Беспламенная камера сгорания

Это изобретение относится к устройству беспламенной камеры сгорания и способу ее ЗЗЯШГЗНИЯ.В патентах США Мг 4,640,352 И 4,886118 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 проницаемость, предпочтительнее, через трещины. Инжектируемые материалы обходят большую часть углеводородов формации. В отличие от этих способов кондукционное прогревание не требует переноса жидкости в формацию. Поэтому нефть внутри формации не обходят, как в орошающем процессе. При повЬ 1 шении температуры формации путем кондукционного прогревания вертикальные температурные профили имеют тенденцию к относительному едгшообразию, поскольку формации обычно имеют относительно одинаковую теплопроводность и удельную теплоемкость. Транспортирование углеводородов в термокондукционном процессе осуществляется посредством давления, испарения и теплового расширения нефти и воды, захваченной в порах породы формации. Углеводороды перемещаются через небольшие трещины, образовавшиеся за счет расширения и испарения нефти и воды.В патенте США Мг 5,255,742 описана беспламенная камера сгорания для прогревания подземных формаций, использующая подогретое газообразное топливо и/или воздух для сжигания, в которых газообразное топливо соединяется с воздухом для сжигания, причем газообразное топливо подается с приращениями, которЫС ДОСТЗТОЧНО МЗЛЫ, ЧТОбЫ ИСКТПОЧИТЬ ПОЯВЛСние пламени. Создание МОХ почти исключено, и стоимость нагревателей может быть значительно снижена вследствие использования менее дорогостоящих материалов конструкции. Подогрев газообразного топлива в соответствии со способом, описанным в этом известном источнике, может привести к образованию кокса, если к газообразному топливу не добавлять СО 2,Н 2 или пар. Кроме того, запуск известного нагревателя является довольно продолжительным процессом, поскольку нагреватель должен действовать при температурах выше температуры некатализированного самовоспламенения смеси газообразного топлива.Каталитические камеры сгорания также известны. Например, в патенте США Мг 3,928961 описано устройство для каталитического сжигания топлива, в котором образование ЫОХ исключено за счет горения при температу 000250рах выше температур самовоспламенения 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 патентах предлагаются ПОВСрХНОСГИ С каталитическим 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 предлагается регулирование ограниченной массообменом фазы в операции запуска.Беспламенная камера сгорания и способ ее зажигания в соответствии с ограничительной частью независимых пунктов формулы 1 и 16 настоящего изобретения известны из патента США Мг 3,817,332. В известном способе топливо и окислитель подаются в камеру сгорания посредством раздельных питающих трубопроводов, что само по себе является дорогостоящим, но при этом необходимо исключить преждевременное сгорание топлива в питающем трубопроводе.Поэтому задачей настоящего изобретения является разработка беспламенной камеры сгорания, в которой топливо и окислитель могут соединяться изначально, и рассредоточенное горение определяется распределением каталитических поверхностей внутри камеры сгораЪЦ/[Я.Задачей настоящего изобретения также является создание способа и устройства для беспламенного горения, которые не требуют добавок к потоку газообразного топлива для предотвращения образования кокса. Задачей другого аспекта настоящего изобретения является разработка способа и устройства для сжигания с минимальным образованием МОХ.Эти и другие задачи осуществляются посредством беспламенной камеры сгорания для сжигания смеси топлива и окислителя, содержащей:аксиальную камеру сгорания, сообщаюЩуюся с впускным устройством у одного конца и с выводом для продуктов сгорания у другого конца;ИСТОЧНИК СМСШЗЪШОГО ТОПЛИВЗ И ОКИСЛИТСля, сообщающийся с впускным устройством;каталитическую поверхность, расположенную внутри аксиальной камеры сгорания,при этом каталитическая поверхность предназначена для того, чтобы вызвать окисление некоторого количества топлива, причем окисление ЭТОГО КОЛИЧССТВЗ ТОПЛИВЗ НС ПРИВОДИТ К ДОСТИжению температуры выше температуры некатализированного воспламенения смеси топлива и окислителя.Беспламенная камера сгорания настоящего Изобретения приводит к МИНИМЗЛЪНОМУ образованию окислов азота, поскольку исключенытемпературы, которые должны стать результатом адиабатического горения топливоокислительной смеси. Другие меры для предотвращения образования окислов азота поэтому не требуются. Можно обеспечить относительно равномерное распределение тепла на большой площади И больших длинах, И вследствие более низких температур горения для камеры сгорания настоящего изобретения могут применяться относительно недорогие конструкционные материалЬ 1.ПрИГОДНЫМИ КЗТЗЛИТИЧССКИМИ Материалами являются благородные металлы, полублагорОДНЫС МСТЗЛЛЬП И ОКИСЛЫ ПСрСХОДНЫХ металлов. Как правило, в настоящем изобретении используются известные катализаторы окисления. Также могут использоваться смеси таких металлов или окислов этих металлов.Беспламенную камеру сгорания настоящего изобретения особенно полезно использовать в качестве инжектора тепла для прогревания подземных формаций с целью извлечения углеводородов. Возможность работы (операбельность) и операции запуска таких инжекторов тепла также Могут быть улучшены посредством каталитических поверхностей. Настоящее изобретение исключает необходимость транспортировки топлива и окислителей в раздельных трубопроводах к зоне сжигания в таких тепловых инЖекторах. Это приводит К значительной экономии затрат.Согласно изобретению также предусмотрен способ прогревания подземной формации посредством беспламенного горения. Способ согласно изобретению включает следующие операции:устанавливают цилиндр (трубу) для сжигания, ограничивающий нисходящую камеру сгорания, в скважине, пробуренной в подлежащей прогреванию формации;подают топливо и окислитель в камеру через впускное устройство;вьшуждают смесь топлива и окислителя течь вдоль каталитической поверхности внутри камеры сгорания, при этом каталитическая поверхность способна вызвать эффективное окисление топлива с такой скоростью, при которой средняя температура в камере сгорания остается ниже температуры некаталитического самовосПЛЗМСНСНИЯ СМССИ топлива И ОКИСЛИТСЛЯ; Ипозволяют продуктам сгорания течь к поверхности через канал для выпуска продуктов сгорания внутри скважины.Предпочтительнее, камера сгорания ограничена нижней частью кожуха скважины и пробкой вблизи дна кожуха скважины, и каталитическая поверхность образована путем нанесения каталитического покрытия на внутреннюю и/или наружную поверхность цилиндра(трубы), которьцй коаксиально подвешен внутри кожуха скважины с образованием аксиального3330133 МСЖДУ ШВКНИМ КОНЦОМ ПОДВСШСННОГО цилиндра и пробкой.ТЗКЖС ЯВЛЯСТСЯ ПрСДПОЧТИГСЛЬНЫМ, КОГДЗ ПОДВСШСННЫЙ ЦИЛИНДр ИСПОЛЬЗУСТСЯ В КЗЧССТВС впускного канала для смешанного топлива и воздуха и кольцевой зазор между подвешенным цилиндром и кожухом скважины используется в качестве выпускного канала для продуктов сгорания, или наоборот.Эти и другие признаки, задачи и преимущества камеры сгорания и способа по настоящему изобретению становятся очевидными из приложенных чертежей, где фиг.1 изображает камеру сгорания согласно предлагаемому изобретению; фиг.2 является графиком зависимости расходования метана от температуры в опытном устройстве, наглядно показывающем настоящее изобретение.Обычно беспламенное горение осуществляется за счет подогрева воздуха для сжигания и газообразного топлива, достаточного для того,чтобы при соединении двух потоков температура смеси превышала температуру самовоспламенения смеси, но до температуры, более низкой, чем температура, которая должна привести к окислению при смешивании, ограниченного только скоростью смешивания. В отсутствие каталитической поверхности подогрев потоков до температуры в диапазоне от около 815 С до около 1260 С с последующим вмешиванием газообразного топлива в воздух для сжигания с относительно малыми приращениями приведет к беспламенному горению.При наличии эффективной каталитической поверхности температура, при которой реакции окисления происходят в зоне, на которую оказывает воздействие каталитическая поверхность, значительно снижается. Такая пониженная температура называется далее в настоящем описании температурой катализированного самовоспламенения. В турбулентном потоке текучая среда в граничном слое, контактирующая с каталитической поверхностью, будет окисляться почти количественно, но если объемные температуры остаются ниже температур некатализированного самовоспламенения смеси, вне граничного слоя окисление почти не происходит. Следовательно, реакции в температурном диапазоне между температурой катализированного самовоспламенения и температурой некатализированного самовоспламенения являются реакциями с ограниченным массообменом при скорости, которая относительно не зависит от температуры. Об этом говорится в патенте США Мг 4,065,917. Этот механизм реакции с ограниченным массообменом используется в настоящем изобретении для регулирования распределения тепловыделения внутри камеры сгорания в беспламенной камере сгорания (в беспламенном нагревателе). Выделение тепла и отбор тепла могут быть сбалансированы с тем,чтобы средняя температура потока смешанныхокислителя, топлива и продуктов сгорания оставалась между температурой некатализированного самовоспламенения.Нагреватель настоящего изобретения может регулироваться посредством таких переменных, как отношение топливо - окислитель,расход топлива - окислителя. Тепловая нагрузка может регулироваться для каждого конкретного применения.Важным признаком беспламенной камеры настоящего изобретения является то, что тепло отбирается вдоль оси камеры сгорания с тем,чтобы поддерживалась температура, которая значительно ниже температуры адиабатического горения. Это почти исключает образование окислов МОХ и также значительно снижает металлургические требования, что обеспечивает относительную дешевизну камеры сгорания.На фиг.1 изображена камера сгорания,расположенная внутри теплоинжекционной скважины и предназначенная для осуществления настоящего изобретения. Подлежащая прогреванию формация 1 находится ниже перекрЬ 1 вающей породы 2. Скважина 3 проходит перекрывающую породу вниз до позиции, предпочтительнее, вблизи подошвы подлежащей прогреванию формации. Показана вертикальная скважина, но скважина может быть наклонной или горизонтальной. Горизонтальные теплоинжекционные скважины могут пробуриваться в формациях, которые растрескиваются горизонтально, для извлечения углеводородов посредством процесса параллельных штреков. Примерами формаций, в которых могут быть полезНЬ 1 МИ ГОрИЗОНТЗЛЬНЫС нагреватели, ЯВЛШОТСЯ неглубокие формации битуминозных сланцев. Горизонтальные нагреватели также могут эффективно использоваться в случаях, когда прогреванию подлежат тонкие слои, для ограничения тепловых потерь в перекрывающей и подстилающей породах. В варианте, изображенном на фиг.1, скважина укреплена кожухом 4. НижНЯЯ ЧЗСТЬ СКВЭЭКИЪПЯ МОЖСТ бЫТЬ зацементирована цементом 7, Шиеющим характеристики, приГОДНЫС ДЛЯ выдерживания ПОВЬЦЦСННЫХ ТСМПСратур и переноса тепла. Для предотвращения ТСПЛОВЫХ ПОТСрЬ ИЗ СИСТСМЫ ДЛЯ ВСрХНСЙ ЧЗСТИ СКВЗЭКИНЪ 1 ПрСДПОЧТИТСЛЬНЪ 1 М ЯВЛЯСТСЯ ЦСМСНТ 8, являющийся хорошим теплоизолятором. Трубопровод для сжигаемой смеси 10 проходит от устья скважины (не показано) к нижней части скважины.Высокотемпературные цементы, пригодные для цементирования кожуха и трубопроводов внутри высокотемпературных участков скважины, широко известны. Примеры таких цементов описаны в патентах СЦЪА Мг 3,507,322 и 3,18 О,748. Предпочтительным является содержание окиси алюминия выше чем около 50% по весу от веса твердых частиц в цементных суспензиях.В неглубоких формациях может оказаться полезным забивание нагревателя бурильным молотком непосредственно в формацию. В случае, когда нагреватель забивается бурильным молотком непосредственно в формацию, цементирование нагревателя в формации может оказаться ненужным, но для предотвращения потерь текучей среды в поверхность верхняя часть нагревателя может быть зацементирована.Выбор диаметра кожуха 4 в варианте фиг.1 является альтернативой между дороговизной кожуха и скоростью, с которой тепло может передаваться формации. Вследствие металлургических требований кожух обычно является наиболее дорогостоящим компонентом инжекционной скважины. Количество тепла, которое может передаваться формации, значительно возрастает при увеличении диаметра кожуха. Оптимальным выбором между исходной стоимостью и способностью к передаче тепла из скважины обычно является кожух с внутренним диаметром от около 10 до около 20 см.У дна кожуха расположена цементная пробка 23, при этом цементная пробка в процессе цементирования КОЖУХЗ ОТЯСИЪ/[ЗСГСЯ ВНИЗ В БИЛЛ-ПОЮ ЧЗСТЬ кожуха ДЛЯ ВЫТССНСНИЯ ЦСМСНТЗ из донной части кожуха.Для образования внутри камеры сгорания 14 ограниченной зоны, в которой снижена температура реакции окисления, в камере сгорания 14 предусмотрены каталитические поверхности 20. Распределение этих каталитических поверхностей 20 в виде покрытий, которые покрывают,по меньшей мере, часть внутренней и/или наружной поверхности нижней части трубопровода 10, обеспечивает распределение тепловыделения внутри камеры сгорания. Каталитические поверхности имеют размеры, обеспечивающие достижение близкого к равномерному распределению температуры по длине кожуха. Близкий к равномерному температурный профиль внутри кожуха приводит к достижению близкого к равномерному распределению тепла внутри подлежащей прогреванию формации. Близкое к равномерному распределение тепла внутри формации приводит к более эффективному использованию тепла в процессе извлечения углеводорода путем кондуктивного нагрева. Более равномерный температурньпй профиль также приводит к достижению более низких максимальных температур при том же самом тепловыделении. Поскольку выбор конструкционных материалов для камеры сгорания и системы СКВВКИНЫ ДИКТУСТ МЗКСИМЗЛЬНЫС температуры,равномерные температурные профили будут УВСЛИЧИВЗТЬ ВЬЩСЛСНИС ТСПЛЗ, ВОЗМОЯСНОС ДЛЯ тех же самых материалов конструкции.Когда продукты сгорания поднимаются в скважине выше прогреваемой формации, между воздухом для сжигания и газообразным топлиВОМ, ОПУСКЗЮЩИМИСЯ ВНИЗ В СООТВСТСТВУЪОЩИХ ПОТОКОВЫХ каналах, И ПОДНИМЗЮЩИМИСЯ ПРО дуктами сгорания происходит теплообмен. Этот теплообмен не только конвертирует энергию, но обеспечивает необходимое беспламенное горение настоящего изобретения. Газообразное топЛИБО И ВОЗДУХ ДЛЯ СЯСИГЗНИЯ ПрИ ИХ перемещении вниз в соответствующих каналах подогреваются в достаточной степени для того, чтобы температура смеси ДВУХ ПОТОКОВ В момент окончательного смешивания была выше температуры катализированного самовоспламенения смеси, но ниже температуры некатализированного самовоспламенения смеси. Горение на каталитической поверхности и беспламенное гореЪШе внутри граничных слоев, примыкающих к эффективным каталитическим поверхностям,приводит к исключению пламени в качестве источника излучения тепла. Поэтому тепло передается из скважины, по существу, равномерно.При работе камеры сгорания настоящего изобретения важно то, что тепло отбирается от камеры сгорания по ее длине. В случае применения настоящего изобретения для теплоинжекционной скважины тепло передается формации вокруг скважины. Нагреватель настоящего изобретения также может использоваться и в других применениях, как, например, для генерирования пара и в качестве технологических нагревателей в химической промышленности и реакторах.Газообразное топливо и воздух для сжигания транспортируются к дну скважины через подводящий канал для смешанного топлива и окислителя (22), показанньш в виде кольцевого объема, окружающего канал для продуктов сгорания. Смешанные топливо и воздух реагируют внутри объема скважины, примыкающего к каталитическим поверхностям, с образованием продуктов сгорания. Продукты сгорания перемещаются к устью скважины по трубопроводу для продуктов сгорания 10 и выходят через газоход для отработанных газов (не показан) у УСТЬЯ СКВПКИНЫ. ИЗ ГЗЗОХОДЗ ДЛЯ ОТХОДЯЩИХ газов продукты сгорания могут выпускаться в атмосферу через выхлоштую трубу (не показана). Альтернативно, дымовые газы могут обрабатываться для удаления загрязняющих веществ, несмотря на то, что окислы азота не ДОЛЯСНЫ В НИХ присутствовать И, следовательно,нет необходимости в их удалении. Также может оказаться желательным дополнительный отбор тепловой энергии из продуктов сгорания посредством турбодетандера или теплообменника.Подогрев газообразного топлива для обеспечения беспламенного сгорания в отсутствие катализатора должен привести К значительному образованию углерода, если в поток газообразного топлива не вводится обезуглероживающий ингибитор. Необходимость введения такого обезуглероживающего ингибитора, поэтому исключается за счет работы нагревателя при температуре ниже температуры образованияуглерода. Это является еще одним существенным преимуществом настоящего изобретения,поскольку обезуглероживающий ингибитор увеличивает объем газов, проходящих через нагреватель и, следовательно, увеличивает необходимые размеры каналов.При холодном запуске нагревателя скважины настоящего изобретения может использоваться сжигание с пламенем. Начальное зажигание может быть осуществлено путем инжектирования пирофорного материала, электрическим воспламенителем, искровым воспламенителем,временно опуская в скважину воспламенитель или резистивный электронагреватель. Камеру сгорания, предпочтительнее, быстро доводят до температуры, при которой поддерживается беспламенное горение для того, чтобы свести к минимуму промежуток времени, в течение которого внутри скважины существует пламя. Скорость нагрева камеры сгорания обычно ограничивается термическими градиентами, ДОпустимЬ 1 ми для камеры сгорания.Канал для сжигаемой смеси может использоваться в качестве резистивного нагревателя для доведения камеры сгорания до рабочей температуры. Для того, чтобы использовать этот канал в качестве резистивного нагревателя, к трубопроводу 10 для сжигаемой смеси посредством зажима 16 или другого соединительного средства вблизи скважины ниже электроизолирующего соединения может быть подсоединен электрический питающий провод 15 для подачи электрической энергии. Вблизи дна скважины может быть предусмотрено электрическое заземление с одним или более централизаторами 17 вокруг трубопровода 10 для сжигаемой смеси. Централизаторы на трубопроводе для сжигаемой смеси выше электрически заземленных централизаторов выполнены электроизолированными. Для того чтобы сжигаемая смесь, находясь в месте расположения начальной каталитической поверхности, шиела температуру выше температуры катализированного самовоспламенения, но ниже температуры некатализированНОГО самовоспламенения, предпочтительнее,подается достаточно тепла.Толщина трубопровода для сжигаемой смеси может варьироваться для того, чтобы тепло выделялось на заранее выбранном сегменте по длине топливного трубопровода. Например,при применении в качестве теплоинжекционной камеры может оказаться желательным нагревать посредством электричества самую нижнюю часть скважины для обеспечения воспламенения смешанного газового потока при наивысшей концентрации ТОПЛИВЗ И ДЛЯ СЯСИГЗШШ ТОПЛИВЗ ДО ТОГО, как дымовые ГЗЗЫ ПрОХОДЯТ вверх ПО скважине. Тонкий участок 21, показанньпй в трубопроводе для сжигаемой смеси, предназначен для обеспечения поверхности с повышенной температурой для запуска камеры сгорания.