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Sauerstoff-enthaltenden Gases in den unteren Teil der Schuttzone durch eines der Bohrlöcher und Abzug von Gasen aus dem oberen Teil der Schuttzone durch ein anderes Bohrloch.

18. Verfahren gemäß Anspruch 17, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Verfahrensschritt der Injektion einer Lösung einer Alkalimetallverbindung in die Schuttzone, nachdem die Injektion des Sauerstoff-enthaltenden Gases und der Abzug von Flüssigkeiten und Gasen beendet wurde und ehe die Verbrennung in der Schuttzone in der Nähe des Bodens der Zone eingeleitet wurde.

19· Verfahren gemäß Anspruch 18, gekennzeichnet durch folgende zusätzliche Verfahrensschritte: Einleitung von Verbrennung im oberen Teil der Schuttzone, nachdem die Lösung der Alkalimetallverbindung in den oberen Teil der Zone injiziert wurde, Injektion eines Sauerstoff-enthaltenden Gases in die Zone und Abzug von Verbrennungsprodukten aus der Zone, um die Peststoffe in dem oberen Teil der Zone auf eine Temperatur von 43o bis 8oo°C zu erhitzen und Beendigung der Injektion des Sauerstoff-enthaltenden Gases und

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des Abzugs von Verbrennunfj-sprociuKten, oevor die Verbrennung in der i-Iäne des i3odens der Schuttzone ingang yeoracht worden ist.

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