CN103900094A - 用于稠油注采的超临界水热燃烧反应器 - Google Patents

Abstract

本发明属于能源与环境领域，特别涉及一种用于稠油注采的超临界水热燃烧反应器。包括内部中空上下端有开口的反应室、与该反应室上端开口密封连接的上顶盖、与反应室下端开口连接的下底盖，反应室、上顶盖和下底盖组成密闭的空间；所述上顶盖中心有圆柱台阶中空，圆柱台阶中空下部台阶中空为燃烧室，圆柱台阶中空上部台阶中空联通的燃料进口，圆柱台阶中空上部台阶中空下端外侧有环形槽，环形槽下部与燃烧室联通，环形槽与上顶盖侧面的氧化剂进口联通；燃烧室下部为混合室，燃烧室侧部有上顶盖与反应室形成的环隙，环隙联通反应室侧面的补充水进口。

Description

用于稠油注采的超临界水热燃烧反应器

 

所属技术领域

本发明属于能源与环境领域，特别涉及一种用于稠油注采的超临界水热燃烧反应器。

背景技术

由于粘度高，稠油的开采和输运都存在很大困难。为解决这一问题，稠油田常利用注汽锅炉产生蒸汽，再进行热采，这已成为稠油开采的有效手段。但这不仅消耗大量的蒸汽，而且会产生大量的采油废液。采油废液中含有大量的原油，如果排入环境不仅引起严重的环境污染，而且造成了资源浪费；如果进行热采回用，废液的处理费用高达7元/m³以上，即便如此，废液热采回用还是非常容易引起锅炉管道积垢，导致传热恶化和爆管。

氮气、二氧化碳和水蒸气组成的多元热流体注采技术，同时具有氮气、二氧化碳和蒸汽注采等多种工艺的优点，将其注入油层，能够降低原油粘度，增大油层压力，提高原油的采出率。实践证明，多元热流体注采技术可使我国老油田的采出率提高5%以上，有的甚至高达20%。多元热流体是由采用火箭动力原理生产制造而成的多元热流体发生器产生的，通过在发生器的燃烧室内进行高温高压燃烧，产生高压蒸汽、二氧化碳、氮气等的混合流体。但由于主燃烧室的反应温度达到3000℃以上，远超过燃烧室材料的熔点，因此必须采取措施将燃烧室进行冷却。这不仅造成了能源的浪费，而且容易导致燃烧不稳定，甚至烧坏燃烧室。

另一种产生多元热流体的技术是超临界水氧化技术。它使得有机物和氧化剂（如空气等）在超临界水中形成均相反应体系，发生氧化反应，碳、氮、氢元素分别转化为二氧化碳、氮气和水，形成二氧化碳、氮气和超临界水的混合流体，也即是一种多元热流体。超临界水是指温度和压力均在其临界点（374.11℃, 22.1MPa）以上的水。与常态水相比，超临界水的主要物性参数如密度、粘度、离子积和介电常数均明显下降，扩散系数较高，传质性能好，可与非极性气体（如氧气、氮气等）和烃类物质完全互溶，而无机盐类则几乎不溶。超临界水氧化技术，典型的反应温度和压力分别为400~600℃和22.1~30MPa，反应产生的二氧化碳、氮气和超临界水的混合流体的温度压力可以调节，以满足稠油注采的需要。超临界水氧化技术的燃料适应性特别广泛，如果将采油废液作为燃料，则可同时实现了采油废液的无害化处理及资源化利用。但是，超临界水氧化技术也存在一定的问题。首先，氧化反应速度较慢，一般需要若干分钟，导致了反应器很长、材料消耗多、成本高昂；其次，原油中富含大量的环烷烃和芳香烃，难以氧化完全，不仅污染了环境，而且浪费了资源；再次，由于只有达到超临界条件反应才能启动，需要提前将物料预热至超临界状态，容易引发析碳、结焦和盐沉积，进而导致传热恶化和堵塞，引起安全事故。

在超临界水氧化技术基础上发展而来的超临界水热燃烧技术，完全克服了超临界水氧化技术的缺点，市场应用前景更为广阔。超临界水热燃烧技术，使得燃料和氧化剂在反应器内发生有火焰的燃烧反应，反应速率极快，一般只需几百毫秒即可将烷烃和芳香烃等有机物完全燃烧；而且反应器正常运行后，燃料的预热温度均不超过250℃，预热过程不会发生结焦、析碳和盐沉积等现象，安全性高。超临界水热燃烧技术最关键的设备是超临界水热燃烧反应器，当前反应器还在不断研发之中。

发明内容

针对当前多元热流体生产技术的缺陷，本发明提供一种产生多元热流体的新设备——用于稠油注采的超临界水热燃烧反应器，提高稠油采出率，同时实现采油废液的无害化处理和资源化利用。

本发明所采用的技术方案是：用于稠油注采的超临界水热燃烧反应器，包括内部中空上下端有开口的反应室、与该反应室上端开口密封连接的上顶盖、与反应室下端开口连接的下底盖，反应室、上顶盖和下底盖组成密闭的空间；所述上顶盖中心有圆柱台阶中空，圆柱台阶中空下部台阶中空为燃烧室，圆柱台阶中空上部台阶中空连通的燃料进口，圆柱台阶中空上部台阶中空下端外侧有环形槽，环形槽下部与燃烧室连通，环形槽与上顶盖侧面的氧化剂进口连通；燃烧室下部为混合室，燃烧室侧部有上顶盖与反应室形成的环隙，环隙连通反应室侧面的补充水进口；下底盖的上表面内凹为圆锥台，下底盖上有与反应空间连通的压力表和安全阀接口、下底盖上有与反应空间连通的多元热流体出口。

作为一种优选方式，所述燃烧进口周围同一圆周上均匀布置有3~6个长短不一的测温套管，测温套管伸入燃烧室，从上往下，相邻两个测温套管的间距越来越长，测温导管内插有热电偶。 

作为一种优选方式，从燃料进口进入的燃料为采油废水，当采油废水中有机物质量浓度不足10wt%时，可以添加适量的液体燃料进行补充，液体燃料为原油、甲醇、乙醇、异丙醇等有机物。

作为一种优选方式，从氧化剂进口进入的氧化剂为空气、氧气、液氧、双氧水溶液中的任一种。

作为一种优选方式，所述补充水为软化水、自来水等的一种，要求水中有机物含量不超过1wt%、无机盐浓度不超过0.1wt%。

作为一种优选方式，所述圆锥台母线和底面的夹角为5°~15°。

本发明的有益效果是：通过上顶盖的优化设计，使得燃料和氧化剂形成同心射流，确保燃料稳定启燃和燃烧，再加上补充水对燃烧室的冷却作用，避免了类似火箭发动机燃烧不稳定、超温及烧坏燃烧室的现象。其次，本发明中进口燃料的预热温度不超过250℃，克服了超临界水氧化技术预热过程的结焦和盐沉积问题。再次，本发明采用超临界水热燃烧的方式使得燃料迅速启燃并快速燃尽，大大缩短了反应时间，反应器的长度很短，有效降低了反应器成本。

本发明利用超临界水热燃烧将采油废液迅速燃尽，产生多元热流体注入油井注采，降低稠油粘度、提高采油率，市场前景广阔。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明超临界水热燃烧反应器的结构示意图。

图2是图1的A向视图。

图3是图1的B向视图。

图4是图1的I部放大图。

图5是图1的II部放大图。

图中：1、第一螺母、螺栓和垫片；2、上顶盖；3、第一圆锥密封面；4、反应室；5、第一测温套管；6、第二测温套管；7、安全阀和压力表引管；8、第二圆锥密封面；9、下底盖；10、第二螺母、螺栓和垫片；11、保温外壳；12~15、第三测温套管；16、环隙；17、环形槽；18、燃烧室；19、混合室。N1~N4、第一热电偶插口；N5、燃料进口；N6、氧化剂进口；N7、压力表和安全阀接口；N8、多元热流体出口；N9、第二热电偶插口；N10、第三热电偶插口；N11、补充水进口。

具体实施方式

参照图1-图5，用于稠油注采的超临界水热燃烧反应器，包括用于承压的上顶盖2、反应室4和下底盖9，用于密封的第一螺母、螺栓、垫片1和第二螺母、螺栓、垫片10，以及第一圆锥密封面3和第二圆锥密封面8，用于安装安全阀和压力表的引管7，用于保温的保温外壳11，用于温度测量的第一测温套管5、第二测温套管6和第三测温套管12~15，用于引入氧化剂的环形槽17，用于引入补充水的环隙16，上顶盖2中心布置的燃料进口N5，上顶盖2靠近燃料进口N5同一圆周上布置的热电偶插口N1~N4，设置在上顶盖2侧面与环隙17连通的氧化剂进口N6，用于安装压力表和安全阀的接口N7，多元热流体出口N8，第二热电偶插口N9和第三热电偶插口N10，设置在反应室4侧面与环隙16连通的补充水进口N11。

参照图1，图2和图4，上顶盖2的中心设置有燃料进口N5，侧面设置氧化剂进口N6，并开有环形槽17，环形槽17与氧化剂进口N6连通，并与燃烧室18连通。燃料进口N5喷出的燃料与环形槽17喷出的氧化剂，在燃烧室18内碰撞、启燃并迅速燃尽，产物为超临界水、二氧化碳和氮气三者混合而成的第一种多元热流体。燃料进口N5附近的同一圆周上布置有第三测温套管12~15，从上往下相邻两套管的间距越来越长，这与启燃后火焰的温度梯度越来越小相一致，第三测温套管12~15监控燃烧室18内的温度梯度，并根据温度梯度判断是否发生水热燃烧，进而调控燃料和氧化剂的流量和温度等参数。

反应室4侧面设有补充水进口N11，上顶盖2和反应室4接触处形成环隙16，从补充水进口N11进入的补充水，进入环隙16，然后进入混合室19，与从燃烧室18出来第一种多元热流体混合，形成第二种多元热流体。补充水可以是自来水、软化水等，通过增减补充水的流量，可以分别降低或提高第二种多元热流体的温度，通过反应室4上设置的第一测温套管5和第二测温套管6监控第二种多元热流体的温度。

参考图1和图5，下底盖9的上表面内凹为圆锥台，圆锥台母线和底面有一夹角a，范围为5~15°，这是为了促进产生的多元热流体顺利从多元热流体出口N8引出。

本发明的工作流程可以描述如下：燃料从燃料进口N5进入反应室4；氧化剂从氧化剂进口N6进入，经环形槽17分配，呈环形的形式进入反应室4。氧化剂与燃料形成同心射流，在燃烧室18内迅速启燃并燃尽，燃烧产物为超临界水、氮气和二氧化碳形成的第一种多元热流体。第三测温套管12~15监控燃烧室18内的温度梯度，进而调整各种反应物的添加量，确保水热燃烧稳定进行。补充水从补充水进口N11引入，经环隙16分配，进入混合室19。补充水与从燃烧室18出来的第一种多元热流体在混合室19内混合，形成第二种多元热流体。第一测温套管5和第二测温套管6、压力表和安全阀引管7对第二种多元热流体的温度和压力进行监控，根据实际需要，增减补充水的流量，实现对第二种多元热流体温度的调控。

Claims (6)

1.用于稠油注采的超临界水热燃烧反应器，其特征在于：包括内部中空上下端有开口的反应室、与该反应室上端开口密封连接的上顶盖、与反应室下端开口连接的下底盖，反应室、上顶盖和下底盖组成密闭的空间；所述上顶盖中心有圆柱台阶中空，圆柱台阶中空下部台阶中空为燃烧室，圆柱台阶中空上部台阶中空连通的燃料进口，圆柱台阶中空上部台阶中空下端外侧有环形槽，环形槽下部与燃烧室连通，环形槽与上顶盖侧面的氧化剂进口连通；燃烧室下部为混合室，燃烧室侧部有上顶盖与反应室形成的环隙，环隙连通反应室侧面的补充水进口；下底盖的上表面内凹为圆锥台，下底盖上有与反应空间连通的压力表和安全阀接口、下底盖上有与反应空间连通的多元热流体出口。

2.根据权利要求1所述的用于稠油注采的超临界水热燃烧反应器，其特征在于：所述燃烧进口周围同一圆周上均匀布置有3~6个长短不一的测温套管，测温套管伸入燃烧室，从上往下，相邻两个测温套管的间距越来越长，测温导管内插有热电偶。

3.根据权利要求1所述的用于稠油注采的超临界水热燃烧反应器，其特征在于：从燃料进口进入的燃料为采油废水，当采油废水中有机物质量浓度不足10wt%时，可以添加适量的液体燃料进行补充，液体燃料为原油、甲醇、乙醇、异丙醇等有机物。

4.根据权利要求1所述的用于稠油注采的超临界水热燃烧反应器，其特征在于：从氧化剂进口进入的氧化剂为空气、氧气、液氧、双氧水溶液中的任一种。

5.根据权利要求1所述的用于稠油注采的超临界水热燃烧反应器，其特征在于：所述补充水为软化水、自来水等的一种，要求水中有机物含量不超过1wt%、无机盐浓度不超过0.1wt%。

6.根据权利要求1所述的用于稠油注采的超临界水热燃烧反应器，其特征在于：所述圆锥台母线和底面的夹角为5°~15°。

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