KR100440993B1 - Flameless combustor - Google Patents

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KR100440993B1
KR100440993B1 KR10-1998-0704982A KR19980704982A KR100440993B1 KR 100440993 B1 KR100440993 B1 KR 100440993B1 KR 19980704982 A KR19980704982 A KR 19980704982A KR 100440993 B1 KR100440993 B1 KR 100440993B1
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존 마이클 카라니카스
토머스 미커스
해럴드 제이. 비니거
스캇 리 웰링턴
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쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이.
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B36/00Heating, cooling, insulating arrangements for boreholes or wells, e.g. for use in permafrost zones
    • E21B36/02Heating, cooling, insulating arrangements for boreholes or wells, e.g. for use in permafrost zones using burners

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

무염 연소기{FLAMELESS COMBUSTOR}{FlAMELESS COMBUSTOR}

미국 특허 제 4,640,352 호 및 제 4,886,118 호는 오일을 함유하는 저침투성의 지하 지질층을 전도 가열하여 오일을 회수하는 것을 개시하고 있다. 저침투성 지질층은 규조토, 지질성 석탄 및 함유혈암(含油頁岩: oil shale)을 포함한다. 저침투성의 지질층은, 예컨대 증기, 이산화 탄소, 또는 파이어 플러딩(fire flooding)과 같은 2차 오일 회수법에 맞지 않는다. 플러딩 물질은 우선적으로 갈라진 틈을 통해 저침투성을 갖는 지질층을 관통하는 경향이 있다. 주입 물질은 대부분의 지질층 탄화수소를 우회한다. 이와 반대로, 전도 가열은 지질층에 유체를 수송할 필요가 없다. 따라서, 지질층 내의 오일은 플러딩 과정에서와 같이 우회되지 않는다. 전도 가열에 의해 지질층의 온도가 증가되는 경우에는, 지질층이 통상 비교적 균일한 열전도와 비열을 갖기 때문에 수직 온도 프로파일은 비교적 균일하게 되는 경향이 있다. 열전도 과정중의 탄화수소의 수송은, 압력 드라이브, 증발 및 지질층 암석의 공극 내에 존재하는 오일과 물의 열팽창에 의한다. 탄화수소는 오일과 물의 팽창 및 증발에 의해 만들어진 작은 틈을 통해 이동한다.U.S. Patent Nos. 4,640,352 and 4,886,118 disclose the recovery of oil by conduction heating a low permeability underground lipid layer containing oil. Low-permeability geological layers include diatomaceous earth, geological coal and contain- ing shale (oil shale). Low permeability geological layers do not meet secondary oil recovery methods, such as steam, carbon dioxide, or fire flooding. The flooding material preferentially tends to penetrate the low permeability lipid layer through the crevices. Injection material bypasses most of the geological layer hydrocarbons. Conversely, conduction heating does not need to transport fluid to the lipid layer. Thus, the oil in the lipid layer is not bypassed as in the flooding process. When the temperature of the lipid layer is increased by conduction heating, the vertical temperature profile tends to become relatively uniform since the lipid layer usually has relatively uniform thermal conductivity and specific heat. The transport of hydrocarbons during the heat transfer process is due to pressure expansion, evaporation and thermal expansion of the oil and water present in the pores of the geologic rock. Hydrocarbons travel through small crevices created by the expansion and evaporation of oil and water.

미국 특허 제 5,255,742 호는 예열된 연료 가스 및/또는 연소 공기를 활용한 지하 지질층의 가열에 유용한 무염 연소기를 개시하고 있는데, 여기서는 연료 가스가 화염이 없도록 충분히 조금씩 증가하면서 연소 공기와 혼합된다. 따라서, NOX의 발생이 거의 제거되고, 싼 구성물 때문에 가열기의 비용을 크게 줄일 수 있다. 그러나, 이러한 선행기술 문헌에 기술된 방법에 따라 연료 가스를 예열하는 경우에는, 이 연료 가스에 CO2, H2, 또는 증기를 첨가하지 않으면 코크스가 생성될 수 있다. 또한, 연료 가스 혼합물의 비촉매화 자연발화 온도를 초과하는 온도에서 작업해야 하므로, 공지된 가열기로 작업을 개시하는 것은 시간만을 소비할 뿐이다.U.S. Patent No. 5,255,742 discloses a non-salt combustor useful for heating an underground lipid layer utilizing preheated fuel gas and / or combustion air, wherein the fuel gas is mixed with combustion air in small increments sufficient to eliminate flames. Therefore, the generation of NO x is almost eliminated, and the cost of the heater can be greatly reduced because of the cheap components. However, in the case of preheating the fuel gas according to the method described in this prior art document, coke may be produced without adding CO 2 , H 2 , or steam to the fuel gas. Furthermore, since it is necessary to operate at a temperature exceeding the non-catalytic autoignition temperature of the fuel gas mixture, it is only time consuming to start the operation with the known heater.

촉매 연소기 또한 공지된 것이다. 예를 들어, 미국 특허 제 3,928,961 호는 촉매 담지된 열 연소기구를 개시하고 있는데, 여기서는 연료의 자연발화 온도를 초과하지만 실질적으로는 질소 산화물을 생성하는 온도 미만의 연소에 의해 NOx의 생성이 제거된다.Catalytic combustors are also known. For example, U.S. Patent No. 3,928,961 discloses a catalyst-supported thermal combustion device in which the production of NO x is eliminated by combustion below the spontaneous ignition temperature of the fuel but substantially below the temperature that produces nitrogen oxides do.

예를 들어, 미국 특허 제 5,355,668 호 및 제 4,065,917 호에는 산화 촉매로 코팅된 금속 표면이 개시되어 있다. 상기 특허는 가스 터빈 엔진의 부품상에 촉매 코팅된 표면을 제안한다. 상기 미국 특허 제 4,065,917 호는 터빈의 작업 개시를 위해 촉매 코팅된 표면의 사용을 제안하고, 또한 작업 개시 운전의 물질 전달 조절 제한 단계를 제안한다.For example, U.S. Patents 5,355,668 and 4,065,917 disclose metal surfaces coated with an oxidation catalyst. This patent proposes a catalyst coated surface on a component of a gas turbine engine. U.S. Patent No. 4,065,917 proposes the use of a catalyst coated surface for the start-up of a turbine and also suggests a step of limiting the mass transfer of the start-up operation.

제 1 항 및 제 16 항의 전문에 따른 무염 연소기 및 무염 연소 방법은 미국특허 제 3,817,332 호에 개시되어 있다. 공지된 방법에서는, 연료 및 산화제를 별개의 공급관을 거쳐 연소실에 공급하고 있는데, 이는 비싸기는 하지만 공급관에서의 연료의 조기 연소를 회피하기 위해서는 필요한 것이다.Non-salt flammable and non-flammable combustion methods according to the claims of claims 1 and 16 are disclosed in U.S. Patent No. 3,817,332. In the known method, the fuel and the oxidant are supplied to the combustion chamber via separate supply lines, which is expensive but necessary to avoid premature burning of the fuel in the supply line.

본 발명은 무염 연소 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for non-salt combustion.

도 1 은 본 발명에 따른 연소기를 나타내고 ;1 shows a combustor according to the invention;

도 2 는 본 발명을 설명하는 시험 장치에서 메탄 소비 대 온도의 도면이다.Figure 2 is a plot of methane consumption versus temperature in a test apparatus illustrating the present invention.

본 발명의 목적은 연료 및 산화제를 초기에 혼합할 수 있는 무염 연소기를 제공하고, 또한 연소실 내에서의 촉매 표면의 분포에 의해 결정된 연소 분포를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an incombustible combustor capable of initially mixing fuel and oxidizer and to provide a combustion distribution determined by the distribution of the catalyst surface in the combustion chamber.

또한, 본 발명의 목적은 무염이고, 코크스의 생성을 방지하기 위해 연료 가스 스트림내에 첨가물을 첨가할 필요가 없는 연소 방법 및 연소 장치를 제공하는 것이다. 다른 측면에서, 본 발명의 목적은, NOx의 생성을 최소화하는 연소 방법 및 연소 장치를 제공하는 것이다. 상기의 목적 및 다른 목적은, 연료 및 산화제 혼합물을 연소하기 위한 무염 연소기로서,It is also an object of the present invention to provide a combustion method and a combustion apparatus that are non-salt-free and do not require the addition of additives in the fuel gas stream to prevent the production of coke. In another aspect, an object of the present invention is to provide a combustion method and a combustion apparatus that minimize the generation of NO x . These and other objects are achieved by a non-salt combustor for burning fuel and oxidizer mixture,

입구 및 연소 생성물 출구와 소통하는 연소실 ;A combustion chamber communicating with an inlet and a combustion product outlet;

입구와 소통하는 혼합된 연료 및 산화제 공급 ; 및Mixed fuel and oxidant supply in communication with the inlet; And

연료 및 산화제 혼합물의 비촉매화된 자연발화 온도를 초과하지 않는 온도로 소정량의 연료를 산화시키는, 연소실내의 촉매 표면 ;을 포함하는 무염 연소기에 의해 달성된다.And a catalyst surface in the combustion chamber for oxidizing a predetermined amount of fuel to a temperature not exceeding the non-catalyzed spontaneous ignition temperature of the fuel and oxidizer mixture.

연료-산화제 혼합물의 단열 연소로 인한 온도를 피하기 때문에 본 발명의 무염 연소기는 질소 산화물의 생성을 최소화한다. 따라서, 질소 산화물의 형성을제거 또는 방지하기 위한 다른 대책이 필요치 않다. 넓은 면적과 긴 거리에 걸쳐 비교적 고른 열 분포가 가능하고, 또한 낮은 연소 온도 때문에 본 발명의 연소기용으로써 비교적 값싼 구성물을 사용할 수 있다.Since the temperature due to the adiabatic combustion of the fuel-oxidant mixture is avoided, the non-halogen combustor of the present invention minimizes the production of nitrogen oxides. Therefore, no other measures are required to eliminate or prevent the formation of nitrogen oxides. Relatively uniform distribution of heat over a large area and a long distance is possible, and because of the low combustion temperature, relatively inexpensive components for the combustor of the present invention can be used.

허용가능한 촉매 재료는 귀금속, 준 귀금속, 및 전이 금속 산화물을 포함한다. 일반적으로, 공지된 산화 촉매는 본 발명에 유용하다. 상기 금속 또는 금속 산화물의 혼합물이 또한 유용할 수 있다.Acceptable catalyst materials include noble metals, semiprecious metals, and transition metal oxides. In general, known oxidation catalysts are useful in the present invention. Mixtures of these metals or metal oxides may also be useful.

본 발명의 무염 연소기는, 특히, 탄화수소의 회수를 위해 지하 지질층을 가열하기 위한 가열 주입기로서 유용하다. 또한, 촉매 표면은 상기 가열 주입기의 운전성 및 작업 개시 운전을 개선시킨다. 본 발명에 따르면, 상기 가열 주입기내의 연소 구역까지 연료 및 산화제를 별개의 관에 의해 전달할 필요가 없다. 그 결과, 비용이 매우 절감된다.The non-salt combustor of the present invention is particularly useful as a heat injector for heating an underground lipid layer for recovery of hydrocarbons. In addition, the catalyst surface improves the operability of the heat injector and the operation start operation. According to the invention, it is not necessary to transfer the fuel and the oxidant to separate combustion tubes in the heating injector. As a result, the cost is greatly reduced.

또한, 본 발명에 따르면, 무염 연소기에 의해 지하 지질층을 가열하는 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 방법은, 하기의 단계, 즉Further, according to the present invention, there is provided a method of heating an underground geological layer by an incombustible combustor. The method according to the invention comprises the following steps:

가열될 지질층내의 시추정(wellbore)내에 다운홀 연소실을 형성하는 연소관을 설치하는 단계 ;Providing a combustion tube forming a downhole combustion chamber in a wellbore in a lipid layer to be heated;

입구를 거쳐 상기 연소실에 연료 및 산화제를 공급하는 단계 ;Supplying fuel and an oxidant to the combustion chamber through an inlet;

상기 연료 및 산화제 혼합물을, 연소실에서의 평균 온도가 연료 및 산화제 혼합물의 비촉매화된 자연발화 온도 미만으로 유지되는 속도로 소정량의 연료를 산화시키는, 연소실내의 촉매 표면을 따라 흐르게 하는 단계 ; 및Flowing the fuel and oxidant mixture along a catalyst surface in a combustion chamber that oxidizes a predetermined amount of fuel at a rate such that an average temperature in the combustion chamber is maintained below a non-catalyzed spontaneous ignition temperature of the fuel and oxidant mixture; And

연소 생성물을 시추정 내의 연소 생성물 출구 도관을 통해 표면에 흐르게 하는 단계 ;를 포함한다.Flowing the combustion product through the combustion product outlet conduit in the vessel to the surface.

바람직하게는, 연소실은 웰 케이싱 (well casing) 및 이 웰 케이싱의 바닥 근처의 플러그의 하부에 의해 형성되고, 촉매 표면은, 웰 케이싱내에 동축으로 현수되어 현수관의 하단부와 플러그 사이에 축방향의 공간을 유지하고 있는 현수관의 내면 및/또는 외면상에 촉매 코팅함으로써 제공된다.Preferably, the combustion chamber is formed by a well casing and a lower portion of the plug near the bottom of the well casing, wherein the catalyst surface is coaxially suspended in the well casing, Lt; RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI >

또한, 바람직하게는, 현수관은 혼합된 연료 및 공기의 입구 도관으로서 사용되고, 또한 상기 현수관과 웰 케이싱 사이의 환상 공간은 연소 생성물의 출구 도관으로서 사용되는데, 그 반대로 사용하는 것도 가능하다.Also preferably, the hanging tube is used as an inlet conduit for mixed fuel and air, and an annular space between the hanging tube and the well casing is used as an outlet conduit for the combustion product, and vice versa.

본 발명에 따른 연소 장치 및 연소 방법의 전술한 그리고 다른 특질, 목적 및 장점은 첨부된 도면으로부터 명백해질 것이다.The foregoing and other features, objects and advantages of the combustion apparatus and the combustion method according to the present invention will become apparent from the accompanying drawings.

일반적으로, 무염 연소는, 연소 공기 및 연료 가스를 충분히 예열함으로써 달성되는데, 2 개의 스트림이 혼합될 때, 혼합물의 온도는, 혼합물의 자연발화 온도를 초과하지만, 혼합 속도가 제한되는 경우에는 산화를 초래하는 온도 미만으로 된다. 촉매 표면이 없다면, 무염 연소는, 스트림을 약 815 ℃ 내지 약 1260 ℃ 범위의 온도로 예열하고 나서, 연료 가스를 비교적 작은 증분으로 연소 공기에 혼합함으로써 발생할 것이다.In general, non-salt combustion is achieved by sufficiently warming the combustion air and the fuel gas, when the two streams are mixed, the temperature of the mixture exceeds the autoignition temperature of the mixture, but oxidation Lt; / RTI > Without the catalyst surface, the non-salt combustion will occur by preheating the stream to a temperature in the range of about 815 ° C to about 1260 ° C and then mixing the fuel gas with combustion air in relatively small increments.

효과적인 촉매 표면이 존재하는 경우에는, 촉매 표면에 의해 영향을 받은 구역에서 발생하는 산화반응 온도가 매우 낮아진다. 상기 낮아진 온도를, 이하 촉매화된 자연발화 온도라 부른다. 관 흐름에서, 촉매 표면과 접촉하는 경계층의 유체는 거의 정량적으로 산화될 것이지만, 벌크 온도가 혼합물의 비촉매화된 자연발화 온도 미만으로 유지된다면 경계층의 외부에는 산화가 거의 일어나지 않을 것이다. 따라서, 촉매화된 자연발화 온도와 비촉매화된 자연발화 온도사이의 온도 범위에서의 반응은, 상대적으로 온도에 무관한 속도로 물질전달이 제한된다. 이는 미국 특허 제 4,065,917 호와 같은 문헌에서 제안하고 있다. 본 발명에서는, 이러한 물질전달 제한의 반응 메카니즘을 활용하여 무염 연소기의 연소실 내에서의 열발생 분포를 조절한다. 열발생 및 열제거의 균형을 맞춤으로써, 혼합된 산화제, 연료 및 연소 생성물의 평균 스트림 온도를 촉매화된 자연발화 온도와 비촉매화된 자연발화 온도 사이로 유지할 수 있다.In the presence of an effective catalytic surface, the temperature of the oxidation reaction occurring in the zone affected by the catalytic surface is very low. The lowered temperature is hereinafter referred to as catalysed spontaneous ignition temperature. In the tube flow, the fluid in the boundary layer in contact with the catalyst surface will be oxidized almost quantitatively, but if the bulk temperature is maintained below the non-catalyzed spontaneous ignition temperature of the mixture, there will be little oxidation outside the boundary layer. Thus, the reaction in the temperature range between the catalysed spontaneous firing temperature and the non-catalyzed spontaneous firing temperature limits mass transfer at a relatively temperature-independent rate. This is proposed in the literature such as U.S. Patent No. 4,065,917. In the present invention, the reaction mechanism of this mass transfer limitation is utilized to control the heat generation distribution in the combustion chamber of the non-salt combustor. By balancing heat generation and heat removal, the average stream temperature of the mixed oxidant, fuel, and combustion products can be maintained between the catalyzed auto-ignition temperature and the non-catalyzed auto-ignition temperature.

본 발명의 가열기는 연료-산화제 비율, 연료-산화제 유량과 같은 변수에 의해 제어할 수 있다. 특정한 적용에 따라서는, 열부하를 제어할 수도 있다.The heater of the present invention can be controlled by such variables as fuel-oxidant ratio, fuel-oxidant flow rate. Depending on the particular application, the thermal load may also be controlled.

본 발명의 무염 연소기의 주요한 특징은, 열이 연소실의 축을 따라 제거되어 온도가 단열 연소 온도보다 훨씬 미만으로 유지된다는 점이다. 이 때문에, NOxs 의 생성이 거의 제거되고, 또한 야금학적 조건이 크게 줄어들어 비교적 값싼 연소기를 얻을 수 있다.The main characteristic of the non-salt combustor of the present invention is that the heat is removed along the axis of the combustion chamber so that the temperature is kept well below the adiabatic combustion temperature. For this reason, the production of NO x s is almost eliminated, and the metallurgical conditions are greatly reduced, so that a comparatively inexpensive combustor can be obtained.

도 1 에는, 본 발명을 수행할 수 있는 가열 주입 웰내의 연소기가 도시되어있다. 가열될 지질층 (1) 은 표토 (2) 의 아래에 있다. 시추정 (3) 는 표토를 통해, 바람직하게는, 가열될 지질층의 바닥 근처의 위치까지 확장된다. 시추정는, 수직 웰로 도시되어 있으나, 비스듬하거나 또는 수평이 될 수 있다. 수평으로 파쇄된 지질층에 수평 열 주입 웰을 설치하여, 평행 드라이브 방법으로 탄화수소를 회수할 수도 있다. 얕은 함유혈암 지질층에는 수평 가열기가 유용하다. 수평 가열기는 또한, 얇은 층을 가열하여 표토 및 기저암에 대한 열손실을 제한할 때에 효과적으로 사용될 수 있다. 도 1 에 나타난 실시예에서는, 시추정에 케이싱 (4)을 설치하였다. 시추정의 하부는, 고온을 견디고 열을 전달하는데 적합한 특성을 가진 시멘트 (7) 로써 접합할 수 있다. 양호한 열절연체인 시멘트 (8) 는 시스템으로부터의 열손실을 방지하기 위해 시추정의 상부용으로 바람직하다. 연소 혼합물 도관 (10) 은 웰헤드 (wellhead) (나타나지 않음) 로부터 시추정의 하부까지 확장된다.Figure 1 shows a combustor in a heating injection well in which the present invention may be practiced. The lipid layer (1) to be heated is below the topsoil (2). The drill jets 3 extend through the topsoil, preferably to a location near the bottom of the geological layer to be heated. The wells are shown as vertical wells, but they can be oblique or horizontal. Hydrothermally recoverable hydrocarbons can also be recovered by a parallel drive method by installing a horizontal heat injection well in the horizontally shattered lipid layer. Horizontal heaters are useful for shallow containment shale. The horizontal heater can also be effectively used in heating thin layers to limit heat loss to the topsoil and base arm. In the embodiment shown in Fig. 1, the casing 4 is provided in the drill hole. The bottom of the drill hole can be bonded with cement (7) with properties suitable to withstand high temperatures and transmit heat. Cement 8, which is a good thermal insulator, is preferred for top of drilling to prevent heat loss from the system. The combustion mixture conduit 10 extends from the wellhead (not shown) to the bottom of the drill hole.

시추정의 고온부 내에 케이싱 및 도관을 시멘트 접합하는데 적합한 고온 시멘트가 유용하다. 이러한 예는 미국 특허 제 3,507,332 호 및 제 3,180,748 호에 개시되어 있다. 시멘트 슬러리 고형체를 기준으로 약 50 중량% 초과의 알루미나 함량이 바람직하다.High-temperature cement suitable for cement-bonding casings and conduits within high-temperature zones is useful. Examples of this are disclosed in U.S. Patent Nos. 3,507,332 and 3,180,748. An alumina content of greater than about 50 weight percent based on cement slurry solids is preferred.

얕은 지질층에서는, 지질층 속에 가열기를 직접 해머-천공하는 것이 유리하다. 가열기를 지질층 속에 직접 해머-천공할 때에는, 가열기를 지질층 안에 시멘트 접합하는 것은 필요하지 않지만, 가열기의 상부를 시멘트 접합하여 표면으로의 유체 손실을 방지할 수도 있다.In a shallow geological layer, it is advantageous to directly hammer-perforate the heater in the geological layer. When the heater is hammer-pierced directly into the lipid layer, it is not necessary to cement the heater into the lipid layer, but the upper portion of the heater may be cemented to prevent fluid loss to the surface.

도 1 의 실시예에서 케이싱 (4) 의 직경은, 케이싱의 비용 및 지질층의 열전달 속도에 따라 선택할 수 있다. 야금술의 필요로 인해 케이싱은 일반적으로 주입 웰의 가장 비싼 성분이다. 케이싱 직경이 증가함에 따라, 지질층에 전달될 수 있는 열도 크게 증가한다. 초기 비용 및 시추정로부터의 열전달 능력의 관점에서, 일반적으로 내경 약 10 내지 약 20 cm 사이의 케이싱이 최적이다.In the embodiment of Fig. 1, the diameter of the casing 4 can be selected according to the cost of the casing and the heat transfer rate of the geological layer. Casing is generally the most expensive component of the injection well due to the need for metallurgy. As the casing diameter increases, the heat that can be transferred to the lipid layer also increases significantly. In view of the initial cost and heat transfer capability from the wells, a casing generally having an inner diameter between about 10 and about 20 cm is optimal.

케이싱의 바닥에는 시멘트 플러그 (23) 가 도시되어 있는데, 이 시멘트 플러그는 시멘트 접합 작업중에 케이싱 밑으로 눌려져 시멘트를 케이싱의 바닥으로부터 밀어낸다.A cement plug (23) is shown at the bottom of the casing, which is pressed under the casing during the cement joining operation to push the cement out of the bottom of the casing.

촉매 표면 (20) 은, 연소실 (14) 내에 제공되어 산화 반응 온도가 낮은 제한된 구역을 제공한다. 연소실 내에서의 열방출 분포를 위해, 상기 촉매 표면 (20) 은, 도관 (10) 하부의 내면 및/또는 외면의 적어도 일부를 덮는 코팅물로서 제공된다. 촉매 표면은 케이싱을 따라 거의 고른 온도 분포를 달성하도록 그 크기가 설정된다. 케이싱 내의 거의 고른 온도 프로파일이 달성되므로, 가열될 지질층 내에서의 열분포가 더욱 균일해진다. 또한, 지질층 내에서의 열분포가 거의 균일해지면, 전도 가열에 의한 탄화수소 회수공정에서 열을 더욱 효율적으로 활용할 수 있다. 또한, 온도 프로파일이 더욱 균일할수록, 동일한 열방출을 위한 최대 온도는 더 낮아진다. 버너 및 웰 시스템의 구성 재료는 최대 온도를 규정하기 때문에, 고른 온도 프로파일은 동일한 구성 재료에 대해 가능한 열방출을 증가시킬 것이다.The catalyst surface 20 is provided in the combustion chamber 14 to provide a limited zone of low oxidation reaction temperature. For the distribution of heat release within the combustion chamber, the catalyst surface 20 is provided as a coating that covers at least a portion of the inner and / or outer surface of the lower portion of the conduit 10. The catalyst surface is sized to achieve a nearly even temperature distribution along the casing. Since a nearly even temperature profile in the casing is achieved, the thermal distribution in the lipid layer to be heated becomes more uniform. Further, if the thermal distribution in the lipid layer becomes almost uniform, heat can be used more efficiently in the hydrocarbon recovery process by conduction heating. In addition, the more uniform the temperature profile, the lower the maximum temperature for the same heat release. Because the constituent materials of the burner and well systems define the maximum temperature, an even temperature profile will increase the possible heat release for the same constituent material.

연소 생성물이 시추정에서 가열되는 지질층 위로 상승함에 따라, 흐름 도관아래로 흐르는 연소 공기 및 연료 가스와 상기 상승하는 연소 생성물 사이에서는 열교환이 이루어진다. 이러한 열교환에 의해 에너지가 보존될 뿐만 아니라 본 발명이 목표로 하는 무염 연소기가 가능해진다. 연료 가스 및 연소 공기는 각각의 흐름 도관을 따라 아래로 이동하면서 충분히 예열되므로, 최종 혼합지점에서의 2 개의 스트림의 혼합물의 온도는, 혼합물의 촉매화된 자연발화 온도를 초과하지만, 비촉매화된 자연발화 온도 미만이 된다. 촉매 표면에서의 연소 및 효과적인 촉매 표면에 근접한 경계층 내에서의 무염 연소에 의해, 복사 열원으로서의 화염이 회피된다. 따라서, 열이 시추정로부터 본질적으로 균일하게 전달된다.As the combustion products rise above the heated geological bed in the wellhead, heat exchange occurs between the combustion air and the fuel gas flowing below the flow conduit and the ascending combustion products. This heat exchange not only conserves energy but also enables the non-halogen combustor to which the present invention is directed. Since the fuel gas and the combustion air are sufficiently warmed as they move down the respective flow conduit, the temperature of the mixture of the two streams at the final mixing point exceeds the catalyzed autoignition temperature of the mixture, It will be below the autoignition temperature. Flame as a radiant heat source is avoided by combustion on the catalyst surface and by non-chlorinated combustion in the boundary layer close to the effective catalyst surface. Thus, the heat is inherently uniformly transferred from the well.

본 발명의 연소기의 작동에서는, 열을 연소실의 길이를 따라 연소실로부터 제거하는 것이 중요하다. 본 발명을 시추정 열 주입기에 적용하는 경우에는, 열이 시추정 주위의 지질층에 전달된다. 본 발명의 가열기는 또한, 다른 적용분야, 예컨대 증기발생 및 화학공업공정 가열기 및 반응기에서 사용할 수 있다.In the operation of the combustor of the present invention, it is important to remove heat from the combustion chamber along the length of the combustion chamber. When the present invention is applied to a drilling heat injector, heat is transferred to the lipid layer around the drill hole. The heaters of the present invention can also be used in other applications, such as steam generators and chemical industry process heaters and reactors.

연료 가스 및 연소 공기는, 연소 생성물 도관을 둘러싼 환상 체적으로서 도시된 혼합 연료 및 산화제 공급을 통해 시추정의 바닥에 전달된다. 혼합 연료 및 공기는 연소 생성물을 형성하는 촉매 표면 (14) 에 인접한 시추정 부위에서 반응한다. 연소 생성물은 시추정 위로 올라와서, 웰헤드에서 연소 생성물 도관 (10) 을 통해 배출구 (나타나지 않음) 밖으로 나온다. 배출구로부터 나온 연소 생성물은 배출 스택 (나타나지 않음) 을 통해 대기로 나갈 수 있다. 또 다르게는, 질소 산화물이 존재하지 않아 제거할 필요가 없다고 하더라도, 상기 연소가스를 처리하여 오염물을 제거할 수도 있다. 확대 터빈 또는 열교환기에 의해 연소생성물로부터 부가적인 에너지를 회수하는 것도 바람직하다.The fuel gas and the combustion air are delivered to the drill hole floor through the mixed fuel and oxidant supply shown as annular volume surrounding the combustion product conduit. Mixed fuel and air react at the site of the well adjacent to the catalyst surface 14 forming the combustion products. The combustion products rise above the drilling rig and exit the exhaust well (not shown) through the combustion product conduit 10 in the wellhead. The combustion products from the exhaust can exit to the atmosphere through the exhaust stack (not shown). Alternatively, even if it is not necessary to remove nitrogen oxide because it is not present, the combustion gas may be treated to remove contaminants. It is also desirable to recover additional energy from the combustion products by the expansion turbine or heat exchanger.

촉매 없는 무염 연소를 위해 연료 가스를 예열하는 경우에는, 연료 가스 스트림에 탄소 형성 억제제를 포함시키지 않으면 매우 많은 탄소가 발생된다. 따라서, 탄소를 형성하는 온도 미만에서 가열기를 운전함으로써, 상기 탄소 형성 억제제를 제공할 필요가 없어진다. 이는 본 발명의 또 다른 중요한 장점인데, 그 이유는 탄소 억제제를 사용하게 되면 가열기를 통과하는 가스의 체적이 증가하고, 그에 따라 요구되는 도관의 크기가 증가하기 때문이다.When the fuel gas is preheated for the non-catalytic, non-salt combustion, too much carbon is generated unless the carbon-forming inhibitor is included in the fuel gas stream. Therefore, by operating the heater at a temperature lower than the temperature at which carbon is formed, there is no need to provide the carbon formation inhibitor. This is another important advantage of the present invention because the use of carbon inhibitors increases the volume of gas passing through the heater and thus the required size of the conduit.

본 발명의 웰 가열기의 저온 작업 개시는 화염 연소를 활용할 수 있다. 초기 발화는 자연발화 물질, 전기 발화기, 스파크 발화기를 주입하거나, 일시적으로 발화기를 시추정로 내리거나, 전기 저항 가열기에 의해 달성될 수 있다. 바람직하게는, 버너의 온도를 무염 연소를 유지하는 온도가 되도록 급속히 가열하여 시추정 내에 화염이 존재하는 시간을 최소화하도록 한다. 버너를 가열하는 속도는 전형적으로 버너가 견딜 수 있는 열구배에 의해 제한된다.The start of the low temperature operation of the well heater of the present invention can utilize flame combustion. The initial ignition may be accomplished by injecting a spontaneous ignition material, an electric igniter, a spark igniter, temporarily lowering the igniter to the igniter, or an electric resistance heater. Preferably, the temperature of the burner is rapidly heated to a temperature at which the non-salt combustion is maintained to minimize the time during which the flame is present in the crucible. The rate at which the burner is heated is typically limited by the thermal gradient the burner can withstand.

연소 혼합물 도관을 저항 가열기로서 사용하여, 연소기를 운전 온도까지 올릴 수 있다. 상기 도관을 저항 가열기로서 사용하기 위해, 클램프 (16) 또는 다른 연결수단을 이용하여, 전기 리드선 (15) 을 전기절연 커플링 아래의 웰헤드 근처의 연소 혼합물 도관 (10) 에 연결하여 전기 에너지를 공급할 수 있다. 전기 접지는, 연소 혼합물 도관 (10) 주위의 하나 이상의 전기전도 센트럴라이저 (17: centralizer) 를 보어홀의 바닥 근처에 구비할 수 있다. 전기접지 센트럴라이저 위의 연소 혼합물 도관상의 센트럴라이저는 전기절연 센트럴라이저이다.바람직하게는, 충분한 열이 공급되어, 연소 혼합물은 초기 촉매 표면의 위치에서 촉매화된 자연발화 온도를 초과하지만 비촉매화된 자연발화 온도 미만으로 된다.The combustion mixture conduit can be used as a resistance heater to raise the combustor to operating temperature. To use the conduit as a resistance heater, an electrical lead 15 is connected to the combustion mixture conduit 10 near the well head under the electrical isolation coupling, using a clamp 16 or other connection means to provide electrical energy Can supply. Electrical grounding may include one or more electrically conductive centralizers (17) around the bottom of the bore hole around the combustion mixture conduit (10). The centralizer on the combustion mixture conduit on the electrical riser central riser is an electrically insulated centralizer. Preferably, sufficient heat is supplied so that the combustion mixture exceeds the catalyzed autoignition temperature at the location of the initial catalyst surface, Lt; RTI ID = 0.0 > ignition temperature.

연료 도관 길이의 미리 선택된 구획에서의 열 방출을 위해 연소 혼합물 도관의 두께를 다양화할 수 있다. 예를 들어, 웰 가열 주입기 적용에서는, 가장 고농도의 연료로 혼합 가스 스트림을 발화시키고, 배출 가스가 시추정을 통해 역류하기 전에 연료를 태우기 위하여, 시추정의 최하부를 전기적으로 가열하는 것이 바람직하다. 도시된 얇은 구획 (21) 은 연소 혼합물 도관에서 연소기의 작업 개시를 위해 고온의 표면을 제공한다.The thickness of the combustion mixture conduit can be varied for heat release in a pre-selected section of the fuel conduit length. For example, in a well heating injector application, it is desirable to electrically heat the lowermost portion of the drill hole to ignite the mixed gas stream with the highest concentration of fuel and burn the fuel before the exhaust gas flows back through the drill hole. The illustrated thin section 21 provides a hot surface for the commencement of operation of the combustor in the combustion mixture conduit.

연료 가스-산화제 혼합물의 산화 반응 온도는, 귀금속 표면 또는 다른 유효한 촉매 표면을 제공함으로써 낮아진다. 촉매 표면은 바람직하게는, 연소 생성물 도관 (10) 의 내면, 외면, 또는 내면 및 외면 모두에 제공된다. 또 다르게는, 표면, 또는 표면을 포함하는 관형 또는 다른 귀금속을 연소실 내에 별도로 설치할 수 있다. 예를 들어, 연소가스 도관 외측의 연소 생성물 환상부에는 다른 귀금속 코팅된 표면을 제공할 수 있다. 이 부가적인 촉매 표면은, 열발생이 요망되는 시추정 내에서 완전 연소가 발생되도록 한다.The oxidation reaction temperature of the fuel gas-oxidant mixture is lowered by providing a noble metal surface or other effective catalytic surface. The catalyst surface is preferably provided on the inner surface, the outer surface, or both the inner and outer surfaces of the combustion product conduit 10. Alternatively, a tubular or other noble metal containing surface, or surface, may be separately installed in the combustion chamber. For example, the combustion product annulus outside the combustion gas conduit may provide another noble metal coated surface. This additional catalyst surface allows complete combustion to occur within the wellhead where heat generation is desired.

본 발명의 무염 연소기의 작업 개시는, 작업 개시 단계중에 보충 산화제를 공급하거나 또는 수소와 같은 낮은 자연발화 온도를 가진 연료를 사용함으로써 향상될 수 있다. 바람직한 보충 산화제는, 보충적인 산소 및 질소 산화물을 포함한다. 수소는 천연 가스 스트림과 함께 제공될 수 있고, 또한 일산화탄소 및 이산화탄소의 존재하에 전환 가스(shift gas)로서 제공될 수도 있다.The initiation of the operation of the non-salt combustor of the present invention can be improved by supplying a supplementary oxidant during the start-up phase or by using a fuel having a low spontaneous ignition temperature such as hydrogen. Preferred supplemental oxidizing agents include supplemental oxygen and nitrogen oxides. Hydrogen may be provided with the natural gas stream and may also be provided as a shift gas in the presence of carbon monoxide and carbon dioxide.

작업 개시 산화제 및/또는 연료는, 바람직하게는, 연소기가 연료로서의 메탄 (천연 가스) 과 산화제로서의 공기에 의해 운전될 수 있는 충분한 온도로 가열될 때까지만 사용된다 (즉, 연소기는 공기중의 메탄의 촉매화된 자연발화 온도를 초과하는 온도까지 가열된다).The work-initiating oxidant and / or fuel is preferably used only until the combustor is heated to a temperature sufficient to be able to operate with methane (natural gas) as fuel and air as the oxidant (i.e., Of the catalyzed spontaneous ignition temperature of < / RTI >

미국 특허 5,255,742 호는 전기 저항 니크롬 가열기를 사용하여 무염 연소기의 작업 개시를 위한 열을 발생하는 것을 개시하였다. 본 발명의 실시에 있어서는 상기 전기 가열기를 사용할 수 있다.U. S. Patent No. 5,255, 742 discloses the use of an electrical resistive nichrome heater to generate heat for commencement of operation of an incombustible combustor. In the practice of the present invention, the electric heater may be used.

연소실 내의 표면상에 팔라듐 또는 백금과 같은 귀금속, 또는 준 귀금속, 기본 금속 또는 전이 금속을 바람직하게는 전기 도금에 의해 코팅하여, 낮은 온도에서의 연료의 산화를 향상시킬 수 있다. 따라서, 금속을 필요에 따라 산화시켜, 촉매적으로 유효한 표면을 제공한다. 이러한 촉매 표면은 260 ℃ 의 낮은 온도로 공기중 메탄의 산화를 촉진시키는데 있어서 매우 유효하다는 것을 알았다. 상기 반응은 촉매 표면상 및 인접한 경계층에서 급속히 발생한다. 연소실 내에 큰 촉매 표면을 설치하면, 무염 연소기의 운전 온도범위를 크게 증가시킬 수 있는 이점이 있다.A noble metal such as palladium or platinum, or a precious metal, a base metal, or a transition metal may be coated on the surface in the combustion chamber by electroplating, thereby improving the oxidation of the fuel at low temperatures. Thus, the metal is optionally oxidized to provide a catalytically effective surface. This catalyst surface was found to be very effective in promoting oxidation of methane in air at a low temperature of 260 ° C. The reaction occurs rapidly on the catalyst surface and in the adjacent boundary layer. If a large catalyst surface is provided in the combustion chamber, there is an advantage that the operating temperature range of the non-halogen combustor can be greatly increased.

[실시예][Example]

열 반응기를 사용하여, 연료, 산화제 및 촉매 표면의 다양한 혼합물에 의해 산화 반응이 일어나는 온도를 달성하였다. 반응기는 전기 저항 가열 코일로 싸여지고 절연체로 덮인 2.54 cm 의 스테인레스강 파이프였다. 이 파이프의 외면에 인접한 절연체 밑에는 온도 조절용 열전기쌍을 설치했다. 또한, 파이프 내측의 입구, 중간, 및 출구에도 열전기쌍을 설치하였다. 귀금속 또는 귀금속 코팅물을 가진 스테인레스강 스트립으로 된 시험 리본을 파이프에 매달아서 촉매 활성을 시험하였다. 소망하는 시험온도 미만의 온도까지 예열된 공기를, 파이프의 전기 가열된 시험 구획에 주입하였다. 시험 구획에서 소망의 온도가 수득될 때까지 전기 저항 가열기에 대한 전력을 변화시켜, 파이프의 내측에 설치된 열전기쌍으로써 측정된 정상 상태를 달성하였다. 다음에, 연료를 혼합 T 자관을 통해 예열 공기의 스트림에 주입하여, 전기 가열된 시험 구획으로 흐르게 하였다. 1/8 인치 (= 0.32 cm) 폭 및 약 16 인치 (= 40 cm) 길이의 4 개의 백금 리본, 또는 백금이나 팔라듐이 양면에 코팅된 3/8 인치 (= 0.95 cm) 폭 및 약 1/16 인치 (= 0.16 cm) 두께 및 약 16 인치 (= 40 cm) 길이의 스테인레스강 스트립을, 파이프 내에 매달아서 촉매 활성을 시험했다. 시험 구획이 촉매 코팅된 스트립 또는 귀금속의 리본을 포함하고 촉매화된 자연발화 온도이거나 또는 초과일 때, 연료를 첨가하면 내측의 중간 및 출구 열전기쌍에서의 온도가 증가하였다. 촉매화된 자연발화 온도 미만에서는, 이러한 온도가 관찰되지 않았다. 촉매 코팅된 스트립 또는 귀금속 리본이 존재하지 않을 때에는, 시험 구획을 연료의 자연발화 온도까지 가열해야 온도 증가가 관찰되었다. 측정된 비촉매화된 및 촉매화된 자연발화 온도를 표 1 에 요약하며, 상기 측정된 비촉매화된 또는 촉매화된 자연발화 온도는 측정된 자연발화 온도라고 한다.Using a thermal reactor, the temperature at which the oxidation reaction takes place is achieved by the various mixtures of fuel, oxidant and catalyst surface. The reactor was a 2.54 cm stainless steel pipe wrapped with an electric resistance heating coil and covered with an insulator. Below the insulator adjacent to the outer surface of the pipe was a pair of thermocouples for temperature control. In addition, a thermoelectric pair was also provided at the inlet, middle, and outlet of the inside of the pipe. Catalyst activity was tested by suspending the test ribbon in stainless steel strip with noble metal or precious metal coating on the pipe. Preheated air to a temperature below the desired test temperature was injected into the electrically heated test section of the pipe. The power to the electrical resistance heater was varied until the desired temperature was obtained in the test compartment to achieve the steady state as measured by the thermocouple set inside the pipe. Next, the fuel was injected into the stream of preheated air through the mixed T-tube and allowed to flow to the electrically heated test section. Four platinum ribbons of 1/8 inch (= 0.32 cm) wide and about 16 inches (= 40 cm) long or 3/8 inch (= 0.95 cm) wide coated with platinum or palladium on both sides and about 1/16 Stainless steel strips with an inch (= 0.16 cm) thickness and a length of about 16 inches (= 40 cm) were suspended in a pipe to test the catalytic activity. The addition of fuel increased the temperature in the inner intermediate and exit thermoelectric pairs when the test compartment contained catalyst coated strips or noble metal ribbon and was at or above the catalyzed spontaneous ignition temperature. Below the catalysed spontaneous ignition temperature, this temperature was not observed. In the absence of catalyst coated strips or noble metal ribbon, a temperature increase was observed by heating the test section to the autoignition temperature of the fuel. The measured non-catalyzed and catalyzed spontaneous firing temperatures are summarized in Table 1, and the measured non-catalyzed or catalyzed spontaneous firing temperatures are referred to as measured spontaneous firing temperatures.

표로부터 N2O 를 연료 스트림에 첨가하면 혼합물의 측정된 자연발화 온도를 매우 감소시킨다는 것을 알 수 있다. 또한, 연료로서 수소의 포함 및 촉매 표면의 존재는 동적 자연발화 온도를 상당히 감소시킨다.It can be seen that adding N 2 O to the fuel stream from the table greatly reduces the measured autoignition temperature of the mixture. In addition, the inclusion of hydrogen as fuel and the presence of the catalyst surface significantly reduce the dynamic spontaneous ignition temperature.

3.048 m 길이 시험 연소기를 사용하여 분포된 연소기 적용시에 2.54 cm 반응기의 결과를 시험한다. 2.54 cm 외경 연료 가스선을 5.08 cm 내경 연소선 내에 제공했다. 연료 주입선은 연소선의 입구 끝 근처에 위치한 연료 주입구에 연료 도관을 제공했다. 5.08 cm 내경 연소선을 절연 파이프내에 두고, 열전기쌍을 연료 공급선을 따라 두었다. 두개의 다른 연소선을 사용했다. 하나의 연소선은 "HAYNES 120" 합금 스트립으로부터 제작되었다. 스트립의 한 면 상에 평균 두께 0.000254 cm 까지 팔라듐으로 전기 브러시 도금했다. 이어서 스트립을 내부 표면 상에 팔라듐 코팅으로써 3.048 m 길이의 파이프로 브레이크 형성, 스웨지(swedge) 및 용접했다. 다른 연소선은 "HAYNES 120" 합금의 표준 7.62 cm 파이프이었다. "MAXON" 버너를 사용하여 연소가스가 3.048 m 길이 연소 파이프로 가도록 공급하고, 공기 및/또는 다른 첨가물의 양을 변화시켜 버너 및 연소선 사이의 혼합 구획에서 "MAXON" 버너로부터 배출물과 함께 혼합한다. 연소선에서 균일한 온도를 유지하기 위해, 각각 자기의 조절기를 가진 3 개의 전기 가열기를 외부 및 연소선의 길이를 따라 두었다.Test the results of a 2.54 cm reactor when applying a distributed combustor using a 3.048 m long test combustor. A 2.54 cm outer diameter fuel gas line was provided within the 5.08 cm inner diameter combustion line. The fuel injection line provided a fuel conduit to the fuel injection port located near the inlet end of the combustion line. A 5.08 cm internal combustion wire was placed in the insulation pipe and a pair of thermocouples were placed along the fuel supply line. Two different combustion lines were used. One burner line was made from a "HAYNES 120" alloy strip. On one side of the strip was electroplated with palladium to an average thickness of 0.000254 cm. The strip was then braided, swaged and welded to the 3.048 m long pipe by palladium coating on the inner surface. The other burner line was a standard 7.62 cm pipe of "HAYNES 120" alloy. Using a " MAXON " burner, the combustion gases are fed into the 3.048 m long combustion pipe and mixed with the effluent from the " MAXON " burner in the mixing zone between the burner and the combustion line by varying the amount of air and / . In order to maintain a uniform temperature in the combustion line, three electric heaters, each with its own regulator, were placed along the length of the outer and combustion lines.

팔라듐 코팅된 연소선을 가진 가열기 및 팔라듐 코팅되지 않은 연소선을 가진 가열기로써 일련의 시험을 행했다. 15.5 ℃ 의 온도 및 대기압에서 측정시 약 0.635 m3/시간의 속도로 연료 가스를 연료 가스 주입구를 통해 주입하고, 동일한 조건에서 측정시 약 374 m3/시간의 속도로 버너 공기 및 제 2 공기를 포함하는 공기를 주입했다. 풍부한 연료 가스를 버너에 공급하여 연소선의 입구에 목적 온도를 제공했다. 연소된 주입 메탄의 백분율은 촉매화된 배열 (선 A) 및 비촉매화된 배열 (선 B) 에 대해 도 2 에서 연소선 입구 온도의 함수로서 나타난다. 도 2 로부터 운전할 수 있는 기구의 최저 온도가 약 260 ℃ 이고, 55 % 의 메탄을 팔라듐 코팅된 연소선으로써 산화한다는 것을 알 수 있다. 운전의 최저 온도는 260 ℃ 미만 정도일 수 있지만, 그 미만의 온도에서는 사용 가능한 장치를 운전할 수 없었다. 팔라듐 코팅 없는 연소선을 사용할 때, 약 704 ℃ 에서 메탄의 일부 산화가 일어나고, 메탄의 산화는 약 816 ℃ 의 온도에서 급속하게 일어난다. 871 ℃ 이상의 온도에서, 팔라듐 표면의 존재는 팔라듐 표면이 있거나 또는 없어도 메탄의 산화가 급속하고 완전히 일어나므로 영향이 없다.A series of tests were performed with a heater with a palladium coated combustion wire and a heater with a non-palladium coated combustion wire. The fuel gas is injected through the fuel gas inlet at a rate of about 0.635 m < 3 > / hour at a temperature of 15.5 DEG C and at atmospheric pressure, and the burner air and the second air at a rate of about 374 m < 3 & Containing air. A rich fuel gas was supplied to the burner to provide the desired temperature at the inlet of the combustion line. The percentage of combusted injected methane appears as a function of the combustion line inlet temperature in FIG. 2 for the catalyzed arrangement (line A) and the non-catalyzed arrangement (line B). It can be seen from FIG. 2 that the minimum temperature of the apparatus that can be operated is about 260 ° C and 55% of the methane is oxidized by the palladium coated combustion line. The minimum temperature of operation may be less than 260 占 폚, but the usable device could not be operated at a temperature lower than 260 占 폚. When using a combustion line without palladium coating, partial oxidation of methane occurs at about 704 ° C, and oxidation of methane occurs rapidly at a temperature of about 816 ° C. At temperatures above 871 ° C, the presence of the palladium surface is not affected by the rapid and complete oxidation of methane with or without palladium surfaces.

704 ℃ 미만에서 산화된 메탄의 온도 비의존성은 팔라듐 표면의 표면에서 경계층 내에 메탄이 급속히 산화되고, 키네틱스 (kinetics) 가 아닌, 상기 경계층으로 메탄의 이동이 메탄의 산화 정도를 나타내는 것이 입증되는 경향이 있다. 약 704 ℃ 이상의 온도에서, 열 산화가 우세하고, 상기 열 산화로 인해 온도 의존성이 있다.The temperature dependence of methane oxidized below 704 ° C tends to prove that methane is rapidly oxidized within the boundary layer at the surface of the palladium surface and that the migration of methane to the boundary layer, rather than kinetics, . At temperatures above about 704 DEG C, thermal oxidation predominates and is temperature dependent due to the thermal oxidation.

Claims (19)

연료 및 산화제 혼합물을 연소하기 위한 무염 연소기로서, 입구 및 연소 생성물 출구 (10) 와 소통하는 연소실 (14) ; 및 이 연소실 (14) 내의 촉매 표면 (20) 을 포함하는 무염 연소기에 있어서,An incombustible combustor for burning fuel and oxidizer mixture, comprising: a combustion chamber (14) in communication with an inlet and a combustion product outlet (10); And a catalyst surface (20) in the combustion chamber (14) 상기 연소기는 상기 입구와 소통하는 혼합된 연료 및 산화제 공급부 (22) 를 더 포함하고 ; 상기 촉매 표면 (20) 은, 연료 및 산화제 혼합물의 비촉매화된 자연발화 온도를 초과하지 않는 온도로 소정량의 연료를 산화시키는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.The combustor further comprises a mixed fuel and oxidant supply (22) in communication with the inlet; Wherein the catalyst surface (20) oxidizes a predetermined amount of fuel to a temperature that does not exceed the non-catalyzed spontaneous ignition temperature of the fuel and oxidizer mixture. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매 표면 (20) 이 귀금속, 준 귀금속, 전이 금속 산화물 및 그의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.The non-salt combustor according to claim 1, wherein the catalyst surface (20) comprises a component selected from the group consisting of noble metals, semiprecious metals, transition metal oxides and mixtures thereof. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매 표면 (20) 이 팔라듐을 포함하는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.The non-salt combustor of claim 1, wherein the catalyst surface (20) comprises palladium. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매 표면이 (20) 백금을 포함하는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.The non-salt combustor according to claim 1, wherein the catalyst surface comprises (20) platinum. 제 1 항에 있어서, 연료 및 산화제 혼합물과, 연소 생성물간의 열교환이 행해지는 예비가열 구획 (22) 을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.The flameless combustor according to claim 1, further comprising a preheating zone (22) in which heat exchange takes place between the fuel and the oxidant mixture and the combustion products. 제 1 항 내지 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소기가 연료 및 산화제 혼합물을 연소함으로써 지하 지질층을 가열하도록 설계되고 ; 상기 연소실 (14) 은 가열될 지질층 내의 시추정 내에 위치한 하나 이상의 연소 관 (4, 10) 으로 형성되고 ; 상기 연소기는, 시추정 내에 위치하여 연소 생성물을 표면에 흐르게 하는 연소가스 출구 (10) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.6. The method of any one of claims 1 to 5, wherein said combustor is designed to heat an underground geological layer by burning fuel and oxidant mixture; Wherein said combustion chamber (14) is formed by one or more combustion tubes (4, 10) located in a well body in a lipid layer to be heated; Wherein the combustor comprises a combustion gas outlet (10) located within the well and allowing combustion products to flow to the surface. 제 6 항에 있어서, 상기 촉매 표면 (20) 의 면적은 연소실 (14) 내의 온도가 본질적으로 일정해지도록 연소실 (14) 내에 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.7. An incombustible combustor according to claim 6, characterized in that the area of the catalyst surface (20) is distributed in the combustion chamber (14) such that the temperature in the combustion chamber (14) is essentially constant. 제 6 항에 있어서, 상기 연소실 (14) 이 시추정 내에 위치한 하나 이상의 관형 파이프 (4, 10) 로 형성되는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.7. An incombustible combustor according to claim 6, characterized in that the combustion chamber (14) is formed by at least one tubular pipe (4, 10) located in the well. 제 6 항에 있어서, 상기 연소가스 출구는 상기 연소 관 (4) 을 둘러싸는 환상 공간 (22) 인 것을 특징으로 하는 무염 연소기.7. The incombustible combustor according to claim 6, wherein the combustion gas outlet is an annular space (22) surrounding the combustion tube (4). 제 6 항에 있어서, 상기 연소가스 출구는 상기 연소실 (14) 내의 관 (10) 인것을 특징으로 하는 무염 연소기.7. An incombustible combustor according to claim 6, wherein the combustion gas outlet is a tube (10) in the combustion chamber (14). 제 6 항에 있어서, 상기 연소실 (14) 은 관 (10) 과 케이싱 (4) 사이의 환상 체적을 포함하는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.7. An incombustible combustor according to claim 6, characterized in that the combustion chamber (14) comprises an annular volume between the tube (10) and the casing (4). 제 11 항에 있어서, 상기 관 (10) 은 연소 생성물을 웰헤드에 되돌리기 위한 도관인 것을 특징으로 하는 무염 연소기.12. An incombustible combustor according to claim 11, wherein the tube (10) is a conduit for returning combustion products to the wellhead. 제 6 항에 있어서, 상기 관 (10) 은 연소실 (14) 의 다른 부분을 포함하는 도관인 것을 특징으로 하는 무염 연소기.7. An incombustible combustor according to claim 6, characterized in that said tube (10) is a conduit comprising another part of the combustion chamber (14). 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 표면 (20) 은 연소실 (14) 내의 관 (10) 의 내면, 외면, 또는 내면 및 외면의 적어도 일부를 덮는 촉매 코팅에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.6. A method according to any one of claims 1 to 5, wherein the catalyst surface (20) is provided by a catalyst coating covering the inner surface, the outer surface, or at least a portion of the inner and outer surfaces of the tube (10) Wherein the combustible combustor is a non-combustible combustor. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입구는 연소실 (14) 의 일단부에 위치하고, 상기 출구는 연소실의 타단부에 위치하는 것을 특징으로 하는 무염 연소기.6. An incombustible combustor according to any one of claims 1 to 5, 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. 무염 연소에 의한 지하 지질층의 가열 방법으로서, 가열될 지질층 (1) 내부의 시추정 (3) 내에 다운홀 연소실 (14)을 형성하는 연소 관 (10) 을 설치하는 단계와, 연료 및 산화제를 연소실 (14) 내의 촉매 표면 (20) 을 따라 흐르게 하는 단계를 포함하는 무염 연소에 의한 지하 지질층의 가열 방법에 있어서,A method for heating an underground lipid layer by non-saline combustion, comprising the steps of: providing a combustion tube (10) forming a downhole combustion chamber (14) in a drill hole (3) inside a lipid layer (1) to be heated; (20) in a furnace (14), the method comprising the steps of: 상기 연료 및 산화제 혼합물을 입구를 거쳐 상기 연소실 (14) 에 공급하는 단계를 더 포함하고 ; 상기 촉매 표면 (20) 은, 연소실 (14) 에서의 평균 온도가 연료 및 산화제 혼합물의 비촉매화된 자연발화 온도 미만으로 유지되는 속도로 소정량의 연료를 산화시키며 ; 연소 생성물을 시추정 (3) 내부의 연소 생성물 출구 도관 (10) 을 거쳐 표면에 흐르게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무염 연소에 의한 지하 지질층의 가열 방법.Further comprising feeding the fuel and oxidant mixture through the inlet to the combustion chamber (14); The catalyst surface 20 oxidizes a predetermined amount of fuel at a rate such that the average temperature in the combustion chamber 14 is maintained below the non-catalyzed spontaneous ignition temperature of the fuel and oxidant mixture; Further comprising the step of allowing the combustion product to flow to the surface through the combustion product outlet conduit (10) in the interior of the well (3). 제 16 항에 있어서, 상기 연소실 (14) 은 웰 케이싱 (4) 및 이 웰 케이싱 (4) 의 바닥 근처의 플러그 (23) 의 하부로 형성되고, 상기 촉매 표면 (20) 은, 웰 케이싱 (4) 내에 동축으로 현수되어 현수관 (10) 의 하단부와 플러그 (23) 사이에 축방향의 공간을 유지하고 있는 현수관 (10) 의 내면, 외면, 또는 내면 및 외면 상에 촉매 코팅에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 무염 연소에 의한 지하 지질층의 가열 방법.18. The apparatus according to claim 16, wherein the combustion chamber (14) is formed with a well casing (4) and a lower portion of a plug (23) near the bottom of the well casing (4) Provided on the inner surface, the outer surface, or the inner surface and the outer surface of the suspension pipe 10, which is coaxially suspended in the axial direction of the suspension pipe 10 and coaxially suspended in the axial direction of the suspension pipe 10 and maintains axial space between the lower end of the suspension pipe 10 and the plug 23 And heating the underground lipid layer by non-salt combustion. 제 17 항에 있어서, 상기 현수관 (10) 을 혼합된 연료 및 공기 입구 도관으로서 사용하고, 상기 현수관 (10) 과 웰 케이싱 (4) 사이의 환상 공간 (22) 을 연소 생성물의 출구 도관으로서 사용하거나, 또는 그 반대로도 사용하는 것을 특징으로 하는 무염 연소에 의한 지하 지질층의 가열 방법.The method according to claim 17, characterized in that the suspension pipe (10) is used as a mixed fuel and air inlet conduit and an annular space (22) between the suspension pipe (10) and the well casing Wherein the method further comprises the step of heating the underground lipid layer by non-salted combustion. 제 16 내지 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법이 저 침투성의 지하 함유혈암 지질층 (1) 을 가열하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 무염 연소에 의한 지하 지질층의 가열 방법.A method according to any one of claims 16 to 18, characterized in that the method is used for heating a hypo-permeable underground containing shale lipid layer (1).
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