CN113756765B - 一种基于强制点火型超临界水热燃烧装置的多元热流体发生系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于强制点火型超临界水热燃烧装置的多元热流体发生系统，包括反应器、物料预处理模块、氧气供应模块、点火模块等，通过超临界水热燃烧技术产生多元热流体，满足稠油开采的生产工艺要求。本系统物料分级冷态入射，由点火装置强制点火，稳定产生水热火焰的同时避免物料析出无机盐造成管道堵塞腐蚀；系统运行过程中，由水热火焰提供产生多元热流体所需热量，无需外界供给额外能量，冷却模块保护反应器壁面从而安全，稳定，经济，高效地产生符合多元热流体开采稠油技术要求的多元热流体。
Description
技术领域
本发明属于稠油热采技术领域，特别涉及一种基于强制点火型超临界水热燃烧装置的多元热流体发生系统。
背景技术
多元热流体开采稠油技术以多元热流体(CO2、H2O、N2等)作为热载体，通过热力降粘，气体溶解，补充地层能量等作用实现稠油增产。相比于常规蒸汽开采稠油，多元热流体开采稠油技术极大地提高稠油开采效率。
超临界水热燃烧是利用超临界水(Tc＝374.15℃，pc＝18.12MPa)独特的理化性质来实现有机物的高效燃烧。超临界水具有低密度、低粘度、低介电常数及高扩散系数等特点，氧气、空气、过氧化氢、水及绝大多数有机物可以在超临界水环境中任意比例互溶，气液相界面消失，超临界水氧化体系成为均相反应体系，消除了相间的传质传热阻力，并且水热火焰局部温度＞1000℃，从而反应速度大幅上升，可在毫秒内将有机物甚至一些难降解物质彻底氧化降解为CO2、H2O、N2等多元热流体。超临界水燃烧技术可以直接燃烧油田中的含有废水或稠油，产生多元热流体以供开采，具有极高的经济性，而且，超临界水热燃烧设备紧凑，占地面积小，适用于空间有限的海上石油开采平台。
不同于常规气相燃烧，超临界水热燃烧的环境中存在大量的水，如何稳定点火是水热燃烧的关键技术。目前多数水热燃烧装置采用热自燃着火，即燃料在反应器外加热至着火温度，在反应器内与氧化剂相遇着火。然而，高温会导致燃料中的无机盐在管道中析出，引发系统堵塞、腐蚀，严重的会造成系统爆炸。此外，预热器预热燃料所消耗的电能增加了系统运行成本。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，解决常规蒸汽开采稠油效果趋于缓和，如何安全稳定地产生符合生产要求的多元热流体等问题，本发明的目的在于提供一种基于强制点火型超临界水热燃烧装置的多元热流体发生系统，采用强制点火方式，遵循点火能量逐级放大的思想，通过点燃点火装置附近的燃料，使火焰向四周传播从而点燃所有一级燃料，再由一级燃料产生的火焰点燃二级燃料。强迫点火实现了水热火焰稳定点火，物料以环境温度进入反应器，避免无机盐析出造成反应器堵塞腐蚀；点火能量逐级放大，无需大功率预热装置，大幅减少了系统运行费用。本发明以强制点火方式迅速、稳定地点燃不同性质的一级燃料和氧化剂，产生的水热火焰能够点燃大流量二级燃料，燃烧腔维持水热火焰稳定；通过物料预处理模块、氧气供应模块和反应器产生多元热流体，冷却模块保护反应器壁面，实现了安全稳定地生产符合开采需求的多元热流体，为稠油高效开采提供了可行方案。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于强制点火型超临界水热燃烧装置的多元热流体发生系统，包括：
反应器，在其中进行超临界水热燃烧反应，其包括反应筒体和盖体，在盖体上设置有一级燃料入口、二级燃料入口、氧化剂入口以及轴向的中心孔，中心孔与一级燃料入口和氧化剂入口连通；
点火模块，包括位于中心孔下部的稳燃室，所述中心孔的底端设置有一级燃料喷嘴，一级燃料喷嘴朝向稳燃室将一级燃料喷入稳燃室，点火装置的点火端伸入至稳燃室中将一级燃料点燃，所述稳燃室为贯通的筒体结构，其伸入至反应筒体的上部，所述二级燃料入口伸入反应筒体并朝向稳燃室的外表面；
物料预处理模块，包括甲醇储罐、软化水储罐和物料泵，甲醇储罐和软化水储罐的出口混合后连接物料泵的入口，物料泵将混合物料升压，其出口分为两路，分别连接一级燃料入口和二级燃料入口；
氧气供应模块，包括低温液氧储罐，低温液氧储罐的出口通过液氧泵连接液氧气化器，液氧气化器的出口连接氧气缓冲罐，氧气缓冲罐接氧化剂入口。
优选地，所述反应筒体内分为上部的燃烧室和下部的混合室，燃烧室与混合室之间以锥形通道相接，所述燃烧室中进行超临界水热燃烧反应，燃烧产物经所述锥形通道进入混合室，与掺混水混合形成多元热流体，所述混合室的底部为多元热流体出口。
优选地，本发明还包括冷却模块，冷却模块包括高压水供给出口和设置在燃烧室侧壁的水冷壁，冷壁水入口位于下方，冷壁水出口位于上方，所述高压水供给出口与冷壁水入口连通。
优选地，所述冷壁水出口回接掺混水入口，所述高压水供给出口分为两路，一路接冷壁水入口，另一路上设有电动调节阀，并与掺混水入口连接，掺混水入口与混合室连通，电动调节阀控制掺混水流量。
优选地，所述点火装置沿所述中心孔轴向穿过一级燃料喷嘴的中心，伸入至所述稳燃室，一级燃料和氧化剂沿轴向向下流动，所述一级燃料喷嘴四周开有倾斜小孔，供一级燃料和氧化剂喷出，于点火装置高温末端处混合后被强制点火，产生水热火焰，引燃二级燃料。
优选地，所述一级燃料喷嘴为可替换喷嘴，当一级燃料粘度50mPa·s，且容易着火时，可采用小孔数量为6孔，倾斜角度为30°、45°或60°的喷嘴；当一级燃料粘度大于等于50mPa·s，且难以着火时，可采用小孔数量为8孔或10孔，倾斜角度为45°或60°的喷嘴，以增强其雾化混合效果。
优选地，所述点火装置为加热棒、高能点火器或等离子点火器。
优选地，所述一级燃料入口连通中心孔的上部，氧化剂入口连通中心孔的中下部。
优选地，所述甲醇储罐外设储冰槽保证罐内温度处于0℃左右，所述物料泵出口旁路设置用于消除管道中脉动的缓冲罐。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、适用于粘度大于50mPa·s的燃料，稳定点火：一级燃料喷嘴包括孔数6孔、8孔、10孔，孔倾斜角度30°、45°、60°等设计，为粘度大于50mPa·s的高粘度燃料提供良好的雾化混合效果；点火装置种类包括但不限于加热棒，高能点火器，等离子点火器等形式，以强制点火方式迅速、稳定地点燃不同性质的一级燃料和氧化剂，产生的水热火焰能够点燃大流量二级燃料，燃烧腔维持水热火焰稳定。
2、燃料冷态入射，避免反应系统堵塞。燃料以环境温度进入反应器，一级燃料被点火装置强迫点燃，二级燃料与稳燃室对流换热后温度上升，被一级燃料产生的水热火焰点燃，系统运行过程中无需额外的加热装置，燃料进入反应器前保持室温，避免了无机盐析出堵塞腐蚀系统，大幅降低了系统运行费用。
3、产生多元热流体，提高开采稠油效率：本系统产生含有CO2、H2O、N2等成分的多元热流体，相比于普通水蒸气，具有热力降粘，气体溶解，补充地层能量等作用，可极大地提高稠油开采效率。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为反应器上部放大图。
其中，1-甲醇储罐；2-软化水储罐；3-物料泵；4-低温液氧储罐；5-液氧泵；6-液氧气化器；7-氧气缓冲罐；8-点火装置；9-反应器；10-一级燃料入口；11-二级燃料入口；12-氧化剂入口；13-冷壁水出口；14-冷壁水入口；15-掺混水入口；16-多元热流体出口；17-电动调节阀；18-高压水供给出口；19-缓冲罐；20-一级燃料喷嘴；21-稳燃室。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1和图2所示，本发明一种基于强制点火型超临界水热燃烧装置的多元热流体发生系统，主要包括反应器9、氧气供应模块、物料预处理模块以及点火模块。
其中，反应器9用于进行超临界水热燃烧反应，其包括反应筒体和盖体，在盖体上设置有一级燃料入口10、二级燃料入口11、氧化剂入口12以及轴向的中心孔，中心孔与一级燃料入口10和氧化剂入口12连通，示例地，一级燃料入口10连通中心孔的上部，氧化剂入口12连通中心孔的中下部。一种可行的结构，反应筒体内分为上部的燃烧室和下部的混合室，燃烧室与混合室之间以锥形通道、锥形喷孔等结构相接，超临界水热燃烧反应在燃烧室中进行，燃烧产物经锥形通道、锥形喷孔等结构流入混合室，与掺混水混合形成多元热流体，混合室的底部为多元热流体出口16。
物料预处理模块提供燃烧物料，其包括甲醇储罐1、软化水储罐2和物料泵3，甲醇储罐1和软化水储罐2的出口混合后连接物料泵3的入口，物料泵3将混合物料升压，其出口分为两路，分别连接一级燃料入口10和二级燃料入口11。示例地，甲醇储罐1可外设储冰槽保证罐内温度处于0℃左右，物料泵3出口旁路可设置缓冲罐19。甲醇储罐1出口管道和软化水储罐2出口管道可由三通连接，物料在管道内混合，通过物料泵3进行加压，缓冲罐19消除管道中脉动。
氧气供应模块提供燃烧反应用的氧化剂，其包括低温液氧储罐4，低温液氧储罐4的出口通过液氧泵5连接液氧气化器6，液氧气化器6的出口连接氧气缓冲罐7，氧气缓冲罐7接氧化剂入口12。液氧加压后接通液氧气化器6进行气化，氧气缓冲罐7消除管内脉动，通过氧化剂入口12进入反应器9。
点火模块实现强制点火，其包括位于中心孔下部的稳燃室21，中心孔的底端设置有一级燃料喷嘴20，一级燃料喷嘴20朝向稳燃室21将一级燃料喷入稳燃室21，点火装置8的点火端伸入至稳燃室21中将一级燃料点燃，稳燃室21可维持火焰稳定，其为贯通的筒体结构，其伸入至反应筒体的上部，二级燃料入口11则朝向稳燃室21的外表面。示例地，点火装置8可为加热棒、高能点火器或等离子点火器等形式。在反应器9上部与一级燃料喷嘴20和稳燃室21同轴安装。
一种具体结构，点火装置8沿中心孔轴向穿过一级燃料喷嘴20的中心，伸入至稳燃室21，一级燃料和氧化剂沿轴向向下流动，一级燃料喷嘴20四周开有倾斜小孔，供一级燃料和氧化剂喷出，于点火装置8高温末端(即点火端)处混合后被强制点火，稳定燃烧并产生水热火焰，大流量二级燃料喷射至稳燃室21外表面，进行强烈的对流换热，使二级燃料温度预热，之后被引燃。
示例地，一级燃料喷嘴20为可替换喷嘴，当一级燃料粘度50mPa·s，且容易着火时，可采用小孔数量为6孔，倾斜角度为30°、45°或60°的喷嘴；当一级燃料粘度大于等于50mPa·s，且难以着火时，可采用小孔数量为8孔或10孔，倾斜角度为45°或60°的喷嘴，以增强其雾化混合效果。
在本发明的更优选实施例中，还包括冷却模块，冷却模块包括高压水供给出口18和设置在燃烧室侧壁的水冷壁，冷壁水入口14位于下方，冷壁水出口13位于上方，高压水供给出口18与冷壁水入口14连通。具体地，高压水供给出口18分为两路，一路接冷壁水入口14，另一路接掺混水入口15，掺混水入口15与混合室连通。示例地，冷壁水出口13可回接掺混水入口15，高压水供给出口18接掺混水入口15的一路上设有电动调节阀17。
本发明的原理及过程：
系统运行时，反应器9保持20MPa，400℃稳态，此时物料泵3入口处为额定浓度的甲醇溶液，经物料泵3升压至额定压力后分为两路，分别由一级燃料入口10和二级燃料入口11进入反应器9，其中一级燃料入口10处流量小于二级燃料入口11处流量。低温液氧由低温液氧储罐4流入液氧泵5加压，在液氧气化器6中气化，以氧气缓冲罐7消除管道内脉动，通过氧化剂入口12进入反应器9，沿轴向向下流动，与一级燃料在稳燃室21前段混合，在点火装置8的点火端处瞬间点火，产生的水热火焰引燃大流量二级燃料。超临界水热燃烧过程中，大流量二级燃料与稳燃室21对流换热，防止稳燃腔超温；高压水供给出口18分别连通冷壁水入口14和掺混水入口15，冷壁水与多元热流呈逆向流动，与反应器壁面对流换热，降低反应器壁面温度至400℃，避免超温烧毁；掺混水在多元热流体出口16处与多元热流体掺混，降低多元热流体流体温度至201℃。电动调节阀17，实时调节掺混水流量，维持多元热流体温度201℃。
综上，本系统运行前期，物料分级冷态入射，由点火装置瞬间点火，稳定产生水热火焰的同时避免物料析出无机盐造成管道堵塞腐蚀；系统运行过程中，由水热火焰提供产生多元热流体所需热量，无需外界供给额外能量，冷却模块保护反应器壁面，从而安全，稳定，经济，高效地产生符合多元热流体开采稠油技术要求的多元热流体，为提高稠油开采产量提供了一种可行方案。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于强制点火型超临界水热燃烧装置的多元热流体发生系统，其特征在于，包括：
反应器(9)，在其中进行超临界水热燃烧反应，其包括反应筒体和盖体，在盖体上设置有一级燃料入口(10)、二级燃料入口(11)、氧化剂入口(12)以及轴向的中心孔，中心孔与一级燃料入口(10)和氧化剂入口(12)连通；一级燃料入口(10)处流量小于二级燃料入口(11)处流量；所述反应筒体内分为上部的燃烧室和下部的混合室，燃烧室与混合室之间以锥形通道相接，所述燃烧室中进行超临界水热燃烧反应，燃烧产物经所述锥形通道进入混合室，与掺混水混合形成多元热流体，所述混合室的底部为多元热流体出口(16)；
点火模块，包括位于中心孔下部的稳燃室(21)，所述中心孔的底端设置有一级燃料喷嘴(20)，一级燃料喷嘴(20)朝向稳燃室(21)将一级燃料以环境温度喷入稳燃室(21)，点火装置(8)的点火端伸入至稳燃室(21)中将一级燃料点燃，所述点火装置(8)为高能点火器或等离子点火器，所述稳燃室(21)为贯通的筒体结构，其伸入至反应筒体的上部，所述二级燃料入口(11)伸入反应筒体并朝向稳燃室(21)的外表面；所述点火装置(8)沿所述中心孔轴向穿过一级燃料喷嘴(20)的中心，伸入至所述稳燃室(21)，一级燃料和氧化剂沿轴向向下流动，所述一级燃料喷嘴(20)四周开有倾斜小孔，供一级燃料和氧化剂喷出，于点火装置(8)高温末端处混合后被强制点火，使火焰向四周传播从而点燃所有一级燃料，大流量二级燃料以环境温度喷射至稳燃室(21)外表面，进行强烈的对流换热，使二级燃料温度预热，之后被一级燃料产生的水热火焰引燃；系统运行过程中，由水热火焰提供产生多元热流体所需热量，无需外界供给额外能量；
物料预处理模块，包括甲醇储罐(1)、软化水储罐(2)和物料泵(3)，甲醇储罐(1)和软化水储罐(2)的出口混合后连接物料泵(3)的入口，物料泵(3)将混合物料升压，其出口分为两路，分别连接一级燃料入口(10)和二级燃料入口(11)；
氧气供应模块，包括低温液氧储罐(4)，低温液氧储罐(4)的出口通过液氧泵(5)连接液氧气化器(6)，液氧气化器(6)的出口连接氧气缓冲罐(7)，氧气缓冲罐(7)接氧化剂入口(12)；
冷却模块，冷却模块包括高压水供给出口(18)和设置在燃烧室侧壁的水冷壁，冷壁水入口(14)位于下方，冷壁水出口(13)位于上方，所述高压水供给出口(18)与冷壁水入口(14)连通；所述冷壁水出口(13)回接掺混水入口(15)，所述高压水供给出口(18)分为两路，一路接冷壁水入口(14)，另一路上设有电动调节阀(17)，并与掺混水入口(15)连接，掺混水入口(15)与混合室连通，电动调节阀(17)控制掺混水流量。
2.根据权利要求1所述基于强制点火型超临界水热燃烧装置的多元热流体发生系统，其特征在于，所述一级燃料喷嘴(20)为可替换喷嘴，当一级燃料粘度小于50mPa·s，且容易着火时，采用小孔数量为6孔，倾斜角度为30°、45°或60°的喷嘴；当一级燃料粘度大于等于50mPa·s，且难以着火时，采用小孔数量为8孔或10孔，倾斜角度为45°或60°的喷嘴，以增强其雾化混合效果。
3.根据权利要求1所述基于强制点火型超临界水热燃烧装置的多元热流体发生系统，其特征在于，所述一级燃料入口(10)连通中心孔的上部，氧化剂入口(12)连通中心孔的中下部。
4.根据权利要求1所述基于强制点火型超临界水热燃烧装置的多元热流体发生系统，其特征在于，所述甲醇储罐(1)外设储冰槽保证罐内温度处于0℃左右，所述物料泵(3)出口旁路设置用于消除管道中脉动的缓冲罐(19)。
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