"Procédé et appareillage pour le refroidissement des gaz
de gazéification souterraine des gisements de combustibles solides ou des gaz provenant de gisements pétroliers exploités par combustion "in situ".
le refroidissement des gaz de gazéification souterraine qui consiste à introduire, à l'intérieur des sondages de récupération des gaz de gazéification, un dispositif tubulaire dans lequel on réalise une circulation d'eau.
L'appareillage destiné à réaliser ce procédé est constitué de deux tubes concentriques :
- un tube fermé à sa partie inférieure dont le diamètre est habituellement compris entre 40 et 60% du diamètre utile du tubage du sondage, et
- un tube intérieur de plus petit diamètre utilisé pour l'adduction d'eau, ce dernier étant, si besoin, entouré d'une enveloppe calorifuge qui évite que l'eau de refroidissement subisse un échauffement excessif avant de parvenir au fond du sondage.
D'autres dispositifs de refroidissement utilisent
le mélange direct du gaz et du fluide refroidissant (généralement de l'eau) ; à titre d'exemple, un de ces dispositifs est décrit dans le brevet U.S.A. N[deg.] 3.343.598.
Cependant, lorsqu'on recourt au refroidissement par mélange direct, il est indispensable de disposer d'un dispositif sQr et rapide, qui permette d'ajuster le débit refroidissant en fonction des besoins. En effet, si ce débit est trop faible, il existe un risque de surchauffe du tubage, si
ce débit est trop élevé, il existe un risque de pénétration d'eau dans les terrains.
Le procédé conforme à la présente invention a pour objet un dispositif de refroidissement par mélange direct, dans lequel le débit d'eau de refroidissement est réglé auto-
i matiquement en fonction de la température du gaz de gazéification, de telle façon que le mélange de gaz et de vapeur d'eau
<EMI ID=1.1>
constante.
Le débit d'eau nécessaire pour obtenir ce résultat peut se déterminer par la relation :
<EMI ID=2.1>
dans laquelle :
Q désigne le débit de gaz (Nm<3>/h)
Cp la chaleur spécifique du gaz (kcal/Nm<3>)
<EMI ID=3.1>
q le débit d'eau de refroidissement (kg/h)
<EMI ID=4.1>
(kcal/kg)
et i l'enthalpie d'un kg d'eau à son arrivée au fond du
sondage (kcal/kg).
Dans le dispositif conforme à l'invention, le débit d'eau est contrôlé par une soupape dont l'ouverture e varie proportionnellement à la différence de température
<EMI ID=5.1>
<EMI ID=6.1>
le débit d'une telle soupape peut se calculer par la formule:
<EMI ID=7.1>
avec les notations :
d : diamètre de la soupape (m)
<EMI ID=8.1>
la soupape
g : coefficient d'accélération gravifique (9,81 m/sec<2>) H : hauteur de charge en amont de la soupape (m d'eau) h : hauteur de charge en aval de la soupape (m d'eau).
<EMI ID=9.1>
tion (1), il vient :
<EMI ID=10.1>
On voit que par un choix judicieux de la géométrie de la soupape (d et � ) et du facteur k, on peut réaliser l'ajustement automatique du débit d'eau quelle que soit la température du gaz, pour autant que Q et V H - h restent constants ou qu'ils varient en restant sensiblement proportionnels l'un à l'autre.
Dans le dispositif conforme à l'invention, l'ouverture de la soupape d'amenée d'eau est commandée directement par la dilatation d'un système de détection de la température du gaz placé au fond du sondage et qui comporte deux métaux à coefficients de dilatation différents.
Le principe du dispositif est illustré, à titre d'exemple uniquement, aux dessins annexés, dans lesquels :
Figure 1 montre une coupe longitudinale passant par l'axe du sondage ; Figure 2 montre une coupe longitudinale, à plus grande échelle, à travers le dispositif de contrôle du débit d'eau, et Figure 3 montre une coupe transversale, à travers ce même dispositif, par le plan XY de la figure 1.
Le dispositif conforme à l'invention comporte essentiellement un réservoir métallique cylindrique 1 d'un diamètre généralement compris entre 40 et 60% du diamètre utile du tubage 2 et d'une longueur n'excédant pas 5 à 10 mètres, dont la paroi latérale est percée d'orifices de faible diamètre 3 et dont le fond supérieur est traversé par un tube 4 destiné à l'adduction d'eau et qui se prolonge à l'intérieur du réservoir. Ce tube se termine par un orifice 5, contre lequel s'applique une soupape 6. La partie inférieure du réservoir comporte deux cylindres métalliques coaxiaux 7 et 8, Le cylindre extérieur 7 est constitué d'un acier réfractaire à coefficient de dilatation élevé et le cylindre intérieur 8 d'un acier au nickel à faible coefficient de dilatation (genre Invar).
La soupape 6 est solidaire du cylindre à faible dilatation 8 et lorsque le dispositif est mis en place, à température ambiante, elle est en position fermée et fortement appliquée sur son siège par serrage du pas de vis 9, par lequel le cylindre 7 est assemblé à une pièce de liaison 13 montée à la base du réservoir 1.
Quand la base du réservoir s'échauffe au contact des gaz de gazéification, qui remontent dans l'espace annulaire qui sépare le réservoir 1 du tubage 2, la différence de dilatation des cylindres 7 et 8 entraîne une réduction de l'effort de précontrainte qui appliquait la soupape sur son siège. Lorsque cet effort tombe en-dessous d'une limite prédéterminée, la soupape commence à s'ouvrir et, si la température des cylindres 7 et 8 continue à s'élever, l'ouverture de la soupape augmente, l'accroissement de l'ouverture étant proportionnel à l'accroissement de la température du gaz.
Le débit d'eau qui sort du tube d'alimentation 4 pour pénétrer dans le réservoir cylindrique 1 par un ensemble de trous 14 forés dans la pièce de liaison 13 augmente en fonction de l'ouverture de la soupape. Il en résulte une augmentation de la pression d'eau à l'intérieur du réservoir 1, qui provoque l'expulsion de cette eau par les orifices 3 percés dans la paroi latérale du réservoir.
Dans une version améliorée du dispositif, la perforation de la paroi latérale du réservoir peut être réalisée avec des trous de plus grand diamètre pourvus de bouchons filetés 10, au travers desquels sont forés.des trous calibrés de forme conique 11 qui assurent une meilleure dispersion du débit d'eau. De plus, pour limiter l'usure, qui pourrait résulter de la grande vitesse de l'eau, à la sortie de la sou-pape, le déflecteur 12 qui entoure la soupape sera avantageusement réalisé sous forme d'une pièce amovible en métal dur.
Le tube d'adduction d'eau 4 peut être réalisé par assemblage d'éléments de tubes d'acier raccordés entre eux
par des joints filetés, mais il peut aussi être constitué sous la forme d'un tube flexible monobloc gainé de fils d'acier, réalisé conformément aux dispositions prévues au brevet de
<EMI ID=11.1>
Dans le dispositif conforme à l'invention, l'ouverture de la soupape s'opère suivant une loi linéaire en fonction de la température moyenne atteinte par les cylindres 7 et 8 suivant la relation :
<EMI ID=12.1>
avec les notations :
<EMI ID=13.1>
<EMI ID=14.1>
<EMI ID=15.1>
Par ailleurs, en raison du flux de chaleur qui s'écoule à travers le métal des cylindres 7 et 8, ces cylindres prennent une température d'équilibre intermédiaire entre la température du gaz (T) et la température (T ) qui règne dans la partie supérieure du dispositif, de sorte que l'on peut écrire :
<EMI ID=16.1>
en désignant par p un coefficient numérique inférieur à l'unité.
<EMI ID=17.1> <EMI ID=18.1>
pour valeur numérique :
<EMI ID=19.1>
Pour que le dispositif remplisse parfaitement son rôle, il faut encore qu'en l'absence de toute intervention
<EMI ID=20.1>
constant.
Dans la mesure où aucune modification de réglage n'intervient, le débit gazeux qui remonte à travers le sondage a une valeur constante : Qo (Nm<3>/h) qui est fonction de la température T et des résistances aérodynamiques qui limitent l'écoulement du gaz.
Le fonctionnement du dispositif conforme à l'invention introduit dans le sondage un débit volumique de vapeur d'eau égal à :
q (kgA) / 0,8 (kg/Nm<3>) = 1,25 q (Nm<3>/h)
Ce débit se substitue à une partie du débit gazeux de sorte que l'on peut écrire :
<EMI ID=21.1>
Par ailleurs, les valeurs de H et h peuvent s'exprimer par les relations :
<EMI ID=22.1>
avec les notations :
<EMI ID=23.1>
d'eau est nul (m d'eau) ;
R q : perte de charge dans le tube 4, lorsque le débit
d'eau est égal à q (m d'eau) ;
ho : hauteur de charge à l'intérieur du réservoir 1, lorsque le débit d'eau est nul (m d'eau) ;
r q<2> : augmentation de la hauteur de charge nécessaire
pour forcer le passage de l'eau à travers les orifices 3 ou 11.
Compte tenu des relations (9) et (10), le terme V H - h peut s'exprimer par la formule :
<EMI ID=24.1>
Les formules (8) et (11) montrent que les grandeurs
<EMI ID=25.1>
bit q.
La forme des deux fonctions n'étant pas identique,
le rapport Q / V H - h ne peut pas rester rigoureusement constant.
Cependant, la valeur de ce rapport peut être maintenue dans des limites assez étroites, par un choix judicieux du diamètre du tube d'adduction d'eau 4 et des caractéristiques des orifices 3 ou 11 qui conditionnent les valeurs de R et r.
En pratique, on peut s'imposer que, pour les valeurs
<EMI ID=26.1>
relation
<EMI ID=27.1>
Si l'on tient compte du fait que pour les températures de gaz les plus élevées la valeur du rapport
<EMI ID=28.1>
à 0,6, il est facile de vérifier que pour toutes les valeurs de q comprises entre o et Ci __ la variation du rapport
<EMI ID=29.1>
On peut également constater que pour toutes les
<EMI ID=30.1>
<EMI ID=31.1> <EMI ID=32.1>
plication du dispositif conforme à l'invention sera de maintenir automatiquement la température du gaz dans un intervalle assez étroit, un peu en-dessous de la valeur théorique To.
La valeur de la précontrainte à réaliser pour que
<EMI ID=33.1>
miner en exprimant le fait que la dilatation thermique qui se produit lorsque la température des cylindres 7 et 8 passe
<EMI ID=34.1>
pour valeur :
<EMI ID=35.1>
doit être compensée par la résultante des déformations élastiques du métal des cylindres 7 et 8 et de l'ensemble des pièces qui relient le cylindre 8 à la base du tuyau d'adduction d'eau 4.
Compte tenu de la géométrie du dispositif, on peut admettre, en première approximation, que les déformations du cylindre 8 représentent les deux tiers de la résultante des déformations et, si l'on tient compte qu'au moment de l'ouverture de la soupape la tension de compression dans le cylindre 8 doit encore être suffisante pour contrebalancer la force qui s'exerce de haut en bas sous l'effet de la pression de l'eau contenue dans le tube 4, la tension de compression à appliquer au cylindre 8, à la température ambiante, peut s'exprimer par la relation :
<EMI ID=36.1>
avec les notations
M : module de Young de l'acier
S : section droite du cylindre 8 s : section utile de l'orifice inférieur du tube 4
<EMI ID=37.1>
en kg/mm .
A titre d'exemple, nous calculerons les valeurs de L et de ! dans le cas particulier d'un sondage d'environ
1.000 m de profondeur, avec une pression d'eau à la base
<EMI ID=38.1>
Si l'on s'impose que la soupape commence à s'ouvrir
<EMI ID=39.1>
atteigne 1 mm pour une température de gaz : T = 800[deg.]C, les équations (5) et (14) deviennent :
<EMI ID=40.1>
La première équation permet de définir la longueur du cylindre 8 :
<EMI ID=41.1>
La seconde équation fournit la valeur de la tension de compression qui doit être produite dans le cylindre 8 par le serrage de précontrainte :
<EMI ID=42.1>
Les calculs développés ci-dessus montrent que le dispositif conforme à l'invention constitue un moyen simple et automatique qui permet d'assurer le refroidissement des gaz de gazéification souterraine et de maintenir la température du tubage à une température égale ou légèrement infé-
<EMI ID=43.1>
<EMI ID=44.1>
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et n'implique aucune transmission entre le fond et la surface. Il en résulte une très grande sécurité de fonctionnement et une absence de toute hystérésis entre la détection d'une variation de la température du gaz et l'action de correction apportée par le dispositif.
L'appareillage décrit ci-dessus et représenté aux dessins annexés peut, également, être utilisé pour le refroidissement des gaz provenant de gisements pétroliers exploités par combustion "in situ".
REVENDICATIONS
1. Procédé de refroidissement des gaz de gazéification souterraine des gisements de combustibles solides ou des gaz provenant de gisements pétroliers exploités par combustion "in situ", par mélange d'eau injectée au fond du sondage de reprise des gaz, caractérisé en ce que le débit d'eau de refroidissement est réglé automatiquement par une soupape dont l'ouverture est commandée directement par la dilatation d'un système de détection de la température du gaz, placé au fond du sondage et qui comporte deux métaux à coefficients de dilatation différents.
2. Appareillage pour la réalisation du procédé suivant