DE69607485T2

DE69607485T2 - Flamenlose verbrennvorrichtung und verfahren

Info

Publication number: DE69607485T2
Application number: DE69607485T
Authority: DE
Inventors: Michael Karanikas; Thomas Mikus; J. Vinegar; Lee Wellington
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1995-12-27
Filing date: 1996-12-17
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2016-12-18
Also published as: EP0870100B1; EP0870100A1; PT870100E; BR9612363A; KR19990076856A; US5899269A; DK0870100T3; US6269882B1; JP3747066B2; DE69607485D1; ATE191254T1; CA2240411A1; MA24040A1; WO1997024509A1; CA2240411C; IL124806A; GR3033618T3; EA199800600A1; US6019172A; TR199801220T2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung und ein solches Verfahren.
Die US-Patente Nrn. 4 640 352 und 4 886 118 offenbaren das Erhitzen von unterirdischen ölhältigen Formationen geringer Permeabilität mittels Wärmeleitung, um daraus Öl zu gewinnen. Formationen geringer Permeabilität sind beispielsweise Diatomeenerden, Lipidkohlen, Teersande und Ölschiefer. Formationen geringer Permeabilität sind nicht empfänglich für Hilfsölfördertechniken wie Dampf-, Kohlendioxid- oder Feuerflutung. Flutungsmaterialien haben die Tendenz, Formationen geringer Permeabilität bevorzugt durch Risse hindurch zu durchdringen. Die injizierten Materialien gehen an einem Großteil der Kohlenwasserstoffe der Formation vorbei. Im Gegensatz dazu erfordert ein Erhitzen mittels Wärmeleitung keinen Fluidtransport in die Formation hinein. Öl im Inneren der Formation wird daher nicht umgangen, wie es bei der Flutungstechnik der Fall ist. Wenn die Temperatur einer Formation durch Wärmeleitungserhitzen erhöht wird, werden sich verhältnismäßig gleichförmige vertikale Temperaturprofile einstellen, da Formationen im allgemeinen verhältnismäßig gleichförmige Wärmeleitfähigkeiten und spezifische Wärmen haben. Der Transport der Kohlenwasserstoffe erfolgt bei einem Wärmeleitungsverfahren durch Druckantrieb, Verdampfung und Wärmeausdehnung des im Inneren der Poren des Formationsgesteines gefangenen Öles und Wassers. Kohlenwasserstoffe migrieren durch kleine Risse hindurch, die durch die Expansion und Verdampfung des Öles und des Wassers erzeugt werden.
Die US-Patente Nrn. 3 113 623 und 3 181 613 offenbaren gasbefeuerte Wärmeinjektionsbrenner zum Erhitzen unterirdischer Formationen. Diese Brenner verwenden poröses Material, um eine Flamme zu halten und sie damit über eine bestimmte Längserstreckung zu verteilen. Eine Strahlungswärmeübertragung von der Flamme zur Einfassung wird vermieden, indem das poröse Medium zum Halten der Flamme vorgesehen wird. Da jedoch die Verbrennung im Inneren des porösen Mediums erfolgt, müssen das Brenngas und die Verbrennungsluft vorgemischt werden. Wenn die Vormischung aus Brenngas und Verbrennungsluft sich auf einer Temperatur über der Selbstentzündungstemperatur der Mischung be fände, würde sie bereits beim Vormischen anstatt im Inneren des porösen Mediums reagieren. Die Formationen, die als Beispiele dieser Erfindungen verwendet werden, sind nur bis zu etwa 15 m dick und befinden sich unter nur etwa 4,5 m dicken überlagernden Deckschichten. Das Brenngas und die Verbrennungsluft sind daher relativ kalt, wenn sie den Brenner erreichen. Der Brenner könnte nicht wie beabsichtigt funktionieren, wenn die zu erhitzende Formation wesentlich tiefer läge.
Das US-Patent Nr. 5 255 742 offenbart eine flammenlose Verbrennungsvorrichtung, die zum Erhitzen von unterirdischen Formationen nützlich ist und bei welcher vorerhitztes Brenngas und/oder vorerhitzte Verbrennungsluft verwendet werden, wobei das Brenngas mit der Verbrennungsluft in Schritten kombiniert wird, die ausreichend klein sind, daß Flammen vermieden werden. Die Erzeugung von NOx wird weitgehend verhindert, und die Kosten der Heizvorrichtungen können wegen der kostengünstigeren Baumaterialien signifikant reduziert werden. Das Vorerhitzen des Brenngases gemäß dem in dieser Literaturstellen offenbarten Verfahren kann zur Koksbildung führen, soferne nicht CO&sub2;, H&sub2; oder Dampf dem Brenngas beigemengt werden. Ferner ist das Hochfahren der bekannten Erhitzungsvorrichtung ein zeitraubender Prozeß, da sie bei Temperaturen oberhalb der nicht-katalytischen Selbstentzündungstemperatur der Brenngasmischung betrieben werden muß. Das Hochfahren erfordert lange Perioden mit einem Betrieb bei sehr niedrigen Strömungsraten, bevor die Temperaturen für einen normalen Betrieb ausreichend hoch sind.
Katalytische Brenner sind ebenfalls bekannt. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 3 928 961 eine katalysatorunterstützte thermische Verbrennungsvorrichtung, bei welcher die Erzeugung von NOX durch Verbrennung bei Temperaturen über der Selbstentzündungstemperatur des Brennstoffes, jedoch unterhalb jener Temperaturen, welche zu einer wesentlichen Bildung von Stickoxiden führen, vermieden wird.
Metalloberflächen, die mit einem Oxidationskatalysator beschichtet sind, sind beispielsweise in den US-Patenten Nrn. 5 355 668 und 4 065 917 offenbart. Diese Patente schlagen kata lysatorbeschichtete Oberflächen auf Komponenten einer Gasturbinenmaschine vor. Das genannte US-Patent 4 065 917 schlägt die Verwendung von katalysatorbeschichteten Oberflächen zum Hochfahren der Turbine und eine massentransferkontrollenbegrenzte Phase des Hochlaufes vor.
Eine flammenlose Verbrennungsvorrichtung und ein flammenloses Zündverfahren gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 12 sind aus dem US-Patent Nr. 5 404 952 bekannt. Bei der bekannten Verbrennungsvorrichtung und dem bekannten Zündverfahren werden aufgespulte elektrische Widerstandsdrähte im Inneren der Verbrennungskammer in einem Abstand von den Öffnungen entfernt aufgehängt, was die Zündung verzögern und verkomplizieren kann.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verbrennungsverfahren und eine Verbrennungsvorrichtung zu schaffen, die flammenlos sind und einfach gezündet und auf Betriebstemperatur gebracht werden können. In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es ein Ziel, ein Verbrennungsverfahren und eine Verbrennungsvorrichtung zu schaffen, bei welcher die Bildung von NOx minimal ist. Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das einen hohen thermischen Wirkungsgrad hat.
Die Merkmale der flammenlosen Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung sind in Anspruch 1 definiert.
Bevorzugt ist jede der Öffnungen durch einen Intervallabstand getrennt, wobei das Oxidationsmittel durch die Verbrennungskammer hindurchtreten und sich mit dem durch die Öffnungen hindurchtretenden Brennstoff aus dem Brennstoffvolumen vermischen kann, während das Oxidationsmittel vom Einlaßende zum Verbrennungsproduktauslaß gelangt; und
eine Katalysatoroberfläche liegt im Inneren der axialen Verbrennungskammer, wobei die Katalysatoroberfläche die Selbstentzündungstemperatur einer Mischung aus Brennstoff und Oxidationsmittel von einer nicht-katalytischen Selbstentzündungstempe ratur auf eine katalytische Selbstentzündungstemperatur herabsetzt.
Bevorzugt umfaßt die Katalysatoroberfläche eine Außenoberfläche der Brennstoffleitung und/oder eine Innenoberfläche der Verbrennungskammer. Es wird auch bevorzugt, daß die Katalysatoroberfläche Palladium aufweist.
Geeigneterweise wird die Verbrennungsvorrichtung in einem unterirdischen Bohrloch angeordnet, und die Brennstoffleitung ist ein Rohrstück, das von einem Bohrlochkopf aus abgehängt wird; elektrische Leistung wird an den Bohrlochkopf angelegt; die Kraftstoffleitung ist weniger dick in der Nähe der Öffnungen als oberhalb der Öffnungen; und die Brennstoffleitung ist an einem Punkt unterhalb zumindest einer der Öffnungen geerdet.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Zünden einer flammenlosen Verbrennungsvorrichtung. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist in Anspruch 12 definiert.
Geeigneterweise umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt des Hindurchleitens einer Menge an Elektrizität durch die Brennstoffleitung, die ausreicht, um zu bewirken, daß sich die Brennstoffleitung, zumindest über einen Abschnitt der Leitung in der Nähe zumindest einer Öffnung, auf eine Temperatur von zumindest 260ºC erhitzt.
Es wird bevorzugt, daß das Verfahren gemäß der Erfindung ferner den Schritt des Zurverfügungstellens einer Katalysatoroberfläche in der Verbrennungskammer umfaßt, welche Katalysatoroberfläche eine Reduzierung der Temperatur bewirkt, bei welcher der Brennstoff und das Oxidationsmittel in der Nähe der Katalysatoröberfläche reagieren.
Geeignete Brennstoffe zur Verwendung während der Hochlaufphase des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Wasserstoff und eine Wasserstoff- und Kohlenmonoxidmischung, welche Brennstoffe eine niedrige Zündtemperatur haben.
Das flammenlose Verbrennungsverfahren und die flammenlose Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung führen zu einer minimalen Produktion von Stickoxiden. Weitere Maßnahmen zur Entfernung oder Verhinderung von Stickoxiden sind daher nicht erforderlich.
Die Erfindung wird nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1 eine für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignete Verbrennungsvorrichtung zeigt;
Fig. 2 ein Diagramm des Brennstoffverbrauches über der Temperatur in einer Verbrennungsvorrichtung ist, welches die Ausführbarkeit der vorliegenden Erfindung zeigt.
Eine flammenlose Verbrennungsvorrichtung, die mit der erfindungsgemäßen Verbesserung verwendet werden kann, ist in dem US-Patent Nr. 5 255 742 offenbart, dessen Offenbarung durch Bezugnahme hier aufgenommen wird. Die Verbesserungen der vorliegenden Erfindung enthalten drei Verbesserungen, die sich auf das Hochfahren einer solchen Verbrennungsvorrichtung beziehen. Die drei Verbesserungen können einzeln eingesetzt werden, bevorzugt werden sie jedoch in einer Kombination von zumindest zwei Verbesserungen verwendet. Die drei Verbesserungen der vorliegenden Erfindung umfassen: Die Verwendung der Brenngasleitung als Widerstandsheizeinrichtung, um Hitze für den Hochlauf zur Verfügung zu stellen; die Verwendung einer Katalysatoroberfläche im Inneren der Verbrennungskammer, um die Temperaturen zu senken, bei denen die Oxidation des Brennstoffes auftritt und die Verwendung von anderen Oxidationsmitteln als Luft oder zusammen mit Luft, um die Selbstentzündungstemperaturen während des Hochlaufes zu senken.
Ein wesentliches Merkmal der flammenlosen Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist, daß die Wärme entlang der Achse der Verbrennungskammer abgeführt wird, so daß eine Temperatur aufrechterhalten wird, die signifikant unterhalb der adiabatischen Verbrennungstemperatur liegt. Dies eliminiert weitgehend die Bildung von NOxs und reduziert auch signifikant die metallurgischen Anforderungen, was zu einem relativ kostengünstigen Brenner führt.
Im allgemeinen wird eine flammenlose Verbrennung erreicht, indem die Verbrennungsluft und das Brenngas ausreichend vorerhitzt werden, so daß, wenn die beiden Ströme vereinigt werden, die Temperatur der Mischung die Selbstentzündungstemperatur der Mischung übersteigt, jedoch kleiner ist als jene Temperatur, die dazu führen würde, daß die Oxidation bei der Vermischung durch die Mischungsrate beschränkt ist. Das Vorerhitzen der Ströme auf eine Temperatur zwischen etwa 815ºC und etwa 1260ºC und das anschließende Vermischen des Brenngases mit der Verbrennungsluft in verhältnismäßig kleinen Schritten führt zu einer flammenlosen Verbrennung. Die Inkremente, in denen das Brenngas mit dem Verbrennungsgasstrom gemischt wird, führen bevorzugt zu einem Temperaturanstieg von etwa 10 bis 110ºC im Verbrennungsgasstrom auf Grund der Verbrennung des Brennstoffes.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 sind ein Wärmeinjektorbohrloch und eine Verbrennungsvorrichtung gezeigt, welche in der Lage ist, die vorliegende Erfindung auszuführen. Eine zu erhitzende Formation 1 liegt unter einer überlagernden Schicht 2. Ein Bohrloch 3 erstreckt sich durch die überlagernde Schicht hindurch bis auf eine Position, die bevorzugt in der Nähe des Hodens der zu erhitzenden Formation liegt. Es ist ein vertikales Bohrloch gezeigt, aber das Bohrloch könnte auch abgelenkt oder horizontal sein. Horizontale Wärmeinjektorbohrungen können in Formationen vorgesehen werden, die horizontal frakturieren, um Kohlenwasserstoffe mit Hilfe einer parallelen Antriebstechnik zu fördern. Seichte Ölschieferformationen sind Beispiele solcher Formationen. Horizontale Erhitzer können auch wirksam verwendet werden, wenn dünne Schichten erhitzt werden sollen, um den Wärmeverlust an die überlagernde Schicht und an das Basisgestein zu begrenzen. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist das Bohrloch mit einer Einfassung 4 eingefaßt. Der untere Abschnitt des Bohrloches kann mit einem Zement 7 zementiert sein, welcher Eigenschaften hat, die ihn in die Lage versetzen, hohen Temperaturen zu widerstehen und Wärme zu übertragen. Ein Zement 8, der ein guter Wärmeisolator ist, wird für den oberen Abschnitt des Bohrloches bevorzugt, um einen Wärmeverlust aus dem System zu verhindern. Eine Verbrennungsmischungsleitung 10 erstreckt sich vom Bohrlochkopf (nicht gezeigt) bis zum unteren Abschnitt des Bohrloches. Eine Brennstoffleitung 12 verläuft ebenfalls vom Bohrlochkopf zum Boden des Bohrloches. Die Brennstoffleitung definiert ein Brennstoffvolumen im Inneren der Brennstoffleitung. Das Brennstoffvolumen ist in Verbindung mit einer Brennstoffzufuhr und mit einer Verbrennungskammer, welche die Brennstoffleitung durch eine Vielzahl von Öffnungen umgibt.
Hochtemperaturzemente, die zum Zementieren der Einfassung und der Leitungen im Inneren von Hochtemperaturabschnitten des Bohrloches geeignet sind, sind verfügbar. Beispiele sind in den US-Patenten Nrn. 3 507 332 und 3 180 748 offenbart. Aluminiumoxidgehalte über etwa 50 Gew.-%, basierend auf Zementaufschlämmungsfeststoffen, werden bevorzugt.
Bei seichten Formationen kann es vorteilhaft sein, die Heizvorrichtung direkt in die Formation bohrzuhämmern. Wenn die Heizvorrichtung direkt in die Formation bohrgehämmert wird, kann das Zementieren der Heizvorrichtung in der Formation gegebenenfalls nicht erforderlich sein, aber ein oberer Abschnitt der Heizvorrichtung kann zementiert werden, um einen Fluidverlust zur Oberfläche hin zu verhindern.
Die Wahl des Durchmessers der Einfassung 4 in der Ausführungsform von Fig. 1 ist ein Kompromiß zwischen den Kosten der Einfassung und der Rate, mit welcher Wärme in die Formation eingebracht werden kann. Die Einfassung ist wegen der erforderlichen Metallurgie im allgemeinen die kostspieligste Komponente der Injektorbohrung. Die Wärme, welche zur Formation übertragen werden kann, steigt signifikant mit einer Zunahme des Einfassungsdurchmessers an. Eine Einfassung von etwa 10 bis etwa 20 cm im Innendurchmesser stellt typischerweise einen optimalen Kompromiß zwischen Anfangskosten und Wärmeübertragungsvermögen aus dem Bohrloch dar.
Die Brenngasleitung enthält eine Vielzahl von Öffnungen 13 (acht gezeigt) über die Länge der Leitung in der zu erhitzenden Formation. Die Öffnungen sind voneinander durch einen Intervallabstand getrennt, der ausreichend ist, um sowohl eine signifikante Reaktion des Oxidationsmittels und des Brennstoffes zwischen den Öffnungen als auch eine Wärmeabfuhr von der Heizeinrichtung über die Länge der Verbrennungskammer zwischen den Öffnungen zu gestatten. Die Öffnungen 13 bilden eine Verbindung zwischen dem von der Brennstoffleitung 12 definierten Volumen und der axialen Verbrennungskammer. Eine Vielzahl von Öffnungen ermöglicht eine Verteilung der Wärmeabgabe im Inneren der zu erhitzenden Formation. Eine stufenweise Freigabe des Brennstoffes in den Oxidationsmittel/Verbrennungsprodukt-Strom führt zu einer stufenweisen Verzögerung von Wärme, und bei einer gleichförmigen Wärmeübertragung aus dem Bohrloch, wie in der Ausführungsform von Fig. 1, liegen die Temperaturen im Inneren des Bohrloches ausreichend unterhalb den adiabatischen Verbrennungstemperaturen. Das Vermeiden hoher Temperaturen reduziert signifikant die metallurgischen Anforderungen und dadurch die Kosten der Anlage. Zusätzlich vermeiden Temperaturen ausreichend unter den adiabatischen Verbrennungstemperaturen die Erzeugung von Stickoxiden.
Die Öffnungen haben eine solche Größe, daß eine nahezu gleichmäßige Temperaturverteilung im Inneren der Einfassung erreicht wird. Ein nahezu gleichmäßiges Temperaturprofil im Inneren der Einfassung führt zu einer gleichmäßigeren Wärmeverteilung im Inneren der zu erhitzenden Formation. Eine nahezu gleichmäßige Wärmeverteilung im Inneren der Formation führt zu einer effizienteren Ausnützung der Wärme in einem Kohlenwasserstofförderungsprozeß mittels Wärmeleitung. Ein gleichmäßigeres Temperaturprofil führt auch zu geringeren maximalen Temperaturen bei derselben Wärmeabgabe. Da die Konstruktionsmaterialien des Brenners und des Bohrlochsystems die maximalen Temperaturen diktieren, erhöhen gleichmäßige Temperaturprofile die bei ein und denselben Konstruktionsmaterialien mögliche Wärmeabgabe. Die Anzahl von Öffnungen ist nur durch die Größe der Öffnungen begrenzt, die verwendet werden sollen. Wenn mehr Öffnungen verwendet werden, sollten sie im allgemeinen kleiner sein. Kleine re Öffnungen verstopfen leichter als größere Öffnungen. Die Anzahl von Öffnungen ist ein Kompromiß zwischen der Gleichmäßigkeit des Temperaturprofiles und der Gefahr eines Verstopfens.
Die Anzahl, Größe und der Abstand der Öffnungen zusammen mit der Wärmeabfuhr aus der Verbrennungskammer sind bevorzugt so, daß die maximalen Temperaturen in der Verbrennungsvorrichtung weniger als etwa 1100ºC betragen. Dies führt zu einer langen Lebensdauer für kommerziell verfügbare Materialien.
Beim Betrieb einer Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist es wesentlich, daß die Wärme aus der Verbrennungskammer zwischen den Brennstofföffnungen abgeführt wird. Bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen Bohrlochwärmeinjektor wird Wärme zur Formation rund um das Bohrloch übertragen. Die Erhitzungseinrichtung der vorliegenden Erfindung könnte auch bei anderen Anwendungen verwendet werden, z. B. bei der Dampferzeugung und Prozeßerhitzern in der chemischen oder erdölverarbeitenden Industrie.
Alternativ könnte Luft und/oder ein anderes Oxidationsmittel stufenweise dem Brennstoff zugesetzt werden, indem Öffnungen in der Verbrennungsluftleitung anstelle der Brennstoffleitung vorgesehen werden.
Brennstoff und Oxidationsmittel, die zum Boden des Bohrloches transportiert werden, vereinigen sich und reagieren im Inneren des Bohrlochvolumens, welches die Leitungen 14 umgibt, unter Bildung von Verbrennungsprodukten. Dieses Volumen ist die axiale Verbrennungskammer der vorliegenden Erfindung. Die Verbrennungsprodukte wandern das Bohrloch nach oben und aus einem Abzug am Bohrlochkopf heraus. Die Verbrennungsprodukte können behandelt werden, um Schadstoffe zu entfernen, und eine Energierückgewinnung aus den Verbrennungsprodukten mit Hilfe einer Expansionsturbine oder eines Wärmetauschers kann ebenfalls wünschenswert sein.
Während die Verbrennungsprodukte im Bohrlocch bis über die zu erhitzende Formation hochsteigen, wird Wärme zwischen dem Oxi dationsmittel und dem die Brennstoffleitungen hinabwandernden Brennstoff und den Verbrennungsprodukten ausgetauscht. Dieser Wärmeaustausch spart nicht nur Energie, sondern ermöglicht auch die gewünschte flammenlose Verbrennung der vorliegenden Erfindung. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden so ausreichend vorerhitzt, während sie die jeweiligen Strömungsleitungen hinabwandern, daß die Mischung aus den beiden Strömen am endgültigen Mischungspunkt sich auf einer Temperatur über der Selbstentzündungstemperatur der Mischung befindet. Es stellt sich eine flammenlose Verbrennung ein, wobei eine Flamme als Strahlungswärmequelle vermieden wird. Die Wärme wird daher aus dem Bohrloch in einer im wesentlichen gleichförmigen Weise aus übertragen.
Eine elektrische Leitung 15 kann mit einer Klemme 16 oder einem anderen Anschluß an die Brennstoffleitung 12 in der Nähe des Bohrlochkopfes unterhalb einer elektrisch isolierenden Kupplung angeschlossen werden, um elektrische Energie für das anfängliche Erhitzen und den Hochlauf zuzuführen. Die elektrische Erdung kann in der Nähe des Bodens des Bohrloches mit Hilfe einer oder mehrerer elektrisch leitender Zentriereinrichtungen rund um die Brennstoffleitung 17 und rund um die Oxidationsmittelleitung 18 vorgesehen werden. Zentriereinrichtungen auf der Brennstoffleitung oberhalb der elektrisch leitenden Zentriereinrichtungen sind elektrisch isolierende Zentriereinrichtungen. Die Wanddicke der Brennstoffleitungen ist bevorzugt in der Nähe der Öffnungen herabgesetzt, so daß das Aufbringen von elektrischer Energie auf die Brenngasleitung zu einem vernachlässigbaren Widerstandserhitzen oberhalb der Öffnungen führt und zu einem signifikanten Erhitzen unterhalb der Öffnungen. Bevorzugt wird eine solche ausreichende Wärme angewandt, daß der Brennstoff, welcher die Öffnungen in einen Strom aus fließendem Oxidationsmittel (oder Luft) hin verläßt, sich auf oder über der Selbstentzündungstemperatur der Brennstoff/Oxidationsmittel-Mischung befindet, wenn sich der Brennstoff mit dem Oxidationsmittel vermischt. Am stärksten bevorzugt befindet sich die Mischung aus Brennstoff und Oxidationsmittel bei diesen Hochlaufbedingungen oberhalb der Selbstentzündungstemperatur der Mischung. Somit wird sich der Brennstoff entzünden, wenn er durch die Öffnungen hindurchtritt und sich mit dem Oxidationsmittel zwischen den Öffnungen vermischt.
Die Selbstentzündungstemperatur der Brennstoff/Oxidationsmittel-Mischung wird bevorzugt durch das Vorsehen einer Katalysatoroberfläche 19 in der Nähe der Öffnungen herabgesetzt. Diese Katalysatoroberfläche wird bevorzugt auf der Innenseite der Oxidationsmittelleitung 10 vorgesehen. Alternativ könnte entweder die Brennstoffleitung mit einer solchen Oberfläche versehen werden, oder ein Rohr oder eine andere katalysatorhältige Oberfläche könnte gesondert im Inneren der Oxidationsmittelleitung angeordnet werden. Andere Katalysatoroberflächen könnten vorgesehen werden, beispielsweise in dem Verbrennungsproduktring außerhalb der Oxidationsmittelleitung. Diese zusätzliche Katalysatoroberfläche könnte gewährleisten, daß eine vollständige Verbrennung im Inneren des Bohrloches erfolgt. Die Katalysatoroberfläche kann auch den Temperaturbereich signifikant erhöhen, in welchem die Verbrennungsvorrichtung betrieben werden kann, indem die Temperatur herabgesetzt wird, bei welcher die Oxidation des Brennstoffes erfolgt.
Das Hochfahren der flammenlosen Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann weiter durch das Vorsehen von zusätzlichen Oxidationsmitteln während der Hochlaufphase verbessert werden, und/oder durch Verwendung eines Brennstoffes, der eine geringere Selbstentzündungstemperatur hat, wie z. B. Wasserstoff. Bevorzugte Oxidationsmittel sind unter anderem zusätzlicher Sauerstoff und Stickoxide. Wasserstoff könnte gemeinsam mit einem Erdgasstrom zugeführt werden, und könnte als Shiftgas bereitgestellt werden, unter Anwesenheit von Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid. Die Anwesenheit von Kohlendioxid ist nicht zu bevorzugen, kann aber tolerierbar sein, und die Entfernung von etwas Kohlendioxid kann wirtschaftlich nicht rechtfertigbar sein.
Akzeptable Katalysatormaterialien umfassen Edelmetalle, Halbedelmetalle und Übergangsmetalloxide. Im allgemeinen sind bekannte Oxidationskatalysatoren bei der vorliegenden Erfindung nützlich. Mischungen aus solchen Metallen oder Metalloxiden können ebenfalls nützlich sein.
Hochlaufoxidationsmittel und/oder -brennstoffe werden bevorzugt nur verwendet, bis die Verbrennungsvorrichtung auf eine Temperatur erhitzt worden ist, die ausreicht, um einen Betrieb mit Methan (Erdgas) als Brennstoff und Luft als Oxidationsmittel zu ermöglichen (d. h. die Verbrennungsvorrichtung hat sich auf eine Temperatur über der Selbstentzündungstemperatur von Methan in Luft erhitzt).
Das Vorerhitzen von Brenngasen wie Methan, um eine flammenlose Verbrennung zu erzielen, könnte zu einer signifikanten Bildung von Ruß in der Brennstoffleitung führen, wenn nicht ein Rußbildungs-Unterdrückungsmittel im Brennstoffstrom enthalten ist. Das Rußbildungs-Unterdrückungsmittel kann Kohlendioxid, Dampf, Wasserstoff oder Mischungen davon sein. Kohlendioxid und Dampf werden wegen der allgemein höheren Kosten von Wasserstoff bevorzugt.
Eine flammenlose Verbrennung tritt im allgemeinen auf, wenn eine Reaktion zwischen einem Oxidationsmittelstrom und einem Brennstoff nicht durch den Mischvorgang beschränkt ist und der vermischte Strom sich auf einer Temperatur befindet, die höher ist als die Selbstentzündungstemperatur des vermischten Stromes. Dies wird erreicht, indem hohe Temperaturen am Ort des Mischens vermieden werden und indem verhältnismäßig kleine Inkremente an Brennstoff in den oxidationsmittelhältigen Strom eingemischt werden. Das Vorhandensein einer Flamme wird durch eine leuchtende Schnittstelle zwischen dem unverbrannten Brennstoff und den Verbrennungsprodukten bezeugt. Um die Erzeugung einer Flamme zu vermeiden, werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel bevorzugt auf eine Temperatur zwischen etwa 815ºC und etwa 1260ºC vor dem Mischen erhitzt: Der Brennstoff wird bevorzugt mit dem Oxidationsmittelstrom in verhältnismäßig kleinen Inkrementen vermischt, um ein rascheres Vermischen zu ermöglichen. Beispielsweise kann ausreichend Brennstoff in einem Inkrement zugegeben werden, um zu ermöglichen, daß die Ver brennung die Temperatur des Stromes um etwa 28 auf etwa 56ºC hebt.
Die Verwendung der Brennstoffleitung als Widerstandsheizvorrichtung zum Erzeugen einer anfänglichen Wärme für den Hochlauf der flammenlosen Verbrennungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist eine beträchtliche Verbesserung, weil die Brennstoffleitung ohnehin vorhanden ist, im allgemeinen aus einem elektrisch leitenden Material besteht und ein verhältnismäßig dickes Metall ist, was eine verläßliche Heizvorrichtung ergeben sollte. Die Dicke der Brennstoffleitung kann variiert werden, um eine Wärmeabgabe auf ausgewählten Segmenten der Länge der Brennstoffleitung zu erzeugen. Beispielsweise kann es bei einer Bohrlochwärmeinjektoranwendung wünschenswert sein, den untersten Abschnitt des Bohrloches elektrisch zu beheizen, um den vermischten Gasstrom bei der höchsten Konzentration an Brennstoff zu zünden und den Brennstoff zu verbrennen, bevor Abgase zurück nach oben durch das Bohrloch gelangen. Elektrische Energie kann an die Brennstoffleitung am Bohrlochkopf angeschlossen und die Brennstoffleitung von einem isolierenden Hängegestell getragen und im Inneren der Luftzufuhrleitung mit isolierenden Zentrierelementen zentriert gehalten werden. Die Brennstoffleitung wird dann unterhalb des Segmentes geerdet, das als Heizvorrichtung verwendet werden soll.
Katalysatormetalle wie Palladium oder Platin können auf eine Oberfläche im Inneren der Verbrennungskammer aufgetragen werden, bevorzugt durch Bürsten-Elektroplattieren, um die Oxidation des Brennstoffes bei herabgesetzten Temperaturen zu verbessern. Eine solche katalytische Oberfläche hat sich als äußerst wirksam bei der Förderung der Oxidation von Methan in Luft bei Temperaturen von so gering wie 260ºC erwiesen. Diese Reaktion tritt rasch auf der katalytischen Oberfläche auf, und im allgemeinen reagieren Gase in der Grenzschicht neben der Katalysatoroberfläche rasch vollständig. Ein Vorteil des Vorhandenseins einer signifikanten katalytischen Oberfläche im Inneren der Verbrennungskammer ist, daß der Temperaturbereich, in welchem die flammenlose Verbrennungsvorrichtung betrieben werden kann, wesentlich erhöht werden kann.

BEISPIELE

Ein thermischer Reaktor wurde verwendet, um Temperaturen zu errichten, bei welchen Oxidationsreaktionen mit unterschiedlichsten Kombinationen von Brennstoffen, Oxidationsmitteln und Katalysatoroberflächen auftreten. Der Reaktor war ein Rohr zu 2,54 cm aus rostfreiem Stahl, das in eine elektrische Widerstandsheizspule eingehüllt und mit einer Isolierung bedeckt war. Ein Thermoelement zur Temperatursteuerung wurde unter die Isolation der Außenoberfläche des Rohres benachbart angeordnet. Thermoelemente wurden auch im Inneren des Rohres am Einlaß, in der Mitte und am Auslaß vorgesehen. Testbänder aus Edelmetallen oder Streifen aus rostfreiem Stahl mit Edelmetallbeschichtungen wurden in das Rohr gehängt, um die katalytische Aktivität zu testen. Luft, die auf eine Temperatur vorerhitzt war, die etwas unter der gewünschten Temperatur des Test lag, wurde in den elektrisch beheizten Testabschnitt des Rohres eingebracht. Die an die elektrische Widerstandsheizvorrichtung abgegebene elektrische Leistung wurde variiert, bis die gewünschte Temperatur im Testabschnitt erreicht wurde und ein eingeschwungener Zustand, wie er von den im Inneren des Rohres montierten Thermoelementen gemessen wurde, erreicht war. Brennstoff wurde dann durch ein Misch-T-Stück in den Strom aus vorerhitzter Luft eingebracht und in den elektrisch beheizten Testabschnitt strömen gelassen. Vier Platinbänder mit einer Breite von 0,32 cm und einer Länge von etwa 40 cm oder ein Streifen aus rostfreiem Stahl mit einer Breite von 0,95 cm und einer Länge von etwa 40 cm, beschichtet auf beiden Seiten mit Platin oder Palladium, wurde in das Rohr abgehängt, um die katalytische Aktivität zu testen. Wenn der Testabschnitt einen katalysatorbeschichteten Streifen oder ein Band aus Edelmetall enthielt und sich auf oder über der katalytischen Selbstentzündungstemperatur befand, bewirkte die Zugabe von Brennstoff einen Temperaturanstieg an den inneren mittleren Thermoelementen und den Thermoelementen am Auslaß. Unterhalb der katalytischen Selbstentzündungstemperatur wurde eine solche Temperatur nicht beobachtet. Wenn keine katalytischen beschichteten Streifen oder Edelmetallbänder vorhanden waren, mußte der Testabschnitt auf die Selbstentzün dungstemperatur des Brennstoffes erhitzt werden, bevor ein Temperaturanstieg beobachtet werden konnte. Die nicht-katalytischen und katalytischen Selbstentzündungstemperaturen, die gemessen wurden, sind in der TABELLE zusammengefaßt, wobei die gemessenen nicht-katalytischen und katalytischen Selbstentzündungstemperaturen jeweils als "gemessene Selbstentzündungstemperatur" bezeichnet sind. TABELLE
Aus der TABELLE kann ersehen werden, daß die Zugabe von N&sub2;O zum Brennstoffstrom die gemessene Selbstentzündungstemperatur der Mischungen stark reduziert. Darüber hinaus reduziert die Einbeziehung von Wasserstoff als Brennstoff und die Anwesenheit der katalytischen Oberfläche ebenfalls signifikant die dynamischen Selbstentzündungstemperaturen.
Eine 3,048 m lange Testverbrennungsvorrichtung wurde verwendet, um die Ergebnisse des 1 Zoll Reaktors in einer verteilten Brenneranwendung zu testen. Eine Brenngasleitung mit einem Außendurchmesser von 2,54 cm wurde im Inneren einer Verbrennungsleitung mit einem Innendurchmesser von 5,08 cm vorgesehen. Die Brennstoffzufuhrleitung stellte eine Leitung für Brennstoff zu einem Brennstoffzufuhranschluß in der Nähe eines Einlaßendes der Verbrennungsleitung her. Die Verbrennungsleitung wurde im Inneren eines isolierten Rohres angeordnet, und Thermoelemente wurden entlang der Brennstoffzufuhrleitung angeordnet. Zwei verschiedene Verbrennungsleitungen wurden verwendet. Eine Verbrennungsleitung war aus einem Streifen der Legierung "HAYNES 120" gefertigt. Der Streifen war auf einer Seite mit Palladium auf eine durchschnittliche Dicke von 0,000254 cm elektrobürstenplattiert. Der Streifen wurde dann bruchgeformt, tiefgezogen und zu einem 3,048 m langen Rohr geschweißt, wobei die Palladiumbeschichtung auf der Innenseite lag. Die andere Verbrennungsleitung war ein 7,62 cm Standardrohr aus "HAYNES 120"- Legierung. Ein "MAXON"-Brenner wurde verwendet, um Verbrennungsgase dem 3,048 m langen Verbrennungsrohr zuzuführen, und verschiedene Anteile von Luft und/oder anderen Additiven wurden mit dem Abgas aus dem "MAXON"-Brenner in einem Mischabschnitt zwischen dem Brenner und der Verbrennungsleitung gemischt. Um eine gleichmäßige Temperatur im Inneren der Verbrennungsleitung aufrechtzuerhalten, wurden drei elektrische Heizvorrichtungen, jede mit ihrer eigenen Steuerung, außerhalb und entlang der Länge der Verbrennungsleitung angeordnet.
Eine Reihe von Tests wurde durchgeführt, eine mit der palladiumbeschichteten Verbrennungsleitung und eine mit der Verbrennungsleitung, die nicht palladiumbeschichtet war. Brenngas wurde über den Brenngaszufuhranschluß mit einer Rate von etwa 0,635 m³ /h, gemessen bei einer Temperatur von 15,5ºC und atmosphärischem Druck, zugeführt, und etwa 374 m³/h Luft, einschließlich der Brennerluft und der Hilfsluft, gemessen bei denselben Bedingungen, wurde zugeführt. Es wurde ausreichend Brenngas dem Brenner zugeführt, um eine Zieltemperatur am Einlaß der Verbrennungsleitung zu erreichen. Der Prozentsatz an eingebrachtem Methan, das verbrannt wurde, ist als eine Funktion der Verbrennungsleitung-Einlaßtemperatur in Fig. 2 für eine katalytische Konfiguration (Linie A) und eine nicht-katalytische Konfiguration (Linie B) gezeigt. Aus Fig. 2 kann ersehen werden, daß bei den niedrigsten Temperaturen, bei denen die Vorrichtung betrieben werden kann, etwa 260ºC, mit der palladiumbeschichteten Verbrennungsleitung 55% des Methans oxidiert wurden. Die niedrigste Betriebstemperatur kann etwas unter 260ºC sein, aber die verfügbare Ausrüstung war nicht in der Lage, bei einer geringeren Temperatur zu funktionieren. Wenn die Verbrennungsleitung ohne Palladiumbeschichtung verwendet wurde, trat etwas Oxidation von Methan bei etwa 704ºC auf, und die Oxidation von Methan trat rasch bei Temperaturen von etwa 816ºC auf. Bei Temperaturen von 871ºC und darüber hatte die Anwesenheit der Palladiumoberfläche keine Auswirkung, da die Oxidation des Methans rasch und vollständig war, sowohl mit als auch ohne Palladiumoberfläche.
Die Temperaturunabhängigkeit des Methans, das unterhalb von 704ºC oxidiert wurde, scheint zu bestätigen, daß das Methan in der Grenzschicht zur Oberfläche der Palladiumoberfläche rasch oxidiert und daß der Transport des Methans zu dieser Grenzschicht, und nicht die Kinetik, das Ausmaß diktiert, in welchem das Methan oxidiert wird. Bei Temperaturen von etwa 704ºC und darüber wird die thermische Oxidation vorherrschend und die Temperaturabhängigkeit beruht auf dieser thermischen Oxidation.

Claims

1. Flammenlose Verbrennungsvorrichtung, mit:

einer Verbrennungskammer (14) in Verbindung mit einem Einlaß für Oxidationsmittel an einem Ende und in Verbindung mit einem Verbrennungsproduktauslaß am anderen Ende;

einer Brennstoffleitung (12) im Inneren der axialen Verbrennungskammer (14), wobei die Brennstoffleitung (12) ein Brennstoffvolumen definiert, welches Brennstoffvolumen in Verbindung mit einer Brennstoffzufuhr und in Verbindung mit der Verbrennungskammer (14) über eine Vielzahl von Öffnungen (13) entlang der Brennstoffleitung (12) ist, wobei die Brennstoffleitung (12) ein elektrisch leitfähiges Material aufweist; und

elektrischen Heizmitteln zum Zünden der Mischung aus Oxidationsmittel und Brennstoff im Inneren der axialen Verbrennungskammer;

dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Heizmittel eine elektrische Energiezufuhr (15) umfassen, die einen elektrischen Strom durch die Brennstoffleitung (12) in einem solchen Ausmaß hindurchleitet, daß ein Erhitzen der Brennstoffleitung (12) in der Nähe zumindest einer Öffnung (13) auf eine Temperatur oberhalb jener Temperatur bewirkt wird, bei welcher der Brennstoff sich entzündet, wenn er durch die Öffnungen hindurchtritt.

2. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Verbrennungsvorrichtung in einem Bohrloch (3) ist.

3. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Brennstoffleitung (12) ein Rohr ist, das von einem Bohrlochkopf abgehängt ist; elektrische Energie an den Bohrlochkopf angelegt wird; die Brennstoffleitung eine geringere Dicke in der Nähe der Öffnungen (13) hat als oberhalb der Öffnungen; und die Brennstoffleitung an einem Punkt unterhalb zumindest einer Öffnung (13) geerdet ist.

4. Flammenlose Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher:

die Öffnungen (13) jeweils durch einen Intervallabstand voneinander getrennt sind, wobei das Oxidationsmittel durch die Verbrennungskammer (14) hindurchtreten und sich mit Brennstoff vermischen kann, welcher durch die Öffnungen (13) von dem Brennstoffvolumen aus hindurchtritt, während das Oxidationsmittel vom Einlaßende zum Verbrennungsproduktauslaß gelangt; und

eine Katalysatoroberfläche (19) im Inneren der axialen Verbrennungskammer (14) liegt, wobei die Katalysatoroberfläche (19) eine Reduzierung der Selbstentzündungstemperatur einer Mischung aus Brennstoff und Oxidationsmittel von einer nicht-katalytischen Selbstentzündungstemperatur auf eine katalytische Selbstentzündungstemperatur herab bewirkt.

5. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Katalysatoroberfläche (19) eine Außenoberfläche der Brennstoffleitung (12) umfaßt.

6. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Katalysatoroberfläche (19) eine Innenoberfläche der Verbrennungskammer (14) umfaßt.

7. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Verbrennungskammer (14) durch eine Innenoberfläche eines Rohres (10) in einem Bohrloch definiert ist.

8. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 4, ferner mit Mitteln zum Abführen von Wärme von dem Intervall der Verbrennungskammer (14) zwischen zumindest zwei Öffnungen (13), wobei die Mittel zum Abführen der Wärme in der Lage sind, eine Menge an Wärme abzuführen, die zu einer Temperatur im Inneren der Verbrennungskammer (14) führt, welche in einem eingeschwungenen Zustand größer ist als die Selbstentzündungstemperatur des Brennstoff in Luft, jedoch weniger als etwa 1100ºC.

9. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher die Mittel zum Abführen der Wärme von einem Intervall der Verbrennungskammer zwischen zumindest zwei der Öffnungen (13) die Formation (1) umfassen, zu welcher Wärme aus der Verbrennungskammer (14) durch Konvektion und Wärmeleitung über einen Ringraum rund um die Verbrennungskammer (14) übertragen werden kann.

10. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Katalysatoroberfläche (19) Palladium aufweist.

11. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Brennstoffleitung (12) ein Rohr ist, das von einem Bohrlochkopf aus abgehängt ist, und die Verbrennungsvorrichtung in einem Bohrloch (3) liegt und ferner Mittel (15) zum Zuführen von elektrischer Energie zu der Brennstoffleitung am Bohrlochkopf aufweist und die Brennstoffleitung eine geringere Dicke in der Nähe der Öffnungen hat als oberhalb der Öffnungen, und die Brennstoffleitung an einem Punkt unterhalb zumindest einer Öffnung geerdet ist.

12. Verfahren zum Zünden einer flammenlosen Verbrennungsvorrichtung, umfassend:

Zurverfügungstellen einer axialen Verbrennungskammer (14) in Verbindung mit einem Einlaß für Oxidationsmittel an einem Ende und in Verbindung mit einem Verbrennungsproduktauslaß am anderen Ende;

Zurverfügungstellen einer Brennstoffleitung (12) im Inneren der axialen Verbrennungskammer (14), welche Brennstoffleitung (12) ein Brennstoffvolumen definiert, wobei das Brennstoffvolumen in Verbindung mit einer Brennstoffzufuhr und in Verbindung mit der Verbrennungskammer (14) über eine Vielzahl von Öffnungen (13) steht, die entlang der Brennstoffleitung (12) liegen;

Leiten eines Oxidationsmittels zur Verbrennungskammer (14);

Leiten eines Stromes an Brennstoff zum Brennstoffvolumen; und Erhitzen des Brennstoffstromes oder des Oxidationsmittels oder sowohl des Brennstoffstromes als auch des Oxidationsmittels auf eine Temperatur, die zu einer Reaktion des Oxidationsmittels und des Brennstoffes führt;

dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion erfolgt, wenn sich der Brennstoff mit dem Oxidationsmittel vereinigt, und daß das Oxidationsmittel aus der Gruppe umfassend Stickoxide und zusätzlichen Sauerstoff ausgewählt ist, und das Verfahren weiter umfaßt:

Fortsetzen des Leitens des Oxidationsmittels zur Verbrennungskammer (14) und des Brennstoffes zur Brennstoffleitung, bis die Temperatur im Inneren der Verbrennungskammer (14) eine Selbstentzündungstemperatur des Brennstoffes in Luft übersteigt; und

Ersetzen des Oxidationsmittels durch Luft, nachdem die Temperatur im Inneren der Verbrennungskammer (14) die Selbstentzündungstemperatur des Brennstoffes in Luft übersteigt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit dem Schritt des Durchleitens einer Menge an Elektrizität durch die Brennstoffleitung (12), die ausreicht, um zu bewirken, daß sich die Brennstoffleitung (12) über zumindest einen Abschnitt der Leitung (12) in der Nähe zumindest einer Öffnung (13) auf eine Temperatur von zumindest 260ºC erhitzt.

14. Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit dem Schritt des Zurverfügungstellens einer Katalysatoroberfläche (19) im Inneren der Verbrennungskammer (14), wobei die Katalysatoroberfläche (19) eine Reduktion der Temperatur bewirkt, bei welcher der Brennstoff und das Oxidationsmittel in der Nähe der Katalysatoroberfläche (19) reagieren.

15. Verfahren nach Anspruch 12, bei welcher der Brennstoff Wasserstoff ist.

16. Verfahren nach Anspruch 12, bei welcher der Brennstoff Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfaßt.