JPS6153513B2

JPS6153513B2 -

Info

Publication number: JPS6153513B2
Application number: JP18634280A
Authority: JP
Inventors: Eiichiro Ideno; Kotaro Morimoto; Masaru Tamya; Yasuo Nishizawa
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1980-12-30
Filing date: 1980-12-30
Publication date: 1986-11-18
Also published as: JPS57116890A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は坑底近傍の油井管内に燃焼器と、これ
に接続された熱交換器とを設け、熱交換器内で得
た水蒸気のみを油層内へ圧入し、燃焼排ガスは地
上へ排出する如くなした、いわゆるボイラ型坑底
水蒸気発生方法及びその装置に係り、特に燃焼器
に供給する燃料に水を混入させることによつて、
従来のボイラ型坑底水蒸気発生方法及び装置のも
つ欠点を解消せんとするものである。

従来、原油の一、二次回収では、その回収率は
原始埋蔵量のせいぜい30％程度で、油層に残留し
た原油（以下重質油という）は粘度が高く、流動
性が小さいため、通常の一、二次回収法では回収
できない。このため三次回収法として種々開発さ
れているが、そのうち水蒸気による回収法が最も
安定した技術として広く採用されている。又この
ような水蒸気による回収法のうちでも、水蒸気発
生装置の設置場所や、その型式により種々のもの
が開発されており、設置場所については坑底近傍
に設ける方が、地上に設けるよりも熱効率、適用
油層深度等の点で有利であるが、かかる坑底水蒸
気発生装置は、狭い油井管内に設けるものである
から、小型でたて長の特殊な形態となり、熱の伝
播性が悪いと共に、スペース上の制約から、多段
燃焼法が採用できないため局所的高温部が発生
し、燃焼器が早期に損焼するという欠点がある。
このため従来はセラミツク等の耐熱材を燃焼器内
壁に装着しているが、これとて熱的、機械的衝撃
により剥離、脱落する等の難点がある。

又本発明の対象であるボイラ型の坑底水蒸気発
生方法及び装置では、使用後の排ガスが地上へ排
出されるので、大気汚染の弊害を生じ、とりわけ
煤およびNOxの発生が問題となり、且つこのよ
うな大気汚染を防止するには第１に燃料の完全燃
焼が必要であるが、坑底水蒸気発生装置では上記
の如きスペース上の問題から燃焼器が特殊な形状
となつており、完全燃焼が困難で、そのため燃焼
の容易な良質油を使う必要があり、コスト高であ
ると共に、完全燃焼を達成するために過剰の助燃
料（空気）を燃焼室に送入せねばならず、助燃料
の供給動力が必要以上に高い欠点があつた。

本発明は叙上の如き、従来のボイラ型坑底水蒸
気発生装置が有する欠点、問題点の解消を目的と
するもので、燃焼器に供給する燃料を、水を混入
した乳化燃料油となし、燃焼器内における局所的
高温部の発生を阻止すると共に、煤およびNOx
等で代表される大気汚染の改善、使用燃料の範囲
拡大等を図つたものである。

ここに第１図は本発明の一実施例である坑底水
蒸気発生装置の概略構造図、第２図は他の実施例
を示す概略構造図、第３図は乳化燃料の水混入率
と火炎温度の関係を示すグラフ、第４図は過剰酸
素濃度ごとの水混入率と一酸化炭素濃度の関係を
示すグラフ、第５図は乳化燃料中の水混入率と煤
の濃度（バツカラツカスモークNo.）との関係を示
すグラフ、第６図は乳化燃料中の水混入率と窒素
酸化物の発生濃度との関係を示すグラフである。

第１図において、燃料を諭送する配管１は燃料
タンク２に連結され、該燃料タンク２は配管３を
介してモータ４により駆動される燃料ポンプ５と
接続されている。該燃料ポンプ５は中間に逆止弁
６及び流量調整弁７を設けた配管８によつてフロ
ージエツトミキサー９に接続されている。一方給
水用の配管１０は、分岐管１１によつて水タンク
１２に接続されていて、該水タンク１２は、配管
１３を介して上記モータ４によつて駆動される水
ポンプ１４と接続され、水ポンプ１４は、中間に
逆止弁１５及び流量調節弁１６を有する配管１７
によつて、上記フロージエツトミキサー９に連結
されている。フロージエツトミキサー９は、これ
に供給される燃料油と水とを混合、撹拌し、乳化
燃料となすためのミキシング装置の一種であり、
モータ１８によつて回転する回転板１９の上に燃
料油と水とを落下させると、両者は遠心力によつ
て高速で周囲に飛散し、燃料油と水とが衝突し合
つて撹拌、混合され、乳化燃料が生成されるもの
である。

従つて本実施例では、モータ４の回転によつて
ポンプ５及び１４が駆動され、燃料タンク２及び
水タンク１２より汲み上げられた燃料油及び水
は、それぞれ配管８及び１７を通つてフロージエ
ツトミキサー９に入り、ここで撹拌、混合作用を
受け、乳化されて配管２０を経て坑底へ送られ
る。一方図中２３は、地上２１より油層２２まで
挿入された油井管で、該油井管の坑底近傍には、
坑底水蒸気発生装置本体２４が、油や水の油井管
内への侵入を防止するパツカー２５によつて固定
されていて、該本体２４内には着火器２６、空気
旋回器２７及び燃料噴射ノズル２８を備えた燃焼
器２９と、排ガス管３０及び水管３１を配設した
熱交換器の一種である加熱器３２が設けられてい
ると共に、本体上部には排ガス管３３と水管３４
とを配置した、やはり熱交換器の一種である節炭
器３５が設けられている。従つて前記配管２０よ
り流量調節弁３６を経て燃焼器２９へ供給された
乳化燃料は、流量調節弁３７を経て配管３８より
空気旋回器２７を通つて燃焼器２９に供給された
空気によつて燃やされ、高温の燃焼排ガスとな
り、配管３９より加熱器３２の排ガス管３０内を
通り、更に配管４０を経て、節炭器３５の排ガス
管３３を通り、配管４１により地上へ導出され
る。一方配管１０を経て節炭器３５の水管３４を
通る給水は、排ガス管３３との間で熱交換を行
い、予熱された後、水管４３及び流量調節弁４２
を経て加熱器３２の水管３１を通り、燃焼器２９
を出たばかりの燃焼排ガスとの間で熱交換し、過
熱水蒸気となり、リリーフ弁４４を経てノズル４
５より油層２２内へ圧入される。ここに配管４６
は余剰の乳化燃料をフロージエツトミキサー９へ
戻すための回路で、４７及び４８は燃料及び水の
水位を一定に保つためのボールタツプ、４９，５
０はバルブである。乳化燃料の着火は、電気火花
等を用いた着火器２６によつて行われるが、着火
が特に困難な場合は、流量調節弁５１で流量制御
されるバイパス通路５２を用いて、燃料油だけを
まず燃焼器２９に送り、着火完了後、火炎が安定
した時点で、乳化燃料と切り換えることにより容
易に着火でき、消火の場合にも、乳化燃料を燃料
油のみに切り換え、しかる後に消火すれば、容易
に再着火が可能となる。上記実施例では燃料油の
乳化手段として、遠心力を用いたフロージエツト
ミキサーを採用したが、本発明に用いるミキシン
グ装置としては、他に機械的撹拌によるものや、
乳化用水と燃料油とを噴霧ノズルから噴き出させ
て噴射混合し、燃料油を乳化燃料とした後、燃焼
室で噴霧燃焼させる噴射混合方式、更には燃料油
と水の混合液に超音波を照射し均質な混合乳液と
なす方式を採用してもよい。又、乳化が困難な場
合には、上記乳化方式に加えて必要に応じて乳化
剤を添加してもよく、乳化剤の種類としては水中
油滴型（Ｏ／Ｗ型）、又は、油中水滴型（Ｗ／Ｏ
型）のいずれの界面活性剤でもよい。

又、いずれのミキシング装置においても、更に
均質な混合、乳化を行うために、管内流に渦や螺
旋流を生ぜしめると共に、液体の分離、集合を繰
り返して起させる所謂スタテイツクミキサを接続
することも可能であり、且つミキシング装置は上
記実施例に示したように、地上に設ける場合に
外、燃焼器よりも上流側の燃料油配管系統部又
は、燃焼器自身内に設けることも可能で、例えば
噴霧混合方式の場合、燃料噴射ノズルを利用して
噴射混合させることもできる。

第２図に示した第２の実施例では燃焼器５３と
加熱器５４の位置が、上記実施例と較べて上下逆
になつており、その結果、加熱器５４内で排ガス
と水の流れの方向が反転していると共に、ミキシ
ング装置５５が坑底近傍に設けられていて、該ミ
キシング装置５５へは配管５６を通る燃料と、配
管５７から流量調節弁５８を通る給水とが供給さ
れ、ミキシング装置５５で生成された乳化燃料は
配管５９を通つて燃焼器５３に供給される。ここ
に６０は節炭器、６１は温度検出器である。

以上の実施例では乳化に要する水を、坑底へ圧
入する水蒸気製造用の給水の一部から分岐させて
いるが、これは別個の給水源より得ることも可能
である。

次いで、水を混入した乳化燃料の燃焼現象につ
いて詳しく説明する。

坑底水蒸気発生装置に送給される給水の一部を
燃料油中に混入、燃焼させることにより、火炎温
度は混入水の増加に伴つて低下し、第３図に示す
如く、局所的高温部の発生を抑制する。第３図は
横軸に炉長方向長さＬと炉経Ｄの比（Ｌ／Ｄ）
を、たて軸に火炎温度を取り、乳化燃料の各水混
入率における（Ｌ／Ｄ）と火炎温度との関係を示
したもので、混入率の上昇に伴つて最高温度が低
下すると共に、広い範囲にわたつて温度分布が一
定となることがわかる。これは乳化燃料中の超微
粒子水滴（３〜５ミクロン程度）が高温度燃焼ガ
ス中で瞬間的に気化し、水の大きな蒸発潜熱及
び、水と炭化水素との水性ガスの反応の反応熱
（吸熱）、Ｃ＋H₂O→CO＋H₂−28.1Km²/mo1 により火炎温度の低下と局所的高温部の発生を
抑制する。

更に乳化燃料の燃焼に伴い、燃料中に包含され
た超微粒子水滴が爆発的に気化し（ミクロ爆
発）、体積が著しく増大することによつて、当初
30〜500ミクロン程度である噴霧油滴を分解、飛
散させ、更に細かい油滴を生成することになる
が、これは燃料油の表面積が数千倍、数万倍に拡
大することを意味し、この表面積の著しい増加に
より燃料油滴の気化が著しく促進され、流入酸素
と燃料油の気体分子との接触頻度が激増すること
となり、燃料油が極めて理論空気量に近い状態で
完全に燃焼する。この状況を示したのが第４図示
の試験結果で、横軸に乳化燃料中の水の混入率
を、たて軸に排ガス中の一酸化炭素の濃度を取
り、各過剰酸素濃度毎にプロツトしたものであ
り、過剰酸素濃度が例えば0.6％程度に少ない場
合にも、水混入率を10％とすると15ppm、20％
とすると7.5ppm程度まで一酸化炭素の濃度が減
少し、水混入率の上昇につれて、燃焼の完結度が
向上していることが解る。

このような乳化燃料を用いると、完全燃焼の度
合いが向上し、著しく煤の発生が抑制されるが、
更に発生した煤自体が水蒸気の存在する1000℃以
上の高温雰囲気中では、Ｃ＋H₂O→CO＋H₂ の水性ガス反応によりガス化され、上記各ガス
成分は容易に完全燃焼するため、乳化燃料の燃焼
においては煤の発生が著しく抑制される。この様
の減少傾向は第５図に示され、同図では横軸に乳
化燃料の水混入率、たて軸に煤の濃度を示すバツ
カラツカスモークNo.がとられ、水混入率の上昇に
より、煤の濃度が急激に減少していることを示し
ている。

又、特筆すべきは乳化燃料の使用により、地上
へ排出される燃焼排ガス中の窒素酸化物
（NOx）が大幅に軽減されるという点である。第
６図はこの現象を示すグラフでＣ重油の燃焼実験
より得られたもので、横軸に水混入率を、たて軸
にNOxの発生濃度をとつてあり、水の混入率が
多くなるに従つてNOx濃度が急激に減少してい
ることを示している。

本発明は以上述べた如く、坑底近傍の油井管内
に設けた燃焼器で得た燃焼排ガスを、熱交換器を
通した後、地上へ排出すると共に、該熱交換器で
生成された水蒸気のみを油層中に圧入する、所謂
ボイラ型の坑底水蒸気発生方法乃至はその装置で
あつて、燃焼器に供給する燃料を燃料油と水とを
混合して得た乳化燃料となしたものであるから、
燃焼状態が広い領域で一様な温度分布となり、局
所的な高温部を生じず、狭い油井管内で高負荷の
下に使用する坑底水蒸気発生装置特有の早期損焼
を防止する効果が顕著であり、剥離、脱落のおそ
れのあるセラミツク等の耐熱材を使用する必要も
ない。

又、理論空気比に近い低空燃比で容易に完全燃
焼を達成するので、過剰に空気を送り込む必要が
なく、その分、空気送給用の動力を削減しうると
共に、不完全燃焼による大気汚染が緩和され、と
りわけ窒素酸化物を著しく抑制できる。

更に、本発明に供する燃料は乳化して使用する
から、極めて広い範囲の液体燃料が使用可能で、
例えば、通常用いることのできない移送困難な高
粘度の液体燃料も、水中油滴型（Ｏ／Ｗ型）の乳
化燃料とすることにより、常温で低粘度の燃料油
とすることができ、逆に灯油等の低粘度油は、油
中水滴型の乳化燃料とすることにより、粘度の上
昇を図り、通常のギヤポンプによつても十分高い
油圧による噴霧が可能となり、ポンプのコストダ
ウン、乳化燃料の微粒子化を一層促進することが
できる。

従つて本発明によれば、あらゆる液体燃料、例
えば工場廃油や、油層より汲み上げたばかりの水
と混合状態にある重質油も、水との分離工程を経
ずに、直接乳化燃料用に使用可能で、著しい製造
原価の低下を促すものである。なお、本発明は重
質油の三次回収に限らず、オイルサンド、オイル
シエール等に用いる蒸気加熱装置に適用すること
も可能である。

【図面の簡単な説明】

ここに第１図は本発明の一実施例である坑底水
蒸気発生装置の概略構造図、第２図は他の実施例
を示す概略構造図、第３図は乳化燃料の水混入率
と火炎温度の関係を示すグラフ、第４図は過剰酸
素濃度ごとの水混入率と一酸化炭素濃度の関係を
示すグラフ、第５図は乳化燃料中の水混入率と煤
の濃度（バツカラツカスモークNo.）との関係を示
すグラフ、第６図は乳化燃料中の水混入率と窒素
酸化物の発生濃度との関係を示すグラフである。符号弐説明、２３…油井管、２９，５３…燃焼
器、３２，５４…熱交換器、２２…油層、９，５
５…ミキシング装置。

Claims

【特許請求の範囲】１坑底近傍の油井管内に設けた燃焼器で得た燃
焼排ガスを、熱交換器を通した後、地上へ排出す
ると共に、該熱交換器で生成された水蒸気のみを
油層中に圧入する坑底水蒸気発生方法において、
燃料に水を混入させて乳化燃料油となした後、該
乳化燃料油を燃焼器内で燃焼させる如くなしたこ
とを特徴とする坑底水蒸気発生方法。２坑底近傍の油井管内に燃焼器と熱交換器とを
設け、上記燃焼器で得た燃焼排ガスを熱交換器を
経て地上へ排出すると共に、上記熱交換器で生成
された水蒸気のみを油層中に圧入する如くなした
坑底水蒸気発生装置において、前記燃焼器内若し
くは燃焼器へ燃料を供給する燃料系統の燃焼器よ
り上流側に、燃料と水とを混合するミキシング装
置を設けたことを特徴とする坑底水蒸気発生装
置。