BRPI0714283B1

BRPI0714283B1 - gerador de vapor de combustão direta

Info

Publication number: BRPI0714283B1
Application number: BRPI0714283A
Authority: BR
Inventors: N Rao Dandina
Original assignee: Best Treasure Group Ltd; Direct Combustion Tech; Hydroflame Tech Llc
Priority date: 2006-01-09
Filing date: 2007-01-09
Publication date: 2019-08-27
Also published as: US20070202452A1; US7780152B2; WO2007081816A2; CA2641727A1; BRPI0714283A2; MX2008008870A; CA2641727C; ECSP088669A; WO2007081816A3

Abstract

gerador de vapor de combustão direta. trate-se de um método e aparelho para gerar vapor por meio do aquecimento de água com uma chama. a água é introduzida dentro de um vórtice que sustenta um recipiente e flui através do recipiente de uma maneira espiralada criando um vórtice líquido com um núcleo axial aberto. a chama afeta a transferência de calor e é o produto da ignição de combustível misturado com um oxigênio que contém gás, o qual faz um redemoinho de modo tangencial.

Description

GERADOR DE VAPOR DE COMBUSTÃO DIRETA

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a um aparelho e a um método pelo qual correntes de gás e líquido podem ser introduzidos em uma zona de contato de forma controlada, com o objetivo de facilitar reações físicas ou químicas entre os dois fluxos. Mais particularmente, essa invenção se refere à contenção de uma chama dentro de uma superfície arredondada e contínua de líquido fluente e ao meio pelo qual o calor dos produtos de combustão pode ser transferido para um líquido. A aplicabilidade particular é encontrada na geração de vapor em um espaço compacto.

Descrição da Técnica Realcionada

Frequentemente, é desejável que se traga uma corrente de gás com uma corrente de líquido visando que uma reação química ou física ou a transferência de massa ocorra entre duas correntes. Um exemplo particular de tal condição é o contato de produtos de combustão surgindo de uma chama com um líquido, por exemplo, água, com o objetivo de transferir calor para o líquido. Outros exemplos incluem o contato de um gás refrigerante resfriador com um líquido com o objetivo de resfriar o líquido ou que ocorra a absorção de dióxido de carbono ou sulfeto de hidrogênio do gás ácido pelo contato com etanolaminas ou glicóis.

Quando os gases e líquidos forem contactados de forma a precipitar uma reação física ou química, a taxa na qual o processo progride, depende da área da superfície sobre a qual tal contato ocorre. Em tais casos, com o objetivo de obter altas taxas, é conveniente maximizar a área de

2/20 contato com a superfície.

O transferidor de calor por contato direto (DCHT) é a técnica pela qual o aquecimento e os materiais aquecidos são postos em contato estrito entre si sem a presença de uma barreira ou superfície de transferência de calor intermediária. Um exemplo de DCHT está no aquecimento dos fluídos, primeiramente água, pelo contato direto dos produtos de combustão com o líquido. 0 vapor pode ser levantado a partir do uso de um spray de água em uma corrente de gases quentes sendo expelidos de um queimador. Alternativamente, correntes de gás quente geradas por combustão podem borbulhar através de um líquido, usando aquecedores de combustão submersos para efetuar a transferência de calor. A maximização da área da superfície de contato ê um objetivo desejável em cada um desses casos.

No caso de aquecedores de combustão submersa, a zona de chama ou combustão do fluido por um tubo ou cilindro protetor que atua como uma blindagem ou uma proteção. Tais elementos de blindagem são frequentemente suscetíveis a uma severa corrosão e escamação. Problemas similares são típicos no caso de geradores de corrente do poço para usar a água ou corrente aquecido injetado nas formações subterrâneas de formações petrolíferas. As luvas metálicas anulares que ficam em torno da chama e transportam água para a zona de gás de exaustão nos aquecedores de superfície ou da entrada do poço, sofrem, particularmente, de tensões térmicas severas relacionadas a problemas de fatiga e craqueamento.

Quando uma chama contém uma proteção, essa proteção pode, ocasionalmente, ter suas temperaturas altamente

3/20 elevadas. Onde o resfriamento não é fornecido, a proteção pode se tornar fulgurante ou até mesmo incandescente. Onde os metais são usados sob tais circunstâncias, o resfriamento é fornecido para limitar a deterioração rápida do metal na proteção. Durante o resfriamento, normalmente na forma de água que circula, este é aplicado à superfície externa protetora contra chamas, gradientes térmicos molhados formam-se dentro da parede protetora, o que pode levar à quebra e falha da integridade mecânica da parede da proteção.

Os mesmos problemas de fadiga e craqueamento acontecem quando os gases de queima por combustão de têmpera são introduzidos em colunas de contato onde o resfriamento por contato direto ocorre. Para proteger as bandejas e outras superfícies de contato dentro de tais colunas, é frequentemente necessário que se préOesfrie os gases de combustão.

A patente número U.S.

4.604.998 revela um aparelho e método para resolver tais problemas, os quais são de aplicabilidade particular água de aquecimento.

Entretanto, o método descrito acima não tem eficiência suficiente para gerar corrente.

Os petróleos pesados do

Oeste do Canadá, E.U.A,

Venezuela e outras partes do mundo, o petróleo dos areaispetrolíferos de Alberta, são muito viscosos para que escoem em seu estado de ocorrência natural. Tais petróleos precisam ser aquecidos por alguma técnica adequada de modo a fazer com que eles fluam para os poços de produção. Cerca de 95% de tais petróleos pesados foi recuperados nos U.S. desde 1980 graças à injeção de vapor nas formações desses

4/20 petróleos pesados. Tais geradores de vapor transferem calor para a água proveniente da chama e gases de combustão por calor nas seções radiantes e de convecção - através de geradores da vapor dos campos petrolíferos para converter água em vapor. Deve-se notar que o na seção radiante, fica exposto à chama. Se as paredes internas do tubo tornam-se secas durante a ecorrenteação da água, pontos ativos causariam eventuais rupturas no tubo. Após transferir seu calor na seção de convenção, os gases quentes saem através do escape que constitui a maior perda de calor associada com tais geradores de vapor.

O gerador convencional perde cerca de 20% da energia do combustível através de gases de combustão, de 5 a 20% através da tubulação na superfície e 10% ou mais no furo do poço. Além disso, a porcentagem de energia que alcança a formação de petróleo é menor que 60% desta no combustível. O gerador de vapor da entrada do poço fica localizado na entrada do poço nos areais petrolíferos e, por sua vez, eliminam todas as perdas de calor. Isso resulta em 100% do conteúdo de energia dos gases de vapor e combustão, sendo aplicados na formação para aquecer o petróleo. A única perda de energia significativa é a energia de combustível usada pelo compressor de ar e é cerca de 25% do consumo total de energia.

Outra diferença significativa entre o gerador de vapor da superfície convencional (ssg) e do gerador de vapor da entrada do poço (DSG), é o fato que um DSG injeta todos os gases de combustão na formação adiante com o vapor, enquanto o SSG expele os gases para a atmosfera, causando problemas ambientais. Os gases injetados correspondem a

5/20 cerca de 101,9 m³ por barril (159 1) de gás. Os gases penetram os mecanismos de recuperação, em adição à redução de viscosidade associada com a injeção de vapor. Os mecanismos de recuperação adicional incluem: pressão do reservatório intensificado, movimento do petróleo através de dragagem viscosa, redução da viscosidade de petróleo e inchação do petróleo através da solubilidade de gás.

Além disso, a injeção de gases na entrada do poço é conhecida para reduzir os problemas de qualidade do ar, associados com os geradores de vapor de superfície. Questões ambientais terão um impacto significativo em operações de recuperação de gás/petróleo no Canadá e nos U.S. no futuro. De qualquer forma, técnicas de geração de vapor na entrada do poço surgem para solucionar esse desafio também.

O departamento de Energia dos U.S. contratou os Sandia National Laboratories para desenvolver um gerador de vapor na entrada do poço. A equipe do Sandia Labs desenvolveu um gerador de vapor da entrada do poço e testados em campo em Long Beach, Califórnia.

O projeto da Sandia se difere acentuadamente do processo descrito na Patente n° U.S. 4.604.988, no que diz respeito à chama que fica ao redor das paredes de metal que são resfriadas a partir da parte externa pela circulação da água através das luvas em torno da câmara de combustão. Todos os outros projetos de DSGs usam uma técnica de resfriamento similar. Isto leva as superfícies de metal do queimador a se exporem à chama de alta temperatura na entrada enquanto o exterior é resfriado pela água circulante. Além disso, enormes diferenças de temperaturas

6/20 ocorrem através da espessura dessas paredes, resultando em severos estresses térmicos. Portanto, os testes em campo continuaram usando esse projeto relataram danificações de metal severos na zona da chama, que resultaram no desligamento do DSG em apenas 65 horas de operação. Em um teste, a cabeça do queimador interior derreteu. Uma das principais recomendações foi diminuir as temperaturas das paredes do combustor por modificações do projeto. Os estresses térmicos foram responsáveis também, pelo craqueamento e corrosão severos dos componentes do queimador usados em testes em campo. Esses problemas ainda são enfrentados e parecem ser a principal dificuldade para que essa tecnologia seja aceita pela indústria de recuperação de petróleo.

O processo descrito na patente '988 não tem esse problema de severos estresses termais em paredes de metal, o qual tem sido o recurso de maiores problemas de operação de outros projetos de DSG. No processo descrito, a chama é rodeada por um corpo circulante de água e não por paredes de metal. Portanto, a temperatura das paredes da câmara de combustão é a mesma daquela da água fria. Não há escopo para estresses termais em desenvolvimento e então, não resultaria em craqueamento ou corrosão. Essa é uma das vantagens mais importantes do conceito descrito na patente '988 sobre aquela de outros projetos DSG. O uso do processo da patente '988 pode garantir operações longas e sem problemas do gerador de vapor na entrada do poço no ambiente do reservatório, fornecido, de qualquer forma, para que o processo possa ser adaptado com sucesso ao gerador eficiente de vapor. Como foi notado anteriormente,

7/20 de qualquer forma, o processo descrito na patente '988 não é suficientemente eficiente para gerar vapor. Tal modificação do processo descrito na patente '988, para gerar vapor, especialmente na entrada do poço, seria de grande valor para a indústria.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção fornece um aparelho para gerar vapor por meio do aquecimento de água direto com uma chama, o aparelho compreende um recipiente vórtice e um queimador giratório. O recipiente vórtice tem uma primeira segunda extremidades, com um líquido presente através da parede do recipiente. O líquido interno é adaptado para injetar líquido, nesse caso água, tangencialmente, dentro do recipiente vórtice. O recipiente também tem um vórtice sustentando a superfície interna adaptada para receber a água injetada a partir da parte interna, com a superfície definindo uma câmara vórtice que é alinhada axialmente dentro do recipiente. 0 aparelho também compreende um queimador que compreende um bloco de metal com um furo axial para fornecer combustível e, ao menos, um furo tangencial interno para fornecer ar, ar enriquecido e oxigênio. O fornecimento tangencial de ar cria uma zona de recirculação vórtice onde os gases quentes da chama recirculam de volta para a base da chama de forma a fornecer um recurso contínuo de ignição do combustível injetado. A recirculação estabiliza a chama em altas intensidades de queima. 0 aparelho também compreende uma saída na segunda extremidade do recipiente junto com seu eixo para receber um fluxo de líquido e gás saindo da câmara vórtice.

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No aparelho, a chama é geralmente posicionada dentro da câmara vórtice junto com um centro do eixo. Com isso, a água circulante vórtice fica ao redor da chama e a combustão é executada na entrada do corpo de água rotativo. Também, devido à combinação do queimador giratório e a água giratória vórtice, o tamanho do aparelho pode ser tal, de forma a caber dentro de um furo do poço. O gerador de vapor pode, por sua vez, ser de formato cilíndrico, o qual se ajusta confortavelmente dentro do furo do poço. Isto permitiría ao furo do poço gerar o vapor usando o aparelho.

A presente invenção também se refere a um método de geração de vapor pelo aquecimento direto de água com uma chama. Um método compreende a injeção contínua de água através de uma entrada em um recipiente oco e formando junto com a superfície interior do recipiente, um fluxo de vórtice líquido inercialmente rotativo contínuo de água circulante que tem um centro substancialmente sem líquidos dentro do recipiente. 0 método a seguir compreende a passagem de um gás pelo centro do vórtice onde o gás entra em contato com a superfície interna do líquido junto com o referido centro do vórtice e, por sua vez, aquece a água para criar vapor. O gás é geralmente um produto de combustão e, preferivelmente, o gás se origina de um mistura combustível que é introduzido e queimado para produzir uma chama dentro do centro do vórtice. 0 produto de combustão é alcançado para fornecer combustível tanto axial quanto tangencialmente e fornece tangencialmente um oxigênio que contém gás para o queimador. O gás se mistura dentro do combustível na cabeça do queimador e é queimado para produzir a chama e assim, o produto de combustão é

9/20 passado para o furo do vórtice.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS DOS DESENHOS

1. A Figura 1 descreve esquematicamente as várias técnicas de projeto para aumentar a capacidade de fluxo da presente aparelho/processo.

2. A Figura 2 descreve a injeção tangencial de água usando uma fenda da carga de água no aparelho da presente invenção.

3. A Figura 3 mostra duas variações do queimador giratório da presente invenção.

. A Figura 4 mostra uma zona de transferência de calor modificada que segue a zona de combustão em um gerador de vapor da presente invenção.

5. A Figura 5 descreve dois exemplos da aplicação do processo da presente invenção em projetos SAGD.

6. A Figura 6 mostra um diagrama esquemático da instalação da superfície, empregando a presente invenção para aumentar a eficiência da utilização de energia.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERENCIAIS

O conceito e o desenvolvimento detalhado do processo de transferência de calor para aquecimento de água, por exemplo, o aquecimento direto de água com uma chama do queimador de fluxo linear de pré-mistura, são fornecidos na patente U.S. n° 4.604.988, que é incorporada aqui, em sua integridade. 0 projeto apresentado é suficiente para aquecer a grande quantidade de água, rapidamente. Contudo, o método descrito não é suficientemente efetivo e eficiente para gerar vapor da água.

Os requerimentos adicionais da geração de vapor/C0₂ usando o processo de aquecimento direto são:

10/20 (1) O queimador deve ser capaz de fornecer o calor latente da vaporização correspondente à pressão da operação pela queima do combustível suficiente (em ar ou oxigênio) de forma que assegure a estabilidade aerodinâmica da chama de alta-intensidade.

(2) O hidrociclone deve ser capaz de fluir uma quantidade de água que é maior que a quantidade de vapor gerada (a considerar pela variação das necessidades da qualidade de vapor) e ainda, fornecer a estabilidade hidrodinâmica de rotação de películas e diâmetro do núcleo de ar e cumprimento para acomodar a zona de chama sem dissipar prematuramente pelo aprisionamento de água e/ou colapso em vórtice.

(3) A zona de transferência de calor, no interior do poço da zona de combustão/chama deve ser capaz de gerar coeficientes de transferência de massa e de alto teor de calor de modo a transferir eficientemente e evaporar água líquida em vapor dentro de tempos de residência razoáveis e comprimentos da zona de transferência de calor.

(4) O processo inteiro (consistindo de hidrociclone, o queimador e a zona de evaporação) deve ser capaz de executar a combustão usando ar, que é enriquecido com oxigênio em concentrações variadas (ou mesmo oxigênio puro) de forma a fornecer uma corrente de vapor e o nível conveniente de CO₂. Esse nível de CO₂ desejado no vapor injetado em um reservatório de petróleo é dirigido pela sua influência nas interações e recuperação do petróleo bruto ou betume presente no reservatório. A combustão de qualquer combustível em oxigênio ou ar enriquecido resulta nas temperaturas de chama bem maiores que aquelas encontradas

11/20 com combustão no ar. Portanto, o projeto do hidrociclone deve ser capaz de fornecer proteção infalível do corpo do ciclone por meios de duas películas de água giratórias ao redor da zona de chama.

As seguintes modificações foram tidas como necessárias e foram implantadas para completar os requerimentos mencionados acima necessários.

Modificações do Projeto do Hidrociclone:

O propósito principal dessas modificações é otimizar o diâmetro e comprimento da seção cilíndrica e o ângulo cônico da seção cônica do hidrocicônico para satisfazer os requerimentos da geração de vapor. Embora um diâmetro aumentado da seção cilíndrica permita um diâmetro de núcleo de ar mais amplo e um espaço aumentado para a chama, tanto o diâmetro quanto o comprimento da seção cilíndrica são adicionadas à sua capacidade. O aumento do comprimento da seção cônica (pela diminuição do ângulo cônico para um diâmetro fixo do fluxo de fundo) também se adiciona à capacidade, em adição à estabilidade fornecida às duas películas de água, girando em torno do núcleo de ar. Esses efeitos são descritos esquematicamente na Figura 1. As películas de água são essenciais para evitar a transferência de calor para as paredes de metal a partir da combustão/zona de chama, permitindo assim, que o sistema abrigue chamas de temperaturas muito altas, resultantes do uso de ar enriquecido ou oxigênio puro.

Com o objetivo de manter o diâmetro do hidrociclone dentro dos limites impostos pelo tamanho do furo do poço (para aplicações de geração de vapor no interior do poço), uma opção é dividir a quantidade total de água a ser

12/20 evaporada em duas correntes, uma introduzindo tangencialmente o primeiro hidrociclone para fornecer as paredes de água ao redor da chama e a segunda corrente de água injetada tangencialmente no segundo hidrociclone que usa a abertura do subfluxo do primeiro hidrociclone como sua abertura de subfluxo, como foi mostrado na Figura 2. Na Figura 2, a tubulação interna de água 10 para o primeiro hidrociclone 11, é mostrado, assim como a tubulação interna de água 15 para o segundo hidrociclone 16. Tal divisão da carga de água irá permitir não apenas uma capacidade menor hidrociclone (e também um diâmetro menor) bem adequado para a localização do furo do poço, mas também alcança o nível desejado de geração de vapor e calor. Esse conceito de divisão de fluxo pode se estender a vários hidrociclones em séries, permitindo assim o que o processo de aquecimento direto gere grandes quantidades de calor (por exemplo 10 100 MMbtu/h) e a mistura de vapor/C0₂ necessária em operações de recuperação de óleo pesado e de betume. Além do mais, tais montagens progressivas de hidrociclones gerariam um grande núcleo de ar que se estende através de todos os hidrociclones, que poderia ser necessário para queimar a quantidade aumentada de combustível nas taxas de transferência de calor.

Deve-se notar que a nossa maximização do diâmetro do núcleo de ar e comprimento (que, também no aumento das capacidades de manipulação de líquido) são contrários aos procedimentos bem aceitos na indústria de hidrociclone que tem como objetivo alcançar separações de fase eficientes ao tentar minimizar o tamanho do núcleo de ar. NO entanto, é necessário alcançar a produção de vapor.

13/20

Modificações no Projeto do Queimador

A patente n° U.S. 4.604.988 descreve um queimador de fluxo axial de intensidade relativamente baixa que é suficiente para o propósito de aquecer a água em quantidade de taxas de fluxo razoáveis a cerca de 250.000 a 350.000 Btu/h. No entanto, para gerar vapor em grandes quantidades, como é requerido na recuperação térmica intensificada de petróleo pesado e betume, as taxas de geração de calor estão, normalmente, em cerca de 5 a 10 MMBu/h em cada um dos poços de injeção de vapor vertical, enquanto os poços de injeção de vapor vertical usados no processo SAGD pode aproximar-se de 50 - 100 MMBtu/h. Esses requerimentos são de 20 a 400 vezes maiores que os descritos na patente n° U.S. 4.604.988. Além disso, tal grande geração de calor deve ser completa pela combustão de um combustível adequado no ar ou ar enriquecido ou oxigênio puro, dentro do espaço fornecido pelo núcleo de ar no hidrociclone. Sob tais condições restritivas, as velocidades do gás podem ser calculadas para serem bem maiores que as velocidades da emissão de chama dos queimadores do fluxo axial usados na patente U.S. 4.604.988, o que significa que a combustão não será possível no nível das taxas de calor

Com o objetivo de superar essas limitações, o processo da presente invenção combina um queimador de fluxo giratório de alta intensidade (ou hidrociclone modificado de alto-fluoreto combinado, descrito montagem progressiva) para completar de calor em furo do poço em petróleo pesado e reservas de

14/20 suporte de betume.

Duas variações do queimador giratório são mostradas na Figura 3 (a e b) . Ά primeira envolve um bloco de metal sólido 20 com um furo axial 21 para sustentar combustível e quatro furos da entrada tangencial 22 para sustentar ar na zona de combustão. Uma previsão é feita para inserir uma vela de ignição próxima à área de mistura dentro da cabeça do queimador. Outros métodos de ignição, tais quais meios de fluídos pirogólicos, por exemplo, podem também ser usados na presente invenção. O fornecimento tangencial de ar cria uma zona de recirculação vórtice onde os gases quentes da chama recirculam de volta para a base da chama, fornecendo desta forma, um recurso contínuo de ignição de combustível injetado. Essa recirculação estabiliza a chama em altas intensidades de queima.

O segundo modelo mostrado na Figura 3 (b) usa o fluxo padrão de ciclone de gás para injetar ar ou ar enriquecido 25 tangencialmente na câmara de combustão 26 e o combustível é injetado 27 ambos linearmente em caso de baixas taxas de queima ou uma rotação criada pelas aletas em linha. Esse padrão de fluxo também almeja a criação da rotação e a consequente zona de recirculação para estabilização da chama. Um inflamador é mostrado em 28.

Tais câmaras de combustão de fluxo giratório podem ser usados para gerarem altas taxas de liberação de calor no raio de 5 a 200MMBtu/h como foi requerido no aproveitamento térmico aprimorado de petróleo de petróleo pesado e betume. Combustão em Ar Enriquecido

Quando os combustíveis são queimados no ar, apenas 21% de ar, que é oxigênio, é consumido em reações de combustão

15/20 para gerar calor. Contudo, o nitrogênio, que constitui os

79% restantes de ar, é majoritariamente inerte (exceto as reações de formação de NOx que ocorrem em regiões de alta temperatura dentro combustão ocorrer no oxigênio, devido à ausência de nitrogênio, temperaturas de chama extremamente altas encontrados e o conteúdo de combustão torna-se uma tarefa formidável.

Contudo, no processo de combustão direta da presente invenção, é executada dentro de um corpo giratório de água e a chama de alta temperatura nunca contata as paredes de metal da câmara de combustão. Essa diferença fundamental no conceito do projeto permite que o processo da presente invenção use oxigênio para a combustão (ao invés de ar) que não diminui apenas os custos associados com a compressão de ar pela geração de vapor no furo do poço em reservatórios profundos, mas também tem o potencial para aumentar as taxas de produção de petróleo devido às pressões parcialmente altas de dióxido de carbono na mistura influente de gás/vapor. Ainda outra vantagem para usar oxigênio para combustão é o fato que uma grande redução dos volumes de gás (devido à ausência de nitrogênio) resulta nas unidades muito compactas para uso em furos de poço de pequeno diâmetro incluindo poços horizontais com pequenos raios.

Modificações na Região de Transferência de Calor

A zona de transferência de calor descrita na patente n° U.S. 4.604.988 repousa no defletor com formato de meia lua no fundo do cano horizontal para permitir que a dissolução da película líquida (água) em gotas que penetram

16/20 no vapor de gás para uma transferência mais rápida e melhor. Esse tipo de quebra de película não garante gotas de tamanhos relativamente uniforme e pequeno. Portanto, um método mais seguro e consistente é requerido nas aplicações de geração de vapor. Essa invenção combina o conceito de um depurador Venturi, comumente usado na remoção de matéria de partícula das correntes de gás, para garantir a penetração da água na forma de gotas do tipo névoa fina para uma evaporação rápida e eficiente. A Figura 4 fornece uma modalidade da zona de transferência de calor modificada que segue a zona de combustão no gerador de vapor da presente invenção. Compreende-se uma seção de convergência 30 e uma seção de divergência 31 conectadas no meio por meio de um gargalo 32. Enquanto o gás e o líquido entram na seção de convergência, suas velocidades aumentam e a seção 32 do gargalo propriamente desenhado, a maioria da película líquida de água fluente ao longo das paredes, é quebrada em uma neblina 33 penetrou no vapor de gás de alta velocidade. Essa área da superfície aumentada permite uma rápida transferência de calor a partir dos fases quentes de combustão para as gotas de água e, se o calor suficiente fica disponível na fase gasosa, uma rápida transferência de massa ocorre convertendo as gotas penetrantes em vapor, em curtos tempos de residência, resultando em um gerador de vapor muito compacto. Os depuradores comerciais usados na remoção de partículas de correntes de gás, dependem das grandes gotas para criar gotas de tamanho fino com a penalidade conseqüente de grande consumo de energia e custos associados. Contudo, o projeto do depurador Venturi fornecido nesta invenção para transferência de calor e

17/20 massa usa uma grande seção de divergência para recuperar parte da queda de pressão que ocorre no gargalo. Devido a uma alteração gradual na área em corte transversal de sua seção divergente longa, a velocidade decrescente é recuperada gradativamente conforme e energia de pressão, deste modo diminuindo a totalidade da queda de pressão requerida para o aprisionamento do líquido. Até 90% da queda da pressão no gargalo é normalmente recuperado devido à característica do projeto.

Processo de Combustão Direta para Geração de Vapor no Furo do Poço em SAGD:

O processo de drenagem de gravidade do vapor (SAGD), em sua configuração de dois poços, assim como em várias versões recentes, tornou-se um sucesso comercial maior. A invenção em pauta refere-se ao uso de um gerador de combustão de gás/CO₂ direta para aumentar o desempenho e economia do processo SAGD. Devido à sua alta eficiência térmica e altos coeficientes de transferência de calor, o presente processo pode ser usado para criar uma grande pressão de gás dentro de um dispositivo compacto, tal qual um cano de 10,16 a 15,24 diâmetros de 1,8 a 6,1 m de comprimento. Esse fator permite que o gerador de gás compacto da presente invenção seja diretamente localizado em um poço de petróleo ao fundo de forma que todo o gás e os gases quentes de combustão sejam injetados dentro da reserva de petróleo sem qualquer perda anterior de calor no furo do poço ou nas linhas de distribuição de gás da superfície como em caso de geradores de gás convencionais em campos de petróleo de modo direto.

A Figura 5 descreve dois exemplos de aplicação do

18/20 processo de combustão direto em projetos SAGD: (a) o projeto convencional SAGD usando dois furos horizontais e (b) um projeto SAGD de roda-única. Ambas as aplicações do presente processo demonstram um aprimoramento acentuado no desempenho do SAGD devido a (i) a quase completa utilização do conteúdo de calor do combustível sem perdas de gás de combustão e (ii) o efeito dos gases quentes elevando-se acima da frente de condensação de vapor. Nas figuras 5(a) e 5 (b) , um revestimento de gás 4 0 é mostrado acima de uma câmara de vapor em elevação 41, que é criada pela injeção de vapor 42. Na Figura 5, o vapor é criado pela unidade de combustão direta da presente invenção 50. Enquanto os gases quentes 4 5 se elevam, o petróleo e o dreno de vapor condensado 46. Esses gases, que consistem, principalmente, de CO₂ e N₂ quando o ar é usado para combustão e, principalmente CO₂ ao queimar o combustível em oxigênio, elevando na reserva devido à sua baixa densidade comparada àquela do petróleo ou água condensados, essencialmente préaquecendo o petróleo acima da câmara de vapor, que por sua vez, diminui a quantidade de vapor necessária para aquecer adicionalmente o petróleo. Espera-se deste efeito que se diminua significantemente, o raio de petróleo vaporizado. Além disso, os gases, sendo não-condensáveis, acumulam-se eventualmente no topo da zona de acumulação do reservatório, criando um acolchoado de gás gradualmente crescente 40 que age como um isolante térmico contra perdas de calor a serem sobrecarregados. Esse efeito é aceito, também, para produzir uma redução significante no raio de petróleo vaporizado. 0 raio de petróleo vaporizado é o principal indicador econômico de sucesso ou de falência do

19/20 processo de recuperação térmica. Portanto, a discussão acima sugere claramente as vantagens do processo de combustão direta ao fazer de toda aplicação SAGD, um sucesso econômico.

Ainda outro modo de implementar o presente processo de combustão direta nas operações SAGD é quando os poços multilaterais direcionais são localizados nos padrões otimizados abaixo dos injetores. Em tal disposição dos poços do injetor horizontal, e dos poços do produtor horizontal, um dispositivo de alta capacidade (por exemplo, 100 MMBtu/h) podería ser posto na seção vertical alimentando simultaneamente então, a corrente de vapor+gás em vários injetores laterais.

Ainda outro modo de implementar a presente unidade da combustão direta fica como uma instalação da superfície próxima ou na cabeça do poço de injeção, o que deve permitir um fácil acesso ao gerador assim como para permitir a implantação do processo como um processo quase auto-suficiente como descrito abaixo.

A Figura 6 mostra um diagrama esquemático de uma superfície de instalação do presente processo de combustão direta para ganhar aumentos adicionais na eficiência de utilização de energia durante a recuperação térmica de petróleo bruto e betume. Nessa configuração, o processo 50 é desenhado para gerar uma saída térmica maior que os requerimentos de injeção de calor do reservatório. O excesso será utilizado na condução da turbina 51 com a corrente de vapor+gás de combustão. Essa turbina 51, por sua vez, fornece a energia de condução necessária para conduzir os compressores 52 usados para comprimir ar, gás

20/20 de combustível e o vapor de gás de rejeito.

A Figura 6 também mostra o processo usando a água produzida no reservatório. Essa disposição da água produzida em um campo de petróleo de reciclagem para gerar vapor, apresenta um benefício ambiental duplo, ou seja, redução considerável da necessidade do uso de recursos de água fresca e fornece uma solução para o problema de disposição de grandes quantidades de reserva de água produzidas com petróleo bruto.

A maior dificuldade para grandes projetos é encontrar recursos de água fresca próximas a campos de petróleo e obter permissão do governo para usá-las. Autoridades e comunidades estão incentivando companhias de produção de petróleo para reciclar a água produzida. A água produzida por reciclagem nos geradores once-through de campo de petróleo será substancialmente adicionada ao custo da produção de vapor - de forma que, elaborar os métodos de tratamento de água requeridos para obter qualidade da água de adução. Contudo, devido à natureza dessa única direção e características da transferência de calor, o presente processo poderia reciclar água produzida com o mínimo de pré-tratamento.

Ainda que a presente invenção tenha sido revelada através de detalhes consideráveis com uma linguagem clara e concisa, outras versões dela são possíveis. Mesmo assim, o conceito inventivo e escopo da invenção não devem ser limitados pela descrição das modalidades exemplificativas nele contidas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Aparelho para gerar vapor pela combustão de contato direto, caracterizado pelo fato de compreender:

um queimador de difusão de um fluxo de vórtice em uma zona da combustão dentro de uma câmara, o queimador compreendendo pelo menos uma entrada de combustível e pelo menos uma entrada de fluido contendo oxigênio, e onde pelo menos uma das entradas é adaptada para criar uma zona de recirculação do vórtice dentro de uma chama aerodinamicamente estável disposta ao longo de um núcleo axial da zona de combustão dentro da câmara, e onde a chama possui suficiente intensidade para produzir o calor latente de vaporização da água que corresponde à pressão de operação; e onde a câmara é definida por uma parede que compreende uma entrada adaptada para introduzir um fluxo de rotação axial da água ao longo de uma superfície interior da parede, o fluxo de água definindo a zona de combustão e isolando a parede da chama.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da entrada de combustível ser adaptada para introduzir , de forma axial, tangencial, ou ambas, o combustível a uma cabeça do queimador. 3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da entrada de água ser adaptada

para criar um fluxo de água hidrociclônico de dupla camada.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de compreender uma pluralidade de entradas da água onde a câmara e as entradas são adaptadas para criar uma cascata de hidrociclones e onde uma abertura de sobrefluxo de um primeiro hidrociclone é uma abertura de
2/6 subfluxo de um segundo hidrociclone.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de entradas de água é adaptada para fornecer a estabilidade hidrodinâmica do fluido de rotação e diâmetro de núcleo de ar sem líquido suficiente e comprimento para acomodar a zona de combustão sem apagar a clama.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato das entradas e a parede da câmara serem adaptadas para produzir um núcleo livre de líquido dentro da câmara.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do queimador ser configurado para gerar taxas de liberação de calor de 5 MMBtu/h ou mais.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do queimador ser configurado para gerar taxas de liberação do calor de até 200 MMBtu/h.

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda uma zona de transferência de calor a jusante da zona de combustão, compreendendo uma primeira seção convergente de diâmetro reduzido e uma segunda seção divergente de diâmetro aumentado.

10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de ainda compreender um gargalo de diâmetro uniforme entre a seção convergente e a seção divergente.

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato da seção divergente ser mais longa do que a seção convergente.
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12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da entrada de combustível ainda compreender aletas em linha.

13. Aparelho, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato das aletas em linha serem adaptadas para criar um padrão de fluxo em vórtice no combustível.

14. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da saída estar em uma comunicação de fluido com uma turbina.

15. Aparelho, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato da turbina ser ainda conectada a um compressor.

16. Processo para gerar vapor pela combustão de contato direto, caracterizado pelo fato de compreender:

o estabelecimento de uma parede de água axialmente rotativa que tem um núcleo de ar livre de líquido definindo uma zona de combustão em uma extremidade de uma câmara;

a conversão de água a partir da parede de água para vaporizar ao dispor uma chama de difusão aerodinamicamente estável dentro da zona de combustão, a chama e os seus produtos da combustão em contato direto com uma superfície interior da parede de água e da intensidade suficiente para produzir o calor latente de vaporização da água que corresponde à pressão de operação; e a direção do vapor através de uma saída em outra extremidade da câmara.

17. Processo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de ainda compreender uma etapa de passar gases e água de combustão a partir da parede de água através de uma zona de transferência de calor a jusante da
4/6 zona de combustão.

18. Processo, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato da zona de transferência de calor compreender uma seção convergente e uma seção divergente conectadas por um gargalo de diâmetro uniforme menor do que o diâmetro da câmara de combustão definido pela parede de água rotativa.

19. Processo, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato da seção divergente ser mais longa do que a seção convergente.

20. Processo, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que até 90% de uma gota de pressão que ocorre na seção convergente ser recuperado na seção divergente.

21. Processo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato da chama de difusão aerodinamicamente estável ser alimentada por um fluido enriquecido com oxigênio.

22. Processo, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato do fluido enriquecido com oxigênio ser oxigênio ou ar enriquecido com oxigênio.

23. Processo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato da chama de difusão aerodinamicamente estável produzir temperaturas de 2204,44°C ou maior.

24. Processo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato da chama de difusão aerodinamicamente estável gerar taxas de liberação de calor de até 5 MMBtu/h ou mais • 25. Processo, de acordo com a reivindicação 16,

da chama de difusão
5/6 caracterizado pelo fato aerodinamicamente estável gerar taxas de liberação de calor de até 200 MMBtu/h ou mais.

26. Processo para gerar vapor pela combustão de contato direto, caracterizado pelo fato de compreender:

a injeção de água através das entradas em uma parede que define uma câmara substancialmente cilíndrica para estabelecer uma parede de água axialmente rotativa contínua ao longo de uma superfície interior da parede, a parede de água tendo um núcleo de ar livre de líquido definindo uma zona de combustão em uma extremidade da câmara;

dispor uma chama alinhada axialmente com a zona de combustão a partir de um queimador de difusão onde uma entrada introduz o combustível ou o gás contendo oxigênio de forma tangencial à chama, onde a chama possui intensidade suficiente para produzir o calor latente de vaporização da água que corresponde à pressão de operação;

a criação do vapor por contato com a chama e dos produtos da combustão com a parede de água rotacional e dirigindo os produtos da combustão e a água através de uma zona de transferência de calor tendo uma seção convergente e uma seção divergente; e a direção do vapor e dos produtos da combustão através de uma saída da câmara a jusante da zona de transferência de calor.

27. Processo, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato da zona da transferência de calor compreender uma seção convergente e uma seção divergente conectadas por um gargalo de diâmetro reduzido relativo à câmara de combustão.
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28. Processo, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato do gás contendo oxigênio ser introduzido de forma tangencial à chama.

29. Processo, de acordo com a reivindicação 26, t

caracterizado pelo fato do gás contendo oxigênio ser um fluido enriquecido com oxigênio.

30. Processo, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato do queimador de difusão produzir temperaturas de 2204,44°C ou maior.

31. Processo, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato do queimador de difusão gerar taxas de liberação de calor de 5 MMBtu/h ou mais.

32. Processo, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato do queimador de difusão gerar taxas de liberação de calor de até 200 MMBtu/h.

33. Processo, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de ainda compreender a etapa de configurar a entrada de água e a parede para estabelecer uma parede de água de dupla camada, hidrociclônica.

34. Processo, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato dos gases e vapor de combustão que passara através da saída, estarem em uma comunicação de fluido com uma turbina.

35. Processo, de acordo com a reivindicação 34, caracterizado pelo fato da turbina ser ainda conectada a um