NL9000426A - Werkwijze en stelsel voor ondergrondse vergassing van steen- of bruinkool. - Google Patents

Description

WERKWIJZE EN STELSEL VOOR ONDERGRONDSE VERGASSING VAN STEEN- OF BRUINKOOL

De uitvinding verschaft een werkwijze en stelsel voor ondergrondse steenkoolvergassing in een hellende steen- of bruin-koollaag, met vullen van de ontstane, holruimten door sedi-menteren van een vulmateriaal uit een vloeistof. .

In NL-C 181941, EP-B 0053418 en EP-B 0089085 is een werkwijze beschreven voor het ondergronds vergassen van steenkool .(OSV), waarbij twee boorgaten een hellende koollaag in benedenwaartse richting volgen en elkaar langzamerhand naderen. Nabij het diepste punt wordt een verbinding tussen de twee boorgaten gemaakt en wordt een holruimte met OSV vergast. Het systeem wordt dan gevuld met een vloeistof, waarna een suspensie van een vulmateriaal in deze vloeistof door de holruimte wordt gecirculeerd. Daar waar de suspensie de holruimte binnentreedt vermindert de snelheid ervan en slaat het vulmateriaal neer. Aldus wordt de holruimte vanaf het injectieboorgat tot. aan het uitlaatboorgat langzamerhand geheel gevuld met het vulmateriaal, met uitzondering van een met vloeistof gevuld kanaal dat van het injectieboorgat via de hoge koolwand naar het uitlaatboorgat loopt.

De vloeistof kan uit dit kanaal worden verwijderd door een gas door te voeren, bij voorkeur het zuurstof bevattende gas dat wordt gebruikt om de kool te vergassen. Het vergassings-proces wordt dan opnieuw gestart waarna een tweede holruimte tussen het injectieboorgat en het uitlaatboorgat, -hellingop-waarts van . en ^evenwijdig aan de eerste holruimte, wordt' vergast. Door dit proces van om beurten vergassen en vullen een aantal malen te herhalen, wordt uiteindelijk een groot driehoekig koolgebied tussen de beide boorgaten vergast.

Een toename in de opbrengst van vergaste kool kan worden verkregen door beide boorgaten parallel aan elkaar te boren en hun onderzijden te verbinden met een derde, gedevieerd, boorgat.

De uitvinding verschaft een verbetering van bovengenoemde werkwijze, waarbij ongeveer hetzelfde volume kool wordt vergast als volgens de-laatstgenoemde werkwijze, maar waarbij nu slechts een of twee boorgaten behoeven te worden geboord. Een boorgat wordt vanaf hét oppervlak haar een hellende koollaag gedevieerd en volgt deze laag daarna over een aanzienlijke afstand, liefst in een min of meer horizontale richting. Dit boorgat wordt bij voorkeur verhuisd tot aan het punt waar het de koollaag aansnijdt. Het traject van het andere boorgat kan vrij worden gekozen, zolang het maar een punt in de koollaag bereikt dat dicht genoeg bij de onderzijde van het eerste, gedevieerde, boorgat ligt zodat een verbinding tussen beide tot stand kan worden gebracht.

Ook is het mogelijk om als tweede aan- of afvoerleiding geen boorgat te gebruiken, maar een binnenbuis, die in het gedevieerde boorgat, dat de koollaag volgt, wordt geïnstalleerd en vanaf het oppervlak tot bij voorkeur‘Tiet einde van het kooltraject van dit boorgat reikt.

De uitvinding zal in het navolgende worden toegelicht aan de hand van een tekening. Hierin toont:

Fig. 1 en 2 schematische voorstellingen van de in het voorgaande genoemde bekende werkwijzen.

Fig. 3..10 schematische voorstellingen ter verduidelijking van enige uitvoeringsvoorbeelden van de uitvinding.

Aan de hand van fig. 3 zal een eerste uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding worden beschreven.

Een hellende steen- of bruinkoollaag 1 wordt aangeboord, en wordt daarna in min of meer horizontale richting over een zekere afstand gevolgd door een boorgat 2. Een tweede boorgat 3 doorboort de koollaag 1 op„ een punt bij 4, dat dicht genoeg bij het eerste boorgat 2 ligt om een verbinding tussen beide mogelijk te maken. Een holruimte 5 wordt vervolgens tussen de boorgaten 2 en 3 vergast door het inpompen van een zuurstofhoudend gas in het boorgat 2, waarbij de brandbare gassen door het boorgat 3 worden afgevoerd. Deze holruimte 5 beslaat uiteindelijk het gehele traject in de koollaag van het boorgat 2. Na het beëindigen van het vergassingsproces wordt de gasdruk in het systeem afgeblazen tot atmosferisch en worden de holruimte .5 en de beide boorgaten 2 en 3 gevuld met een vloeistof, waarna een suspensie van een vulmateriaal 6 in deze vloeistof via het boorgat 2 door de holruimte 5 wordt gevoerd, waarbij de vloeistof via het boorgat 3 weer naar het oppervlak terugkeert. Het vulmateriaal 6 sedimen-teert uit de vloeistof en vult de holruimte 5 geleidelijk vanaf het injectieboorgat 2 tot aan het afvoerboorgat 3, met uitzondering van een kanaal 7 dat door de aard van het sedi-mentatieproces automatisch ontstaat, welk kanaal 7 van het in-jectieboorgat 2 omhoog naar de hoge koolwand 8 loopt, deze koolwand 8 volgt en dan naar het afvoerboorgat 3 omlaag duikt. Pig. 3 toont het vulproces tegen het einde ervan, waarbij de stromingsrichting met dikke pijlen is aangegeven.

De vloeistof wordt dan uit het kanaal 7 verwijderd door het doorvoeren van hogedruk gas, bij voorkeur het zuurstofhou-dende gas dat wordt gebruikt voor het vergassen, en wel via het injectieboorgat 2, door het kanaal 7 en via het afvoerboorgat 3 terug naar het oppervlak. Desgewenst kan de vloeistof ook uit de gevulde holruimte 5 worden verwijderd door een gas via het injectieboorgat 2 in de holruimte 5 te laten stromen met een zodanig geringe injectiesnelheid, dat het zich tegen de hoge koolwand 8 verzamelt, waarbij een ongeveer horizontaal gas/vloeistof grensvlak ontstaat, dat geleidelijk in de gevulde holruimte 5 omlaag wordt gedrukt, en waarbij de vloeistof uit het afvoerboorgat 3" wegstroomt tot het grensvlak het niveau bereikt waar de beide boorgaten 2 en 3 de koollaag 1 binnenkomen. Het vergassingsproces wordt opnieuw gestart door het injecteren van zuurstofhoudend gas via een der beide boorgaten 2,3, waarbij door vergassing van de aan wezige kool een nieuwe holruimte tussen déze boorgaten-ontstaat, die hellingopwaarts van de reeds gevulde holruimte is gelegen. Door beurtelings een strook kool tot een holruimte te vergassen, en deze vervolgens'met een vulmateriaal te vullen, wordt het vergassingsfront geleidelijk hellingopwaarts gedreven.

Fig, 4 toont een bovenaanzicht van een hellende koollaag 1, waarin achtereenvolgens vijf holruimten 3,9,10,11,12 tussen twee boorgaten 2,3 zijn vergast, waarbij de vergassing beurtelings vanuit het ene en het andere boorgat is gestart, welke holruimten op de beschreven wijze zijn gevuld, terwijl het vulproces in de vijfde holruimte 12 nog niet is beëindigd.

Fig. 5 toont schematisch een drie-dimensionaal beeld van een vergassings/vul-operatie in bedrijf, waarbij in de zesde holruimte vergassing plaatsvindt.

Het kan met deze boorgat configuratie gunstig zijn, alvorens het proces voor de eerste maal te starten, een vloei-stofafvoerpijp in de koollaag te introduceren via het boorgat dat de koollaag volgt. Deze vloeistofafvoerpijp bezit openingen in het kooltraject, of in een deel hiervan, en loopt tot aan het oppervlak. Deze pijp blijft gedurende de latere vergassings/vul-operaties aanwezig. Door een voldoend hoge gasdruk te gebruiken kan vulvloeistof uit de vulling, of water dat uit het nevengesteente binnenstroomt, worden verwijderd, en wel eenvoudigweg door de vloeistofafvoerpijp aan het oppervlak open te zetten. Als de gasdruk onvoldoende zou zijn om de vloeistof naar het oppervlak te stuwen, kan een pomp in de vloeistofafvoerpijp worden opgenomen.

Het kan gunstig zijn, na beëindiging van het vulproces het kanaal, waardoor de vergassing opnieuw moet worden gestart, te vergroten, bijvoorbeeld om de injectiedruk van het zuur-stofhoudende gas, dat voor de vergassing wordt gebruikt, te verlagen. Hiertoe dient men, nadat het vulproces is beëindigd.

de zuivere vulvloeistof met een grotere snelheid door het kanaal te pompen dan die welke werd gebruikt tijdens het vullen. Ook is het mogelijk voor dit doel de vulvloeistof te mengen met een gas.

Zoals reeds eerder opgemerkt kan het vergassings- en vul-proces ook worden uitgevoerd met een gedevieerd boorgat dat de koollaag volgt, waarin een binnenbuis is aangebracht die reikt vanaf het oppervlak tot bij voorkeur het einde van het gedevieerde boorgat in de koollaag. Deze uitvoeringsvorm wordt getoond in fig. 6 en 7.

Fig. 6 toont het vullen van de eerste holruimte, dat ongeveer tot halverwege is gevorderd. Het vullen, evenals het eerdere vergassen van de holruimte, geschiedt in dit voorbeeld met de binnenbuis als injectieleiding. Het zal duidelijk zijn, dat hiervoor ook de annulaire ruimte tussen binnen- en buitenbuis kan worden gebruikt. In deze gevallen behoeft geen verbinding in de koollaag te worden gecreeerd. Fig. 7 toont in bovenaanzicht het vergassen van een derde holruimte, nadat twee eerdere holruimten met een vulmateriaal zijn gevuld. Gok hier vindt de vergassing steeds plaats met de binnenbuis als injectieleiding.

Om instortingen van het deel van het onderdak waardoorheen een aanvoer- en/of afvoerleiding loopt te vermijden, kan de kool onder dit deel van het onderdak onvergast blijven, zoals in fig. 8 in bovenaanzicht wordt getoond voor een configuratie met binnenleiding. De vergassing dient dan steeds door de binnenleiding te worden gestart. De voortgang van het vergassingsfront kan de eerste keer d.m.v. temperatuurmetingen in de binnenbuis worden waargenomen.

In een aantal gevallen zal het niet mogelijk zijn instortingen van het onderdak boven een holruimte tijdens het vergassen te vermijden. Deze dakinstortingen kunnen een nadelige invloed hebben op het OSV proces. Fig. 9 toont een verticale doorsnede langs de helling door een holruimte met ingestort dak aan het begin van de vulfase. In deze situatie zal het kanaal in de vulling onder langs het ingestorte dak bij 1 gaan lopen en niet langs de hoge koolwand bij 2. In zo'n situatie kan het vergassingsproces, na verwijderen van de vulvloeistof, niet meer worden hervat. Dit probleem kan eenvoudig worden verholpen door, na het beëindigen van een vergassingsfase en vóór de aanvang van de erop volgende vulfase, de gasdruk in het systeem niet, of slechts gedeeltelijk, af te blazen. Tijdens het •vullen met de vulvloeistof ontstaat dan een hogedruk gasbel bovenin de holruimte, met een gas/vloeistof grensvlak zoals bijvoorbeeld aangegeven met de stippellijn 3. Het vulproces zal zich nu afspelen in het deel van de holruimte onder de stippellijn, terwijl het deel boven de stippellijn ongevuld blijft. Het kanaal zal tenslotte ter hoogte van de stippellijn in een meanderend riviertje overgaan. In dit geval bestaat de verbinding uit de hellingopwaarts en hel-lingafwaarts lopende takken van het kanaal plus de bel.

In ongunstige gevallen zal het volume van de gasbel, die hel-1ingopwaarts in een holruimte is gecreeerd, tijdens het vulproces afnemen tengevolge van lekkage van gas via rekspleten of breuken naar hoger gelegen lagen. Om deze leksnelheid te berekenen dient het volume van de bel op verschillende tijdstippen te worden bepaald. Hiertoe dient het vulproces, na doorspoelen van de injectieleiding met de zuivere vulvloeistof, te worden gestopt en het systeem aan de oppervlakte te worden afgesloten. Na het meten van de ingesloten druk wordt een bepaalde hoeveelheid vulvloeistof aan het gesloten systeem toegevoegd en wordt de ingesloten druk opnieuw bepaald. Als: P^ = de ingesloten druk vóór toevoegen van de extra vulvloeistof, gecorrigeerd naar de diepte van de bel^ P2 = de ingesloten druk na toevoegen van de extra vulvloeistof, gecorrigeerd naar de diepte van de bel? = het in situ volume van de gasbel,.

V

Δν = het toegevoegde extra volume vulvloeistofj dan oeldt:

Door het in situ volume tweemaal te meten op verschillende tijdstippen, kan de leksnelheid worden uitgerekend. Het volume van de gasbel kan dan op peil worden gehouden door aan de vul-vloeistof tijdens het vullen zoveel gas toe te voegen dat de lekverliezen juist worden gecompenseerd.

Na het beëindigen van het vergassingsproces in een deel van een koollaag kunnen de boorgaten met bijvoorbeeld een cement-plug worden afgesloten en kunnen de ondiepe gedeelten ervan worden gebruikt om andere delen van dezelfde koollaag, of andere koollagen beneden of boven de eerste, te vergassen.

De vergassing met OSV van drie koollagen met één paar boorgaten wordt schematisch drie-dimensionaal getoond in fig. 10.

De in de tekening getoonde configuraties van aanvoer- en afvoerboorgat zijn overigens beide bekend en in gebruik voor vergassen van horizontale koollagen zonder vullen.

Een geschikt vulmateriaal is zand. Schoon zand is echter op veel plaatsen schaars aan het worden. Ter vervanging van schoon zand kan verontreinigd rivier-, haven- of zeezand worden gebruikt, dat moeilijk op te ruimen is en dat derhalve tegen weinig of geen kosten beschikbaar kan zijn. Andere ge- ï schikte vulmaterialen zijn bijvoorbeeld afval van kolenge-stookte electriciteitscentrales of van steenkoolvergassings-installaties, zoals as, slakken, gips en dergelijke,-of mijnsteen en ander afval van mijnbouw of metallurgische activitei- i ten. Oqk een deel van ander industrieel of huishoudelijk afval kan geschikt zijn. Al deze materialen worden zo nodig aan een behandeling onderworpen, zoals b.v. sinteren, malen en/of zeven, om hen geschikt te maken om als vulling te dienen.

Het kan gunstig zijn om een vulmateriaal of een mengsel van materialen te gebruiken dat is gezeefd op een bepaalde zeef- grootte, verhit of anderszins geprepareerd om sar. andrukking van de vulling in de holruimte tegen te gaan.

Twee chemische reacties die bij OSV na elkaar optreden zijn: C + 02 —»C02 en °°2 + C —>2C0* BiJ de eerste reactie komt meer warmte vrij (+ 406 KJ/mol) dan bij de tweede wordt opgenomen (- 160 KJ/mol), waardoor het gecombineerde resultaat een stijging van de temperatuur is. Hierdoor wordt het dak- en vloergesteente rond de zich ontwikkelende holruimte opgewarmd en hebben de brandbare gassen in het e-F"oerboorgat een hoge temperatuur.

Door in de injectiegassen een deel van de zuurstof te vervangen door kooldioxide, zal de temperatuur ondergronds dalen. Hierdoor wordt een deel van de warmte, die anders ondergronds zou achterblijven, gebruikt voor het produceren van koolmonoxide, terwijl tevens de lagere temperatuur van de brandbare afvoergassen in het afvoerboorgat minder koeling- en corrosieproblemen zal geven.

Claims (14)

1. Werkwijze voor het ondergronds vergassen van steenof bruinkool in een hellende koollaag, waarbij twee leidingen vanaf het oppervlak tot in de koollaag worden aangebracht, waarna de uiteinden van de leidingen met elkaar worden verbonden en de kool wordt ontstoken, terwijl door het toevoeren van een zuurstofhoudend gas via een der leidingen en het afvoeren van de brandbare gassen via de andere leiding een holruimte tussen de leidingen wordt gevormd, welke holruimte na afblazen van de gasdruk wordt gevuld met een vulmateriaal, dat wordt toegevoerd via een der beide leidingen, welk vulmateriaal is gesuspendeerd in een vloeistof, welke suspensie een zodanige concentratie en stroomsnelheid heeft dat het vulmateriaal, tengevolge van de snelheidsreductie bij het binnentreden van de holruimte zal neerslaan, waarbij het toevoeren van de suspensie wordt voortgezet tot de holruimte geheel is gevuld met uitzondering van een kanaal, dat beide leidingen verbindt, welk kanaal langs de onderzijde van de hoge kool-wand loopt, waarna de vloeistof uit het kanaal wordt verwijderd met een gas, en vervolgens het vergassingsproces opnieuw wordt gestart om een tweede holruimte door vergassing van de kool te verkrijgen, welke holruimte ten opzichte van de vorige hellingopwaarts is gelegen en eveneens wordt gevuld waarna dit proces van beurtelings vergassen en vullen wordt voortgezet om het vergassingsfront hellingopwaarts in de koollaag te verplaatsen, waarbij de leidingen door middel van het kanaal en de holruimte steeds met elkaar in verbinding blijven, met het kenmerk, dat een der leidingen een boorgat is dat vanaf het oppervlak naar de koollaag wordt gedevieerd en deze laag over enige afstand, bij voorkeur in een min of meer horizontale richting, volgt, terwijl de andere leiding eveneens een boorgat is dat vanaf het oppervlak in de koollaag wordt geboord.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat vóór het starten van het vergassingsproces een vloeistofaf-voerpijp vanaf het oppervlak via het de koollaag volgende boorgat wordt ingebracht, welke pijp over tenminste een deel van het kooltraject van openingen is voorzien, en wordt gebruikt om vloeistof uit de vulling te verwijderen met behulp van gasdruk, zonodig ondersteund door een kunstmatige opvoer.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de andere leiding een binnenbuis in het de koollaag volgende gedevieerde boorgat is, welke binnenbuis reikt vanaf het oppervlak tot bij voorkeur het einde van het kooltraject dat door het gedevieerde boorgat is doorboord.

4. Werkwijze volgens conclusies 1-3, met het kenmerk, dat een gevormd kanaal na het vullen wordt vergroot door het doorvoeren van de zuivere vulvloeistof, al of niet tesamen met een gas, waarbij de stroomsnelheid wordt aangepast aan de gewenste doorsnede van het kanaal.

5. Werkwijze volgens conclusies 1-4, met het kenmerk, dat vóór het opnieuw starten van de vergassing, de vulvloeistof of een deel daarvan uit een kanaal en vulling wordt verwijderd door het gecontroleerd toevoeren van een gas, waardoor het vloeistof/gas grensvlak in de'vulling naar beneden wordt gedrukt.

6. Werkwijze volgens conclusies 1-5, met het kenmerk, dat instortingen van het onderdak rond een aanvoer- en/of afvoerleiding worden vermeden door de onder dat onderdak gelegen kool niet te vergassen.

7. Werkwijze volgens conclusies 1-6, met het kenmerk, dat de gasdruk in een holruimte en de beide leidingen niet of slechts gedeeltelijk wordt afgeblazen, vóór het vullen ervan met de vulvloeistof.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het gasvolume in een holruimte tijdens het vullen t wordt aangevuld door aan de toegevoerde vulvloeistof gas toe te voegen.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de benodigde hoeveelheden te injecteren gas worden vastgesteld door meerdere malen, en op verschillende tijdstippen, het gasvolume in de holruimte te bepalen.

10. Werkwijze volgens conclusies 1-9, met het kenmerk, dat het vulmateriaal tenminste deels bestaat uit verontreinigde grond, verontreinigd zand, silt of slib uit rivieren, havens of de zee, uit as, slakken, gips of andere afvalstoffen van kolengestookte electriciteitscentrales of kolenvergassingsinstallaties, uit mijnsteen of ander af val van mijnbouw of metallurgische activiteiten, uit ander industrieel afval of uit huishoudelijk afval.

11. Werkwijze volgens conclusies 1-10, met het kenmerk, dat de samenstelling en/of voorbehandeling van het vulmateriaal zodanig is, dat het samendrukken van de vulling door de druk van de bovenliggende lagen zoveel mogelijk wordt tegengegaan.

12. Werkwijze volgens conclusies 1-11, met het kenmerk, dat, nadat het vergassen van een deel van een koollaag is voltooid, de boorgaten worden afgesloten en het bovenste gedeelte van een of meer ervan wordt gebruikt om een ander deel van deze koollaag of andere koollagen boven en/of onder de eerste door middel van vergassen te ontginnen.

13. Werkwijze volgens conclusies 1-12, met het kenmerk, dat in het voedingsgas van het ondergrondse vergassings-proces kooldioxide wordt bijgemengd.

14. Stelsel voor ondergrondse vergassing van steenof bruinkool, bestemd voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een of meer van de voorgaande conclusies, zoals afgebeeld in de tekening en toegelicht in de beschrijving.