Беспламенная камера сгорания

Это изобретение относится к устройству беспламенной камеры сгорания и способу ее ЗЗЯШГЗНИЯ.В патентах США Мг 4,640,352 И 4,886,118 описано кондукционное прогревание подземных формаций с низкой проницаемостью, содержащих нефть, для извлечения из них нефти. Формации с низкой проницаемостью включают диаТОМИТЫ, ЛРШОИДНЫС УГЛИ, ПССКИ КЗМСННОУГОЛЬного дегтя и битуминозные сланцы. Такие способЬ 1 повышения извлечения нефти, как орошение паром, двуокисью углерода или огнем, непривлекательны для формаций с низкой проницаемостью. Орошающие материалы имеют тенденцию проникать в формации, имеющие низкую пронгщаемость, предпочтительнее через трещины. Инжектируемые материалы обходят большую часть углеводородом формации. В отличие от этих способов кондукционное прогревание не требует переноса текучей среды в формацию. Поэтому нефть внутри формации не обходят, как в орошающем процессе. При повышении температуры формации путем кондукционного прогревания вертикальные температурные профили имеют тенденцию к относительному единообразию, поскольку формации ОбЬГЧНО ИМСЮТ ОТНОСИТСЛЬНО ОДИНЗКОВУЮ ТСПлопроводность и удельную теплоемкость. Транспортирование углеводородов в термокондукционном процессе осуществляется посредством давления, испарения и теплового расширения нефти и воды, захваченной в порах формации. Углеводороды перемещаются через небольшие трещины, образовавшиеся за счет термического напряжения, и за счет расширения и испарения нефти и воды.В патентах США Мг 3,313,623 и 3,181,613 ОПИСЗНЫ ТСПЛОШБКСКЦИОННЪ 1 С ОТЗПЛИВЗСМЫС газом камеры сгорания (горелки) для прогревания подземных формаций.В этих камерах сгорания применяются пористые материалы для поддержания пламени,вследствие чего эти камеры сгорания (горелки) распространяют пламя на большее расстояние.Перенос тепла излучением от факела к кожуху исключен посредством обеспечения пористой среды для поддержания пламени. Однако для того, чтобы в пористой среде происходило горение, газообразное топливо и воздух для сжигания должны быть предварительно смешаны. Если предварительно смешанные газообразное топливо и воздух для сжигания находятся при температуре выше температуры самовоспламенения смеси, они будут реагировать в процессе предварительного смешивания, а не внутри пористой среды. Формации, используемые в качестве примеров в этих изобретениях,имели толщину только до около 15 м и менее чем около 4,5 м перекрывающих пород. Поэтому газообразное топливо и воздух для сжигания бЫЛИ ОТНОСИТСЛЬНО ХОЛОДНЫМИ, КОГДЗ ОНИ ДОСтигали камеры сгорания. Камера сгорания несможет функционировать должным образом,если формация, подлежащая прогреванию, будет находиться значительно глубже.В патенте США Мг 5,255,742 описана беспламенная камера сгорания, применяемая для прогревания подземных формаций, в которой используются подогретые газообразное топливо и воздух для сжигания, при этом газообразное топливо соединяют с воздухом для сжигания с приращением, достаточно малым для исключения пламени. Образование МО, почти исключено, и стоимость нагревателей может быть значительно снижена вследствие использования менее дорогостоящих материалов конструкции. Подогрев газообразного топлива в соответствии с технологией этого источника информации приводит к образованию кокса, если к газообразному топливу не добавляются СО 2, Н 2, пар и другие реагенты, подавляющие образование кокса (обезуглероживающие ингибиторы). Кроме того, запуск этого известного нагревателя является довольно длительным процессом, поскольку он должен работать при температурах выше температуры самовоспламенения газотопливной смеси. Для запуска требуются продолжительные периоды времеъш работы с очень низким расходом, прежде чем температуры станут достаточно высокими для нормальной рабоТЫ.Каталитические камеры сгорания также известны. Например, в патенте США Мг 3,928,961 описано устройство для каталитического сжигания топлива, в котором образование МО, исключено за счет сжигания при температурах выше температур самовоспламенния топлива, но ниже температур, приводящих к значительному образованию окислов азота.В патентах США Мг 5,355,668 и 4,О 65,917 описаны металлические поверхности с покрытием из катализатора окисления. В этих патенТЗХ ПРСДЛЗГЗЮТСЯ ПОВСрХНОСТИ С КЗТЗЛИТИЧСским покрытием на деталях газотурбинных двигателей. В вышеупомянутом патенте США Мг 4,О 65,917 предлагается использовать поверхности с каталитическим покрытием для запуска турбины, а также говорится о регулировании ограниченной массообменом фазы в операции запуска.Беспламенная камера сгорания и способ ее зажигания в соответствии с ограничительной частью независимых пунктов формулы 1, 10 и 13 настоящего изобретения известны из патента США Мг 5,404,952. В известной камере сгорания и способе ее зажигания внутри камеры сгорания на некотором расстоянии от отверстий подвешена спираль электросопротивления, которая может замедлять и осуществлять зажигание.Поэтому задачей настоящего изобретения является разработка способа и устройства для беспламенного горения, которое может легко и достигать рабочих температур. Задачей другого аспекта настоящего изобретения является раз работка способа и устройства для сжигания с минимальным образованием МОХ. Еще одной задачей настоящего изобретения является разработка способа с высоким уровнем термического КПД.Согласно одному аспекту настоящего изобретения беспламенная камера сгорания содерЖИТаксиальную камеру сгорания, сообщающуюся с вводом для окислителя у одного конца и выводом для продуктов сгорания у другого конца;топливопровод, размещенный внутри аксиальной камеры сгорания и ограничивающий топливный объем, при этом топливный объем сообщается с источником топлива, а также сообщается с камерой сгорания через множество ОТВСрСТИЙ, ВЫПОЛНСННЫХ ПО ДЛИНС ТОПЛИВОПрОвода, причем каждое из отверстий расположено на определенном расстоянии друг от друга, на котором окислитель может проходить через камеру сгорания и смешиваться с топливом, проходящим из топливного объема, когда окислитель пропускается от впускного конца к выводу для продуктов сгорания;каталитическую поверхность, расположенную внутри аксиальной камеры сгорания,при этом каталитическая поверхность способна эффективно снижать температуру воспламенения смеси топлива и окислителя от температуры некатализированного самовоспламенения до температуры катализированного самовоспламенения; иисточник электрической энергии, предназначенный для пропускания тока через топливопровод в количестве, эффективном для нагрева топливопровода в окрестности, по меньшей мере, одного отверстия до температуры выше температуры, при которой топливо будет воспламеняться при его прохождении через отверСТИЯ.Предпочтительнее, каталитическая поверхность является наружной поверхностью топливопровода и/или внутренней поверхностью камеры сгорания. Также является предпочТИТСЛЬНЫМ, ЧТОбЫ КЗТЗЛИТИЧССКЗЯ ПОВСрХНОСТЬ содержала палладий.Согласно другому аспекту настоящего изобретения беспламенная камера сгорания содержит:аксиальную камеру сгорания, сообщающуюся с вводом для окислителя у одного конца и с выводом для продуктов сгорания у другого конца;топливопровод, расположенный внутри камеры сгорания и ограничивающий топливный объем, при этом топливный объем сообщается с источником топлива, а также сообщается с камерой сгорания через множество отверстий,ВЫПОЛНСННЫХ ПО ДЛИНС ТОПЛИВОПРОВОДЗ, ПрИЧСМ топливопровод выполнен из электропроводного материала; иисточник электрической энергии, предназначенный для пропускания электрического тока через топливопровод в количестве, эффективном для нагрева топливопровода в окрестности, по меньшей мере, одного отверстия до температуры выще температуры, при которой топливо будет воспламеняться при прохождении его через отверстия.Соответственно, камера сгорания расположена в подземной буровой скважине, а топливопровод выполнен трубчатым и опускается от устья скважины; электрическая энергия подВОДИТСЯ К УСТЬЮ СКВЗЭКРШЫ, ТОЛЩИНЗ ТОПЛИВОпровода в окрестности отверстий меньше толЩИНЫ топливопровода над ОТВСрСТИЯМИ; И ТОПливопровод заземлен от точки, расположенной ниже, по меньшей мере, одного отверстия.Кроме того, изобретение относится к способу зажигания беспламенной камеры сгорания.обеспечение аксиальной камеры сгорания,сообщающейся с вводом для окислителя у одного конца и выводом для продуктов сгорания у другого конца;обеспечение топливопровода, располоЖенного внутри аксиальной камеры сгорания и ограничивающего топливный объем, при этом топливный объем сообщается с источником топлива, а также сообщается с камерой сгорания через множество отверстий, выполненных по длине топливопровода;пропускание окислителя, выбранного из группы, включающей закись азота и добавочный кислород, в камеру сгорания;нагрев потока топлива, окислителя, или как потока топлива, так и потока окислителя до температуры, приводящей к реакции окислителя И ТОПЛИВЗ при СОСДИНСНИИ ТОПЛИВЗ С ОКИСЛИТСлем;дальнейшее пропускание окислителя в камеру сгорания и топлива в топливопровод до тех пор, пока температура внутри камеры не превысит температуру самовоспламенения топлива в воздухе; изамену окислителя воздухом после того,как температура в камере сгорания превысит температуру самовоспламенения топлива в воздухе.Соответственно, способ согласно изобретению дополнительно включает операцию пропускания электричества через топливопровод в количестве, достаточном для обеспечения нагрева, по крайней мере, части топливопровода в окрестности, по меньшей мере, одного отверстия до температуры, по крайней мере, 26 ОС.Предпочтительнее, способ согласно настоящему изобретению дополнительно включает этап обеспечения каталитической поверхностью внутри камеры сгорания, способной эффективно снижать температуру, при которой топливо и окислитель реагируют вблизи каталитической поверхности.Подходящим топливом для использования в фазе запуска в способе согласно настоящему изобретеъшю являются водород и смесь водорода и моноокиси углерода, имеющие низкую температуру воспламенения.Способ беспламенного горения и беспламенная камера сгорания настоящего изобретения приводят к минимальному образованию окислов азота. Поэтому не требуется никаких других мер для исключения или предотвращения образования окислов азота.Далее изобретение описывается более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, на которых фиг. 1 изображает камеру сгорания,пригодную для использования в настоящем изобретении; фиг. 2 является графиком зависимости количества топлива, потребляемого камерой сгорания и демонстрирующего работоспособность настоящего изобретения, от температуры.Беспламенная камера сгорания, которая может быть использована с усовершенствованием в соответствии с настоящим изобретением,раскрыта в патенте США Мг 5,255,742, описание которого приведено в настоящем описании для справки. Настоящее изобретение включают три усовершенствования, относящиеся к запуску такой камеры сгорания. Каждое из трех усоверШСНСТВОВЗНИЙ МОЖСТ ИСПОЛЬЗОВЗТЬСЯ ИНДИВИДУально, но предпочтительнее, по меньшей мере,два из них используются в сочетании. Эти три усовершенствования настоящего изобретения ВКТПОЧПОТ:использование топливопровода в качестве резистивного нагревателя для подачи тепла в процессе запуска;использование каталитической поверхности внутри Камеры сгорания для снижения температур, при которых происходит окисление топлива; ииспользование окислителей, отличных от воздуха, или вместе с воздухом для снижения температур самовоспламенения в процессе запуска. Важным признаком беспламенной камеры сгорания настоящего изобретения является то,что тепло отводится вдоль оси камеры сгорания с тем, чтобы поддерживаемая температура была значительно ниже той температуры, которая должна иметь место при адиабатическом горении. Это почти исключает образование окислов МОХ и также значительно снижает металлургические требования, в результате чего камера сгорания является относительно дешевой.Обычно беспламенное горение осуществляется за счет подогрева воздуха для сжигания и газообразного топлива, достаточного для того,чтобы при соединенгш двух потоков температура смеси превышала температуру самовоспламенения смеси, но была ниже той температуры,которая должна стать результатом окисления при смешивании, ограниченного только скороСТЬЮ СМСШИВЗНИЯ. ПОДОГрСВ ПОТОКОВ ДО ТСМПС 000249ратуры в диапазоне от около 815 С до около 1260 С с последующим вмешиванием газообразного топлива в воздух для сжигания с относительно малым приращением приведет к беспламенному горению. В результате сжигания топлива приращения, с которыми газообразное топливо смешивается с потоком продуктов сгорания, предпочтительнее, приведут К возрастанию температуры потока продуктов сгорания в диапазоне от около 10 до 11 ОС.На фиг.1 изображены теплоинжекционная скважина и камера сгорания, предназначенные для осуществления настоящего изобретения. Формация 1, подлежащая прогреванию, находится ниже перекрывающей породы 2. Буровая скважина 3 проходит через перекрывающую породу до позиции в подошве или вблизи подошвы формации, подлежащей нагреванию. Показана вертикальная скважина, но она может быть наклонной или горизонтальной. Горизонтальные скважины могут быть пробурены в формациях с горизонтальными трещинами для извлечения углеводородов посредством процесса параллельных Штреков. Примерами таких формаций являются неглубокие формации битуминозных сланцев. Горизонтальные нагреватели также могут эффективно использоваться в ТОНКИХ СЛОЯХ ДЛЯ ограничения ТСПЛОВЫХ ПОТСрЬ в перекрывающих и подстилающих породах. В варианте, изображенном на фиг. 1, скважина укреплена кожухом 4. Нижний участок скважины может быть зацементирован цементом 7,характеристики которого пригодны для выдерЖивашш повышенных температур и переноса тепла. Для предотвращения потерь тепла из системы для верхнего участка скважины предпочтителен цемент 8, являющийся хорошим теплоизолятором. Топливопровод 12 проходит от устья к дну скважины. Топливопровод ограничиваег топливный объем внутри топливопровода. Топливный объем сообщается с источником топлива, а также сообщается с камерой сгорания, окружающей топливопровод, через множество отверстий.ИЗВССТНЫ высокотемпературные ЦСМСНТЫ,пригодные для цементирования коЖуха и трубопроводов внутри высокотемпературных участков скважины. Пршиеры описаны в патентах СЦТА Мг 3,507,332 и 3,18 О,748. Предпочтительными являются цементы, содержащие свыше чем около 50 % по весу окиси алюминия от веса твердых частгщ в суспензии цемента.В неглубоких формациях может оказаться выгодным забивать нагреватель бурильным молотком непосредственно в формацию. При забивании нагревателя бурильным молотком непосредственно в формацию цементирования нагревателя в формации не требуется, но для предотвращения потерь текучей среды в поверхности верхняя часть нагревателя может быть зацементирована.Выбор диаметра кожуха 4 в варианте фиг. 1 представляет собой альтернативу между стоимостью кожуха и скоростью, с которой тепло может передаваться в формацию. Кожух вследствие металлургических требований обычно является наиболее дорогостоящим компонентом инжекционной скважины. Количество тепла,которое может передаваться в формацию, значительно возрастает при увеличении диаметра кожуха. Оптимальным выбором между исходной стоимостью и теплоотдачей является кожух с внутренним диаметром в интервале от около 10 до около 20 см.Внутри формации, подлежащей прогреванию, по длине топливопровода вьшолнено множество отверстий 13 (показано восемь отверстий). Отверстия удалены друг от друга на расстояние, достаточное для обеспечения возможности как протекания значительной реакции ОКИСЛИТСЛЯ И ТОПЛИВЗ МСЖДУ ОТВСрСТИЯМИ, так И отведения тепла от нагревателя по длгше камеры сгорания между отверстиями. Отверстия 13 обеспечивают сообщение между объемом, отраниченным топливопроводом 12, и аксиальной камерой сгорания. Для распределения тепла,выделяющегося внутри подлежащей прогреванию формации, предусмотрено множество отверстий. Поэтапный выпуск топлива в поток окислителя/продуктов сгорания приводит к поэтапному тенерированию тепла, и при равномерным переносе тепла из скважины, как в варианте фиг. 1, температуры внутри скважины будут намного ниже температур адиабатического горения. Исключение высоких температур значительно снижает металлургические требования и, следовательно, стоимость оборудования. Кроме того, температуры намного ниже температур адиабатического горения исключают образование МОХ.Отверстия имеют размеры, обеспечивающие достижение близкого к равномерному распределения температур внутри кожуха. Близкий к равномерному температурный профиль внутри кожуха приводит к более равномерному распределению тепла внутри формации, подлежащей прогреванию. Близкое к равномерному распределение тепла внутри формации приводит к более эффективному использованию тепла в процессе извлечения углеводородов посредством кондуктивного прогревания. Более ровный температурный профиль также приведет к более низким максимальным температурам при таком же выделении тепла. Поскольку выбор материаЛОВ, ИСПОЛЬЗУСМЫХ В КОНСТруКЦИЯХ камеры СГОрания И СИСТСМЫ СКВЗЯСИНЫ, ДИКТУСТ МЗКСШИЗЛЬные температуры, равномерные температурные профили будут увеличивать тепловыделение,возможное для тех же самых материалов конструкции. Количество отверстий лимитируется только размером отверстий, которые должны использоваться. Если используется большее число отверстий, они должны быть меньшегоразмера. Отверстия меньшего размера будут легче засоряться, чем отверстия большего размера. Количество отверстий определяется вЬ 1 бором альтернативы между равномерностью температурного профиля и возможностью засореНИЯ.Количество, размер и интервал между отверстиями вместе с отведением тепла из камеры сгорания, ПРСДПОЧТИТСЛЬНСС, ТЗКОВЫ, ЧТО МЗКсимальные температуры внутри камеры сгорания составляют менее чем около 11 ООС. Это приводит к более продолжительному сроку службы коммерчески доступных материалов.При работе камеры сгорания настоящего изобретения важным является то, что тепло должно отводиться из камеры сгорания между ТОПЛИВНЬПИИ ОТВСрСТИЯМИ.ПрИМСНСНИИ настоящего изобретения в качества инжектора тепла в скважину тепло передается формации вокруг скважины. Нагреватель настоящего изобретения также может использоваться и для других применений, например для генерирования пара и в качестве технологических нагревателей для химической промышленности или нефтеперерабатывающей промышленности.АЛЬТЩЭНЗТИВНО, ПОСрСДСТВОМ ВЫПОЛНСНИЯ отверстий в воздухопроводе для подачи воздуха ДЛЯ СЯСИГЗНИЯ ВМССТО ВЫПОЛНСНИЯ ОТВСрСТИЙ В топливопроводе может быть обеспечена поэтапная подача в топливо воздуха и/или другого окислителя.При транспортировании топлива и окислителя к дну последние соединяются и реагируют друг с другом внутри объема скважины, окружающего трубопроводы 14, с образованием продуктов сгорания. Этим объемом является аксиальная камера сгорания настоящего изобретения. Продукты сгорания проходят вверх по СКВБКИНС И ВЫХОДЯТ ЧСрСЗ ВЬПХЛОПНОС ОТВСрСТИС у устья скважины. Продукты сгорания могут быть обработаны с целью удаления загрязняющих веществ, при этом также может оказаться желательным отбирать тепловую энергию продуктов сгорания посредством турбодетандера или теплообменника.Когда продукты сгорания в скважине поднимаются выше подлежащей прогреванию формации, между окислителем и топливом, опускающимися вгШз по трубопроводам, и продуктами сгорания происходит теплообмен. Этот теплообмен не только конвертирует энергию, но и обеспечивает возможность осуществления беспламенного горения настоящего изобретения. Опускаясь вниз по соответствующим трубопроводам, топливо и окислитель подогреваются до такой степени, чтобы температура смеСИ ДВУХ ПОТОКОВ В МОМСНТ ОКОНЧЗТСЛЬНОГО СМСшивания была выше температуры самовоспламенения смеси. В результате происходит беспламенное горение, исключающее пламя в качестве источника излучения тепла. Поэтому тепло