专利名称：无焰燃烧器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种燃烧设备和方法。
美国专利No.4,640,352和No.4,886,118提出了利用低渗透性的含油地下岩层的传导加热来回收其中的油。低渗透性的岩层包括硅藻土、类脂煤、焦油砂和油页岩。低渗透性岩层对第二类油回收方法，如蒸汽、二氧化碳或火焰溢流等方法不敏感。溢流材料趋于优先通过裂缝穿透具有低渗透性的岩层。注入的材料绕过了大部分岩层中的烃。相反，传导加热不需要流体迁移进入岩层。所以岩层内的油不会象在溢流法中那样被绕过。当通过传导加热提高了岩层的温度时，垂直的温度分布将趋于比较均匀，因为岩层一般具有较为均匀的热传导性和比热。热传导法中烃的迁移是通过禁锢在岩层的岩石气孔中的油和水的压力驱动、蒸发、和热膨胀进行的。烃通过热应力以及油和水的膨胀与蒸发产生的细小裂缝进行迁移。
美国专利No.5,255,742提出了一种用于加热地下岩层的无焰燃烧器，利用预热的燃料气和/或助燃空气，其中，燃料气以增量的形式与助燃空气进行混合，所说的增量应该足够小，从而避免了火焰的出现。几乎可以消除NOx的产生，因为构造材料较为便宜，所以加热器的成本大大降低。除非向燃料气中加入CO2、H2、水蒸气或其它焦炭抑制剂，否则，根据这个以前技术的说明进行的燃料气的预热会导致焦炭的形成。此外，这种已知的加热器的起始运行是费时的过程，因为它必须在高于燃料气混合物的未催化的自燃温度的温度下操作。
催化燃烧器也是已知的。例如，美国专利No.3,928,961提出了一种催化支持的热燃烧设备，其中，通过在高于燃料的自燃温度的温度下进行燃烧消除了NOx的形成，但是在低于这些温度下燃烧会导致氮的氧化物的大量生成。
例如，在美国专利No.5,355,668和No.4,065,917中提出了用氧化反应催化剂涂覆的金属涂层表面。这些专利建议在燃气涡轮发动机的部件上使用催化剂涂覆表面。所说的美国专利No.4,065,917建议使用催化剂涂覆表面用于涡轮机的起动，并建议一个起动操作中的传质控制限制阶段。
所以本发明的一个目的是提供一种无焰的燃烧方法和设备，不需要在燃料气流中的添加剂以防止焦炭的形成。在本发明的另一个方面，本发明的目的是提供一种降低NOX的形成的燃烧方法和设备。本发明的另一个目的是提供一种无焰燃烧器，其中燃料和氧化剂起始时混合，燃烧的分布由燃烧室内的催化表面的分布决定。
这些和其它目的通过一种用于燃料和氧化剂混合物的燃烧的无焰燃烧器达到。所说的燃烧器包括一个与进口和燃烧产物出口相连的燃烧室；一个与所说的进口相连的混合后的燃料和氧化剂供应装置；一个位于所说的燃烧室之内的催化表面，其中，所说的催化表面有效地引起一定量的燃料的氧化，其中，所述量的燃料的氧化不会导致温度超过燃料和氧化剂混合物的未催化的自燃温度。
本发明的无焰燃烧器导致氮的氧化物产生量最少，因为避免了由于燃料一氧化剂混合物的绝热燃烧产生的温度。所以不需要其它措施除去或防止氮的氧化物的形成。在较大的区域和较大的长度上较为均匀的热分布是可能的，并且由于燃烧温度较低，可以使用较便宜的构造材料用于构造本发明的燃烧器。
可以接受的催化剂材料包括贵金属、半贵金属和过渡金属氧化物。一般来说，已知的氧化反应催化剂可以用于本发明中。这样的金属或金属氧化物也是可以用的。
本发明的无焰燃烧器可以特别用作加热地下岩层回收烃的热喷射器。催化表面也可以改进这样的热喷射器的可操作性和起动操作。本发明消除了用分别的导管向这样的热喷射器中的燃烧区域传送燃料和氧化剂的需要。这产生了明显的成本节约。
根据本发明，还提供了一种用无焰燃烧加热地下岩层的方法。根据本发明的方法包括安装一个燃烧管，在待加热的岩层内的钻井中确定了一个下悬管式燃烧室；通过一个进口向所说的燃烧室内供给燃料和氧化剂； 引入所说的燃料和氧化剂混合物使其流过燃烧室内的催化剂表面，其中，所说的催化剂表面可以有效地使一定量的燃料以一定的速度发生氧化，从而使燃烧室内的平均温度保持低于所说的燃料和氧化剂混合物的未催化的自燃温度；使燃烧产物通过钻井内的一个燃烧产物出口流到所说的表面上。
优选的是，所说的燃烧室由井壁的较低部分和靠近所说的井壁底部的塞子确定。所说的催化剂表面由管子的内表面和/或外表面上的催化剂涂层提供，所说的管子同轴悬挂在所说的井壁之内，使得在悬挂的管子下端和塞子之间保持一个轴向的空隙。
同样优选的是，把所说的悬挂的管子用作混合的燃料和空气进口导管，把在悬浮的管子和所说的井壁之间的环形空隙用作燃烧产物出口导管，或者反过来使用。
通过从下面的附图，根据本发明的燃烧器和方法的这些特征和其它特征、目的和优点将会更清楚，其中
图1表示根据本发明的燃烧器；图2是在说明本发明的试验设备中，甲烷的消耗量与温度的关系图。
一般来说，无焰燃烧是通过充分地预热助燃空气和燃料气体来完成的，即当两个气流混合时，混合物的温度超过混合物的自燃温度，但低于混合时氧化反应受混合速度控制的温度。不存在催化剂表面时，把所说的气流预热到约815℃和1260℃之间的温度，然后把所说的燃料气以较小的增量混合到所说的燃烧空气将会产生无焰燃烧。
在有效的催化表面存在时，在受催化表面影响的区域内氧化反应发生的温度明显降低。这种降低了的温度本文称为催化的自燃温度。在湍流中，接触催化表面的边界层内的流体几乎可以定量地氧化，但是如果整体温度保持在所说的混合物的未催化自燃温度以下，则在边界层之外几乎不会发生氧化反应。这样，在催化的自燃温度和未催化的自燃温度之问的温度范围内进行的反应是传质控制的，其速度与温度相对无关。美国专利No.4，065，917等参考文献中提出了这一点。在本发明中利用这种传质控制的反应机理控制在所说的无焰燃烧器内产生的热量的分布。可以平衡产生的热量和排出的热量使得混合的氧化剂、燃料和燃烧产物的平均气流温度保持在催化的自燃温度和未催化的自燃温度之间。
可以通过燃料-氧化剂比例、燃料-氧化剂流量等变量控制本发明的加热器。根据特定的用途，可以控制热负荷。
本发明的无焰燃烧器的一个重要特征是沿着燃烧室的轴向排出热量，使得温度保持在明显低于绝热燃烧温度以下。这几乎可以消除各种NOx的形成，同时可以明显降低冶金上的要求，从而得到较便宜的燃烧器。
参见图1，表示了能够进行本发明的热喷射井内的燃烧器。待加热的岩层1在覆盖层2之下，井眼3通过覆盖层到达优选的是靠近待加热的岩层底部的某一位置上。表示了一个垂直的井，但是所说的井眼可以是倾斜的或者水平的。可以在水平断裂的岩层中提供水平的热喷射井，通过平行驱动法回收烃。浅油页岩岩层就是可以使用水平加热器的岩层的实例。在要加热薄的岩层以控制向覆盖层和基础岩石的热损失时，也可以有效地使用水平加热器。在图1所示的实施方案中，所说的井眼用井壁4包围。井眼的下部可以用水泥7胶结，其特点是适合于承受较高的温度并传递热量。水泥8是良好的隔热材料，它用于井眼的上部防止系统的热损失是优选的。一个燃烧混合物导管从井盖(未表示出)延伸到井眼的下部。
适合于在井眼的高温部分内胶结井壁和导管的高温水泥是可以得到的。在美国专利No.3,507,332和No.3,180,748提出了这样的实例。以水泥砂浆为基准约50wt％以上的氧化铝水泥是优选的。
在浅岩层中，用锤击钻直接把加热器打入岩层可能是有利的。在把所说的加热器用锤击钻直接打入岩层时，可能不需要加热器在岩层中的胶结，但是加热器的上部可以胶结以防止到表面的流体损失。
图1的实施方案中的井壁4的直径选择是在井壁的费用与热量向岩层传递速率之间的折衷选择。由于所需的冶金方面的要求，所说的井壁一般是喷射井中最贵的部件。可以向岩层传递的热量随井壁的直径增加显著增大。内径为约10～20cm之间的井壁一般会提供在初始费用和井眼的热传递能力之间的最佳折衷。
在所说的井壁底部表示了一个水泥塞子23，这个水泥塞子是在胶结操作中沿井壁强制向下使水泥从井壁的底部排出而形成的。
在燃烧室14内提供催化剂表面20以便提供一个降低氧化反应温度的有限区域。以至少覆盖导管10的下部的内表面和/或外表面的一部分的涂层形式存在的这些催化剂表面20的分布提供了在燃烧室内排出的热量的分布形式。确定所说的催化剂表面的尺寸以便沿着井壁得到接近均匀的温度分布。在所说的井壁内接近均匀的温度分布导致在待加热的岩层内的更均匀的热量分布。在所说的岩层内的接近均匀的热量分布将导致在传导加热烃回收法中热量的更有效利用。更均匀的温度分布对于相同的热量释放还会导致较低的最高温度。因为燃烧器和井系统的构造材料规定了所说的最高温度，均匀的温度分布对于相同的构造材料会增大可能释放出的热量。
在燃烧产物在被加热的岩层以上的井眼中上升时，在沿导管向下流到的助燃空气和燃料气体与上升的燃烧产物之间进行热交换。这种热交换不仅节约了能量，而且产生了本发明所希望的无焰燃烧。燃料气体和助燃空气在它们沿着各自的导管向下流动时被充分预热，使得两个气流的混合物在最终混合点的温度高于所说的混合物的催化的自燃温度，但是低于未催化的自燃温度。产生了在催化剂表面上的燃烧和在靠近有效的催化剂表面的边界层内的无焰燃烧，避免了作为辐射热源的火焰。所以把热量从井眼中以基本均匀的方式传出。
在本发明的燃烧器的运行中重要的是热量从沿燃烧室的长度方向排出。在本发明在井眼热喷射器中的应用中，热量传递到井眼周围的岩层中。本发明的加热器也可以用于其它用途中，例如蒸汽发生系统和化学工业过程的加热器中。
燃料气体和助燃空气通过混合的燃料和氧化剂供给装置22输送到井眼的底部，所说的装置表示为一个燃烧产物导管的环形空间。混合的燃料和空气在靠近催化剂表面14的井眼空间内反应形成燃烧产物。燃烧产物沿井眼上升，通过燃烧产物导管10从井盖处的废气孔(未表示出)排出。从废气孔排出后，燃烧产物可以通过一个废气烟囱(未表示出)排出到大气中。另外，可以处理所说的燃烧气体除去污染物，虽然氮的氧化物不可能存在，因此不需要去除。通过膨胀涡轮机或热交换器从燃烧产物中回收额外的能量也是希望的。
为了获得没有催化剂的无焰燃烧而进行的燃料气体的预热会导致产生大量的碳，除非在燃料气流中含有碳形成抑制剂。所以通过在低于碳形成温度的温度下运行所说的加热器避免了提供这样的碳形成抑制剂的需要。这是本发明的另一个优点，因为碳形成抑制剂增大了通过加热器的气体的体积，从而增大了所需导管的尺寸。
本发明的井式加热器的冷起动可以利用有焰燃烧。起始的点火可以通过喷入自燃材料，电点火器，火花点火器，临时向井眼中送入放下一个点火器，或者一个电阻加热器来完成。优选的是使所说的燃烧器快速达到无焰燃烧能够维持的温度，使在井眼中火焰的存在时间最短。所说的燃烧器的加热速度一般受燃烧器能承受的热梯度控制。
可以利用燃烧混合物导管作为电阻加热器把燃烧器加热到运行温度。为了利用该导管作为电阻加热器，电线15可以与一个接头16或其它方式在电绝缘的下面连接到靠近井盖的燃烧混合物管线10上以提供电能。在靠近井眼的底部在燃烧混合物导管10的周围可以用一个或多个导电定中心装置提供电接地。在燃烧混合物导管上在电接地定中心装置之上的定中心装置是电绝缘的定中心装置。优选的是产生足够的热量使得在原始的催化剂表面位置上的燃烧混合物达到高于催化的自燃温度但是低于未催化的自燃温度的温度。
可以变化燃烧混合物导管的厚度，使得在燃料导管的长度方向的预定部分上产生热释放。例如，在井式热喷射应用器中，为了点燃燃料浓度最高的混合气流，并使燃料在废气通过井眼向上排出之前燃烧，希望的是对井眼的最下部进行电加热。在燃烧混合物导管上表示了薄的部分21提供了用于所说的燃烧器起动的较高温度。
通过提供贵金属表面或其它有效的催化剂表面降低了燃料气体-氧化剂混合物的氧化反应温度。催化表面优选的是提供在燃烧产物导管10的内表面、外表面、或同时在内外表面上。此外，一个表面、或一个管子或其它含有贵金属的表面也可以单独放在所说的燃烧室内。例如，可以在燃烧其它导管外面的燃烧产物环状空间内提供其它贵金属涂敷的表面。这种附加的催化剂表面可以保证在希望产生热量的井眼内发生完全燃烧。
还可以通过在起动阶段提供辅助氧化剂，或使用氢气等具有较低自燃温度的燃料来增强本发明的无焰燃烧器的起动。优选的辅助氧化剂包括过量的氧气和氮的氧化物。可以与天然气流一起提供氢气，也可以把氢气作为替换气体与存在的一氧化碳和二氧化碳一起提供。
起动的氧化剂和/或燃料优选的是仅用到把燃烧器加热到足以用甲烷(天然气)作燃料，用空气作氧化剂就可以运行的温度时(即，把燃烧器加热到甲烷在空气中的点火温度以上)。
美国专利5,255,742提出用镍铬电阻加热器产生无焰燃烧器起动用的热量。在本发明的实践中可以使用这样的电加热器。
可以在燃烧室内的表面上涂敷钯或铂等贵金属、或半贵金属、碱金属或过渡金属以增强低温下燃料的氧化反应，优选的是用电镀法涂敷。然后可以按需要把所说的金属氧化来提供有效催化的表面。已经发现这样的催化表面在温度低到260℃时能非常有效地促进甲烷在空气中的氧化反应。该反应能够在所说的催化表面和附近的边界层内快速发生。燃烧室内有一个明显的催化表面的一个优点是可以大大增大无焰燃烧器可以运行的温度范围。
实施例使用各种燃料、氧化剂和催化剂表面的组合，用一个热反应器来提供发生氧化反应的温度。所说的反应器是一个用电阻加热线圈缠绕并覆盖绝缘材料的2.54cm的不锈钢管。控温热电偶放在靠近所说的管子的外表面的绝缘材料之下。在所说的管子内，在进口、中间和出口处也提供热电偶。把试验的贵金属带或带有贵金属涂层的不锈钢带悬挂在管子内以试验催化活性。把预热到略低于希望的试验温度的某一温度的空气注入到管子中的电加热的试验区域内。变化电阻加热器的电能直至在试验区域内获得要求的温度并通过安装在管内的热电偶测量达到稳定状态。然后通过混合的T形管向预热的空气流中注入燃料并使其流进电加热区域。把4个1/8英寸(0.32cm)宽、约16英寸(40cm)长的铂带或两面涂有铂或钯的3/8英寸(0.95cm)宽、约1/16英寸(0.16cm)厚、约16英寸(40cm)长的不锈钢带悬挂在管内以试验催化活性。当试验区域内含有催化剂涂敷的带或贵金属带时，并且高于催化的自燃温度时，燃料的添加使内部中间处和出口的热电偶温度升高。在催化的自燃温度之下时，没有观察到这样的温度升高。在没有催化剂涂敷的带或贵金属带存在时，在观察到温度升高之前必须把试验区域加热到燃料的自燃温度。测量的未催化的和催化的自燃温度总结在表中，测量的未催化的或催化的自燃温度称为实测自燃温度。
表
从该表中可以看出，向燃料气流中添加N2O达到降低了混合物的实测自燃温度。而且，氢气作为燃料的掺入和催化表面的存在也大大降低了动力学自燃温度。
用一个3.048m的试验燃烧器在分布式燃烧器应用中试验2.54cm反应器的结果。在内径为5.08cm的燃烧管线内提供一个外径2.54cm的燃料气管线。所说的燃料注入管线向靠近燃烧管线的进口端的燃料注入孔提供一个燃料导管。所说的5.08cm内径的燃烧管线放在一个绝缘的管子内，并把热电偶沿燃料供应管线布置。使用两个不同的燃烧管线。一个燃烧管线用“HAYNES 120”合金板制造。把该合金板的一面电刷镀平均厚度为0.000254cm的钯。然后把该合金板折断成形、弯曲并焊接在一个内表面涂敷钯的3.048m长的管子内。另一个燃烧管线是一个标准的7.62cm“HAYNES120”合金管。用一个“MAXON”燃烧器向所说的3.048m长燃烧管线提供助燃气体。并在所说的燃烧器和燃烧管线之间的混合区内用来自“MAXON”燃烧器的废气与不同量的空气和/或其它添加剂混合。为了在所说的燃烧管线内维持均匀的温度，把三个电加热器(每个加热器带有自己的控制器)沿着所说的燃烧管线的长度方向上放在外面。
进行了一系列试验，一个试验用涂敷钯的燃烧管线，一个试验用未涂敷钯的管线。在温度约为15.5℃，压力约为1大气压下测定时，以约0.635m3/小时的流量通过燃料气注入孔注入燃料气，在相同的条件下测量，以约374m3/小时的流量注入空气，包括燃烧器的空气和二次空气。向燃烧器提供足够的燃料气体以在燃烧管线的进口达到目标温度。对于催化的结构(曲线A)和不催化的结构(曲线B)，注入甲烷的燃烧百分数在图2中表示为燃烧管线进口温度的函数。从图2可以看出，在设备可以运行的最低的温度下约为260℃，用钯涂敷的燃烧管线，55％的甲烷被氧化。最低的运行温度可以略低于260℃，但是，可以得到的设备在更低的温度下不能运行。在使用没有钯涂层的燃烧管线时，甲烷的一些氧化约在704℃发生，甲烷的氧化在约816℃下快速发生。在871℃和871℃以上的温度，钯表面的存在没有影响，因为无论用不用钯表面，甲烷的氧化都能快速进行并完成。
低于704℃氧化的甲烷的温度无关性趋于证实在钯表面处的边界层内的甲烷快速氧化，甲烷到该边界层的传送而不是反应动力学控制着甲烷氧化的程度。在约704℃和更高的温度下，放热氧化反应变得占优势，温度依赖性是由于这种放热氧化反应。
权利要求
1.一种用于燃料和氧化剂的混合物燃烧的无焰燃烧器，所说的燃烧器包括一个与进口相连并与燃烧产物出口相连的燃烧室；一个与所说的进口相连的混合的燃料和氧化剂供应装置；一个位于所说的燃烧室内的催化剂表面，其中，所说的催化剂表面能有效地使一定量的燃料氧化，其中，所说的量的燃料的氧化不会导致温度超过所说的燃料和氧化剂混合物的未催化的自燃温度。
2.根据权利要求1的燃烧器，其中，所说的催化剂表面包括一种选自由责金属、半贵金属、过渡金属氧化物及其混合物组成的组中的成分。
3.根据权利要求1的燃烧器，其中，所说的催化剂表面由钯构成。
4.根据权利要求1的燃烧器，其中，所说的催化剂表面由铂构成。
5.根据权利要求1的燃烧器，还包括一个预热区域，其中，在所说的的预热区域内，在所说的燃料和氧化剂混合物与燃烧产物之间进行热交换。
6.根据前面的权利要求的任一个的燃烧器，其中，设计所说的燃烧器用于通过一种燃料和氧化剂混合物的燃烧来加热地下岩层，并通过至少一个位于待加热的岩层中的钻井中的燃烧管确定所说的燃烧室。
7.根据权利要求6的燃烧器，其中，所说的催化剂表面区域分布在所说的燃烧室内，从而在所说的燃烧室内产生基本恒定的温度。
8.根据权利要求6的燃烧器，其中，通过一个或多个放在所说的钻井中的管子确定所说的燃烧室。
9.根据权利要求6的燃烧器，还包括一个燃烧气体出口，其中，所说的燃烧气体出口是一个在所说的燃烧管周围的环形空间。
10.根据权利要求6的燃烧器，还包括一个燃烧气体出口，其中，所说的燃烧气体出口是一个在所说的燃烧室之内的管子。
11.根据权利要求6的燃烧器，其中，所说的燃烧室由一个在管子和井壁之间的一个环形空间构成。
12.根据权利要求11的燃烧器，其中，所说的管子是一个使燃烧产物返回到井盖上的导管。
13.根据权利要求6的燃烧器，其中，所说的管子是一个包含所说的燃烧室的另一部分的导管。
14.根据前面的权利要求的任一个的燃烧器，其中，通过一个至少部分覆盖在所说的燃烧室内的管子的内表面和/或外表面的催化剂涂层提供所说的催化剂表面。
15.根据前面的权利要求的任一个的燃烧器，其中，所说的进口位于所说的燃烧室的一端，而所说的出口位于所说的燃烧室的另一端。
16.一种通过无焰燃烧加热地下岩层的方法，所说的方法包括安装一个燃烧管，所说的燃烧管在待加热的岩层之内的钻井中确定了一个地下孔洞燃烧室；通过一个进口向所说的燃烧室内送入燃料和氧化剂；使所说的燃料和氧化剂混合物沿着所说的燃烧室内的催化剂表面流动，其中，所说的催化剂表面能有效地使一定量的燃料以一定的速度发生氧化反应，所说的氧化反应速度使得所说的燃烧室内的平均温度保持在低于所说的燃料和氧化剂混合物的未催化的自燃温度；使燃烧产物通过在所说的钻井之内的燃烧产物出口导管流到地面上。
17.根据权利要求16的方法，其中，所说的燃烧室由井壁的下部和靠近井壁底部的一个塞子确定，所说的催化剂表面由在同轴悬挂在井壁内的一个管子的内表面和/或外表面上的催化剂涂层提供，并且使得在所说的悬挂的管子和所说的塞子之间保持一个轴向的空隙。
18.根据权利要求17的方法，其中，所说的悬挂的管子用作混合的燃料和空气的进口导管，在所说的管子和井壁之间的环形空隙用作燃烧产物出口导管，或者反过来使用。
19.根据权利要求16、17或18的方法，其中，所说的方法用于加热低渗透性的地下油页岩岩层。
全文摘要
一种无焰燃烧器消除了作为辐射热源的火焰,从而在整个燃烧器长度上产生了更均匀的温度分布。无焰燃烧通过把燃料和助燃空气预热到高于该混合物的自燃温度来完成。本发明通过在要求的燃烧室内设置一个催化表面降低了自燃温度。使温度保持在催化的自燃温度以上但是低于未催化反应的自燃温度。这样,可以通过变化燃烧器内催化剂的量和分布来控制反应的量和位置。与燃烧室的不同部位内燃料的氧化反应相对应的从燃烧室内排出的热量可以导致从燃烧器内排出的热量处于较低的温度和较均匀的分布。
文档编号E21B36/00GK1206446SQ96199385
公开日1999年1月27日 申请日期1996年12月17日 优先权日1995年12月27日
发明者J·M·卡拉尼卡斯, T·米库斯, H·J·威尼卡, S·L·威林顿 申请人:国际壳牌研究有限公司