JP2000503085A

JP2000503085A - Quenching combustor

Info

Publication number: JP2000503085A
Application number: JP9524011A
Authority: JP
Inventors: カラニカス，ジヨン，マイケル; ミクアス，トーマス; ヴイネガー，ハロルド，ジエー．; ウエリントン，スコツト，リー
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: 2000-03-14
Anticipated expiration: 2016-12-17
Also published as: KR100440993B1; WO1997024510A1; EP0870101B1; JP3825807B2; CN1079884C; IL124805A; DE69603979D1; AU1303497A; EG20999A; KR19990076855A; DK0870101T3; IL124805A0; ES2138842T3; JO1947B1; GR3031660T3; AU713893B2; CN1206446A; EA199800601A1; EP0870101A1; EA000250B1

Abstract

A flameless combustor eliminates the flamme as a radiant heat source, which results in a more even temperature distribution throughout the length of the burner. Flameless combustion is accomplished by preheating the fuel and the combustion air to a temperature above the autoignition temperature of the mixture. The present invention lowers the autoignition temperature by placing a catalytic surface within the desired combustion chamber. Temperatures are maintained above the catalyzed autoignition temperature but less than the noncatalyzed autoignition temperatures for noncatalyzed reaction. Thus, the amount and location of reaction can be controlled by varying the amount and distribution of catalyst within the burner. Removing heat from the combustion chamber in amounts that correspond to the oxidation of fuel within different segments of the combustion chamber can result in low temperatures and relatively even distribution of heat from the burner.

Description

【発明の詳細な説明】消炎燃焼器本発明は消炎燃焼装置及び消炎燃焼方法に関する。米国特許第4,640,352 及び 4,886,118 号は、オイル回収のため、低透過性含オイル地下鉱層を熱伝導により加熱することを開示している。低透過性鉱層は、珪藻土、脂質石炭及びオイルシェールを含む。低透過性鉱層は、水蒸気若しくは二酸化炭素による攻法又は火攻法のような油二次回収法にとってくみしやすい対象ではない。圧入用物質は優先して割れ目を通って低透過性鉱層を貫通する傾向がある。よって注入された物質は大半の炭化水素鉱層を迂回することになる。これに対して熱伝導性加熱は鉱層中へ液体を輸送する必要がない。したがって鉱層中のオイルは流体攻法や火攻法のように迂回されることがない。鉱層は一般に比較的均一な熱伝導率及び比熱を有するので、鉱層温度が熱伝導性加熱により上昇したとき、垂直方向の温度分布断面図は比較的一様な傾向を示す。熱伝導プロセスにおける炭化水素の輸送は、鉱層岩石の細孔内に留め置かれたオイル及び水の、圧力による駆動、気化並びに熱膨張による。炭化水素は、このオイル及び水の膨張並びに気化によって生じた小さな割れ目を通って移動する。米国特許第5,255,742 号は、予熱された燃料ガス及び／又は燃焼用空気を使用して地下鉱層を加熱するのに有用な消炎燃焼器を開示している。ここで燃料ガスは十分に小さな増分で燃焼用空気と組み合わされ、炎の発生は回避される。ＮＯ_x の発生は殆ど抑制され、また構造用材料が比較的低価格なため、該燃焼器のコストは著しく低減されることができる。この先行技術文献に開示された方法に従って燃料ガスを予熱すると、この燃料ガスにＣＯ₂ 、Ｈ₂ 又は水蒸気を加えない限り、コークスの形成が起こり得る。さらにまた、この公知の燃焼器は燃料ガス混合物の無触媒自己点火温度(uncatalyzed autoignition temperature)を超える温度で操業する必要があるので、この燃焼器の始動時には時間を浪費する。接触燃焼器(catalytic combustor)もまた公知である。例えば米国特許第3,928 ,961 号は触媒により支援される熱的燃焼装置を開示している。ここでＮＯ_x の形成は燃料の無触媒自己点火温度を超えるが、実質的な窒素酸化物形成の起こる温度よりも低い温度で燃焼を行うことにより抑止される。例えば米国特許第5,355,668 及び 4,065,917号には、酸化触媒でコーティングされた金属表面が開示されている。これらの特許はガスタービン機関の構成要素上の、触媒コーティング表面を提案している。前記米国特許第4,065,917 号は触媒コーティング表面をタービン始動用に使用することを提案し、また始動操作の質量移動管理限界相(mass transfer control limited phase)を提案している。よって本発明の課題は、コークス形成抑止用の添加剤を燃料ガス流中に加える必要のない消炎燃焼方法及び消炎燃焼装置を提供することである。もうひとつほかの側面では、本発明の課題は、ＮＯ_x の形成を最小にする消炎燃焼方法及び消炎燃焼装置を提供することである。本発明の課題はまた、燃料及び酸化剤を当初から組み合わせることが可能な消炎燃焼装置と共に、燃焼室内の触媒表面の分布により決定される燃焼分布を提供することでもある。これら及びそのほかの課題は、燃料酸化剤混合物の燃焼用の消炎燃焼器であって、流入口及び燃焼生成物排出口へ通じる燃焼室と、該流入口へ通じる燃料酸化剤混合物供給路と、該燃焼室内の触媒表面とからなり、該触媒表面は、燃料の酸化の結果生じる温度が該燃料酸化剤混合物の無触媒自己点火温度を超えないような燃料量を酸化させるのに効果的である前記燃焼器によって達成される。本発明の消炎燃焼器では、該燃料酸化剤混合物の断熱燃焼の結果生じるであろう温度が回避されるため、亜酸化窒素の生成が最小である。したがって亜酸化窒素を除去したり、その形成を抑止する他の手段は必要でない。大面積かつ長距離にわたり比較的一様な熱分布が可能であり、また、燃焼温度がより低いため、本発明の燃焼器には比較的低価格の構造材料が使用できる。利用可能な触媒物質には、貴金属、準貴金属及び遷移金属酸化物がある。一般に、公知の酸化触媒は本発明に有用である。そのような金属又は金属酸化物の混合物もまた有用であろう。本発明の消炎燃焼器は、炭化水素回収のため地下鉱層を加熱するための熱注入器として特に有用である。該触媒表面はまたそのような熱注入器の作業性及び始動作業を改善する。本発明は、燃料及び酸化剤を別途の導管内を通してそのような熱注入器内の燃焼域へ輸送する必要性を排除する。これは著しいコスト削減をもたらす。本発明はまた消炎燃焼により地下鉱層を加熱する方法を提供する。本発明のこの方法は、被加熱鉱層内のドリルホール内のダウンホール燃焼室を形成する燃焼管を設置し、流入口を介して燃料及び酸化剤を該燃焼室へ供給し、該燃焼室内で触媒表面に沿って該燃料及び酸化剤を流れさせ、その際、該触媒表面は、該燃焼室内の平均温度がこの燃料酸化剤混合物の無触媒自己点火温度を下回るような割合で燃料量を酸化させるのに効果的であり、該ドリルホール内の燃焼生成物排出管を介して燃焼生成物を地表へ流れさせることからなる。該燃焼室は好ましくは、井戸ケーシングの下部とこの井戸ケーシングの底部近傍のプラグとにより形成され、該触媒表面は管の内面及び／又は外面上の触媒コーティングで装備されており、該管は、該管の下端と該プラグとの間に間隙が維持されるように該井戸ケーシング内に共軸懸垂される。好ましくは、該懸垂管が燃料空気混合物流入管として、該懸垂管と該井戸ケーシングとの間の環状空間が燃焼生成物流出管として使用されるか、又は逆の組み合わせで使用される。これら及びそのほかの本発明の燃焼器及び燃焼方法の特徴、目的及び利点は、付属の図から明らかになるはずである。図において、図１は本発明の燃焼器を示し、図２は本発明を立証する試験装置内の温度とメタン消費率との関係を示す図である。一般に消炎燃焼は燃焼用空気及び燃料を十分に予熱することにより行われ、この二つの流が合流するとき、この混合物の温度はこの混合物の自己点火温度を超えるが、混合速度による制限を受け、混合後の酸化の結果生じるであろう筈の温度よりも低い温度に到達する。もし触媒表面が存在しなければ、該二つの流を約８１５℃〜約１２６０℃の温度に予熱した後、比較的小さな増分で燃料ガスを燃焼用空気中に混合することにより消炎燃焼が起こるであろう。もし触媒表面が存在すれば、この触媒表面の影響を受ける区域では酸化反応が起こる温度は著しく低下する。以下この低下した温度を有触媒自己点火温度(cat alyzed autoignition temperature)と呼ぶ。乱流中では、該触媒表面に接触する境界層内の流体は殆ど定量的に酸化されるであろうが、この境界層の外側では、もし沖合い温度が該混合物の無触媒自己点火温度未満であれば、酸化は殆ど起こらないであろう。よって、有触媒自己点火温度と無触媒自己点火温度との間の温度範囲における反応は質量移動限界であり、温度に比較的依存しない速度に止まる。このことは前記米国特許第4,065,917 号のような参考文献に提案されている。この質量移動限界反応機構は本発明において消炎燃焼器の燃焼室内の熱発生の分布を制御するために利用される。熱発生及び熱除去は、酸化剤、燃料及び燃焼生成物の平均的な流温度が有触媒自己点火温度と無触媒自己点火温度との間に留まるように均衡されることができる。本発明の燃焼加熱器は、燃料酸化剤比、燃料酸化剤流量のような変数により制御される。個々の応用に依存して、熱負荷が制御におかれ得る。本発明の消炎燃焼器の重要な特徴は、断熱燃焼温度を著しく下回る温度が保持されるように、熱が該燃焼室の軸に沿って除去されることである。これはＮＯ_x の形成を殆ど排除すると共に冶金的要求度を低減させ、比較的低価格の燃焼器を生む結果に通じる。図１に本発明の実施が可能な熱圧入井内の燃焼器を示す。被加熱鉱層１はオーバーバーデン２の下にある。ドリルホール３はこのオーバーバーデンを貫いて好ましくは該被加熱鉱層の底部に近い位置まで延びる。ここでは垂直な井戸が示されているが、該ドリルホールは方向が偏っていても、或いはまた水平であってもよい。水平式熱注入井は、平行駆動プロセスにより炭化水素を回収するため、水平方向に割れている鉱層に設けることができる。浅いオイルシェール鉱層は水平式燃焼加熱器が有用であり得る例である。水平式燃焼加熱器はまた、薄い鉱層が加熱されるとき、オーバーバーデン及び基岩(base rock)へ流れる熱損失を制限するために効果的に使用されることもできる。図１に示した実施の形態では、該ドリルホールはケーシング４で囲まれている。該ドリルホールの下部は、高温に耐えかつ熱を移送するのに好適な特性を有するセメント７で塗られている。良好な断熱材であるセメント８は、該燃焼システムからの熱損失を防止するため、該ドリルホールの上部に好まれる。燃焼混合物導管１０は鉱井頂（図示せず）から該ドリルホールの下部まで延びる。ドリルホールの高温部内のケーシング及び導管に塗るのに好適な高温セメントは入手可能である。この例は米国特許第3,507,332 及び3,180,748 号に開示されている。セメントスラリー固形分を基準として約５０重量％を超えるアルミナ含有量が好まれる。浅い鉱層では、燃焼加熱器を鉱層中に直接ハンマードリルするのが有利であろう。燃焼加熱器が鉱層中に直接ハンマードリルされたとき、燃焼加熱器を鉱層にセメントで塗り固める必要はないであろうが、地表への流体損失を防止するため、燃焼加熱器の上部はセメントで塗り固めるとよいことがあろう。図１の実施の形態においてケーシング４の直径の選択は、ケーシングの費用と、鉱層中へ熱を移動する速度との兼ね合いである。通常、ケーシングは冶金的要求度の故に圧入井の最も高価な構成成分である。鉱層に移動できる熱量はケーシング直径の増加と共に著しく増加する。内径約１０〜約２０cmのケーシングは典型的に、初期コストとドリルホールから熱を移動させる能力との間の最適兼ね合いを提供する。ケーシングの底部に見えるセメントプラグ２３は、セメント塗り込み作業の間、セメントをケーシングの底部から押し出すため、ケーシングの下方へ押しやられる。触媒表面２０は、酸化反応の温度が低減される限定区域を提供するため、燃焼室１４内に設けられる。これら触媒表面２０は導管１０の下部の内面及び／又は外面の少なくとも一部分を覆うコーティングとして、該燃焼室内の熱放出の分配を図るために分配されている。該触媒表面は、該ケーシングに沿ってほぼ一様な温度分布を達成するような寸法になっている。該ケーシング内にほぼ一様な温度断面があることは、被加熱鉱層内に熱がより一様に分布する結果を生む。被加熱鉱層内に熱がほぼ一様に分布することは、伝導性加熱式炭化水素回収プロセスにおけるより効果的な熱利用をもたらすこととなろう。より一様な温度断面はまた、同じ熱放出について最高温度の低下をもたらすこととなろう。燃焼器及び鉱井システムの構造材料がこの最高温度を指定する訳だから、一様な温度断面は同じ構造材料について可能な熱放出量を増加させる。燃焼生成物は加熱下の鉱層の上、ドリルホールのなかを上昇するのだから、導管を下降する燃焼用空気／燃料ガスと、上昇する燃焼生成物との間に熱交換が行われる。この熱交換はエネルギーを保存するばかりではなく、本発明にとって願わしい消炎燃焼を可能にする。燃料ガス及び燃焼用空気は各々の導管を下降する際に十分に予熱され、最終的混合点におけるこれら二つの流の混合物は、この混合物の有触媒自己点火温度を超えるが、無触媒自己点火温度を下回る温度に達する。触媒表面上の燃焼と、有効触媒表面に隣接する境界層内の消炎燃焼とが起こり、放射熱源としての炎の発生は避けられる。従って熱は実質的に一様にドリルホールから移送される。本発明の燃焼器の運転の際に重要なのは、熱が燃焼室の長手伝いに燃焼室から運び去られることである。本発明をドリルホール熱注入器へ応用すると、熱はドリルホールの周囲の鉱層へ移送される。本発明の燃焼器は、水蒸気の発生並びに化学工業プロセス加熱器及び反応器のような他の応用面でも使用可能であろう。燃料ガス及び燃焼用空気は、燃焼生成物導管を囲む環状容積として図示された燃料酸化剤混合物供給路を通ってドリルホール底部へ移送される。混合された燃料と空気とは、触媒表面１４の近傍のドリルホール容積内で互いに反応して燃焼生成物を形成する。この燃焼生成物はドリルホールを上昇し、燃焼生成物導管１０を通って鉱井頂の排気口（図示せず）から出る。この燃焼生成物はこの排気口から煙突（図示せず）を通って大気中に送られることができる。別の手法によれば燃焼ガスは、亜酸化窒素は恐らく存在しないであろうし、従って除去の必要もないであろうが、汚染物質を取り除くため処理されることができる。エキスパンダータービン又は熱交換器により該燃焼生成物から追加のエネルギーを回収することも望ましいであろう。触媒なしに消炎燃焼を得るために燃料ガスを予熱すると、炭素形成抑制剤が燃料ガス流中に含まれてなければ、著しい炭素の発生を生むであろう。従って、そのような炭素形成抑制剤を提供する必要性は炭素形成温度を下回る温度で燃焼加熱器を運転することにより避けられる。これが本発明のもうひとつの重要な利点であるのは、炭素抑制剤は燃焼加熱器を貫流するガスの容積を増大させ、従って必要な導管の寸法を増大させるからである。本発明の鉱井加熱器の常温始動は有炎燃焼を利用できる。最初の点火は、自燃性物質、電気式点火器、火花点火器を投入し、一時的に点火器をドリルホール内に降下させ、或いは電気抵抗式ヒーターを投入することにより行うことができる。ドリルホール内に炎が存在する期間を最小にするため、燃焼器は消炎燃焼が保持される温度に速やかに達するのが好ましい。燃焼器を昇温させる速度は典型的に、燃焼器の耐え得る温度勾配により制限されるであろう。燃焼混合物導管は、燃焼器を操業温度に昇温するための抵抗式ヒーターとして利用されることができる。この導管を抵抗式ヒーターとして利用する目的に、導電リード１５は電気エネルギー供給のため、クランプ１６若しくはほかの接続具により、電気的絶縁用接ぎ手の下にある、鉱井頂近傍の燃焼混合物導管１０に接続されることができる。電気的接地は抗井の底部近傍で、１個若しくはそれ以上の導電性セントラライザー１７により用意されることができる。この電気的接地用セントラライザーの上方かつ該燃焼混合物導管上に在るセントラライザーは電気的絶縁用セントラライザーである。初めの触媒表面の位置において、燃焼混合物の温度が有触媒自己点火温度を超えるが無触媒自己点火温度を下回る結果を生むのに十分な熱量が与えられのが好ましい。燃焼混合物導管の厚さは、燃料導管の長さのうち所定区域で熱放出を生じるように変更されることができる。例えば鉱井熱注入装置としての適用の場合、最高燃料濃度を有する混合ガスに点火し、かつ排気ガスがドリルホールを通って上方へ戻る以前に燃料を燃焼させるためには、ドリルホールの最下部を電気的に加熱するのが望ましいであろう。燃焼器を始動させるための高温表面を提供する薄い部分２１が燃焼混合物導管内に見られる。燃料ガス酸化剤混合物の酸化反応温度は貴金属表面又はそのほかの効果的触媒表面を備えることにより低められる。触媒表面は、好ましくは燃焼生成物導管１０の内面、外面又は内外両面上に備えられる。また別の手法によれば、一つの、表面又は管形表面又は他の貴金属を含む表面を別途に燃焼室内に置くこともできよう。ほかの貴金属コーティング表面は例えば燃焼ガス導管の外側の燃焼生成物用環形部に備えることができよう。この追加の触媒表面は、熱発生が望まれるドリルホール内で完全燃焼が起こることを確実にするであろう。本発明の消炎燃焼器の始動は、始動期に補足的酸化剤を与えること、又は水素のようなより低い自己点火温度を有する燃料を使用することによりさらに促進することができる。好まれる補足的酸化剤には追加の酸素及び亜酸化窒素が含まれる。水素は天然ガス流と共に提供されることも、また一酸化炭素の存在下及び二酸化炭素の存在下で代用ガスとして提供されることもできよう。酸化剤及び／又は燃料の始動操作は、燃料としてメタン（天然ガス）及び酸化剤として空気を以って操業させるのに十分な温度に加熱される（即ち、燃焼器は空気中メタンの有触媒自己点火温度を超える温度に昇温される）までの間だけ使用されるのが好ましい。米国特許第5,255,742 号は、消炎燃焼器の始動用の熱発生のため、電気抵抗式ニクロムヒーターを使用することを開示した。このような電気ヒーターは本発明の実施に使用されることができる。より低い温度で燃料の酸化を促進するため、パラジウム若しくは白金のような貴金属、又は準貴金属、卑金属若しくは遷移金属は、好ましくは電気メッキにより、燃焼室内の表面上にコーティングされることができる。これらの金属は次いで、触媒として効果的な表面を提供するのに必要なだけ酸化される。そのような触媒表面は、２６０℃という低い温度で空気中のメタンの酸化を促進するのに極めて効果的なことが判明している。この反応は、触媒表面上及びその近傍の境界層内で急速に進む。燃焼室内に大きな触媒表面を備えることの利点は、消炎燃焼器が稼働可能な温度範囲が著しく増大することである。実施例燃料、酸化剤及び触媒表面の種々の組み合わせの下に進行する酸化反応の温度を確立するため、熱反応器を使用した。この反応器は電気抵抗式加熱用コイルで包まれた２.５４cmステンレススチール管であり、断熱材で覆われていた。温度制御用熱電対は該管の外面近傍の断熱材の下に配置した。熱電対は該管の内側かつ入口、中央及び出口にも設置した。触媒活性を試験するため、貴金属製リボン又は貴金属コーティングされたステンレススチール片を該管内に吊した。この試験の所望温度をやや下回る温度に予熱された空気を該管の電熱加熱された試験区域に注入した。該試験区域に所望温度が得られかつ該管内に取り付けた熱電対による測定の下で定常状態が得られるまで、該電気抵抗式ヒーターへの供給電力を加減した。次に混合用T 字管を通して燃料を予熱空気中に注入し、該電熱加熱された試験区域に流入させた。触媒活性を試験するため、１／８インチ幅、約１６インチ長の白金製リボン４個、又は、３／８インチ幅、約１／１６インチ厚、約１６インチ長の白金若しくはパラジウム両面コートステンレススチール片１個を該管内に懸けた。該試験区域が触媒コート片又は貴金属リボンを含みかつ有触媒自己点火温度若しくはそれを超える温度にあったとき、燃料の添加は該内部の中央及び出口熱電対において温度上昇を惹起した。有触媒自己点火温度を下回る温度では、このような温度上昇は観測されなかった。触媒コート片も貴金属リボンも存在しなかったときは、この温度上昇が観測される前に、該試験区域を燃料の自己点火温度に加熱しなければならなかった。無触媒及び有触媒自己点火温度の測定値を表に示す。ここでは無触媒又は有触媒自己点火温度測定値を自己点火温度測定値という。表から、Ｎ₂ Ｏを燃料流に添加するとこの混合物の自己点火温度測定値が大幅に低下することが分かる。さらに、燃料として水素を含むこと及び触媒の存在もまた動力学的自己点火温度を著しく低下させる。前記２.５４cm反応器の結果を分布型燃焼器(distributed combustor)としての応用について試験するため、３.０４８ｍ長の試験燃焼器を使用した。５.０８cm 内径燃焼管内に２.５４cm外径燃料ガス管を設けた。この燃料注入管は、該燃焼管の入口端近傍に位置する燃料注入口への燃料導管となる。該５.０８cm内径燃焼管を断熱パイプ内に置き、熱電対を該燃料供給管に沿って置いた。二つの異なる燃焼管を使用した。その一つの燃焼管は"HAYNES 120"合金の片から製作した。この片の片側面を0.000254cmの平均厚みにパラジウムで筆メッキした。次いでこの片をブレーキ形に形成し、くさびで留め、溶接して該パラジウムコーティングが内側面にある３.０４８ｍ長の管にした。他方の燃焼管は"HAYNES 120"合金製の標準７.６２cm管であった。"MAXON"バーナーを使用して燃焼ガスを該３.０４８ｍ長燃焼管へ供給し、該バーナーと該燃焼管との間の混合区域において、種々異なる量の空気及び／又は他の添加物を該"MAXON"バーナーからの排気と混合した。該燃焼管内に一様な温度を保持するため、各々独自の制御器を備えた電熱ヒーター３基を該燃焼器の外側かつ長さ方向に沿って配置した。該パラジウムコーティング燃焼管と、該パラジウムコーティングを欠く燃焼管とを用いて一連の試験を行った。燃料ガスは該燃料ガス注入口を通して、温度１５.５℃、常圧下で測定して約０.６３５m³／時の速度で注入し、また同じ測定条件下で約３７４ｍ³／時の空気（バーナー空気及び二次空気を含む）を注入した。該燃焼管の入り口に目標温度を用意するために十分な量の燃料ガスをバーナーに供給した。図２には有触媒配置（線Ａ）及び無触媒配置（線Ｂ）について、注入したメタンの燃焼率（％）を燃焼管入口温度の関数として示す。図２から、該装置が稼働可能な最低温度の約２６０℃においてメタンの５５％が該パラジウムコーティング燃焼管で酸化されることがわかる。最低稼働温度は２６０℃をやや下回るであろうが、手元の該装置はより低い温度では稼働できなかった。パラジウムコーティングを欠く燃焼管を使用したとき、約７４０℃でメタンの酸化が幾分起こり、約８１６℃ではメタンの酸化は急速に起こった。８７１℃及びそれを超える温度ではパラジウム表面が存在してもしなくてもメタンの酸化は急速かつ完全であるため、パラジウム表面の存在は効果がなかった。７０４℃未満の温度でメタンの酸化が温度に依存しなくなることは、該パラジウム表面の境界層内でメタンが急速に酸化すること、及び、化学反応の速度ではなく、この境界層へのメタンの輸送がメタン酸化の程度を決定することの立証に資する。約７０４℃及びそれを超える温度では、熱的酸化が優勢になり、温度依存性はこの熱的酸化に依る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Quenching combustor The present invention relates to a quenching combustion apparatus and a quenching combustion method. U.S. Pat.Nos. 4,640,352 and 4,886,118 disclose low permeability materials for oil recovery. It discloses that an oil underground formation is heated by heat conduction. The low permeability mineral layer Includes diatomaceous earth, lipid coal and oil shale. The low-permeability ore layer is steam or A pair that is susceptible to secondary oil recovery such as carbon dioxide or fire flooding Not an elephant. Injectables tend to preferentially penetrate low permeability mineral formations through fractures There is. Thus, the injected material will bypass most of the hydrocarbon deposits. This In contrast, thermally conductive heating does not require the transport of liquid into the mineral formation. Therefore the ore formation The oil inside is not diverted as in fluid and fire floods. Mineral deposits are generally Mineral bed temperature rises due to thermal conductive heating due to relatively uniform thermal conductivity and specific heat Then, the temperature distribution cross-sectional view in the vertical direction shows a relatively uniform tendency. Heat conduction processor The transport of hydrocarbons in oil and water depends on oil and water trapped in the pores of the mineral rock. Driven by pressure, vaporization and thermal expansion. Hydrocarbons are oil and water It moves through small cracks created by expansion and vaporization. U.S. Pat. No. 5,255,742 uses preheated fuel gas and / or combustion air Discloses a flame-extinguishing combustor useful for heating underground formations. Where fuel gas Is combined with the combustion air in sufficiently small increments to avoid flame generation. NO_x Generation is almost suppressed, and the cost of the combustor is reduced due to the relatively low cost of structural materials. The strike can be significantly reduced. According to the method disclosed in this prior art document. When the fuel gas is preheated, CO_Two , H_Two Or do not add steam As long as coke formation can occur. Furthermore, this known combustor uses a fuel gas Exceeds the uncatalyzed autoignition temperature of the mixture Time is wasted starting this combustor because of the need to operate at temperature. Catalytic combustors are also known. For example, U.S. Pat. Discloses a catalytically assisted thermal combustion system. NO here_x of Formation exceeds the uncatalyzed autoignition temperature of the fuel, but substantial nitrogen oxide formation occurs It is suppressed by performing combustion at a temperature lower than the temperature. For example, U.S. Patent Nos. 5,355,668 and 4,065,917 describe coating with an oxidation catalyst. A disclosed metal surface is disclosed. These patents cover the components of a gas turbine engine. Above, a catalytic coating surface is proposed. U.S. Pat. It is suggested that the medium coating surface be used for turbine start-up, A mass transfer control limited phase has been proposed. Therefore, an object of the present invention is to add an additive for suppressing coke formation into a fuel gas stream. It is an object of the present invention to provide a flame quenching combustion method and a flame quenching combustion device which are unnecessary. Another one In some aspects, an object of the present invention is to provide NO_x Quenching and combustion method for minimizing the formation of It is to provide a flame combustion device. It is also an object of the present invention to initially use fuel and oxidizer. The distribution of the catalyst surface in the combustion chamber, together with the quenching combustion device that can be combined from It is also to provide a combustion distribution determined by: These and other challenges are for flame quenching combustors for burning fuel oxidant mixtures. hand, A combustion chamber leading to an inlet and a combustion product outlet; A fuel oxidant mixture supply passage leading to the inlet; Comprising a catalyst surface in the combustion chamber, The catalyst surface is exposed to the uncatalyzed temperature of the fuel oxidant mixture as a result of fuel oxidation. The combustor, which is effective to oxidize the amount of fuel that does not exceed the self-ignition temperature Is achieved. In the quenching combustor of the present invention, adiabatic combustion of the fuel oxidant mixture may result. The formation of nitrous oxide is minimized because temperature is avoided. Therefore nitrous oxide No other means of removing or inhibiting its formation is necessary. Large area and long distance Heat distribution is relatively uniform over Relatively low cost construction materials can be used in the inventive combustor. Available catalytic materials include noble metals, quasi-noble metals, and transition metal oxides. General In addition, known oxidation catalysts are useful in the present invention. A mixture of such metals or metal oxides Compounds may also be useful. The flame-extinguishing combustor of the present invention uses heat injection to heat underground formations for hydrocarbon recovery. Particularly useful as a vessel. The catalyst surface also affects the workability and start-up of such a heat injector. Improve the operation. The present invention allows such fuels and oxidants to be passed through separate conduits. Eliminates the need to transport to the combustion zone in a simple heat injector. This can result in significant cost savings Bring. The present invention also provides a method for heating an underground deposit by quenching combustion. The present invention The method is Installation of a combustion tube to form a downhole combustion chamber in a drill hole in a heated ore layer And Supplying fuel and oxidant to the combustion chamber via an inlet; Flowing the fuel and oxidant along a catalyst surface in the combustion chamber; At this time, the catalyst surface is exposed to an average temperature in the combustion chamber of the fuel oxidant mixture. It is effective to oxidize the fuel amount at a rate below the medium self-ignition temperature, Allowing the combustion products to flow to the surface via the combustion product discharge pipe in the drill hole Consisting of The combustion chamber is preferably located below the well casing and near the bottom of the well casing. Formed by an adjacent plug, the catalyst surface being the catalyst core on the inner and / or outer surface of the tube. The tube is equipped with a gap between the lower end of the tube and the plug. Coaxially suspended within the well casing to be carried. Preferably, the suspension tube and the well casing are used as a fuel-air mixture inlet tube. The annulus space between the fin and the shing is used as a combustion product effluent pipe or vice versa. Used in combination. These and other features, objects and advantages of the combustor and combustion method of the present invention include: It should be clear from the attached figure. FIG. 1 shows a combustor according to the present invention. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the temperature and the methane consumption rate in the test apparatus for verifying the present invention. It is. In general, quenching combustion is performed by sufficiently preheating combustion air and fuel. When the two streams meet, the temperature of the mixture exceeds the auto-ignition temperature of the mixture. The temperature that would otherwise be the result of oxidation after mixing Reach temperatures below degrees. If no catalyst surface is present, the two streams are After preheating to a temperature between 815 ° C and about 1260 ° C, the fuel gas is burned in relatively small increments. Extinction combustion will occur by mixing into the combustion air. If a catalyst surface is present, oxidation reactions will occur in areas affected by the catalyst surface. The temperature that occurs is significantly reduced. Hereinafter, this lowered temperature is referred to as the catalyzed auto-ignition temperature (cat alyzed autoignition temperature). In turbulence, contacts the catalyst surface The fluid in the boundary layer will be oxidized almost quantitatively, but outside this boundary layer, If the offshore temperature is below the non-catalytic autoignition temperature of the mixture, little oxidation will occur. Will not. Therefore, the temperature between the catalytic autoignition temperature and the noncatalytic autoignition temperature The reaction in the temperature range is at the mass transfer limit and only slows down relatively to temperature. You. This has been proposed in references such as the aforementioned U.S. Pat.No. 4,065,917. . This mass transfer limit reaction mechanism is used in the present invention to generate heat in the combustion chamber of a flame-out combustor. Used to control the distribution. Heat generation and heat removal is achieved by oxidizer, fuel and combustion The average product stream temperature remains between the catalyzed and uncatalyzed autoignition temperatures. They can be balanced as if they were. The combustion heater of the present invention is controlled by variables such as fuel oxidizer ratio and fuel oxidizer flow rate. Is controlled. Depending on the particular application, the heat load can be put into control. An important feature of the flame-extinguishing combustor of the present invention is that the temperature kept significantly below the adiabatic combustion temperature is maintained. So that heat is removed along the axis of the combustion chamber. This is NO_x Elimination of metallurgical demands while almost eliminating the formation of Lead to the result. FIG. 1 shows a combustor in a hot injection well in which the present invention can be implemented. Heated ore layer 1 It is under Barbaden 2. Drill hole 3 is good through this overburden. Preferably, it extends to a position near the bottom of the heated ore layer. Here shows a vertical well However, the drill holes may be skewed or horizontal. Good. Horizontal heat injection wells use water to recover hydrocarbons through a parallel drive process. It can be provided in a mineral layer that is cracked in the horizontal direction. The shallow oil shale deposits are horizontal An example where an incinerated combustion heater may be useful. Horizontal combustion heaters also have Limits heat loss to overburden and base rock when heated It can also be used to effectively. In the embodiment shown in FIG. The drill hole is surrounded by the casing 4. The lower part of the drill hole is hot It is coated with cement 7 which has the properties to withstand and transfer heat. Good Cement 8, which is an excellent heat insulator, is used to prevent heat loss from the combustion system. Preferred at the top of the drill hole. Combustion mixture conduit 10 extends from the wellhead (not shown) It extends to the bottom of the drill hole. Hot cement suitable for coating casings and conduits in the hot section of drill holes Is available. Examples of this are disclosed in U.S. Patent Nos. 3,507,332 and 3,180,748. ing. Alumina containing more than about 50% by weight based on cement slurry solids Large amounts are preferred. For shallow deposits, it may be advantageous to hammer drill the combustion heater directly into the deposit. U. When the combustion heater was hammer drilled directly into the formation, the combustion heater was It would not need to be cemented, but to prevent fluid loss to the surface It may be advisable to cement the top of the combustion heater with cement. In the embodiment of FIG. 1, the choice of the diameter of the casing 4 depends on the cost of the casing and on the cost of the casing. And the speed at which heat is transferred into the ore layer. Usually the casing is metallurgical It is the most expensive component of the injection well because of its solvency. The amount of heat that can be transferred to the ore layer It increases remarkably with the increase of the ring diameter. A casing with an inner diameter of about 10 to about 20 cm is typically Formally, an optimal trade-off between initial cost and the ability to transfer heat from the drill hole Provide The cement plug 23 visible at the bottom of the casing is , Push the cement down the casing to push it out of the bottom of the casing. It is. The catalytic surface 20 provides a limited area where the temperature of the oxidation reaction is reduced, It is provided in the chamber 14. These catalytic surfaces 20 may be located on the lower inner surface of conduit 10 and / or Distribution of heat release within the combustion chamber as a coating over at least a portion of the outer surface It is distributed in order to achieve. The catalyst surface is substantially uniform along the casing It is dimensioned to achieve a temperature distribution. Almost uniform temperature in the casing The presence of a cross section results in a more uniform distribution of heat within the heated ore formation. Heated Nearly uniform distribution of heat in the ore formation is a significant factor in conducting heated hydrocarbon recovery processes. Will result in more efficient use of heat. A more uniform temperature profile is also Would result in a lower maximum temperature for the same heat release. Combustors and wells The uniform temperature profile is the same because the structural material of the system specifies this maximum temperature. Increase the possible heat release for the structural material. The combustion products rise in the drill hole above the heated ore layer, Heat exchange takes place between the combustion air / fuel gas going down the tube and the rising combustion products. Will be This heat exchange not only saves energy, but also Enables quenching combustion. Fuel gas and combustion air descend down each conduit And the mixture of these two streams at the final mixing point Temperature above the catalyzed autoignition temperature of the compound but below the uncatalyzed autoignition temperature You. Combustion on the catalyst surface and quenching combustion in the boundary layer adjacent to the effective catalyst surface occur. Thus, the generation of a flame as a radiant heat source is avoided. The heat is therefore substantially uniformly drilled Transferred from the hall. It is important when operating the combustor of the present invention that heat is transferred from the combustion chamber to the length of the combustion chamber. Is to be carried away. When the present invention is applied to a drill hole heat injector, heat is It is transferred to the ore layer around Lilhole. The combustor of the present invention generates steam and Other applications such as chemical process heaters and reactors could be used. Fuel gas and combustion air are shown as an annular volume surrounding the combustion product conduit. It is transported through the fuel oxidant mixture supply to the bottom of the drill hole. Mixed fuel The fuel and air react with each other and burn in the drill hole volume near the catalyst surface 14. Form product. This combustion product rises up the drill hole and the combustion product conduit 1 Exit through the exhaust port (not shown) at the wellhead through 0. The products of this combustion are Through a chimney (not shown) to the atmosphere. According to another method Combustion gases would probably be free of nitrous oxide and would therefore need to be removed Although not likely, it can be treated to remove contaminants. Expansion Recovering additional energy from the combustion products with a dirt turbine or heat exchanger It would also be desirable. Preheating the fuel gas to obtain flameless combustion without a catalyst causes the carbon formation inhibitor to burn. If not included in the feed gas stream, it would produce significant carbon emissions. Therefore, The need to provide carbon formation inhibitors such as Avoided by operating the heater. This is another important advantage of the present invention. Is that the carbon suppressant increases the volume of gas flowing through the combustion heater, thus This increases the size of the required conduit. The cold start of the well heater of the present invention can utilize flaming combustion. The first ignition is self-burning Material, electric igniter, spark igniter and temporarily put the igniter in the drill hole Or by turning on an electric resistance heater . To minimize the duration of flames in the drill hole, the combustor should be flame extinguished. Preferably, the temperature reached is reached quickly. Typical rate of heating the combustor In addition, it will be limited by the tolerable temperature gradient of the combustor. The combustion mixture conduit is used as a resistive heater to heat the combustor to operating temperature. Can be utilized. In order to use this conduit as a resistive heater, The electric lead 15 is a clamp 16 or other connecting device for supplying electric energy. To connect the combustion mixture conduit 10 near the top of the well below the electrically insulating joint. Can be followed. Electrical grounding near the bottom of the well, one or more Of the conductive centralizer 17. This electrical ground The centralizer above the centralizer and on the combustion mixture conduit is powered It is a centralizer for gas insulation. Combustion mixing at the initial catalyst surface location If the temperature of the product exceeds the catalyzed auto-ignition temperature but falls below the uncatalyzed auto-ignition temperature, Preferably, a sufficient amount of heat is provided. The thickness of the combustion mixture conduit is such that heat is released in certain areas of the length of the fuel conduit. Can be changed as follows. For example, in the case of application as a heat injection device for mining wells, Ignition of the gas mixture with fuel concentration, and the exhaust gas goes up through the drill hole Electrically heat the bottom of the drill hole to burn the fuel before returning to Would be desirable. Thin providing a hot surface for starting the combustor Part 21 is found in the combustion mixture conduit. The oxidation reaction temperature of the fuel gas oxidizer mixture depends on the precious metal surface or other effective catalyst. It is lowered by providing a surface. The catalyst surface is preferably the combustion product conduit 1 0 on the inner, outer or inner and outer surfaces. According to another approach, one, Surfaces or tubular surfaces or surfaces containing other precious metals can be placed separately in the combustion chamber. Like. Other precious metal coating surfaces are, for example, combustion products outside the combustion gas conduit Could be provided on the annulus. This additional catalyst surface may be It will ensure that complete combustion takes place in the drill hole. The starting of the flame-extinguishing combustor of the present invention can be accomplished by providing supplemental oxidant during Further by using fuels with lower auto-ignition temperatures such as Can be Preferred supplemental oxidants include additional oxygen and nitrous oxide You. Hydrogen may be provided with the natural gas stream, or in the presence of carbon monoxide and It could also be provided as a surrogate gas in the presence of carbon oxide. The starting operation of the oxidizer and / or fuel is performed by using methane (natural gas) as fuel and oxidizing agent. Heated to a temperature sufficient to operate with air as the agent (ie, the combustor is Until the temperature rises above the catalyzed autoignition temperature of methane in the air). It is preferably used. U.S. Pat.No. 5,255,742 discloses an electric resistance type for generating heat for starting a flame-out combustor. The use of a nichrome heater has been disclosed. Such an electric heater is the present invention Can be used. To promote fuel oxidation at lower temperatures, such as palladium or platinum Precious, semi-precious, base or transition metals are preferably electroplated. And can be coated on surfaces within the combustion chamber. These metals are next And is oxidized as needed to provide a catalytically effective surface. like that The catalyst surface is extremely effective at promoting oxidization of methane in air at temperatures as low as 260 ° C. Has proven to be effective. This reaction occurs at the boundary on and near the catalyst surface. Proceeds rapidly in the formation. The advantage of having a large catalyst surface in the combustion chamber is that The temperature range over which the vessel can operate is significantly increased. Example The temperature of the oxidation reaction that proceeds under various combinations of fuel, oxidant and catalyst surface A thermal reactor was used to establish This reactor is an electric resistance heating coil Wrapped 2.54 cm stainless steel tubing covered with insulation. temperature System The thermocouple was located below the insulation near the outer surface of the tube. A thermocouple inside the tube and It was also installed at the entrance, center and exit. To test catalytic activity, use a precious metal ribbon or Suspended a piece of stainless steel coated with a noble metal in the tube. This test The air preheated to a temperature slightly below the desired temperature of Was injected. A desired temperature is obtained in the test area and a thermocouple mounted in the tube Until a steady state is obtained under the same measurement, supply power to the electric resistance heater is increased. Reduced. The fuel is then injected into the preheated air through a mixing tee and the Into the test area. 1/8 inch wide, about 16 inches to test catalytic activity 4 inch long platinum ribbons, or 3/8 inch wide, about 1/16 inch thick, about 1 Place a 6 inch long platinum or palladium double coated stainless steel strip Hanged in the tube. The test area contains catalyst coated pieces or precious metal ribbons and is When at the self-ignition temperature or above, the addition of fuel is And an exit thermocouple caused an increase in temperature. Temperature below the catalytic autoignition temperature No such temperature increase was observed. Catalyst coated pieces and precious metal ribbons If not present, the test area must be refueled before the temperature increase is observed. Had to heat to self ignition temperature. Measurement of uncatalyzed and catalyzed autoignition temperatures The fixed values are shown in the table. Here, the measured value of the non-catalytic or catalyzed auto-ignition temperature is the auto-ignition temperature. It is called a measured value. From the table, N_Two The addition of O to the fuel stream significantly increases the measured auto-ignition temperature of this mixture. It turns out that it falls to. In addition, including hydrogen as fuel and the presence of catalysts It also significantly lowers the dynamic self-ignition temperature. The result of the 2.54 cm reactor was used as a distributed combustor. To test for the application, a 3.048 m long test combustor was used. 5.08cm Inside A 2.54 cm outside diameter fuel gas pipe was provided inside the diameter combustion pipe. The fuel injection pipe is connected to the combustion pipe. A fuel conduit to a fuel inlet located near the inlet end of the fuel cell. The 5.08cm inside diameter combustion The tube was placed in an insulated pipe and a thermocouple was placed along the fuel supply tube. Two different A combustion tube was used. One of the tubes was made from a piece of "HAYNES 120" alloy. This Was brush-plated with palladium to an average thickness of 0.000254 cm. Then this The piece is shaped like a brake, wedged and welded to make the palladium coating It was a 3.048 m long tube on the inside surface. The other combustion tube is made of "HAYNES 120" alloy It was a standard 7.62 cm tube. Combustion gas was discharged using the "MAXON" burner. m-length combustion tube, and in the mixing zone between the burner and the combustion tube, Mixing air and / or other additives with the exhaust from the "MAXON" burner . Electric heating units with their own controllers to maintain a uniform temperature in the combustion tube Three units were placed outside the combustor and along the length. A combustion tube lacking the palladium coating and a combustion tube lacking the palladium coating A series of tests were performed using The fuel gas passes through the fuel gas inlet and has a temperature of 1 Approximately 0.635m measured at 5.5 ° C under normal pressure^Three/ Hour and the same measuring conditions About 374m below^Three/ Hr air (including burner air and secondary air) . A sufficient amount of fuel gas for preparing a target temperature at the entrance of the combustion tube is burned. Supplied. FIG. 2 shows the catalyzed configuration (line A) and the uncatalyzed configuration (line B). The methane burn rate (%) of the input methane is shown as a function of the combustion tube inlet temperature. From FIG. At about 260 ° C., the lowest temperature at which the apparatus can operate, 55% of the methane It can be seen that oxidation occurs in the coating combustion tube. The minimum operating temperature is slightly above 260 ° C Although less, the device at hand could not operate at lower temperatures. Paraj At about 740 ° C, some oxidation of methane was observed when using a combustion tube lacking an aluminum coating. At about 816 ° C., oxidation of methane occurred rapidly. 871 ℃ and it Above temperatures, oxidation of methane is rapid, with or without a palladium surface. Being complete, the presence of the palladium surface had no effect. At temperatures below 704 ° C., the oxidation of methane no longer depends on the temperature. Rapid oxidation of methane in the boundary layer on the surface of Proof that the transport of methane to this boundary layer determines the extent of methane oxidation. To contribute. At temperatures of about 704 ° C. and above, thermal oxidation predominates and is temperature dependent. Viability depends on this thermal oxidation.

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９７年１２月５日（１９９７．１２．５）【補正内容】補正明細書ＮＯ_x の発生は殆ど抑制され、また構造用材料が比較的低価格なため、該燃焼器のコストは著しく低減されることができる。この先行技術文献に開示された方法に従って燃料ガスを予熱すると、この燃料ガスにＣＯ₂ 、Ｈ₂ 又は水蒸気を加えない限り、コークスの形成が起こり得る。さらにまた、この公知の燃焼器は燃料ガス混合物の無触媒自己点火温度(uncatalyzed autoignition temperature)を超える温度で操業する必要があるので、この燃焼器の始動時には時間を浪費する。接触燃焼器(catalytic combustor)もまた公知である。例えば米国特許第3,928 ,961 号は触媒により支援される熱的燃焼装置を開示している。ここでＮＯ_x の形成は燃料の無触媒自己点火温度を超えるが、実質的な窒素酸化物の形成の起こる温度よりも低い温度で燃焼を行うことにより抑止される。例えば米国特許第5,355,668 及び 4,065,917号には、酸化触媒でコーティングされた金属表面が開示されている。これらの特許はガスタービン機関の構成要素上の、触媒コーティング表面を提案している。前記米国特許第4,065,917 号は触媒コーティング表面をタービン始動用に使用することを提案し、また始動操作の質量移動管理限界相(mass transfer control limited phase)を提案している。請求項１及び１６の前文による燃焼器及び無炎燃焼方法が米国特許第3,817,33 2 号に開示されている。この公知の方法では、燃料及び酸化剤は、高価ではあるが供給用導管内における早すぎる燃料の燃焼を避けるために必要な別途供給用導管を介して燃焼室に供給される。本発明の課題は、燃料及び酸化剤を当初から組み合わせることが可能な消炎燃焼装置と共に、燃焼室内の触媒表面の分布により決定される燃焼分布を提供することである。本発明の課題はまた、コークス形成抑止用の添加剤を燃料ガス流中に加える必要のない消炎燃焼方法及び消炎燃焼装置を提供することでもある。もうひとつほかの側面では、本発明の課題は、ＮＯ_x の形成を最小にする消炎燃焼方法及び消炎燃焼装置を提供することである。従って熱は実質的に一様にドリルホールから移送される。本発明の燃焼器の運転の際に重要なのは、熱が燃焼室の長手伝いに燃焼室から運び去られることである。本発明をドリルホール熱注入器へ応用すると、熱はドリルホールの周囲の鉱層へ移送される。本発明の燃焼器は、水蒸気の発生並びに化学工業プロセス加熱器及び反応器のような他の応用面でも使用可能であろう。燃料ガス及び燃焼用空気は、燃焼生成物導管を囲む環状容積として図示された燃料酸化剤混合物供給路（２２）を通ってドリルホール底部へ移送される。混合された空気と酸化剤とは、触媒表面１４の近傍のドリルホール容積内で互いに反応して燃焼生成物を形成する。この燃焼生成物はドリルホールを上昇し、燃焼生成物導管１０を通って鉱井頂の排気口（図示せず）から出る。この燃焼生成物はこの排気口から煙突（図示せず）を通って大気中に送られることができる。別の手法によれば燃焼ガスは、亜酸化窒素は恐らく存在しないであろうし、従って除去の必要もないであろうが、汚染物質を取り除くため処理されることができる。エキスパンダータービン又は熱交換器により該燃焼生成物から追加のエネルギーを回収することも望ましいであろう。触媒なしに消炎燃焼を得るために燃料ガスを予熱すると、炭素形成抑制剤が燃料ガス流中に含まれてなければ、著しい炭素の発生を生むであろう。従って、そのような炭素形成抑制剤を提供する必要性は炭素形成温度を下回る温度で燃焼加熱器を運転することにより避けられる。これが本発明のもうひとつの重要な利点であるのは、炭素抑制剤は燃焼加熱器を貫流するガスの容積を増大させ、従って必要な導管の寸法を増大させるからである。この試験の所望温度をやや下回る温度に予熱された空気を該管の電熱加熱された試験区域に注入した。該試験区域に所望温度が得られかつ該管内に取り付けた熱電対による測定の下で定常状態が得られるまで、該電気抵抗式ヒーターへの供給電力を加減した。次に混合用Ｔ字管を通して燃料を予熱空気中に注入し、該電熱加熱された試験区域に流入させた。触媒活性を試験するため、１／８インチ（＝０.３２cm）幅、約１６インチ（＝４０cm）長の白金製リボン４個、又は、３／８インチ（=０.９５cm)幅、約１／１６インチ（＝０.１６cm）厚、約１６インチ（＝４０cm）長の白金若しくはパラジウム両面コートステンレススチール片１個を該管内に懸けた。該試験区域が触媒コート片又は貴金属リボンを含みかつ有触媒自己点火温度若しくはそれを超える温度にあったとき、燃料の添加は該内部の中央及び出口熱電対において温度上昇を惹起した。有触媒自己点火温度を下回る温度では、このような温度上昇は観測されなかった。触媒コート片も貴金属リボンも存在しなかったときは、この温度上昇が観測される前に、該試験区域を燃料の自己点火温度に加熱しなければならなかった。無触媒及び有触媒自己点火温度の測定値を表に示す。ここでは無触媒又は有触媒自己点火温度測定値を自己点火温度測定値という。補正請求の範囲１．燃料酸化剤混合物の燃焼用の消炎燃焼器であって、流入口及び燃焼生成物排出口（１０）へ通じる燃焼室（１４）と、この燃焼室（１４）内の触媒表面（２０）とからなる燃焼器において、該燃焼器はさらに、該流入口へ通じる燃料酸化剤混合物供給路（２２）を含み、触媒表面（２０）は、燃料の酸化の結果生じる温度が該燃料酸化剤混合物の無触媒自己点火温度を超えないような燃料量を酸化させるのに効果的であることを特徴とする前記燃焼器。２．触媒表面（２０）は、貴金属、準貴金属、遷移金属酸化物及びこれらの混合物からなる群から選ばれる成分を含む請求項１の燃焼器。３．触媒表面（２０）はパラジウムを含む請求項１の燃焼器。４．触媒表面（２０）は白金を含む請求項１の燃焼器。５．さらに、該該燃料酸化剤混合物と該燃焼生成物との間の熱交換が可能な予熱区域（２２）を含む請求項１の燃焼器。６．燃料酸化剤混合物の燃焼により地下鉱層を加熱するために設計されると共に、燃焼室（１４）が被加熱鉱層中のドリルホール内に位置する少なくとも１基の燃焼管（４、１０）により形成され、燃焼生成物を地表へ流れさせるための、該ドリルホール内の燃焼ガス排出路（１０）を含む請求項１〜５のうちのいずれか１つの燃焼器。７．燃焼室（１４）内に実質的に一定の温度を生むように、触媒表面面積（２０）が燃焼室（１４）内に分布する請求項６の燃焼器。８．燃焼室（１４）が該ドリルホール内に置かれた１基又はそれ以上の管（４、１０）により形成される請求項６の燃焼器。９．該燃焼ガス排出路は燃焼管（４）を囲む環状空間（２２）である請求項６の燃焼器。１０．該燃焼ガス排出路は燃焼室（１４）内の管（１０）である請求項６の燃焼器。１１．燃焼室（１４）は管（１０）とケーシング（４）との間の環状容積からなる請求項６の燃焼器。１２．管（１０）は燃焼生成物を井戸水頭へ戻すための導管である請求項１１の燃焼器。１３．管（１０）は燃焼室（１４）の他の部分を含む導管である請求項６の燃焼器。１４．触媒表面（２０）は、燃焼室（１４）内の管（１０）の内面及び／又は外面の少なくとも一部分を覆う触媒コーティングにより装備される請求項１〜１３のうちのいずれか１つの燃焼器。１５．該流入口は燃焼室（１４）の１端に位置し、該排出口は該燃焼室の他端に位置する請求項１〜１４のうちのいずれか１つの燃焼器。１６．消炎燃焼により地下鉱層を加熱する方法であって、被加熱鉱層（１）内のドリルホール（３）内のダウンホール燃焼室（１４）を形成する燃焼管（１０）を設置し、燃焼室（１４）内で触媒表面（２０）に沿って燃料及び酸化剤を流れさせることからなる方法において、流入口を介して該燃料及び酸化剤を燃焼室（１４）へ供給し、その際、触媒表面（２０）は、燃焼室（１４）内の平均温度がこの燃料酸化剤混合物の無触媒自己点火温度を下回るような割合で燃料量を酸化させるのに効果的であり、ドリルホール（３）内の燃焼生成物排出管（１０）を介して燃焼生成物を地表へ流れさせることを含むことを特徴とする前記方法。１７．燃焼室（１４）は、井戸ケーシング（４）の下部と井戸ケーシング（４）底部近傍のプラグ（２３）とにより形成され、触媒表面（２０）は管（１０）の内面及び／又は外面上の触媒コーティングで装備されており、管（１０）は、管（１０）の下端とプラグ（２３）との間に間隙が維持されるように井戸ケーシング（４）内に共軸懸垂される請求項１６の方法。１８．懸垂管（１０）が燃料空気混合物流入管として、懸垂管（１０）と井戸ケーシング（４）との間の環状空間（２２）が燃焼生成物排出管として使用されるか、又は逆の組み合わせで使用される請求項１７の方法。１９．低透過性オイルシェール地下鉱層（１）の加熱に使用される請求項１６〜１８のうちのいずれか１つの方法。[Procedure amendment] Patent Law # 184 Article 8 paragraph 1 of the filing date] 1997 December 5 (1997.12.5) [correction content] the occurrence of correction specification NO _x is almost suppressed, also structure The cost of the combustor can be significantly reduced due to the relatively low cost of the application material. If the fuel gas is preheated according to the method disclosed in this prior art document, coke formation can occur unless CO ₂ , H ₂ or steam is added to the fuel gas. Furthermore, the known combustor needs to operate at a temperature above the uncatalyzed autoignition temperature of the fuel gas mixture, so that time is wasted starting the combustor. Catalytic combustors are also known. For example, U.S. Pat. No. 3,928,961 discloses a catalytically assisted thermal combustion device. Here, the formation of NO _x is suppressed by performing the combustion at a temperature above the non-catalytic autoignition temperature of the fuel but lower than the temperature at which substantial nitrogen oxide formation occurs. For example, U.S. Patent Nos. 5,355,668 and 4,065,917 disclose metal surfaces coated with an oxidation catalyst. These patents propose catalytic coating surfaces on components of gas turbine engines. U.S. Pat. No. 4,065,917 proposes the use of a catalyst-coated surface for turbine startup, and proposes a mass transfer control limited phase for the startup operation. A combustor and a flameless combustion method according to the preamble of claims 1 and 16 are disclosed in U.S. Pat. No. 3,817,332. In this known method, the fuel and oxidant are supplied to the combustion chamber via separate supply conduits which are expensive but necessary to avoid premature combustion of the fuel in the supply conduit. It is an object of the invention to provide a combustion distribution determined by the distribution of the catalyst surface in the combustion chamber, together with a flame-extinguishing combustion device in which the fuel and the oxidant can be combined from the beginning. It is also an object of the present invention to provide a flame-extinguishing combustion method and a flame-extinguishing device which do not require the addition of a coke-suppressing additive into the fuel gas stream. In another aspect, it is an object of the present invention to provide a flame quenching combustion method and apparatus that minimize NO _x formation. Thus, heat is substantially uniformly transferred from the drill hole. It is important in the operation of the combustor of the present invention that heat be carried away from the combustion chamber along the length of the combustion chamber. When the present invention is applied to a drill hole heat injector, heat is transferred to the ore formation around the drill hole. The combustor of the present invention could also be used for steam generation and other applications such as chemical process heaters and reactors. Fuel gas and combustion air are transferred to the bottom of the drill hole through a fuel oxidant mixture supply passage (22), shown as an annular volume surrounding the combustion product conduit. The mixed air and oxidant react with each other within the drill hole volume near the catalyst surface 14 to form combustion products. The combustion products rise up the drill holes and exit through the combustion product conduits 10 at the wellhead outlet (not shown). The combustion products can be sent from the exhaust through a chimney (not shown) to the atmosphere. According to another approach, the combustion gases can be treated to remove pollutants, although nitrous oxide will probably not be present and therefore will not need to be removed. It may also be desirable to recover additional energy from the combustion products by an expander turbine or heat exchanger. Preheating the fuel gas to obtain quenching combustion without a catalyst will result in significant carbon evolution unless a carbon formation inhibitor is included in the fuel gas stream. Accordingly, the need to provide such a carbon formation inhibitor is obviated by operating the combustion heater at a temperature below the carbon formation temperature. This is another important advantage of the present invention because the carbon suppressant increases the volume of gas flowing through the combustion heater and thus increases the required conduit size. Air preheated to slightly below the desired temperature for this test was injected into the electrothermally heated test area of the tube. The power supplied to the electric resistance heater was adjusted until the desired temperature was obtained in the test area and a steady state was obtained under measurement by a thermocouple mounted in the tube. Fuel was then injected into the preheated air through a mixing tee and flowed into the electroheated test zone. To test catalytic activity, four 1/8 inch (= 0.32 cm) wide, about 16 inch (= 40 cm) long platinum ribbons, or 3/8 inch (= 0.95 cm) wide, about 1 A single piece of stainless steel coated with platinum or palladium on both sides, / 16 inch (= 0.16 cm) thick and approximately 16 inches (= 40 cm) long, was suspended in the tube. When the test area contained catalyst coated pieces or noble metal ribbons and was at or above the catalyzed autoignition temperature, the addition of fuel caused an increase in temperature at the interior center and outlet thermocouples. At temperatures below the catalyzed autoignition temperature, no such temperature increase was observed. When neither the catalyst coated strip nor the noble metal ribbon was present, the test area had to be heated to the fuel auto-ignition temperature before this temperature increase was observed. The measured values of the uncatalyzed and catalyzed autoignition temperatures are shown in the table. Here, the measured value of the non-catalytic or catalytic autoignition temperature is referred to as the measured autoignition temperature. Amended Claims 1. A flame quenching combustor for combustion of a fuel oxidant mixture, comprising: a combustion chamber (14) leading to an inlet and a combustion product outlet (10); and a catalyst surface (20) within the combustion chamber (14). The combustor further comprises: a fuel oxidant mixture supply passage (22) leading to the inlet, wherein the catalyst surface (20) has a temperature resulting from oxidation of the fuel having no fuel oxidant mixture. The combustor characterized in that it is effective for oxidizing a fuel amount that does not exceed a catalyst self-ignition temperature. 2. The combustor of claim 1, wherein the catalyst surface (20) includes a component selected from the group consisting of noble metals, semi-noble metals, transition metal oxides, and mixtures thereof. 3. The combustor of claim 1, wherein the catalyst surface (20) comprises palladium. 4. The combustor of claim 1, wherein the catalyst surface (20) comprises platinum. 5. The combustor of claim 1, further comprising a preheat zone (22) capable of exchanging heat between said fuel oxidant mixture and said combustion products. 6. A combustion chamber (14) is formed by at least one combustion tube (4, 10) located in a drill hole in the heated ore formation, designed to heat the underground formation by combustion of the fuel oxidant mixture. A combustor according to any one of the preceding claims, including a combustion gas outlet (10) in the drill hole for flowing combustion products to the surface. 7. The combustor of claim 6, wherein the catalyst surface area (20) is distributed within the combustion chamber (14) so as to produce a substantially constant temperature within the combustion chamber (14). 8. The combustor according to claim 6, wherein the combustion chamber (14) is formed by one or more tubes (4, 10) located in the drill hole. 9. The combustor according to claim 7, wherein the combustion gas discharge path is an annular space surrounding the combustion tube. 10. 7. The combustor according to claim 6, wherein said combustion gas discharge path is a pipe (10) in a combustion chamber (14). 11. The combustor of claim 6, wherein the combustion chamber (14) comprises an annular volume between the tube (10) and the casing (4). 12. The combustor according to claim 11, wherein the pipe (10) is a conduit for returning combustion products to the well head. 13. 7. The combustor of claim 6, wherein the tube (10) is a conduit containing another portion of the combustion chamber (14). 14． Combustor according to any one of the preceding claims, wherein the catalytic surface (20) is equipped with a catalytic coating covering at least a part of the inner and / or outer surface of the tube (10) in the combustion chamber (14). 15. Combustor according to any of the preceding claims, wherein the inlet is located at one end of the combustion chamber (14) and the outlet is located at the other end of the combustion chamber. 16. A method for heating an underground ore formation by quenching combustion, comprising: installing a combustion tube (10) forming a downhole combustion chamber (14) in a drill hole (3) in a heated ore formation (1); 14) Flowing the fuel and oxidant along the catalyst surface (20) within the catalyst surface (20), supplying the fuel and oxidant to the combustion chamber (14) via an inlet, wherein the catalyst surface (20) is effective to oxidize the fuel amount at such a rate that the average temperature in the combustion chamber (14) is lower than the non-catalytic auto-ignition temperature of the fuel oxidant mixture; Flowing the combustion products to the surface via a combustion product discharge pipe (10). 17． The combustion chamber (14) is formed by the lower part of the well casing (4) and the plug (23) near the bottom of the well casing (4), the catalyst surface (20) being on the inner and / or outer surface of the tube (10). Equipped with a catalytic coating, the tube (10) is coaxially suspended within the well casing (4) such that a gap is maintained between the lower end of the tube (10) and the plug (23). 16 methods. 18. The suspension tube (10) is used as a fuel-air mixture inlet tube and the annular space (22) between the suspension tube (10) and the well casing (4) is used as a combustion product discharge tube or vice versa. 18. The method of claim 17 used. 19. The method according to any one of claims 16 to 18, used for heating a low permeability oil shale underground deposit (1).

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＥＥ，ＦＩ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＳＤ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者ヴイネガー，ハロルド，ジエー. アメリカ合衆国テキサス州77096、ヒユーストン、ヤーウエル 5219 (72)発明者ウエリントン，スコツト，リーアメリカ合衆国テキサス州77077、ヒユーストン、シヤデイーブライアー・ドライヴ 2111────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, L U, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF) , CG, CI, CM, GA, GN, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (KE, LS, MW, SD, S Z, UG), UA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD , RU, TJ, TM), AL, AU, BB, BG, BR , CA, CN, CU, CZ, EE, FI, GE, HU, IL, IS, JP, KE, KP, KR, LK, LR, L T, LV, MG, MK, MN, MX, NO, NZ, PL , RO, SD, SG, SI, SK, TR, TT, UA, UG, UZ, VN (72) Inventors Vinegar, Harold, Jie. Hiyu, 77096, Texas, United States Ston, Yellwell 5219 (72) Inventors Wellington, Scott, Lee Hiyu, 77077, Texas, United States Ston, Shearbrier Drive 2111

Claims

[Claims] 1. A quenching combustor for combustion of a fuel oxidant mixture, A combustion chamber leading to an inlet and a combustion product outlet; A fuel oxidant mixture supply passage leading to the inlet; Comprising a catalyst surface in the combustion chamber, The catalyst surface is exposed to the uncatalyzed temperature of the fuel oxidant mixture as a result of fuel oxidation. Such a combustor that is effective in oxidizing a quantity of fuel that does not exceed a self-ignition temperature. 2. The surface of the catalyst may be noble metal, semi-noble metal, transition metal oxide or a mixture thereof. The combustor according to claim 1, comprising a component selected from the group consisting of: 3. The combustor of claim 1 wherein said catalyst surface comprises palladium. 4. The combustor of claim 1, wherein said catalyst surface comprises platinum. 5. Further, a reserve for heat exchange between the fuel oxidant mixture and the combustion products is provided. 2. The combustor of claim 1 including a heat zone. 6. Designed to heat underground formations by burning a fuel oxidizer mixture At least one combustion chamber wherein the combustion chamber is located in a drill hole in the heated ore formation A combustor according to any one of the preceding claims, formed by a tube. 7. The surface area of the catalyst is such that the surface of the catalyst produces a substantially constant temperature in the combustion chamber. 7. The combustor of claim 6 distributed in a firing chamber. 8. The combustion chamber is formed by one or more tubes located in the drill hole 7. The combustor of claim 6, wherein 9. 7. The fuel cell of claim 6, further comprising a combustion gas discharge passage which is an annular space surrounding the combustion tube. Combustor. 10. 7. The combustor of claim 6, further comprising said combustion gas exhaust passage being a tube within said combustion chamber. . 11. 7. The combustor of claim 6, wherein said combustion chamber comprises an annular volume between a tube and a casing. 12. The combustor of claim 11, wherein said tube is a conduit for returning combustion products to a wellhead. 13. 7. The combustor of claim 6, wherein said tube is a conduit containing another portion of said combustion chamber. 14． The catalyst surface is at least a portion of an inner and / or outer surface of a tube in the combustion chamber. 14. Any one of claims 1 to 13 provided with a catalytic coating covering the Combustor. 15. The inlet is located at one end of the combustion chamber and the outlet is located at the other end of the combustion chamber A combustor according to any one of the preceding claims. 16. A method of heating an underground ore layer by quenching combustion, Installation of a combustion tube to form a downhole combustion chamber in a drill hole in a heated ore layer And Supplying fuel and oxidant to the combustion chamber via an inlet; Flowing the fuel and oxidant along a catalyst surface in the combustion chamber; At this time, the catalyst surface is exposed to an average temperature in the combustion chamber of the fuel oxidant mixture. It is effective to oxidize the fuel amount at a rate below the medium self-ignition temperature, Allowing the combustion products to flow to the surface via the combustion product discharge pipe in the drill hole The method comprising: 17． The combustion chamber has a lower portion of the well casing and a pump near the bottom of the well casing. Formed on the inner surface and / or outer surface of the tube. The tube is maintained with a gap between the lower end of the tube and the plug. 17. The method of claim 16 wherein said well casing is coaxially suspended within said well casing. 18. The suspension tube is a fuel-air mixture inlet tube, and the suspension tube and the well casing are connected to each other. The annular space between is used as a combustion product discharge pipe or vice versa 18. The method of claim 17 used. 19. 19. The method according to claim 16, which is used for heating a low permeability oil shale underground formation. Any one of them.