DE3140028A1

DE3140028A1 - Verfahren zur erzeugung eines wasserstoffreichen gases durch unterirdische kohlevergasung

Info

Publication number: DE3140028A1
Application number: DE19813140028
Authority: DE
Inventors: Pierre 4040 Tilff Ledent
Original assignee: Individual
Current assignee: Institution Pour Le Developpement de la Gazeificat
Priority date: 1980-10-13
Filing date: 1981-10-08
Publication date: 1982-05-06
Also published as: DE3140028C2; GB2086416B; FR2491945A1; NL8104624A; FR2491945B1; GB2086416A

Description

Verfahren zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases durch unterirdische Kohlevergasung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases durch unterirdische Kohlevergasung.

Alle bekannten Verfahren zur Vergasung geförderter Kohle, bei denen ein Gas mit einem hohen Gehalt an Wasserstoff erzeugt werden soll, basieren auf einer Reaktion von Gas mit Wasser, die sich wie folgt darstellen läßt: H₂O + C = CO + H, 28,4 kcal/mol.

Die für den Ablauf dieser Reaktion notwendige Wärme wird allgemein durch Verbrennung eines Teils der Einsatzstoffe erreicht.

Bei den älteren Prozessen wandte man periodische Umkehrungen mit abwechselndem Einleiten von Luft und Wasserdampf an.

Bei den neueren Verfahren wird ein kontinuierliches Einleiten eines vergasenden Mittels benutzt, dieses besteht aus einer Mischung von Dampf und Sauerstoff.

Eben diese vergasende Mischung ist bereits in der UDSSR und in den USA während der ersten Versuche zur Erzeugung eines Gases mit hohem Wasserstoffgehalt verwendet worden. Dabei wurde Kohle unterirdisch bei relativ geringem Druck in den Steinkohlenflözen vergast, dabei befanden sich die Flöze in weniger als 3oo Metern Tiefe.

Faßt man die Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases durch unterirdische Vergasung von Steinkohlenlagerstätten größerer Tiefe (bis etwa 7oo oder 800 Metern) ins Auge, so muß man bei dem bekannten Verfahren den Druck für die Vergasung bis hinauf in einen Bereich von 3o bis 4o bar erhöhen.

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Unter derartigen Arbeitsbedingungen„ nämlich bei großer Tiefe und hohem Druck, führt die Verblendung einer Mischung von Sauerstoff und Dampf als vergasende® Mittel bei einem Dampfanteil, der zwischen 65 % und 85 % liegen kann, zu Schwierigkeiten*

Um jegliche Gefahr einer Kondensation des Dampfes auszuschalten, muß die Temperatur des Gemische an allen Orten oberhalb eines Minimalwertes von etwa 25o Grad bleiben_o

Diese hohe Temperatur macht es notwendig, die Länge der Ein= iaßleitungen für das vergasende Mittel zu reduzieren und von Ort zu Ort Äusdehnungsstücke zv/ischensuschalteno Unter diesen Bedingungen ist es praktisch ausgeschlossen;, daß ein Vergasungsverfahren verwendet wird,, bei dem das vergasende Mittel durch die Hohlräume und Stollen geleitet i^ird₀ die mittels herkömmlicher Bergwerkstechniken geschaffen wurden_o Auch das Einleiten eines vergasenden Mediums durch vertikale Bohrungen, die direkt zu dem unterirdischen Gasenti-zickler führ en „ kann nur bei Bohrungen mit genügend großem Durchmesser,, in deren Innerem eine wärmegedämmte Leitung angeordnet ist„ durchgeführt werden«,

Die unterirdische Vergasung mittels ©ines Saueratoff-Dampf-Gemische hat zwei weitere Nachteile g

Aufgrund der relativ hohen Temperatur kann sich das vergasende Mittel nicht durch Kontakt mit dem Gestein„ das den Gaserzeuger umgibt _β aufheizen,, Stattdessen kann es einen Teil seiner fühlbaren Wärme verlieren, wodurch der energetische Wirkungsgrad der Gaserzeugung beträchtlich verringert wird_o

Weiterhin ist bei allen unterirdischen V©rgärungsverfahren eine Konkurrenz zwischen der Vergasungsrealttion und Pyrolysereaktionen der Kohle zu beobachten» Die flüchtigen Bestandteile, die in der Tiefe des Flösea freigesetzt \-/erden₅ haben

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keinen anderen Abfluß als die Kontaktoberfläche zwischen dem Gas und dem Feststoff, auf der auch die Vergasungsreaktionen ablaufen.

Der Austritt dieser flüchtigen Bestandteile, die einen hohen Gehalt an Wasserstoff haben, hat einen ausgeprägt hemmenden Effekt auf die Reaktion des Gases mit Wasser. Hieraus resultiert eine Reduzierung des Zersetzungsgrades des eingeleiteten Dampfes und eine Reduzierung des Wirkungsgrades der Vergasung.

Aufgabe der Erfindung ist es_e die Nachteile der bekannten Verfahren zu vermeiden und ein für größere Tiefen geeignetes, unterirdisches Vergasungsverfahren zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird weiterhin das zur Durchführung des Verfahrens benötigte CO, in einer Aufbereitungsanlage aus dem erzeugten Gas wiedergewonnen. Weiterhin wird vorteilhafterweise die bei der Umwandlung von CO anfallende Reaktionswärme zur Dampferzeugung eingesetzt. Dieser wird im Kondensationszyklus verwendet, um damit einen Teil der für die Gesamtanlage notwendigen Energie'zu liefern.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezug auf die Figur, die eine schematische Darstellung des Verfahrens zeigt, beschrieben.

Einem unterirdischen Gaserzeuger 1 wird ein vergasendes Medium bei Normaltemperatur und einem erhöhten Druck (z.B. 4o bis 5o bar) zugeführt. Dieses vergasende Medium ist eine Mischung von Sauerstoff, der aus einer Trennanlage für Sauerstoff aus Luft 2 kommt und CO^, das aus der Anlage zur Behandlung des erzeugten Gases stammt.

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Das Rohgas kommt am Ausgang des Gaserzeugers 1 mit einer Temperatur von etwa 600 bis 800 Grad Celsius an. Es wird mittels einer oder mehrerer Gasbohrungen für den Rücklauf 3, die jeweils einen metallischen, im Gebirge gehaltenen Mantel und ein Innenrohr aufweisen, zur Oberfläche geführt. Das metallische Innenrohr ist am Kopf des Schachts befestigt und kann sich frei nach unten ausdehnen.

Eine Leitung 4 ist mit geeigneten Einrichtungen zur Steuerung des unter Druck in den ringförmigen Zwischenraum, der den Mantel von dem Innenrohr trennt, ausgerüstet. Dieses eingeleitete Wasser verdampft bei Kontakt mit der heißen Wandung des Innenrohrs. Der so erzeugte Dampf mischt sich mit dem Rohgas am Fuß der Bohrung 3.

Der Strom an vergasendem Medium und der Strom an Kühlwasser sind so eingeregelt, daß die Mischung des Rohgases mit dem aus dem Kühlwasser erzeugten Dampf an der Oberfläche mit einem Druck von 15 bis 2o bar und einer Temperatur von etwa 2oo Grad Celsius ankommt. Die Mischung des Rohgases mit dem Dampf durchläuft einen wärmegedämmten Zyklon 5, der den größten Teil der mitgeführten, festen Stoffe ausscheidet. Danach gelangt sie in einen Wäscher 6, der das Gas mit Feuchtigkeit sättigt und feine Staubanteile und kondensierbare Kohlenwasserstoffe eliminiert.

Nach diesem ersten Äufbereitungsschritt gelangt die Mischung aus Rohgas und Dampf zu einem Kompressor 7, der die Mischung auf einen Druck von etwa 4o bis 5o bar und eine Temperatur in Nähe von 3oo Grad Celsius bringt. Einer Leitung 8 kann zusätzliches Wasser oder zusätzlicher Dampf zugeführt werden, um die Temperatur und den Feuchtigkeitsgehalt des Gases auf optimale Werte zu bringen, wie sie für die katalytisch^ Umwandlung von CO benötigt werden» Das Gas wird durch Umwandlung des größten Teils des CO an Wasserstoff angereichert. Dabei findet folgende Reaktion stattz CO + H₃O -» CO₂ +H₂ + 9,8 kcal/molc

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Diese Reaktion wird in Reaktoren 9 und 11 durchgeführt, in denen sich ein Katalysator befindet, der auch bei Anwesenheit von schwefelhaltigen Stoffen arbeiten kann (beispielsweise ein Katalysator auf der Basis von Kobaltmolybdat). Jedem der beiden Reaktoren 9 und 11 ist mindestens ein Wärmetauscher Io bzw. 12 nachgeschaltet. Diese führen die bei der Umwandlungsreaktion anfallende Wärme ab und erzeugen Dampf bei erhöhtem Druck (von etwa 4o bis 5o bar). Alternativ kann man auch Wirbelbett-Reaktoren einsetzen, die durch innerhalb des Wirbelbetts angeordnete Verdampferröhren für Wasser gekühlt werden.

Nach einer abschließenden Kühlung des Gases in einer Kühlstufe 13 und dem Abführen von Wasser und von Kondensaten in einem Separator 14 wird das Gas in einen Reaktor 15 eingegeben, wo die Abtrennung des größten Teils an CO, und H₂S durch Waschen unter Druck mittels eines geeigneten Lösungsmittels erfolgt.

Das gereinigte Gas, das sich weiterhin unter Druck befindet, wird über eine Leitung 26 abgeführt und Fabriken zugeführt, wo es für chemische Synthese verwendet wird, oder in ein Verteilernetz eingespeist.

Das Lösungsmittel wird in einem Druckminderer 16 auf Normaldruck entspannt und durchläuft einen Separator 17, wo das flüssige Lösungsmittel mittels eines Heizkreises 18 auf eine gewünschte Temperatur gebracht wird. Dabei trennen sich CO- und H₂S und werden einem Entschwefler 19 zugeführt, wo der größte Teil an H_S mittels eines herkömmlichen, chemischen Verfahrens abgetrennt wird. Das für die unterirdische Vergasung notwendige CO- wird in mehreren Stufen wieder auf den für die Einspeisung in die Anlage notwendigen Druck gebracht, hierzu dienen Verdichter 2o und 21 mit zwischengeschalteten Kühlstufen. Der Überschuß an C0_ wird über eine Leitung 22 abgeführt, er dient anderen Verwendungszwecken oder wird in die Atmosphäre geleitet.

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Die einzelnen Verdichter 7, 2o, 21 werden durch Dampfturbinen 23, 24 und 25 angetrieben, denen der in den Wärmetauschern Io und 12 erzeugte Dampf zugeführt wird.

Die Vorteile, die man aus dem Ersatz eines vergasenden Mediums, das einen hohen Anteil eines sehr heißen Dampfes hat, durch ein vergasendes Medium, das aus einer Mischung von Sauerstoff und Kohlendioxid gebildet ist, die bei Normaltemperatur zugeführt wird, sind bereits oben angegeben worden. Dieser Austausch des vergasenden Mediums ermöglicht eine Verringerung der Durchmesser und der Kosten für die Einlaßbohrungen für das vergasende Medium. Er ermöglicht weiterhin ein gemischtes Vorgehen für die Herstellung der Vergasungsfelder mittels konventioneller Bergbautechniken und eine Zuführung von vergasendem Medium mittels eines Leitungsnetzes, das sich in den unterirdischen Stollen befindet.

Es bleibt jedoch die Frage offen, ob diese Vorteile nicht durch die beträchtliche Verringerung des energetischen Wirkungsgrades aufgezehrt werden, der gegebenenfalls zu einer beträchtlichen Erhöhung des Gestehungspreises des erzeugten Gases führen müßte.

Um auf diesen Einwand erwidern zu können, wird irn folgenden eine Vergleichsstudie für die Erzeugung eines Gases mit hohem Wasserstoffgehalt nach einem klassischen Verfahren der Vergasung mittels eines Sauerstoff-Dampf-Gemischs mit der Erzeugung desselben Gases mittels des Verfahrens nach der vorliegenden Anmeldung verglichen.

Als Beispiel wird eine Anlage mit einem unterirdischen Gaserzeuger gewählt, der bei einem Druck von 32 bar arbeitet, eine Auslaßtemperatur von 9oo Grad Celsius hat und für die Erzeugung eines Gases zur Synthese von Methanol bestimmt ist, wobei das Molverhältnis H,/CO etwas oberhalb von 2 liegen kann_o

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Der Druck für das Einleiten eines vergasenden Mediums wird mit 45 bar angesetzt, der nutzbare Druck des erzeugten Gases beträgt 15 bar.

Das benutzte Rechenmodell basiert auf den klassischen Gleichgewichten der Reaktionen H^O + C und CO, + G und auf der Annahme, daß das erzeugte Methan im wesentlichen aus der Zersetzung der flüchtigen Bestandteile der Kohle stammt. Bei Anwendung dieses Modells auf eine Anthrazitkohlen-Lagerstätte mit 7 % flüchtigen Bestandteilen der Rohkohle kommt man zu den folgenden Ergebnissen:

I. Vergasung mittels eines Sauerstoff-Dampf-Gemischs Zusammensetzung des Gases (in Volumenprozenten des Rohgases)

roh bei abgekühlt bei umgewandelt aufbereitet

9oo°C 2oo^wC

33,5 33,5 23,o 23,ο

15,5 15,5 26,ο

36,ο 36,ο 46,5 46,5

2,5 2,5 2,5 2,5

12,5 62,5 52,ο

loo,ο 15ο,ο 15ο,ο 72,ο

Bei diesen Arbeitsbedingungen ist der Wirkungsgrad der Vergasung (spezifischer Heizwert des Rohgases / spezifischer Heizwert der vergasten Kohle) 88 %. Der Verbrauch an vergasenden Medien beträgt:

- o,175 mol an Sauerstoff und

- o,4o7 mol an Dampf pro mol des erzeugten Rohgases.

II. Vergasung mittels eines Sauerstoff-COg-Gemischs Zusammensetzung des Gases (in Volumenprozenten des Rohgases)

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Gas: roh_Qbei abgekühlt bei umgewandelt aufbereitet 9oo C 2oo c

CO :	55,o	55,o	2o,o	2o,o
CO₂:	37,o	37,o	72,0	—
H₂ :	5,5	5.5	4o_#5	4o, 5
CH₄:	2,2	2,2	2,2	2,2
H₂O:	o,3	5o,3	15,3	—

Ιοο,ο I5o,o I5o,o 62,7

Der Wirkungsgrad der Vergasung (spezifischer Heizwert des Roh gases / spezifischer Heizwert der vergasten Kohle) liegt bei 86 %, Der Verbrauch an vergasenden Medien beträgt:

- o,187 mol Sauerstoff und

- o,441 mol an C0„ pro mol des erzeugten Rohgases.

Wenn die Zahlen für den Wirkungsgrad der Vergasung und den Verbrauch an vergasenden Medien auf dieselbe Produktion von aufbereitetem Gas bezogen werden, sind die erhaltenen Werte günstiger bei der Vergasung mittels eines Sauerstoff-Dampf-Gemischs. Berücksichtigt man die Erniedrigung des resultierenden Brennwertes aufgrund der Umwandlung des CO, so ergibt sich:

Für die Vergasung mittels Sauerstoff-Dampf: Wirkungsgrad der Vergasung (aufbereitetes Gas/Kohle) = 86,1 %

Verbrauch an Sauerstoff: o,175 χ —°£ - s> o,243 mol/mol Verbrauch an Dampf: o,4o7 χ =» ο, 565 mol/mol.

Für die Vergasung mittels Sauerstoff/Kohlendioxid: Wirkungsgrad der Vergasung (aufbereitetes Gas/Kohle) - 79,3 % Verbrauch an Sauerstoff: o,187 χ ^ψ-η = ο,298 mol/mol Verbrauch an C0_: ö,441 χ = ο, 7o3 mol/mol.

Die Berechnung wird jedoch dann verändert, wenn man die gesamte energetische Bilanz des Verfahrens untersucht. Tatsächlich sprechen zwei wesentliche Fakten für einen Vorteil des Sauerstoff-CO₂~Verfahrens:

-lo-

-1O-;

1. Das Verdichten eines Mols an CO₂ von 1 auf 45 bar verbraucht wesentlich weniger Energie als die Erzeugung eines Mols an Dampf desselben Drucks*

2. die bei der Umwandlung von CO freiwerdende Wärme ist keine verlorene Wärme, sondern eine in Form von Dampf mit einer relativ hohen Temperatur (etwa 3oo bis 4oo Grad Celsius) wiedergewinnbare Wärme.

Berücksichtigt man diese beiden Fakten und nimmt man einen Wirkungsgrad von 4o % für die Umwandlung thermischer Energie in kinetische Energie an, so ergibt sich eine endgültige energetische Bilanz, die wie folgt aussieht:

Vergasung mittels Sauerstoff-Dampf

kcal/m^ aufbereitetes Gas

Energiegehalt des Gases

wiedergewonnene Umwandlungswärme

Erzeugung von Sauerstoff und Dampf

Verdichten des Gases vor der Umwandlung

energetischer Wirkungsgrad

% des spez. Heizwertes der vergasten Kohle

2.927	86,1
+ 64	. + 1,9
- 63o	- 18,5
- 2oo	- 5,9
2.161	63.6

Vergasung mit Sauerstoff-C0₂

kcal/nL, aufbereitetes Gas

% des spez. Heizwertes der vergasten Kohle

Energiegehalt des Gases

wiedergewonnene Umwandlungswärme

Erzeugung von Sauerstoff

Verdichten des Gases vor der Umwandlung

energetischer Wirkungsgrad ++ und Verdichten von CO₀

2.927	79, 3
+ 246	+ 6,6
- 61ο	- 16,5
- 23ο	- 6,2
2.333	63,2

-Ii-

Diese Ergebnisse zeigen, daß hinsichtlich des energetischen Wirkungsgrades beide Verfahren praktisch gleich sind. Diese Schlußfolgerung würde dadurch weiter verstärkt, wenn die
Abtrennung von CO _ im Separator 17 bei einem optimalen Druck erfolgte, der oberhalb des Normaldrucks liegt, und wenn man die hemmende Wirkung aufgrund des Freiwerdens flüchtiger
Bestandteile der Kohle bei der Reaktion von Gas und Wasser
berücksichtigen könnte.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, alle Vorteile zu nutzen, die durch die Verwendung eines nicht kondensierenden, vergasenden Mediums erhalten werden, das bei Umgebungstemperatur eingesetzt
werden kann, ohne daß Nachteile hinsichtlich des energetischen Wirkungsgrades der Anordnung auftreten. Dieses Ergebnis wird durch Koppelung von unterirdischer Vergasung von Kohle, Ab«- kühlung des Gases und Umwandlung von CO erreicht. Dabei ist es chemisch möglich, den beim Abkühlen des Rohgases zwangsläufig erzeugten Dampf bei sehr niedrigen Druck- und
Temperaturbedingungen zu nutzen, um ihn wirtschaftlich im
thermodynamisehen Kreislauf einsetzen zu können. Weiterhin
läßt sich die bei der Umwandlung freiwerdende Wärme nutzbringend einsetzen, indem Dampf hoher Temperatur erzeugt wird, der in einem Kondensationszyklus zur Erzeugung eines Teils
der für den Ablauf der Anordnung erforderlichen Energie genutzt wird.

Der energetische Nutzen des Verfahrens wird dadurch begünstigt, daß das CO_, das bei der Aufbereitung des Gases anfällt, als vergasendes Medium benutzt wird und daß das Verdichten von
CO₂ weniger Energie benötigt als die Erzeugung einer äquivalenten Menge an Wasserdampf.

-a-

Leerseite

Claims

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■' "-" '--~ PATENTANWÄLTE

DIPL.-ING. ALEX STENGER

Kaiser-Friedrich-Ring 70 DIPL.-ING. WOLFRAM WATZKE

D-4000 DÜSSELDORF 11 DIPL.-ING. H E I N Z J. RING

Unser Zeichen: 22 51o Datum: J._o Oktober 1981

Pierre Ledent
Pare de Sainval, 5

B-4o4o Tilff

Ansprüche

1« Verfahren zur Erzeugung eines i^asserstoffreichen Gases durch unterirdische Kohlevergasung,
gekennzeichnet durch folgende Schrittes

- durch Zuführen einer Mischung von Sauerstoff und CO wird Kohle unterirdisch vergast _a

- das C0„ wird in einer Aufbereitungsanlage für das erhaltene Gas wiedergewonnen,

- das erhaltene Rohgas wird durch Eingabe von Wasser in eine Auslaßbohrung für das Vergasungsprodukt abgekühlt und

- das CO wird oberirdisch unter Verwendung des durch die Abkühlung gewonnenen Wasserdampfs umg®\^andelt_e
2. Verfahren nach Anspruch I₄ dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Umwandlung von CO anfallende Reaktionswärme zur Dampferzeugung eingesetzt wird und daß der Dampf im Kondensationszyklus verwendet wird_ä um damit einen Teil der für die Gesamtanlage notwendigen Energie zu erhalten»

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Telefon (0211) 57 2131 · Telex: 85 88 iZ9 · Telegrammadresse: Rheinpatent · Postscheckkonto Köln (BtZ 370100 SO) 227610 - S03