CN111536504B - 一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，属于石油热采技术领域。本发明的石油热采多元热流体发生系统，包括制浆装置、搅拌罐、高压泵、燃烧器、高温分离器和储渣罐，燃烧器整体垂直布置，包括燃烧室、设于燃烧室下部的汽化室、以及分别设于燃烧室顶部的雾化喷枪、旋风器和辅助点火装置。利用顶置旋流燃烧器配合辅助点火装置，使水焦浆与助燃剂混合后高压旋流喷射燃烧，保证了水焦浆与助燃剂充分混合并雾化，利用旋风器形成回旋燃烧来强化水焦浆着火燃烧，延长着火燃烧时间，保证了水焦浆充分燃烧，减少焦炭燃烬和飞灰含碳量，使得石油焦作为多元热流体发生器的燃料成为可能，降低了多元热流体稠油开采的成本。

Description

一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统
技术领域
本发明涉及一种石油热采多元热流体发生系统，更具体地说，涉及一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统。
背景技术
油田的稠油开采主要以蒸汽吞吐、蒸汽驱开发为主，但存在热波及范围小、回采效果差、热损失大等问题。因此吞吐开发后期一般采用注入氮气/二氧化碳等气体辅助蒸汽来提高热采效果，这正是多元热流体采油技术的特征与优势所在。多元热流体热采技术是一种高效利用氮气、二氧化碳、水蒸气及燃烧热量协同作用的综合采油方法，通过加热和气体溶解降粘、气体增压、气体扩大加热范围和减小热损失、气体辅助原油重力驱等机理来开采稠油，并且可选择性地添加高温起泡剂，在地下形成高温泡沫，控制多元热流体的流度，调整油藏吸气剖面。
多元热流体热采技术工艺设备、流程简单，适合在各种油井使用，已在国内外有一定规模的推广应用，结果表明多元热流体采油工艺实施后增产效果显著。目前一般采用柴油或天然气作为燃料，燃料与空气混合燃烧后，高温燃气再将水加热汽化，一起注入油层。随着国际上石油和天然气价格的攀升，采用柴油和天然气作为多元热流体燃料也带来了成本上的压力，为了进一步降低稠油的开采成本，提高国际市场竞争力，迫切需要开发一种低成本的多元流体热采技术。石油焦是石油加工过程的副产品，是原油经蒸馏将轻重质油分离后，重质油再经热裂过程后，转化而成的产品，其外观为黑色或暗灰色的蜂窝状结构，价格较低。目前，石油焦主要被用于制石墨、冶炼、化工和水泥工业等行业，其被用作燃料主要是在水煤浆厂和玻璃厂等，需要进行超微粉碎成焦粉后才能进行燃烧使用。石油焦的特殊理化特性是制约其作为燃料使用的主要因素，如何保证其充分燃烧是主要技术难点。针对石油焦作为燃料利用的问题，近年来相关研究单位也提出了一些技术方案，如中国专利申请号201710505468.X公开的“石油焦气化装置”、中国专利申请号201721078273.3公开的“石油焦燃烧装置及石油焦燃烧系统”、中国专利申请号201910271639.6公开的“石油焦高温气化喷嘴”以及中国专利申请号201911168808.X公开的“石油焦粉燃烧系统及方法”等。上述专利申请案提供了石油焦作为燃料使用的可行性方案，然而用石油焦代替天然和柴油来作为多元热流体发生器的燃料，是一种系统性改进工程，仍有许多技术难点需要克服，其中如何保证石油焦稳定点火且充分稳定燃烧依然是其在多元流体热采技术中应用的难点之一。
事实上，采用石油焦作为稠油开采注气燃料的思路早已存在，如中国专利号ZL200610047635.2公开的名称为“利用水焦浆作为稠油热采注汽锅炉燃料的工艺方法”，该方法包括水焦浆的生产制备、稠油热采注汽锅炉内燃烧器组的设置、点火方式和顺序、燃烧和传热过程以及改善燃烧过程、提高燃烧效率的措施五个方面的内容，其利用上述工艺方法实现以水焦浆替代原油作为热采注汽锅炉燃料。然而，该专利申请案并没有给出一种具体的燃烧器结构设置，实际燃烧效率有待验证。而从实际应用来看，目前尚无以石油焦为燃料的稠油热采工艺的实际应用，这也从侧面印证了用石油焦代替天然和柴油来作为多元热流体发生器的燃料所存在的技术难度，水焦浆燃烧器使水焦浆充分雾化燃烧的稳定性也是制约石油焦在多元热流体发生器中作为燃料应用的难度所做。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的旨在提供一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，利用顶置旋流燃烧器配合辅助点火装置，采用分级点火方式，使水焦浆与助燃剂混合后高压旋流喷射燃烧，保证了水焦浆与助燃剂充分混合并雾化，利用旋风器形成回旋燃烧来强化水焦浆着火燃烧，延长着火燃烧时间，保证了水焦浆充分燃烧，减少焦炭燃烬和飞灰含碳量，使得石油焦作为多元热流体发生器的燃料成为可能，降低了多元热流体稠油开采的成本，提高了石油开采企业的国际市场竞争力。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，包括制浆装置、搅拌罐、高压泵、燃烧器、高温分离器和储渣罐，所述的燃烧器整体垂直布置，包括燃烧室、设于燃烧室下部的汽化室、以及分别设于燃烧室顶部的雾化喷枪、旋风器和辅助点火装置，所述的辅助点火装置设于雾化喷枪的一侧，所述的雾化喷枪包括水焦浆喷嘴、分别连接水焦浆喷嘴的水焦浆进口和助燃气进口，所述的水焦浆喷嘴包括喷嘴主体，所述的喷嘴主体内设有与水焦浆进口相连接的水焦浆通道、以及与助燃气进口相连接的助燃剂通道，所述的水焦浆通道设于喷嘴主体的中心，所述的助燃剂通道沿圆周方向分布在水焦浆通道的四周，所述的水焦浆通道的末端通过水焦浆支管分别与各个助燃剂通道相连通，每道助燃剂通道的末端均设有位于喷嘴主体前端面上的喷射口，各个喷射口沿同一圆周方向具有一定倾斜角度，且每个喷射口处均设有内凹扩散槽；所述的旋风器固定安装于水焦浆喷嘴的前端，该旋风器包括环状的旋风器主体，所述的旋风器主体的前端面上设有螺旋槽，所述的水焦浆喷嘴的前端面喷射口位于旋风器主体的中心通孔后端，且旋风器的螺旋槽旋向与水焦浆喷嘴的喷射口形成的旋流方向一致；
所述的制浆装置的出浆口与搅拌罐相连接，所述的搅拌罐的水焦浆出口通过高压泵连接至雾化喷枪的水焦浆进口；所述的燃烧室的外壁上设有冷却水套，所述的燃烧室的顶部设有连通冷却水套的进水口，所述的冷却水套的下端出水口连接至汽化室，所述的汽化室的底部通过排渣口连接储渣罐，所述的汽化室的侧面设有多元热流体出口，在多元热流体出口处设有高温分离器。
更进一步地，所述的制浆装置制备的水焦浆质量百分比组分为：
石油焦：75％；水：22％；定粘剂：3％；
配置后的水焦浆定粘浓度为80wt％。
更进一步地，所述的高压泵与雾化喷枪之间的连接管路中还设有质量流量计，所述的高压泵将水焦浆加压至16～21MPa后通过质量流量计输送至雾化喷枪。
更进一步地，所述的高压泵与搅拌罐之间还设有回流管，该回流管上设有回流控制阀门。
更进一步地，所述的喷射口在喷嘴主体前端面上沿圆周方向均匀设有8个，且每个喷射口所对应的内凹扩散槽相交形成花瓣状结构。
更进一步地，所述的助燃气进口内输入的助燃气体为富氧气体。
更进一步地，所述的辅助点火装置包括辅助点火喷嘴和点火器，所述的点火器设于辅助点火喷嘴的一侧，所述的辅助点火喷嘴上连接有空气进口和辅助燃料进口。
更进一步地，所述的辅助点火装置中的辅助点火燃料为天然气或柴油。
更进一步地，所述的燃烧室的下端还设有用于向燃烧室内补入燃气的燃气补气口。
更进一步地，所述的燃烧器采用分级点火，具体点火方法如下：
S1、启动时，利用辅助点火装置在燃烧室内点燃辅助点火燃料，并逐步增加辅助点火燃料以使燃烧室内升温升压；
S2、待燃烧室内达到一定温度后，通过高压泵向雾化喷枪内输入高压水焦浆，高压水焦浆经过雾化喷枪雾化后着火燃烧，并逐步增加水焦浆的投入量，减少辅助点火燃料的投入量，实现混烧升温升压，直至停用辅助点火燃料；水焦浆和助燃气在雾化喷枪内混合并从喷射口内以一定角度旋转喷出，经过旋风器上的螺旋槽导流后在燃烧室内形成回旋燃烧气流，燃烧气流在汽化室内与经过冷却水套换热汽化后喷入的汽化水混合换热，形成气态的多元热流体，多元热流体经过高温分离器分离过滤掉粉尘杂质注入井下，燃烧产生的炉渣下落进入储渣罐内定期排放。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其包括制浆装置、搅拌罐、高压泵、燃烧器、高温分离器和储渣罐，燃烧器整体垂直布置，包括燃烧室、设于燃烧室下部的汽化室、以及分别设于燃烧室顶部的雾化喷枪、旋风器和辅助点火装置，制浆装置用于将石油焦制成水焦浆，搅拌罐用于水焦浆的搅拌和中间存储，高压泵用于对水焦浆进行高压输送，燃烧器采用顶置旋流燃烧器，配合辅助点火装置进行分级点火，使水焦浆与助燃剂在雾化喷枪中混合后高压旋流喷射燃烧，使得水焦浆雾化后与助燃剂充分混合，并利用旋风器形成回旋燃烧来强化水焦浆着火燃烧，延长水焦浆的燃烧时间，保证了水焦浆燃烧充分，减少焦炭燃烬和飞灰含碳量，有利于后续高温分离器对多元热流体中的粉尘进行分离，形成清洁的多元热流体供井下使用，使得石油焦作为多元热流体发生器的燃料成为可能，减少了天然气和柴油的使用，降低了多元热流体稠油开采的成本，提高了石油开采企业的国际市场竞争力；
(2)本发明的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其制浆装置制备的水焦浆质量百分比组分为：石油焦：75％；水：22％；定粘剂：3％；配置后的水焦浆定粘浓度为80wt％，提高了水焦浆的稳定性，使得水焦浆具有良好的成浆性，便于水焦浆在燃烧器内的雾化喷射燃烧，进一步提高了水焦浆的燃烧充分性，充分利用了石油焦的热值；
(3)本发明的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其高压泵与雾化喷枪之间的连接管路中还设有质量流量计，高压泵将水焦浆加压至16～21MPa后通过质量流量计输送至雾化喷枪，利用质量流量计便于控制水焦浆的投入量，保证水焦浆定量投入、稳定燃烧；利用高压泵使得水焦浆高压喷射，便于水焦浆充分雾化，进一步保证了水焦浆的充分稳定燃烧；
(4)本发明的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其高压泵与搅拌罐之间还设有回流管，该回流管上设有回流控制阀门，便于水焦浆向燃烧器内输送控制和水焦浆的输送压力控制；
(5)本发明的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其水焦浆喷嘴前端面的每个喷射口处均设有内凹扩散槽，使得水焦浆能够向四周雾化喷出，提高了水焦浆喷嘴的雾化效果，且每个喷射口所对应的内凹扩散槽相交形成花瓣状结构，各个喷射口喷射出的雾化水焦浆混合物能够进一步混合在一起，使得水焦浆与助燃剂的混合气液能够在雾化后充分接触，提高水焦浆的燃烧稳定性和充分性；
(6)本发明的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其助燃气进口内输入的助燃气体为富氧气体，保证了氧气含量供应充足；
(7)本发明的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其辅助点火装置包括辅助点火喷嘴和点火器，点火器设于辅助点火喷嘴的一侧，辅助点火喷嘴上连接有空气进口和辅助燃料进口，辅助点火装置中的辅助点火燃料为天然气或柴油，利用辅助点火装置在点火初期提供做够的点火温度和压力，保证了石油焦水焦浆能够温度着火燃烧；
(8)本发明的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其在燃烧室的下端还设有用于向燃烧室内补入燃气的燃气补气口，根据需要利用燃气补气口适当补入一定的燃气来提高燃烧室内的燃烧温度和压力，保证了多元热流体的稳定生产；
(9)本发明的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其燃烧器采用分级点火，先利用辅助点火装置在燃烧室内点燃辅助点火燃料，并逐步增加辅助点火燃料以使燃烧室内升温升压，待燃烧室内达到一定温度后，通过高压泵向雾化喷枪内输入高压水焦浆，高压水焦浆经过雾化喷枪雾化后着火燃烧，并逐步增加水焦浆的投入量，减少辅助点火燃料的投入量，实现混烧升温升压，直至停用辅助点火燃料，保障了石油焦水焦浆在高温高压下稳定点火燃烧，提高了水焦浆的点火成功率和点火稳定性。
附图说明
图1为本发明的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统的原理示意图；
图2为本发明中燃烧器顶部的雾化喷枪与旋风器的配合结构示意图；
图3为本发明中燃烧器顶部的雾化喷枪的剖视结构示意图；
图4为本发明中的一种水焦浆喷嘴的立体结构示意图；
图5为图4中水焦浆喷嘴的剖视结构示意图；
图6为本发明中的一种旋风器的平面结构示意图；
图7为图6中旋风器的剖视结构示意图。
示意图中的标号说明：
1、制浆装置；2、搅拌罐；3、高压泵；4、质量流量计；5、燃烧器；5-1、燃烧室；5-1-1、端盖；5-2、汽化室；5-3、雾化喷枪；5-3-1、水焦浆喷嘴；5-3-1a、喷嘴主体；5-3-1b、水焦浆通道；5-3-1c、助燃剂通道；5-3-1d、水焦浆支管；5-3-1e、喷射口；5-3-1f、内凹扩散槽；5-3-2、水焦浆进口；5-4、旋风器；5-4-1、旋风器主体；5-4-2、中心通孔；5-4-3、螺旋槽；5-5、辅助点火装置；5-5-1、辅助点火喷嘴；5-5-2、空气进口；5-5-3、辅助燃料进口；5-5-4、点火器；5-6、助燃气进口；5-7、进水口；5-8、冷却水套；5-9、燃气补气口；6、高温分离器；7、排渣口；8、储渣罐。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
图1示出了本发明的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统的原理示意图，其包括制浆装置1、搅拌罐2、高压泵3、燃烧器5、高温分离器6和储渣罐8，燃烧器5整体垂直布置，有利于石油焦水焦浆充分燃烧，且利于燃烬收集，该燃烧器5采用顶置旋流燃烧设置，包括燃烧室5-1、设于燃烧室5-1下部的汽化室5-2、以及分别设于燃烧室5-1顶部的雾化喷枪5-3、旋风器5-4和辅助点火装置5-5，辅助点火装置5-5设于雾化喷枪5-3的一侧，旋风器5-4固定安装于雾化喷枪5-3的前端。制浆装置1的出浆口与搅拌罐2相连接，搅拌罐2的水焦浆出口通过高压泵3连接至雾化喷枪5-3；燃烧室5-1的外壁上设有冷却水套5-8，燃烧室5-1的顶部设有连通冷却水套5-8的进水口5-7，冷却水套5-8的下端出水口连接至汽化室5-2，汽化室5-2的底部通过排渣口7连接储渣罐8，汽化室5-2的侧面设有多元热流体出口，在多元热流体出口处设有高温分离器6。高压泵3与雾化喷枪5-3之间的连接管路中还设有质量流量计4，高压泵3将水焦浆加压至16～21MPa后通过质量流量计4输送至雾化喷枪5-3。燃烧器5采用分级点火，具体点火方法如下：
S1、启动时，利用辅助点火装置5-5在燃烧室5-1内点燃辅助点火燃料，并逐步增加辅助点火燃料以使燃烧室5-1内升温升压；
S2、待燃烧室5-1内达到一定温度后，通过高压泵3向雾化喷枪5-3内输入高压水焦浆，高压水焦浆经过雾化喷枪5-3雾化后着火燃烧，并逐步增加水焦浆的投入量，减少辅助点火燃料的投入量，实现混烧升温升压，直至停用辅助点火燃料；水焦浆和助燃气在雾化喷枪5-3内混合并以一定角度旋转喷出，经过旋风器5-4导流后在燃烧室5-1内形成回旋燃烧气流，燃烧气流在汽化室5-2内与经过冷却水套5-8换热汽化后喷入的汽化水混合换热，形成气态的多元热流体，多元热流体经过高温分离器6分离过滤掉粉尘杂质注入井下，燃烧产生的炉渣下落进入储渣罐8内定期排放。
图2和图3示出了雾化喷枪5-3与旋风器5-4的配合结构以及辅助点火装置5-5的结构，旋风器5-4固定安装于水焦浆喷嘴5-3-1的前端，使得水焦浆喷嘴5-3-1喷出的水焦浆和助燃气混合燃料经过旋风器5-4形成回旋燃烧气流，进一步强化了水焦浆的着火燃烧。水焦浆喷嘴5-3-1的具体结构可参见图4和图5所示，雾化喷枪5-3包括水焦浆喷嘴5-3-1、分别连接水焦浆喷嘴5-3-1的水焦浆进口5-3-2和助燃气进口5-6，水焦浆喷嘴5-3-1包括喷嘴主体5-3-1a，喷嘴主体5-3-1a内设有与水焦浆进口5-3-2相连接的水焦浆通道5-3-1b、以及与助燃气进口5-6相连接的助燃剂通道5-3-1c，水焦浆通道5-3-1b设于喷嘴主体5-3-1a的中心，助燃剂通道5-3-1c沿圆周方向分布在水焦浆通道5-3-1b的四周，水焦浆通道5-3-1b的末端通过水焦浆支管5-3-1d分别与各个助燃剂通道5-3-1c相连通，每道助燃剂通道5-3-1c的末端均设有位于喷嘴主体5-3-1a前端面上的喷射口5-3-1e，各个喷射口5-3-1e沿同一圆周方向具有一定倾斜角度，且每个喷射口5-3-1e处均设有内凹扩散槽5-3-1f。如图4所示，作为一种优选方式，喷射口5-3-1e在喷嘴主体5-3-1a前端面上沿圆周方向均匀设有8个，且每个喷射口5-3-1e所对应的内凹扩散槽5-3-1f相交形成花瓣状结构，使得水焦浆与助燃剂的混合气液能够在雾化后充分接触，提高水焦浆的燃烧稳定性和充分性。旋风器5-4的具体结构可参见图6和图7所示，该旋风器5-4包括环状的旋风器主体5-4-1，旋风器主体5-4-1的前端面上设有螺旋槽5-4-3，水焦浆喷嘴5-3-1的前端面喷射口5-3-1e位于旋风器主体5-4-1的中心通孔5-4-2后端，且旋风器5-4的螺旋槽5-4-3旋向与水焦浆喷嘴5-3-1的喷射口5-3-1e形成的旋流方向一致，水焦浆和助燃气在雾化喷枪5-3内混合并从喷射口5-3-1e内以一定角度旋转喷出，经过旋风器5-4上的螺旋槽5-4-3导流后在燃烧室5-1内形成回旋燃烧气流，延长水焦浆的燃烧时间，保证了水焦浆燃烧充分，减少焦炭燃烬和飞灰含碳量。
参见图2所示，辅助点火装置5-5包括辅助点火喷嘴5-5-1和点火器5-5-4，点火器5-5-4设于辅助点火喷嘴5-5-1的一侧，辅助点火喷嘴5-5-1上连接有空气进口5-5-2和辅助燃料进口5-5-3，利用辅助点火装置5-5先达到一定燃烧温度压力，保证了石油焦水焦浆能够稳定点火燃烧。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
[实施例]
如图1至图7所示，本实施例的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，包括制浆装置1、搅拌罐2、高压泵3、燃烧器5、高温分离器6和储渣罐8，制浆装置1用于将石油焦制成水焦浆，可采用现有石油焦制浆设备，水焦浆通常由石油焦粉、水和添加剂配置而成，为了改善水焦浆的燃烧性能，在本实施例中，制浆装置1制备的水焦浆质量百分比组分为：石油焦(粉)：75％；水：22％；定粘剂：3％；配置后的水焦浆定粘浓度达到80wt％，提高了水焦浆的稳定性，使得水焦浆具有良好的成浆性，便于水焦浆在燃烧器5内的雾化喷射燃烧，进一步提高了水焦浆的燃烧充分性，充分利用了石油焦的热值。定粘剂优选采用木质素磺酸盐，具有非常好的扩散性和定粘作用，保证了制备的水焦浆的成浆性，提高了水焦浆高压喷射的雾化效果。搅拌罐2用于水焦浆的搅拌和中间存储，保证了水焦浆向燃烧器5的稳定输送，搅拌罐2上设有通过电机驱动的搅拌装置，使水焦浆能够充分混合均匀，防止沉淀。高压泵3用于对水焦浆进行高压输送，保证水焦浆高压喷射的雾化效果。燃烧器5整体垂直布置，有利于石油焦水焦浆充分燃烧，且利于燃烬收集，该燃烧器5采用顶置旋流燃烧设置，包括燃烧室5-1、设于燃烧室5-1下部的汽化室5-2、以及分别设于燃烧室5-1顶部的雾化喷枪5-3、旋风器5-4和辅助点火装置5-5，燃烧室5-1和汽化室5-2采用法兰连接，雾化喷枪5-3、旋风器5-4和辅助点火装置5-5均安装于燃烧室5-1的顶部端盖5-1-1上，端盖5-1-1与燃烧室5-1上部也采用法兰连接，辅助点火装置5-5设于雾化喷枪5-3的一侧，雾化喷枪5-3包括水焦浆喷嘴5-3-1、分别连接水焦浆喷嘴5-3-1的水焦浆进口5-3-2和助燃气进口5-6，水焦浆喷嘴5-3-1包括喷嘴主体5-3-1a，喷嘴主体5-3-1a内设有与水焦浆进口5-3-2相连接的水焦浆通道5-3-1b、以及与助燃气进口5-6相连接的助燃剂通道5-3-1c，水焦浆进口5-3-2与高压泵3通过输送管道连接，用于输送水焦浆，助燃气进口5-6与助燃气输送装置连接，向水焦浆喷嘴5-3-1内输送水焦浆助燃气体，水焦浆通道5-3-1b设于喷嘴主体5-3-1a的中心，助燃剂通道5-3-1c沿圆周方向分布在水焦浆通道5-3-1b的四周，水焦浆通道5-3-1b的末端通过水焦浆支管5-3-1d分别与各个助燃剂通道5-3-1c相连通，每道助燃剂通道5-3-1c的末端均设有位于喷嘴主体5-3-1a前端面上的喷射口5-3-1e，各个喷射口5-3-1e沿同一圆周方向具有一定倾斜角度，且每个喷射口5-3-1e处均设有内凹扩散槽5-3-1f。上述喷射口5-3-1e的倾斜角度可设计为10°～45°，该倾斜角度是指喷射口5-3-1e的喷射方向与竖直轴线之间的夹角，利用喷射口5-3-1e的倾斜设置，使得喷出的雾状水焦浆具有一个初步的旋转作用。如图5所示，水焦浆由水焦浆通道5-3-1b输入，助燃剂由助燃剂通道5-3-1c输入，水焦浆通过水焦浆支管5-3-1d在助燃剂通道5-3-1c的末端混合后从喷射口5-3-1e喷出，水焦浆和助燃气形成气液混合后高压喷出，不仅提高了水焦浆的雾化效果，而且使得水焦浆与助燃气充分融合接触，使得水焦浆能够充分完全燃烧；另外通过内凹扩散槽5-3-1f设计，使得水焦浆从喷射口5-3-1e喷出后能够向四周扩散，增大了雾化面，使得水焦浆雾化扩散更加均匀，提高了水焦浆喷嘴的雾化效果。如图4所示，在本实施例中，喷射口5-3-1e在喷嘴主体5-3-1a前端面上沿圆周方向均匀设有8个，且每个喷射口5-3-1e所对应的内凹扩散槽5-3-1f相交形成花瓣状结构，使各个喷射口5-3-1e喷射出的雾化水焦浆混合物能够进一步混合在一起，使助燃剂与水焦浆充分混合后在喷射口5-3-1e处形成二次碰撞混合，使得水焦浆与助燃剂的混合气液能够在雾化后充分接触，然后再经过旋风器5-4进一步均匀分布，提高水焦浆的燃烧稳定性和充分性。上述的助燃气进口5-6内输入的助燃气体优选为富氧气体，保证了氧气含量供应充足。如图2、图6和图7所示，旋风器5-4固定安装于水焦浆喷嘴5-3-1的前端，该旋风器5-4包括环状的旋风器主体5-4-1，旋风器主体5-4-1的前端面上设有螺旋槽5-4-3，螺旋槽5-4-3沿旋风器主体5-4-1圆周方向均匀设置，形成螺旋叶片状结构；水焦浆喷嘴5-3-1的前端面喷射口5-3-1e位于旋风器主体5-4-1的中心通孔5-4-2后端，且旋风器5-4的螺旋槽5-4-3旋向与水焦浆喷嘴5-3-1的喷射口5-3-1e形成的旋流方向一致，由于雾化喷枪5-3的各个喷射口5-3-1e沿同一圆周方向具有一定倾斜角度，在水焦浆喷出后即具有一定的初步旋转效果，从而形成旋转的燃烧气流，该旋转的燃烧气流再经过旋风器5-4的螺旋槽5-4-3进一步向外扩散，从而在燃烧室5-1内形成回旋燃烧区域，该回旋燃烧区域能够保证水焦浆的充分扩散燃烧，且延长了水焦浆的燃烧时间，强化了水焦浆的着火燃烧效果，保证了水焦浆燃烧充分，减少焦炭燃烬和飞灰含碳量，有利于后续高温分离器对多元热流体中的粉尘进行分离，形成清洁的多元热流体供井下使用。上述的水焦浆喷嘴5-3-1和旋风器5-4均优选采用耐热不锈钢制造，其顶置旋流燃烧设置，结构布置合理、安全可靠、使用寿命长。
参见图1所示，制浆装置1的出浆口与搅拌罐2相连接，配置的水焦浆进入搅拌罐2内暂存，并利用搅拌装置持续搅拌，搅拌罐2的水焦浆出口通过高压泵3连接至雾化喷枪5-3的水焦浆进口5-3-2；高压泵3与雾化喷枪5-3之间的连接管路中还设有质量流量计4，利用质量流量计4便于控制水焦浆的投入量，保证水焦浆定量投入、稳定燃烧；高压泵3将水焦浆加压至16～21MPa后通过质量流量计4输送至雾化喷枪5-3，利用高压泵3使得水焦浆高压喷射，便于水焦浆充分雾化，进一步保证了水焦浆的充分稳定燃烧。高压泵3与搅拌罐2之间还设有回流管，该回流管上设有回流控制阀门，利用回流控制阀门来控制回流流量，便于水焦浆向燃烧器5内输送控制和水焦浆的输送压力控制。在燃烧室5-1的外壁上设有冷却水套5-8，燃烧室5-1的顶部设有连通冷却水套5-8的进水口5-7，该进水口5-7优选设于燃烧室5-1顶部的端盖5-1-1上(如图3所示)，冷却水套5-8的下端出水口连接至汽化室5-2，汽化室5-2的底部通过排渣口7连接储渣罐8，汽化室5-2的侧面设有多元热流体出口，在多元热流体出口处设有高温分离器6。冷却水套5-8内通入的水经过燃烧室5-1的高温换热形成汽化水，该汽化水喷入汽化室5-2内与燃气接触混合换热，形成多元热流体，多元热流体经过高温分离器6过滤后输送至井下，燃烧灰烬经过排渣口7进入储渣罐8内，定期对储渣罐8进行排渣处理。
参见图2所示，在本实施例中，辅助点火装置5-5包括辅助点火喷嘴5-5-1和点火器5-5-4，点火器5-5-4设于辅助点火喷嘴5-5-1的一侧，为了保证稳定点火，可在辅助点火喷嘴5-5-1的一侧设有2～3组点火器5-5-4，点火器5-5-4可采用电火花点火器；辅助点火喷嘴5-5-1上连接有空气进口5-5-2和辅助燃料进口5-5-3，空气和辅助燃料从辅助点火喷嘴5-5-1进入燃烧器内，用点火器5-5-4点燃。上述的辅助点火装置5-5中的辅助点火燃料为天然气或柴油，利用辅助点火装置5-5在点火初期提供做够的点火温度和压力，保证了石油焦水焦浆能够温度着火燃烧。为了保证燃烧室5-1内的燃烧温度和压力，在燃烧室5-1的下端还设有用于向燃烧室5-1内补入燃气的燃气补气口5-9，根据需要利用燃气补气口5-9适当补入一定的燃气来提高燃烧室内的燃烧温度和压力，保证了多元热流体的稳定生产。燃烧器5采用分级点火，具体点火方法如下：
S1、启动时，利用辅助点火装置5-5在燃烧室5-1内点燃辅助点火燃料，并逐步增加辅助点火燃料以使燃烧室5-1内升温升压；
S2、待燃烧室5-1内达到一定温度后，通常温度控制在700℃以上，通过高压泵3向雾化喷枪5-3内输入高压水焦浆，高压水焦浆经过雾化喷枪5-3雾化后着火燃烧，并逐步增加水焦浆的投入量，减少辅助点火燃料的投入量，实现混烧升温升压，直至停用辅助点火燃料，辅助点火装置5-5停用后，还可利用辅助点火喷嘴5-5-1的空气进口5-5-2持续补入空气；水焦浆和助燃气在雾化喷枪5-3内混合并从喷射口5-3-1e内以一定角度旋转喷出，经过旋风器5-4上的螺旋槽5-4-3导流后在燃烧室5-1内形成回旋燃烧气流，燃烧气流在汽化室5-2内与经过冷却水套5-8换热汽化后喷入的汽化水混合换热，形成气态的多元热流体，多元热流体经过高温分离器6分离过滤掉粉尘杂质注入井下，燃烧产生的炉渣下落进入储渣罐8内定期排放。
本发明的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，利用顶置旋流燃烧器配合辅助点火装置，采用分级点火方式，使水焦浆与助燃剂混合后高压旋流喷射燃烧，保证了水焦浆与助燃剂充分混合并雾化，利用旋风器形成回旋燃烧来强化水焦浆着火燃烧，延长着火燃烧时间，保证了水焦浆充分燃烧，减少焦炭燃烬和飞灰含碳量，使得石油焦作为多元热流体发生器的燃料成为可能，降低了多元热流体稠油开采的成本，提高了石油开采企业的国际市场竞争力。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其特征在于：包括制浆装置（1）、搅拌罐（2）、高压泵（3）、燃烧器（5）、高温分离器（6）和储渣罐（8），所述的燃烧器（5）整体垂直布置，包括燃烧室（5-1）、设于燃烧室（5-1）下部的汽化室（5-2）、以及分别设于燃烧室（5-1）顶部的雾化喷枪（5-3）、旋风器（5-4）和辅助点火装置（5-5），所述的辅助点火装置（5-5）设于雾化喷枪（5-3）的一侧，所述的雾化喷枪（5-3）包括水焦浆喷嘴（5-3-1）、分别连接水焦浆喷嘴（5-3-1）的水焦浆进口（5-3-2）和助燃气进口（5-6），所述的水焦浆喷嘴（5-3-1）包括喷嘴主体（5-3-1a），所述的喷嘴主体（5-3-1a）内设有与水焦浆进口（5-3-2）相连接的水焦浆通道（5-3-1b）、以及与助燃气进口（5-6）相连接的助燃剂通道（5-3-1c），所述的水焦浆通道（5-3-1b）设于喷嘴主体（5-3-1a）的中心，所述的助燃剂通道（5-3-1c）沿圆周方向分布在水焦浆通道（5-3-1b）的四周，所述的水焦浆通道（5-3-1b）的末端通过水焦浆支管（5-3-1d）分别与各个助燃剂通道（5-3-1c）相连通，每道助燃剂通道（5-3-1c）的末端均设有位于喷嘴主体（5-3-1a）前端面上的喷射口（5-3-1e），各个喷射口（5-3-1e）沿同一圆周方向具有一定倾斜角度，且每个喷射口（5-3-1e）处均设有内凹扩散槽（5-3-1f）；所述的旋风器（5-4）固定安装于水焦浆喷嘴（5-3-1）的前端，该旋风器（5-4）包括环状的旋风器主体（5-4-1），所述的旋风器主体（5-4-1）的前端面上设有螺旋槽（5-4-3），所述的水焦浆喷嘴（5-3-1）的前端面喷射口（5-3-1e）位于旋风器主体（5-4-1）的中心通孔（5-4-2）后端，且旋风器（5-4）的螺旋槽（5-4-3）旋向与水焦浆喷嘴（5-3-1）的喷射口（5-3-1e）形成的旋流方向一致；
所述的制浆装置（1）的出浆口与搅拌罐（2）相连接，所述的搅拌罐（2）的水焦浆出口通过高压泵（3）连接至雾化喷枪（5-3）的水焦浆进口（5-3-2）；所述的燃烧室（5-1）的外壁上设有冷却水套（5-8），所述的燃烧室（5-1）的顶部设有连通冷却水套（5-8）的进水口（5-7），所述的冷却水套（5-8）的下端出水口连接至汽化室（5-2），所述的汽化室（5-2）的底部通过排渣口（7）连接储渣罐（8），所述的汽化室（5-2）的侧面设有多元热流体出口，在多元热流体出口处设有高温分离器（6）。
2.根据权利要求1所述的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其特征在于：所述的制浆装置（1）制备的水焦浆质量百分比组分为：
石油焦：75%；水：22%；定粘剂：3%；
配置后的水焦浆定粘浓度为80wt%。
3.根据权利要求1所述的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其特征在于：所述的高压泵（3）与雾化喷枪（5-3）之间的连接管路中还设有质量流量计（4），所述的高压泵（3）将水焦浆加压至16~21MPa后通过质量流量计（4）输送至雾化喷枪（5-3）。
4.根据权利要求3所述的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其特征在于：所述的高压泵（3）与搅拌罐（2）之间还设有回流管，该回流管上设有回流控制阀门。
5.根据权利要求1所述的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其特征在于：所述的喷射口（5-3-1e）在喷嘴主体（5-3-1a）前端面上沿圆周方向均匀设有8个，且每个喷射口（5-3-1e）所对应的内凹扩散槽（5-3-1f）相交形成花瓣状结构。
6.根据权利要求5所述的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其特征在于：所述的助燃气进口（5-6）内输入的助燃气体为富氧气体。
7.根据权利要求1所述的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其特征在于：所述的辅助点火装置（5-5）包括辅助点火喷嘴（5-5-1）和点火器（5-5-4），所述的点火器（5-5-4）设于辅助点火喷嘴（5-5-1）的一侧，所述的辅助点火喷嘴（5-5-1）上连接有空气进口（5-5-2）和辅助燃料进口（5-5-3）。
8.根据权利要求7所述的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其特征在于：所述的辅助点火装置（5-5）中的辅助点火燃料为天然气或柴油。
9.根据权利要求1所述的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其特征在于：所述的燃烧室（5-1）的下端还设有用于向燃烧室（5-1）内补入燃气的燃气补气口（5-9）。
10.根据权利要求1至9任意一项所述的一种以石油焦为燃料的石油热采多元热流体发生系统，其特征在于：所述的燃烧器（5）采用分级点火，具体点火方法如下：
S1、启动时，利用辅助点火装置（5-5）在燃烧室（5-1）内点燃辅助点火燃料，并逐步增加辅助点火燃料以使燃烧室（5-1）内升温升压；
S2、待燃烧室（5-1）内达到700℃以上温度后，通过高压泵（3）向雾化喷枪（5-3）内输入高压水焦浆，高压水焦浆经过雾化喷枪（5-3）雾化后着火燃烧，并逐步增加水焦浆的投入量，减少辅助点火燃料的投入量，实现混烧升温升压，直至停用辅助点火燃料；水焦浆和助燃气在雾化喷枪（5-3）内混合并从喷射口（5-3-1e）内以10°~45°倾斜角度旋转喷出，经过旋风器（5-4）上的螺旋槽（5-4-3）导流后在燃烧室（5-1）内形成回旋燃烧气流，燃烧气流在汽化室（5-2）内与经过冷却水套（5-8）换热汽化后喷入的汽化水混合换热，形成气态的多元热流体，多元热流体经过高温分离器（6）分离过滤掉粉尘杂质注入井下，燃烧产生的炉渣下落进入储渣罐（8）内定期排放。
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