NO20120441A1

NO20120441A1 - Systemer og fremgangsmater for oppkonsentrering av spillvannsfluider.

Info

Publication number: NO20120441A1
Application number: NO20120441A
Authority: NO
Inventors: Joshua Curlett; Samuel Curlett; Jesse Curlett; Harry Curlett
Original assignee: Horizon Oilfield Solutions Inc
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2012-04-16
Also published as: CN102741170A; US10441894B2; US20120247942A1; GB2485961A; GB2485961B; MX348223B; BR112012006080A2; GB201206424D0; CA2751895A1; US20170333807A1; WO2011032275A1; MX2012003231A; RU2573471C2; RU2012115489A; US9770671B2; WO2011032275A8; AU2010295206A1; CA2751895C

Abstract

Oppfinnelsen gjelder en fremgangsmåte og en apparatur for prosessering av spillvann som genereres under boreoperasjoner på oljefelt med en mobil prosesseringsenhet som benytter varmeenergi som har opprinnelse fra brenning av hydrokarbonbrensel direkte og/eller innfangning og benyttelse av eksosens varmeenergi som genereres ved å brenne hydrokarboner i motorer, så som dieselmotorer for å kunne fordampe en dominerende masse i vannfasen mens forbrenningsgassene fra varmekilden klares. Vanndampen som genereres i fordampningsprosessen vil kunne slippes direkte ut til atmosfæren, eller alternativt bli kondensert og fanget inn for å kunne brukes som drikkevann. Restvannet blir deretter oppkonsentrert og kostnaden ved å kvitte seg med vannet blir sterkt redusert.

Description

SYSTEMER OG FREMGANGSMÅTER FOR OPPKONSENTRERING AV

SPILL VANNSFLUIDER

OPPFINNELSENS OMRÅDE

Oppfinnelsen gjelder en fremgangsmåte og en apparatur for prosessering av spillvann som genereres ved boreoperasjoner på oljefelt, med en mobil prosesseirngsenhet som benytter varmeenergi som har opprinnelse fra brenning av hydrokarbonbrensel direkte, og/eller fangjng og benyttelse av eksosens varmeenergi som genereres ved å brenne hydrokarboner i motorer, så som dieselmotorer for å kunne fordampe en dominerende masse i vannfasen mens forbrenningsgassene fra varmekilden blir avklart. Vanndampen som genereres i fordampningsprosessen vil kunne slippes ut direkte til atmosfæren, eller alternativt bli kondensert og fanget inn for å kunne brukes som drikkevann. Restvannet blir deretter oppkonsentrert, og kostnaden ved å kvitte seg med vannet blir sterkt redusert.

OPPFINNELSENS BAKGRUNN

Det finnes mange eksempler hvor fordampning brukes til å redusere væskefasen i vannløsninger som inneholder forurensinger, med formål av å oppkonsentrere forurensingene som skal avhendes. Disse prosessene, som ofte blir referert til som termisk separasjon eller termiske oppkonsentreringssprosesser, begynner generelt med en væske og ender opp med en mer konsentrert men fortsatt pumpbart konsentrat, som vil kunne være gjenstand for ytterligere prosessering og/eller avhending. Innenfor konteksten av denne beskrivelsen blir spillvannsløsninger som inneholder forurensinger referert til som «råvann».

Krav til væskereduksjon, som dikteres av de fysiske karakteirstikkene for råvann, har i løpet av årene ført til utvikling av et stort spenn med forskjellige evaporatortyper. Etterspørsel etter energieffektivitet, minimale miljøpåvirkninger, lave kapitalkostnader og lave driftskostnader har drevet evaporatorutviklingen mot forskjellige typer av anleggskonfigurasjoner og utstyrskonstruksjoner. Ved konstruksjon av evaporatorsystemer må en rekke krav vurderes, som noen ganger er selvmotsigende, og som vil kunne bestemme valg av byggetype og -konfigurasjon. Prinsipper om drift og økonomiske krav som oppstår mellom forskjellige konstruksjoner vil kunne variere svært mye. Som bakgrunnsinformasjon vil de forskjellige konstruksjonsvurderingene kunne innbefatte: I Kapasitets- og driftsdata, innbefattet mengder, konsentrasjoner, temperaturer,

driftstimer per år, endring av produkt, regulering, automasjon og så videre.

I Produktkarakteristika, innbefattet varmesensitivitet, viskositet og strømningsegenskaper, skummingstendenser, begroing og utfellinger, kokeoppførsel og så videre.

I Påkrevde driftsmedier, så som damp, kjølevann, elektrisk kraft, rensemidler,

reservedeler og så videre.

I Kapital- og sikkerhetsstilte finanskostnader.

I Personalkostnader for drift og vedlikehold.

I Standarder og betingelser for produksjonsleveranse og -aksept og så videre.

I Materialvalg ved bygging og overflatefinish.

I Feltbetingelser, så som tilgjengelig plass, klima (for utendørs områder),

tilkoplinger for energi og produkt, serviceplattformer og så videre.

I Lovreguleringer som dekker sikkerhet, forebyggelse av ulykker, lydutslipp,

miljøkrav og annet, avhengig av det spesifikke prosjektet.

Basert på det ovenstående er applikasjoner og systemer for evaporativ oppkonsentrasjon av råvann diversifiserte, og krever konstruksjonsavgjørelser som er basert på å sette ut. For eksempel, for noen utsettinger er det særlig viktig at de mobile vannbehandlingsanleggene er pålitelige og likefrem i drift for anleggspersonalet.

En spesifikk applikasjon som vil dra fordel av å bruke en effektiv mobil evaporator er på-stedet-prosessering av råvann ved boreriggs-leasing, som genereres på og rundt en borerigg, og som produseres ved akkumulasjon av snø eller regn som skyller over utstyret, og/eller annet råvann som er produsert eller gjenvunnet.

Mange miljøbestemmelser gir forbud mot å slippe ut råvann direkte på de omgivende grunnområdene, fra boreleasingens overflateareal, på grunn av det forurensingsnivået som kan være i råvannet. For eksempel vil råvannet kunne være forurenset med olje, såpe, kjemikalier og suspendert partikulært materiale som har sin opprinnelse fra boreriggsoperasj onene.

På en borerigg må vanligvis råvann bli samlet opp i perifere groper som er bygget som en første linje av barrierer for miljøutslipp. I noen tilfeller kan råvannsvolumet ved riggoperasjoner bli så stort at det vil kunne hemme effektiv drift av boreriggen, siden råvannsvolumet da vil forstyrre drift og flytting av utstyr og personell på boreplassen. I slike tilfeller må råvannet samles opp og/eller fjernes for at boreriggsoperasjoner fortsatt skal kunne tillates.

Ofte, når det ikke finnes systemer som tillater prosessering på stedet, må råvannet samles opp fra gropene, lagres i oppholdstanker og til slutt kjøres avgårde til et fjerntliggende prosesseirngssenter for behandling og avhending. Det vil være kjent for fagfolk innen dette området, at oppsamling, lagring, transport, prosessering og avhending av råvannet på et fjerntliggende sted kan være svært kostbart, både uttrykt som faktiske håndterings- og prosesseringskostnader og som tapt tid ved boreriggen.

For å redusere væskevolumet i råvannet har det tidligere vært systemer med avkoking av vannfasen i råvannet med en mobil evaporator/kjel. Et slikt system er en dieseldrevet kjel som varmer opp råvannet i en tank for å koke råvann som på forhånd kan ha blitt klaret gjennom en rekke sedimenteirngstanker som er montert på et rammebasert fordampningssystem. Råvannet kokes da på stedet, for så å produsere en oppkonsentrert oppslemming, siden den vandige delen av råvannet kokes av, som sedimenterer i nærheten av bunnen på fordampningstanken, ved at tyngdekraften virker på et stadig tettere fluid. Dette bunnkonsentratet fjernes regelmessig fra fordampnings-/kj el systemet ved hjelp av forskjellige systemer, så som vakuumsuging.

Det finnes en del iboende problemer med eksisterende evaporatorsystemer, slik som listet opp og omtalt nedenfor. Disse problemene innbefatter: I Systemer som må driftes i en modus som omfatter en satsprosess. Disse systemene krever ny oppvarming av hele systemet siden enhver ny tilsats av råvann til bulk lagringstanker stopper fordampningsprosessen. I Ineffektiv bruk av varmeenergi på grunn av økende begrenset varmeoverføring fra varmekilden til råvannet, som vil kunne være forårsaket ved: o en oppbygging av partikulært materiale og avleiringer som legger seg på

forskjellige deler av systemet, så som på varmevekslere, og gir større varmetap ut fra systemets avgassrør; og/eller

o at det oppstår behov for termisk oppvarming av useparert suspendert partikulært materiale i råvannet etter hvert som densiteten øker.

I Unødvendig forbruk av drivstoff på grunn av en samlet systemineffektivitet. I

dette tilfellet ville muligens drivstofforbruket måtte ha blitt øket, for å kunne imøtekomme de prosesseringshastighetene som er satt opp som mål, og som ville ha ført til høyere kostnader for operatøren og større volum av forbrenningsavfall som blir sluppet ut til atmosfæren.

I Skumming og fråding av varme eller kokende løsninger over sidene på tanken og inn i det miljøet som er rundt, og som kan skje i den umiddelbare nærheten av personell. Slike problemer vil også kunne fordre anvendelse av antiskummingsmidler og tilsyn med systemet.

I Hyppig og tidkrevende rensing av systemet.

I Intensiv og/eller invaderende tilsyn på stedet, for å sikre at strømningsdynamikken for fordampningssystemet er innenfor visse smale parametere som forhindrer automatisk nedstengning og oppstart.

I Varmeelementskader fra overoppheting, på grunn av konsentratakkumulasjon i

en varmeveksler.

I Såper og oljer som er til stede i råvannet, som kan gi lagdannelser på overflaten som hindrer fordampningsprosessen.

En gjennomgang av tidligere teknikk avslører at evaporatorer for forurenset vann kan overføre varme til den forurensede vannmassen ved anvendelse av en rekke fremgangsmåter for å redusere volum og vekt av det oppkonsentrerte vannet, og for transport og endelig avhending.

For eksempel gir kanadisk patent 2,531,870 utgitt 2008/03/18 med tittel "Evaporator System" og kanadisk patent 2,554,471 utgitt 2008/09/16 med tittel "Self-Powered Settling and Evaporation Tank Apparatus" eksempler på tidligere gjeldende kommersiell teknikk for evaporatorer for vann i groper. Typisk, i tidligere teknikk, består disse systemene av satsprosesser, hvor en tank fylles opp med det forurensede vannet og en varmekilde brukes i nærheten av tankbunnen for å overføre varmen til den samlede massen av forurenset vann. Varmekilden vil kunne være et hvilket som helst antall av oppvarmingsmetoder, så som damp, varmere basert på elektrisk motstand og/eller varme gasser avledet fra forbrenningen eller varme væsker. I disse systemene må varmekilden høyne temperaturen tankens samlede forurensede vannmasse til et nivå før den kan begynne å koke av noe av vannet. Generelt må disse også varme opp vannmassen på nytt hver gang ytterligere vann tilsettes reservoaret, som således gir en betydelig langsommere samlet fordampningsprosess.

Over tid vil fordampning av det vannet i den tanken som har det tilsatte forurensede vannet øke konsentrasjonen av de bestanddelene som ikke har blitt fordampet. Mens disse systemene vil oppkonsentrere råvann, bør det noteres at konsentrasjonen av faste stoffer og andre forurensinger i det oppkonsentrerte vannet øker, og det blir øket sannsynlighet for at flere forurensinger fra evaporatoren fraktes vekk fra systemet med den fordampede vanndampen.

I evaporatorer som driftes ved høyere temperaturer er varmeelementet gjenstand for avleiringer, begroing og korrosjon på grunn av det høye temperaturdifferensialet som er nødvendig for å føre varmen fra kilden gjennom varmeelementet og inn i vannet, og på grunn av tilstedeværelse av kjemiske salter og andre forurensinger. Beleggdannelse på varmeelementet skaper en signifikant redusert virkningsgrad i løpet av svært kort tid, og krever hyppig og intensiv rensing. I tillegg, fra det øyeblikket varmeelementet får beleggdannelse (for eksempel med avleiringer), som er nesten med en gang ved oppstart av systemet, blir varme i økende grad forhindret i å bli ført gjennom elementet og inn i vannet, og kommer derfor til spille ut gjennom skorsteinen. Med evaporatorer av tidligere teknikk må det av og til brukes komplekse reguleringssystemer for over tid å kunne ta hensyn til denne fluktuasjonen i avgasstemperaturen.

I tillegg, når det overføres varme gjennom et varmeelement, vil varmeelementets overflateareal være en nøkkel for varmeoverføringshastighet og virkningsgrad. Når det kreves en høyere fordampningshastighet vil det typisk være nødvendig med et større overflateareal for varmeelementet. Av denne grunn er ikke disse systemene skalerbare på stedet. Dersom de skal skaleres, må de lages på nytt med andre fysiske parametere.

Videre fortsatt, i disse systemene vil den økende totale massekonsentrasjonen av faste stoffer også redusere virkningsgraden i evaporatoren, på grunn av den anvendte varmen som blir absorbert av eventuelle faste stoffer i tanken. Likeledes vil slike faste stoffer dessuten kunne ha en tendens til å danne en foring på tankens overflate, og dekke til varmeelementer, rør og andre komponenter i tanken, så som nivåsensorer og andre overvåkingsinstrumenter som vil kunne påvirke varmeoverføringen og den samlede driftsvirkningsgraden.

Videre fortsatt, et annet signifikant problem med systemene i tidligere teknikk er stratifisering av spillvannet, på grunn av eventuell såpe eller organisk materiale som vil kunne være tilstedeværende i spillvannet. Tilstedeværelse av et eller begge disse forurensingsmidlene vil ofte generere et overflateskum eller et lag på toppen av spillvannet, som forstyrrer fordampningsprosessen i vannmassen. For å motvirke dette problemet finnes det noen tidligere systemer som anvender en betydelig kompleksitet i en konstruksjon for å forhindre og/eller avdempe slike emner som gjelder effektene fra disse forurensingene i vannfordampningsprosessen. Videre kan såpe og/eller organiske materialer forårsake betydelig skumming og fråding, som ofte kan føre til at det flømmer over i varmetanken og at det oppstår søl på bakken, som igjen vil kunne kreve kostbare opprensingsoperasjoner, og/eller at operatøren da utsettes for en betydelig miljø- og sikkerhetsrisiko.

Enda et ytterligere problem med forskjellige evaporatorer er at partikulært materiale ikke fjernes fra råvannet, før overføring av råvannet inn i fordampningstanken, som dermed fører til et behov for regelmessig fjerning av akkumulerte faste stoffer og/eller, som notert ovenfor, en unødvendig oppvarming av partikulært materiale ved fordampning. Tanken er typisk forsynt med dreneringer for å kunne fjerne slam fra tanken; imidlertid må slammet ha et generelt høyt vanninnhold for å kunne gjøre at slammet strømmer gjennom dreneringen.

Enda ytterligere, slam som fortsatt legger seg på tanken og andre elementer krever en regelmessig rensing, vanligvis med damp eller vann. Slam og rensevann, som er et produkt fra renseprosessen, må også tas vekk, hvilket også øker totalkostnaden for drift av evaporatoren.

Eksempler på tidligere systemer innbefatter også de som er beskrevet i US Patent 7,722,739, US Patent 5,259,931, US Patent Publikasjon 2009/0294074, US Patent 5,770,019, US Patent 5,573,895, US Patent 7,513,972, US Patent 2,101,112, og US

Patent 6,200,428.

Som en følge av dette, og i lys av det foregående, har det vært et behov for termisk effektive, kontinuerlige prosesser for oppkonsentrering av forurenset spillvann, og som kan avdempe de forskjellige problemene som er knyttet til tidligere systemers teknikker.

I tillegg har det også vært et behov for et system som har en evne til å oppkonsentrere

spillvann ved å bruke den spillvarmen som genereres i normale boreriggsoperasjoner, for å kunne tilveiebringe ytterligere drifts- og effektivitetsfordeler i forhold til de systemene hvor det er påkrevet med en regulær drivstofftilførsel.

Videre fortsatt, det er også et behov for et system som er effektiv for fordampning av vann og samtidig fjerner forbrenningsrelatert sot, partikulære materialer og forbrenningskjemikalier fra varmekilden, dersom dette er anvendelig for den særskilte varmekilden. Med andre ord, til nå finnes intet insentiv for mobil behandling av avgasser ettersom det generelt ikke finnes noen regulering av utslipp fra dieselmotorer som kan rettferdiggjøre kostnaden ved å gjøre slikt. Som sådan, og inntil det kommer regler på dette, vil rensing av disse kollektivt store volumene med syregasser ikke skje. Mens det finnes klare miljømessige fordeler i å rense motorutslipp ved et brønnfelt vil dette skje innenfor det gjeldende regulerende rammeverket dersom teknologien for å rense utslipp er en del av et annet system. Følgelig, ved å la teknologien for rensing av utslippsgasser komme sammen med en annen anvendelse, så som fordampning av spillvann, vil det være et økonomisk insentiv for operatøren til å foreta dette miljømessig ansvarlige tiltaket.

Når det gjelder utslipp fra boreriggsoperasjoner, finnes det mer enn 2000 rigger som driftes i Nord Amerika, hvor hver enkelt i gjennomsnitt forbruker omtrent 3000 - 9000 liter per dag av dieselbrensel til bruk for forskjellig kraftgenererende maskineri. For eksempel, for et typisk sett med 500 kW motor-generatorer, vil hver 500 kW motor, som er i stand til å fordampe mer enn 10 kubikkmeter med vann per dag, tilføre omtrent 91 - 273 kubikkmeter per minutt av sure gasser miljøutslipp, som dermed forurenser miljøet og gir varmespill. Dette er tilsvarende et utslipp på 95 - 285 milliarder kubikkmeter årlig med urenset syregass fra alle nordamerikanske rigger.

Således har det også vært et behov for systemer som kan redusere mengden av eksosforurensinger som vil kunne slippes ut til atmosfæren, samtidig med at de totale volumene av forurenset spillvann som krever transport og/eller fjerning fra en borerigg reduseres.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

I samsvar med oppfinnelsen tilveiebringes det en fremgangsmåte og en apparatur for å oppkonsentrere spillvannsforurensinger. I forskjellige utførelsesformer tilveiebringer oppfinnelsen apparatur og/eller fremgangsmåter [for]: a) oppkonsentrering av spillvann og samtidig rensing av gasstrøm som benyttes til drift; b) benyttelse av spillvarmeenergi som genereres av nærliggende utstyr for å redusere nytt brenselforbruk ved oppkonsentrering av råvann; c) rensing av kilde(r) for varm gass som benyttes for å minimere utslipp av partikulært materiale, sot og forbrenningskjemikalier til atmosfæren; d) som krever minimal rensing på grunn av forhåndsfiltrering av det partikulære materialet fra råvannet; e) å gjøre mulig med direkte vekselvirkning mellom den varme gassen og råvannet, og som dermed minimerer avleiringer og varmetap; f) som har forbedret brenselsvirkningsgrad; g) som har skalérbarhet på stedet; h) som er i stand til å ha minimale oppstartstider;

i) som er i stand til å levere en rask betjening og rensing på stedet;

j) som er i stand til å driftes kontinuerlig for å minimere nedetid for driften;

k) som har mindre potensiale for en miljøfarlig hendelse

1) som er tryggere å drifte for personalet og/eller være i umiddelbar nærhet av; og m) som har en enklere oppbygging, og som derfor er mindre kostbart å bygge og drifte.

I samsvar med et første aspekt av oppfinnelsen er det tilveiebrakt en evaporator for oppkonsentrering av forurensinger som er til stede inne i råvannet, omfattende: en første tank for å ta imot og lagre råvann; en evaporator for råvann som innbefatter en isolert skorstein som inneholder et pakningsmateriale; og en varmekilde som er i operativ kommunikasjon med den isolerte skorsteinen, varmekilden for å tilveiebringe varm gass til den isolerte skorsteinen ved en lavere posisjon hvor den varme gassen stiger opp innenfor skorsteinen gjennom pakningsmaterialet; et fluidfordelingssystem for fordeling av råvann til et øvre område av skorsteinen hvor råvannet strømmer motstrøms i forhold til den varme gassen gjennom pakningsmaterialet; og et oppsamlingssystem for oppkonsentrert vann ved en nedre ende av den isolerte skorsteinen for å samle opp det oppkonsentrerte råvannet.

I ytterligere utførelsesformer er varmekilden et hydrokarbonbasert forbrenningssystem som er operativt koplet til den isolerte skorsteinen, og hvor den varme gassen er eksosgass fra et forbrenningssystem for hydrokarboner. I forskjellige utførelsesformer er varmekilden en flammebrenner.

I en annen utførelsesform er oppsamlingssystemet for oppkonsentrert vann i fluidkommunikasjon med den første tanken.

I en annen utførelsesform er fluid fra oppsamlingssystemet for oppkonsentrert vann i varmevekslingskontakt med fluid i fluidfordelingssystemet, for å forvarme fluid i fluidfordelingssystemet før det fordeles over pakningsmaterialet, ved benyttelse av en rør-i-rør varmeveksler eller en annen type varmeveksler.

I ytterligere utførelsesformer vil systemene for å generere overflateareal for råvannet kunne innbefatte strukturpakning, randomisert pakking, en kombinasjon av disse og/eller spray- eller atomiseringsdyse(r). Pakningsmaterialene vil kunne være i forskjellige lag, for eksempel hvor den randomiserte pakningen er under strukturpakningen inne i den isolerte skorsteinen.

I ytterligere utførelsesformer vil systemet også kunne innbefatte et separasjonssystem som er operativt koplet til den første tanken for å separere partikulært materiale og organisk materiale fra råvannet før levering til den første tanken. I en utførelsesform innbefatter separasjonssystemet en sikt som er operativt plassert over den første tanken, og en fordelingsmanifold over sikten hvor råvann fordeles over sikten ved fordelingsmanifolden og går gjennom sikten til den første tanken, der hoveddelen av det partikulære materialet ikke går gjennom sikten, og leveres til en andre tank.

I en annen utførelsesform blir systemkomponenter, så som hver enkelt av den første tanken, evaporatoren for råvann, fluidfordelingssystemet og oppsamlingssystemet for oppkonsentrert vann, operativt konfigurert for en hvilken som helst av eller en kombinasjon av en ramme eller en trailer for levering til en arbeidsplass. Rammen eller traileren vil også kunne ha en brenselstank for lagring av brensel for varmekilden og/eller separasjonssystemet.

I en annen utførelsesform av oppfinnelsen består varmekilden av eksos fra en tilgrensende motor, og evaporatoren innbefatter isolerte rør som har en første ende som er operativt koplet til en nedre ende av den isolerte skorsteinen og en andre ende for operativ kopling til den tilgrensende motoren.

I enda flere ytterligere utførelsesformer innbefatter varmekilden en avgassvarmekilde som strekker seg inn i den nedre posisjonen av den isolerte skorsteinen, og som ved inngangen til den isolerte skorsteinen har avgassvarmekilden et varmeavledningssystem for radiell avledning av direkte varme som kommer fra varmekilden. Varmeavledningssystemet vil også kunne være en stol som har en øvre plate og minst to hule ben som definerer avgassåpninger mellom den øvre platen og avgassvarmekilden, og hvor råvann tom treffer på den øvre platen kan strømme gjennom de minst to hule bena til oppsamlingssystemet for det oppkonsentrerte vannet.

I en annen utførelsesform vil systemet også kunne innbefatte en innvendig foring innenfor den isolerte skorsteinen hvor den innvendige foringen er dimensjonert for å samle opp og ta imot nedadstrømmende råvann for å tilveiebringe kjøling og isolasjon til den nedre posisjonen av den isolerte skorsteinen.

Systemet vil også kunne omfatte et reguleringssystem som innbefatter minst ett termoelement for å overvåke temperaturen innenfor den isolerte skorsteinen og minst en pumpe for å regulere strømmen av råvann til fluidfordelingssystemet.

I en annen utførelsesform omfatter systemet også et isolert kammer for gassekspansjon som er operativt koplet til det isolerte avgassrøret, hvor kammeret for gassekspansjon har dimensjoner som tillater fullstendig utvikling av en høyhastighetsflamme.

I en annen utførelsesform har den randomiserte pakningen et volum som er tilstrekkelig til dissipering av en varmgass-temperatur fra et område av 300 °C til 1500 °C til en varmgass-temperatur i et område av 50 °C til 1000 °C før den går inn i strukturpakningen.

I enda en utførelsesform omfatter evaporatoren et andre isolert avgassrør som tilpasses for konfigurasjon til en alternativ varmekilde.

I enda en utførelsesform, hvor systemet tilpasses for å konfigurere til en tilgrensende motor, har det isolerte avgassrøret og det isolerte gassrøret har et totalt mottrykk til den tilgrensende motoren, som gjør det mulig for den tilgrensende motoren å operere ved et mottrykk so er mindre enn 100 cm vannkolonne.

I en annen utførelsesform vil systemet fordampe vann og samtidig fjerne partikulært materiale, sot og forbrenningskjemikalier fra gasstrømmen.

I et annet aspekt tilveiebringer oppfinnelsen en fremgangsmåte for å fordampe råvann, omfattende trinnene av å: tilveiebringe varme i form av varme gasser til et avgassrør; fordele råvann innenfor avgassrøret med en teknikk som genererer overflateareal; som gjør at vannet kommer direkte i kontakt med de varme gassene; og samle opp konsentrert råvann fra avgassrøret.

I ytterligere utførelsesformer er råvannets kilde fra boreriggsoperasjoner og/eller rundt en boreriggsplass.

I en utførelsesform brukes pakningsmateriale til å generere overflateareal for råvannet innenfor avgassrøret.

I en rekke utførelsesformer strømmer råvannet motstrøms i forhold til strømmen av varme gasser i avgassrøret, medstrøms i forhold til strømmen av varme gasser i avgassrøret eller rettvinklet i forhold til strømmen av varme gasser i avgassrøret.

I en annen utførelsesform tilveiebringer oppfinnelsen det ytterligere trinnet av å forvarme råvannet ved å plassere det oppkonsentrerte råvannet i varmevekslingskontakt med råvannet før fordeling av råvannet til et øvre område av skorsteinen.

I en annen utførelsesform tilveiebringer oppfinnelsen det ytterligere trinnet av å regulere temperaturen innenfor avgassrøret for å minimere dannelse av avleiringer på pakningsmaterialet.

I en annen utførelsesform tilveiebringer oppfinnelsen det ytterligere trinnet av å regulere temperaturen innenfor avgassrøret for å minimere dannelse av korrosive kjemikalier innenfor pakningsmaterialet.

I et annet aspekt tilveiebringer oppfinnelsen en fremgangsmåte for å fjerne sot, partikulært materiale og/eller kjemikalier fra dieselmotorens eksos, som omfatter trinnene av å: gi dieselmotorens eksos til et avgassrør; fordele råvann innenfor avgassrøret med en teknikk som genererer et overflateareal; gjøre at råvannet kommer i direkte kontakt med dieselmotorens eksos; og, fra avgassrøret samle inn det oppkonsentrerte råvannet som inneholder forurensinger fra dieselmotorens eksos.

I enda et ytterligere aspekt tilveiebringer oppfinnelsen en fremgangsmåte for fordamping av råvann og samtidig fjerning av sot, partikulært materiale og/eller kjemikalier fra røykgassene og eller dieselmotorens eksos, som omfatter trinnene av å: tilveiebringe varme i form av varme gasser til et avgassrør; fordele råvannet innenfor avgassrøret med en teknikk som genererer et overflateareal; gjøre at råvannet kommer i direkte kontakt med de varme gassene; og, fra avgassrøret samle inn det oppkonsentrerte råvannet og hvor de varme gassene kan ha sin kilde fra varme gasser og/eller motoreksos.

Fremgangsmåte som i et hvilket som helst av krav 46 - 53, som videre omfatter trinnet av å forvarme råvannet ved å plassere det oppkonsentrerte råvannet i varmevekslingskontakt med råvannet før fordeling av råvannet til et øvre område av avgassrøret.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Oppfinnelsen er beskrevet med henvisning til følgende figurer, hvor:

Figur 1 er et høyrehånds isometrisk riss av et konsentratorsystem i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen; Figur 2 er et venstrehånds isometrisk riss av et konsentratorsystem i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen; Figur 3 er et høyrehånds isometrisk riss av en evaporatorsammenstilling i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen; Figur 4 er et tverrsnittsriss av en evaporatorskorstein av figur 3 i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen; Figur 4A er et tverrsnittsriss av en evaporatorskorstein av figurer 3 og 4 som viser ytterligere detaljer av evaporatorskorsteinen i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen; Figur 5 er et høyrehånds isometrisk riss av en alternativ evaporatorsammenstilling i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen; Figur 6 er et skjematisk tverrsnittsris av en utførelsesform av et konsentratorsystem som har en alternativ evaporatorsammenstilling; Figur 7 er et skjematisk tverrsnittsris av en utførelsesform av et konsentratorsystem som har to evaporatorsammenstillinger.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Med referanse til figurene blir nå forskjellig apparatur og fremgangsmåter for oppkonsentrering av råvann beskrevet.

Overblikk

Fig. 1 viser et system for oppkonsentrering av forurensinger (CGS - «contaminant concentrator system») 10 som er montert på en type ramme 20 som er for oljefelt.

Generelt innbefatter CGS'en et tanksystem 30 som innbefatter en første tank 60 og en andre tank 50, evaporatorskorstein 110, filtersystem 40, lagringssystem 80 for brensel, pumpe 70, brenner 90, varmeveksler 140 og ekspansjonskammer 100 for avgassen.

Filtersystemet 40 monteres på tanksystemet 30, og tar imot råvann fra en kilde, for å få en innledende separasjon av partikulært materiale hvor det partikulære materiale blir separert til en andre tank 50 og flytende råvann til en første tank 60. Pumpe 70 pumper råvannet fra tank 60 gjennom varmeveksleren 140 til det innvendige av den øvre seksjonen av evaporatorskorsteinen 110, hvor en fordampning finner sted slik som forklart i mer detalj nedenfor. Brenneren 90 tilveiebringer varme til evaporatorskorsteinen gjennom ekspansjonskammeret 100 for avgassen, og brenneren tar imot brensel fra lagringssystemet 80 for brenselet. Oppkonsentrert råvann blir fjernet fra evaporatorskorsteinen gjennom varmeveksleren og blir ført tilbake til den første tanken.

Som vist i Fig. 2, blir ytterligere detaljer om systemet forklart. Et innløpsrør 46 for råvannet koples til en innebygd kurvsil 47, som igjen er koplet til strømningsledning 48 og råvannsfordelingsledning 49 for fordeling av råvann til filtersystemet. Filtersystemet 40 innbefatter en kurvet metallfiltersikt 44 som holdes på plass med sidestøtte 42 (typisk på to steder) som festes til tanken 60. Andre tank 50 har en skråstilt bunn 52 og en dumpingsåpning 54 for utslipp, som tillater at partikulært materiale fjernes fra den andre tanken. Første tank 60 har også en dumpingsåpning 62 for å kunne tillate utslipp av innholdet fra den første tanken.

Basisstyring 130 med programmerbar logisk styring (PLS) er vist som konfigurert på siden av råvanntanken 60 og konfigureres til et termoelement 122 innenfor evaporatorskorsteinen og pumpen 70.

Evaporatorskorstein

Med referanse til figurer 3, 4 og 4a blir nå komponenter i evaporatorkretsen beskrevet. Som nevnt ovenfor, pumpe 70 koples til første tank 60 med en sugeledning 72 som trekker ut vann fra første tank som deretter pumpes gjennom utslippsledningen 74 gjennom varmeveksler 140 til et råvannsfordelingssystem 74, 76 i det øvre partiet av evaporatorskorsteinen. I en foretrukket utførelsesform innbefatter sugeledningen en fleksibel inntaksslange som er konfigurert til en flottør, og som trekker ut vann fra en dybde rett under væskeoverflaten inni den første tanken. Brenner 90 er koplet til det innvendige av ekspansjonskammerhuset 100 for forbrenningsgassen, som er koplet til det innvendige av evaporatorskorstein 110, slik som er vist i mer detalj i Fig. 4.

Figurer 4 og 4A illustrerer i tverrsnitt det innvendige av evaporatorskorsteinen i Fig. 3. Evaporatorskorsteinen monteres på de øvre flatene av brennersammenstillingen 100 rundt avgassrør 117 som projiserer i en kort avstand inn i evaporatorskorsteinen. Under drift støtter avgassrøret opp en oppsamlingsstol som er plassert over avgassrøret. Oppsamlingsstolen har en toppflate 115a, hule sideben 115b og en leppe 115c, som på en kollektiv måte definerer sideåpninger som gir anledning for eksosgasser fra brenneren å komme inn i evaporatorskorsteinen 110. Leppen 115c strekker seg oppover fra toppflaten for å kunne forhindre at råvann fra evaporatorskorsteinen kommer inn i ekspansjonskammeret 103.

Som vist i Fig. 4A, er det tilveiebrakt et innvendig pakningsstøtterør 116 på innsiden av den innvendige veggen 112 i en avstand som definerer et ringrom 119. Det innvendige pakningsstøtterøret 118 støtter opp pakningsmaterialet som er over oppsamlingsstolen og nedenfor råvannsfordelingssystemet. Som forklart i mer detalj nedenfor, innbefatter pakningsmaterialet fortrinnsvis et randomisert pakningsmateriale 114 og et strukturpakningsmateriale 113. Et utløp 120 for oppkonsentrert råvann tilveiebringes, og er i fluidkommunikasjon mellom det nedre rommet 123 og det utvendige av evaporatorskorsteinen.

Under drift blir det forvarmede råvannet fra varmeveksleren pumpet fra fluidfordelingssystemet 74, 76, hvor råvannet strømmer i en retning nedover gjennom det innvendige av evaporatorskorsteinen 110 over strukturpakningen 113 og den randomiserte pakningen 114, og motstrøms i forhold til oppstigende varm gass fra brenneren. Etter hvert som råvannet faller blir dette gjenstand for fordampning og det blir således en oppkonsentrering, og brennereksosen med vanndamp frigjøres til atmosfæren gjennom toppen av evaporatorskorsteinen. Etter å ha blitt ført gjennom pakningsmaterialet, vil råvannet falle til toppflaten 115a av oppsamlingsstolen 115, og nedover gjennom ben 115b hvor det strømmer videre fra evaporatorskorsteinen gjennom utløp 120.

I tillegg vil også det fallende råvannet strømme langs den innvendige veggen 112 og komme inn i og fylle opp ringrommet 119, hvor det er gjenstand for oppvarming og

forsiktig koking. På en gunstig måte vil det vannfylte ringrommet bidra til å isolere for varmetapet fra skorsteinen, samtidig med at det kjøler ned de innvendige flatene av det innvendige pakningsstøtterøret. Ettersom råvann kokes ut fra ringrommet 119, eller på en annen måte flømmer over ringrommet, vil ytterligere råvann strømme inn og således opprettholde en viss sirkulasjon innenfor dette rommet. Generelt bør dimensjonen på ringrommet sjekkes for å sikre at det ikke oppstår en eksplosiv koking innenfor det rommet.

Dreneringsrøret 120 er koplet til varmeveksler 140, hvor varmt oppkonsentrert råvann dreneres fra den nedre enden av det innvendige rommet 123 og inn i varmevekselerens innvendige rom 142 og til den første tanken 60.

Det bør også nevnes at andre konstruksjoner vil enten kunne ha i seg en rettvinklet eller en medstrøms strømning innenfor evaporatorskorsteinen for å kunne sette i gang fordampningen.

Brenner

Som vist i Fig. 4, er brenner 90 koplet gjennom strømningskoplingen 102 til det innvendige av gassekspansjonskammeret 100 med et gassekspansjonsareal 103. Gassekspansjonsarealet 103 er koplet til det indre rommet 123 gjennom avgassrør 117. Isolering 101 plasseres innenfor gassekspansjonskammeret 100 for å isolere gassekspansjonskammeret 100. Brenner 90 er en typisk tvungen luftbrenner (for eksempel en dieselbrenner) som trekker brensel ut fra tankene 80. Brensel og luft blandes sammen og atomiseres innenfor forbrenningskammeret for å kunne gi en høy varmedensitet og en flamme med høyhastighet.

Det er viktig, slik som vist i figurer 5 og 6, at varmekilden kan konfigures for andre varmekilder, innbefattet forskjellige typer, modeller og størrelser av tvungne luft/brensel brennere og/eller eksosen som genereres fra en alternativ varmekilde, så som en motor. Eksempler på alternative varmekilder på en borerigg innbefatter elektriske generatormotorer som driver forskjellig utstyr, så som slampumper. Innfangning av varmeeksos fra en motor kan fanges inn, og la strømme inn til systemet gjennom en isolert slange 150 som en enkeltstående varmekilde. Som vist i figurer 5 og 6, koples en isolert slange 150 til evaporatorskorsteinen 110 gjennom en isolert strømningsledning 152 ved kopling 151.

En ytterligere utførelsesform er vist i Fig. 7, hvor et dobbelt system tilveiebringes. I denne utførelsesformen innbefatter systemet to isolerte avgassrør 110, som hver for seg konfigureres for en annen varmekilde, og som således gir operatøren anledning til å velge det som er mest effektivt eller en kombinert varmekilde for en gitt installasjon. Dersom det skulle hende at det ikke finnes noen tilgrensende motorer, for å muliggjøre benyttelse av spillvarme fra den tilgrensende motoren, ville systemet kunne veksle over til dieselbrenner som varmekilde. Siden begge isolerte skorsteiner trekker vann ut fra den samme første tanken, kan ombyttingen fullføres raskt.

En effektiv dieselbrenner er en Beckett Model CF-1400 dieselbrenner som er i stand til å forsyne omtrent 900000 BTU/h, og som vil kunne føre til prosessering av omtrent 9 kubikkmeter råvann daglig. Med en optimalisert luftinnstilling på brenneren, det vil si omtrent 30 kubikkfot per minutt (CFM) inntak av luft per gallon/h av forbrukt diesel, vil det dannes en gasstemperatur på omtrent 800 °C som avkjøles til omtrent 75 °C når den går ut fra evaporatorskorsteinen 110 i form av eksos mettet med vanndamp.

Filtersystem 40

Som nevnt ovenfor blir råvannet først pumpet gjennom rørledning 46 og gjennom en innebygget kurvsil 47 for å fjerne store partikulære forurensinger som har en diameter som er større enn omtrent en kvart tomme.

Råvannet pumpes gjennom rørledning 48 fra den innebyggede kurvsilen 47 til en fordelingsmanifold 49, hvor råvannet slippes utjevnt over toppen av et siktfilter 44. Siktfilteret 44 er fortrinnsvis en kurvet v-wire sikt, som er konstruert for å fjerne suspendert partikulært materiale ned til omtrent 25 mikrometer. Andre typer filtreringssystemer som kan være i stedet for filteret av sikt-type 44, og som er kjent blant fagfolk på området, innbefatter men er ikke begrenset til filtersystem er så som elektrisk drevne selvrensende (selvspylende) filtre, filtre som kan fange partikulært materiale, hydrosykloner og partikkel separatorer av sentrifugetype. Siktfilteret 44 konstrueres for å kunne separere og lede det separerte partikulære materialet inn i andre tank 50 hvor avfall smaterialet lagres for jevnlig fjerning.

Andre tank

Andre tank 50 har en skråstilt bunn 52 som passivt leder avfallsmaterialet til dumpingsåpning 54, hvilket gjør renseprosessen rask og effektiv for operatøren.

Første tank

Råvann som går gjennom siktfilteret 44 strømmer inn i første tank 60. Den første tanken har tilstrekkelig volum, slik at den tjener både som en lagringstank og en som en sedimenteirngstank hvor, ved normale driftsmessige strømningshastigheter, råvannet i den første tanken vil sedimentere og stratifisere seg på grunn av fravær av betydelig fluidsirkulasjon som ellers ville ha blandet seg sammen tankens innhold. Driftsmessig vil dette forbedre virkningsgraden, ved at sedimentering av tettere væsker og partikler (inkludert saltutfellinger) vil minimere den varmemengden som brukes til å varme opp suspenderte partikler.

Vurderinger vedrørende drift og konstruksjon

Generelt, for hver 100000 BTU/h av varm gass, skulle et korrekt isolert system kunne fordampe omtrent 1 kubikkmeter vann daglig. Således, for en gitt inngang på 900000 BTU/h, skulle systemet kunne fordampe omtrent 9 kubikkmeter vann daglig. Siden det er kjent at et forbruk på 3,8 liter diesel genererer varme tilsvarende 140000 BTU/h, vil et system med 900000 BTU/h derfor ha omtrent 24,6 liter/time (LPH) i dieselforbruk. Dette tilsvarer omtrent $50 dieselforbruk per kubikkmeter fordampet vann som. Dette kan sammenlignes med koke-evaporatorer av tidligere teknikk, hvor kostnaden ved fordampning typisk er i området av $150 dieselforbruk per kubikkmeter fordampet vann på grunn av varmetap og ineffektivitet i systemet.

Tilsvarende, ville bruk av spillvarme fra en dieselmotor kunne gjort den samme fordampningen med en effektiv rate på $0 i ekstrakostnad for drivstoff per kubikkmeter fordampet vann. Som sådan er drivstoffbesparelsene særdeles attraktive for potensielle operatører, spesielt siden bruk av eksosvarme i systemet har ytterligere fordel av mindre miljøutslipp av sure gasser fra diesel eksos enn ellers, på grunn av scrubbingeffektene i evaporatorskorsteinen. Det vil si at systemet kan være svært effektivt for fjerning av partikulære materialer, sot og forbrenningskjemikalier fra gasser som er inne i evaporatorskorsteinen. Følgelig kan systemet driftes som en evaporator, som et rensesystem for eksosgass (som er effektivt med eller uten minimal fordampning), eller som en kombinasjon av begge deler.

Videre kan den særskilte typen av råvannsavløp, som har sin kilde fra boreoperasjoner, ytterligere forsterke systemets evne til å rense eksosgasser. For eksempel blir en kjel-nedblåsing, en kjemisk type forurenset spillvann som produseres ved boreriggsoperasjoner, vanligvis holdt ved en høy pH av riggpersonalet. Dette gjøres ved å tilsette kostbare alkaliske kjemikalietilsettinger i det vannet som brukes i riggens kjelsystem, slik at når alkalisk vann/damp sirkulerer gjennom boreutstyret blir avleiringseffektene minimert. Følgelig gir kjel-nedblåsing et svært forurenset vann, og på grunn av dets alkalinitet kan det være et svært effektivt avløp for nøytralisering av sure gasser eller motoreksos. Således, som et nøytraliseringsmiddel, kan denne alkaliske løsningen bidra til å forhindre at sure gasser unnslipper fra avgassrøret, og dette er derfor enda et eksempel på hvordan den foreliggende oppfinnelsen kan gjøre bruk av et lett tilgjengelig, dyrt og et typisk avfallsprodukt, uten ytterligere operatørkostnad siden denne kostnaden allerede har blitt betalt i andre boreriggsoperasjoner. Av denne grunn kan den kjemiske beskaffenheten for det råvannet som skal fordampes komme i en form som hjelper systemet i en andre eller en enkeltstående funksjon av å rense gassene som benyttes til å fordampe råvannet.

Videre, dersom det ønskede systemet kan driftes ved en høyere fyringshastighet, som fører til en raskere vannfordampning i en gitt tidsramme, ved ganske enkelt å øke trykket i drivstoffpumpen, kan man bytte ut dysen med en som har større kapasitet og/eller øke luftinntaksinnstillingen på brenneren. Hvilket vil være kjent for fagfolk på området, vil avleiringsevnen kunne være ønskelig når det er mye nedbør vil operatøren ofte ha behov for øke prosesshastigheten. Det er viktig at systemgjenstanden tillater en rask økning i prosesseringshastigheten ved ganske enkelt å øke strømningshastighet og brennertemperatur, uten at dette innebærer forsinkelser ved for eksempel å bygge på nytt på ved et annet sted, hvilket er typisk for tidligere teknikk.

Videre vil bruk av eksosvarme fra et motor-/generatorsystem, alene eller i kombinasjon med en tvungen luft drivstoffbrenner som typisk for eksempel spenner fra 500 kWh til 1000 kWh (1,5M - 3M BTU/h) for boreriggsbruk, tilveiebringe tilstrekkelig energi til daglig å kunne prosessere ytterligere 10 til 20 kubikkmeter råvann uten at det oppstår nye kostnader for operatøren, siden kostnaden for det drivstoffet som brennes opp allerede har blitt betalt for i andre operasjoner.

Det er viktig at bruk av spillvarme fra motoreksosen krever styring/overvåking av det mottrykket som utøves i motorenseksossystem. Under typisk drift er dette typisk 100 cm vannsøyle (WC). Systemgjenstanden konstrueres for å kunne operere med 1 - 2 cm WC på grunn av mangel på signifikant strømningsmotstand i en randomisert pakning, strukturpakning, eller en kombinasjon av begge deler og/eller en strømningsbane som har spray- eller atomiseringsdyse.

I fremgangsmåter for å generere store mengder råvann, vil overflatearealet kunne være viktig for å få en effektiv hastighet for den termiske masseoverføringen av varme fra den varme gassen og inn i råvannet for fordampningsformål. Mer spesifikt er randomisert pakning beregnet for mer enn 150 m<2>/m<3>med 75 - 98 % void foretrukket, og strukturpakning med 500 m<2>/m<3>med 98 % +/- void er foretrukket for bruk i en 500 kWh motor som har en eksosstrømningshastighet på omtrent 3200 - 3400 CFM og temperatur på 500 - 700 °C, eller en annen brenselsforbrenningsanordning, så som en dieselbrenner som produserer gasser på over 800 °C. Som et alternativ til å generere store mengder råvann med overflateareal og fordeling inne i avgassrøret, kan atomiseringsdyser eller spraydyser brukes alene eller i kombinasjon med pakningsmateriale.

På grunn av de høye temperaturene som er involvert bør også den sure beskaffenheten i gasstrømmen vurderes, for å unngå korrosjon, gropdannelser og svekkelser i de materialene som brukes i apparaturen. For eksempel, når svoveloksider i dieselgass-strømmen reagerer med råvann blir det dannet en fortynnet svovelsyre (væske), som igjen kan reagere med forskjellige kjemikalier i spillvannet. Som en følge av dette er en keramisk randomisert pakning det foretrukne valget for den varme gassens første kontakt i en matrise av overflateareal, på grunn av dens korrosjonsresistens og høye varmetoleranse. Ved å la den varme gassen først strømme gjennom den randomiserte pakningen blir gassen avkjølt før den kommer inn i strukturpakningen, som av denne grunn tar vare på levetiden for strukturpakningen ettersom strukturpakning generelt lages av tynnere legeringer. Et lag med 10 tomme av randomisert pakning er tilstrekkelig til å redusere gasstemperaturen fra omtrent 800 °C til 150 °C. For strukturpakninger er Hastelloy C22 foretrukket for sin resistens mot oksiderende korrosjonsmidler, stresskorrosjon, og termisk stabilitet ved temperaturer som spenner fra 650 °C til 1040 °C. Rustfritt stål kan også brukes, men vil da vanligvis ha behov for hyppige utskiftinger.

Oppbygging av avleiringer byr på et annet problem siden sot og partikulær materiale, pluss salter fra kjemiske reaksjoner, oppkonsentreres til et redusert vannvolum i kolonnen. Disse emnene som berører kjemikalier og varme kontrolleres ved å opprettholde en tilstrekkelig strøm av oppkonsentrert vann i retur til den første tanken. På grunn av at det oppkonsentrerte vannet strømmer gjennom en varmeveksler, blir varmen holdt tilbake i kolonnen. Dette er viktig for å forhindre og/eller kontrollere avleiringer siden vannets innmatingshastighet kan økes, og selv om forholdet av fordampning til innmatingsvann endrer seg, vil den samlede fordampningshastigheten i all vesentlighet forbli konstant. Som en følge av dette har systemet fordelen av å ha mer vann som strømmer som oppkonsentrert råvann og kan derfor brukes til å opprettholde en kaldere temperatur inne i kolonnen som gir begrenset oppbygging av avleiringer.

For ytterligere å minimere vedlikeholdskravet om regelmessig fjerning av avleiringer, tilveiebringer den foretrukne pakningskonfigurasjonen en randomisert pakning tilgrensende brenneren og en strukturpakning i det øvre partiet av evaporatorskorsteinen. Dette gir kostnadsfordeler, siden hoveddelen av avleiringene vil skje i de lavere områdene i evaporatorskorsteinen, og den randomiserte pakningen er generelt billigere å bytte ut enn strukturpakningen dersom avleiringen gjør det nødvendig med rensing og/eller utbytting. I en annen konfigurasjon kan også råvann, som sprøytes direkte inn fra dyser som er under pakningsmaterialet motstrøms og inn i gassrømmen, også bidra til å begrense avleiringer samtidig med at gassen avkjøles før den går inn i et pakningsmateriale.

Brenner 90 kan forsterkes med en ekstra vifte som tvinger ytterligere luft inn i brennersystemet for å tilveiebringe et overskudd av tørr luft, for derved sikre at eksosfluidet ikke blir fullstendig mettet.

Utslippshulrommet 102 og varmgassens ekspansjonskammer 103 dannes som et hulrom inne i et isolasjonsmateriale 101 som har høy densitet, og som holdes på plass av forbrenningens ekspansjonskammerhus 100. Isolasjonsmaterialet 101 som har høy densitet tilveiebringer tilstrekkelig isolasjon til å sikre at en maksimal mengde av den genererte varmeenergien holdes tilbake i forbrenningsprosessen innenfor den delen av varmgasskretsen. I en utførelsesform blir omtrent 9 lb/ft3 foldete keramisk-teppe ankerlås-isolasjonsmoduler benyttet, som vurderes til å ha mer enn 800 °C på den varme overflaten mens den kalde overflaten holdes på under 35 °C med en klassifisering av lav termisk ledningsevne. Dette sikrer at vannet i tanken er i nærheten av omgivelsestemperaturen og at varmen forblir i ekspansjonskammeret, varmeveksleren og fordampningssystemet.

En ytterligere fordel ved dette valget av isolasjonsmoduler er at foldete teppemoduler komprimeres mot hverandre ettersom de forankres til veggene i forbrenningskammeret, slik at gjentatt fyring i kammeret ikke vil krympe isolasjonen, hvilket gir anledning for varmen å trenge gjennom isolasjonen, hvilket er tilfelle ved anvendelse av tradisjonell keramisk isolerende fiberplate. Videre vil ikke denne typen keramisk teppemodul bli sprø, slik som er tilfelle ved anvendelse av tradisjonell keramisk isolerende fiberplate ved gjentatte fyringer. Dette er fordelaktig i et mobilt system som vil bli lastet av og på fra lastebiler, som blir kjørt over ikke-asfalterte veier og utsettes for ekstreme vibrasjoner, så som de mobile enhetene som leveres til fjerntliggende borefelt.

Råvannet trekkes inn i og gjennom sugeledning 72 fra råvannstanken 60 med pumpens 70 virkning. Selv om det finnes et stort spenn av pumper som vil kunne brukes, ville den foretrukne utførelsesformen være en vertikalt montert sentrifugalpumpe. Til forskjell fra andre pumper, siden det ikke finnes noen tetninger som fungerer som barrierer for strømmen, vil sentrifugalpumpen kunne tillate at vannet i systemets rør drenerer seg selv når pumpen er avstengt (forutsatt at ledningen som skal dreneres er over pumpen og at vannivået i lagringstanken 60 er under pumpen). Dette er spesielt gunstig når systemet driftes ved temperaturer på under null. I tillegg vil en selvdrenerende systemkonstruksjon redusere muligheten for at mateledninger fryser og sprekker opp når systemet ikke er i drift, som således forbedrer pålitelighet og andre driftskostnader. Alternative pumpestiler vil også kunne innbefatte positive fortrengningspumper og membranpumper med et tilhørende glykolreservoar for å fylle opp vannledningene ved nedstengjng av systemet.

Andre varmevekslere kan brukes istedenfor de foretrukne rør-i-rør, for eksempel en plate-varmeveksler. I den foretrukne utførelsesformen, siden tyngdekraften virker inn på det oppkonsentrerte vannet som kommer i retur til tanken, bør det ytre røret 141 være tilstrekkelig stort til å kunne tillate fullstendig fri flyt av utslippsvæske inn i tank 60. Således, med tilstrekkelig volum i rom 142, vil det oppkonsentrerte vannet fortrinnsvis kun strømme i bunnområdet av rom 142. Dette betyr at rør 74 bør plasseres i bunnen av rom 142 for å kunne legge til rette for overføring av varme i den oppkonsentrerte råvannsstrømmen gjennom overflateareal et i mateledningen 74 og inn i matevannet. Som eksempel, for et system som fordamper 9 kubikkmeter vann daglig, er en 12 meter varmeveksler tilstrekkelig, og for å spare plass blir den spiralviklet inntil stigerøret, men også for å fremme den nedadgående strømmen, spesielt dersom rammen ikke står på et plant underlag på arbeidsstedet. Denne fremgangsmåten tillater at det oppkonsentrerte råvannet (typisk omtrent 98 °C) gir fra seg den følte varmen til det innmatede råvannet. Det oppkonsentrerte vannet avkjøles dermed med noen få grader av matevannet før det slippes tilbake inn i den første tanken, og som således bevarer varmen inne i eller grensende til evaporatorskorsteinen.

Matepumpens pumpehastighet er avhengig av den ønskede fordampningshastigheten. Typisk settes systemet til å pumpe med en matehastighet som er omtrent 20 % eller mer over den ønskede fordampningshastigheten, slik som bestemt av BTU-inngangen for den valgte kilden av varm gass.

De varme gassene som radi elt fordeles rundt oppsamlingsstolen 115 strømmer først inn i og gjennom den randomiserte pakningen 114, hvor de varme gassene fordeles gjennom det volumetriske rommet som er gitt av den randomiserte pakningen 114, og som dermed kommer i kontakt med det råvannet som strømmer gjennom den randomiserte pakningen 114. De varme gassene er gjenstand for et første nivå av motstrøms varme overført til råvannet. Denne første vekselvirkningen mellom gassen og vannet i den randomiserte pakningen gir anledning for avleiringsdannelse, betydelig avkjøling av gassen, og kjemiske reaksjoner i det mindre dyre, termisk stabile (ved høye temperaturer) og korrosjonsresistente laget. Det er også i dette området at svovel oksidene i eksosgassene, samt sot og partikulært materiale i hovedsak fjernes fra gasstrømmen og tillates å strømme ut gjennom drenering 120 med det oppkonsentrerte forkastede vannet. Tillagt denne funksjonen i den varme gassens strømningsområde er det vannet som søler over 118 fra rom 118 direkte inn i ringrommet mellom oppsamlingsstolen 115 og veggen 119, og som gir ytterligere bidrag til gasskj ølingseffekten.

De varme gassene som går gjennom den randomiserte pakningen 114 går deretter inn i og gjennom strukturpakningen 113, hvor de varme gassene blir gjenstand for et andre nivå av motstrøms varmeoverføring til råvannet som strømmer vertikalt nedover gjennom strukturpakningen 113. Dette laget av strukturpakning, med et mye høyere forhold av overflateareal til volum, fullfører fordampningsprosessen som bringer blandingen av gass- og vanndamp til en temperatur på omtrent 75 °C idet den slippes ut inn i atmosfæren.

Som en følge av dette gir oppvarming av råvannet, ved å tvinge frem den direkte vekselvirkningen mellom varme forbrenningsgasser og råvann, anledning for en svært effektiv termisk masseoverføring. Andre materialtyper og konfigurasjoner kan brukes til å sette i verk vekselvirkningen mellom de varme forbrenningsgassene og råvannet med varierende nivåer av virkningsgrad, innbefattet men ikke begrenset til kaks fra maskinverksted, sopphatt-bobbleanlegg, spray- eller atomiseringsdyser, randomisert pakning og strukturpakning.

Forskjellige midler kan brukes til å fordele råvannet over toppen av strukturpakningen 113, så som spraydyser, atomiseringsdyser, gravitetsfordeler og en «T»-type fordeler. De systemene som minimerer trykktap og innfangning er foretrukket.

Dersom det er nødvendig med utslipp av tørr gass, kan det settes inn en dråpefanger (ikke vist) inne i evaporatorskorsteinen 110 for å fange medfølgende væskedråper og hindre at de fraktes inn i eksosgassen, som dermed ville gi lengre oppholdstid for at væskedråpene kan fordampe og bli ført inn i atmosfæren som ren damp.

Styring av systemet gjøres mulig med et minimum antall av styringspunkter. En enhet for programmerbar logisk styring (PLS) eller enkel logisk styring (ELS) gir det nødvendige systemet for å kunne måle inngangen for de spesifikke nivåer av eksosfluider som fortsetter fra det indre av evaporatorskorsteinen 110, for å sikre at oppstartsprosedyrer virker riktig. I den foretrukne utførelsesform en, tjener termoelementet kun til å gi et signal om nedstenging av systemet dersom enten pumpen eller brenneren stopper å virke, slik som vil bli følt ved signifikant økning eller reduksjon i temperatur ved drift. I en annen utførelsesform konstrueres termoelementet for å analysere informasjonen, og genererer et styringssignal for å justere råvannsvolum som mates inn i systemet, som igjen vil modulere eksostemperaturen (denne fremgangsmåten av å føle er kun nødvendig ved fravær av varmeveksler i systemet). Et enkelt termoelement 122 som plasseres inne i innmatsrommet dannet av den innvendige overflaten 112 på røret tilveiebringer driftstemperaturen inne i innmatsrommet som defineres av den innvendige veggen 112. PLS'en vil deretter justere hastigheten på pumpen 70 for å modulere volumet av råvann som mates inn i systemet. Ved å justere råvannets innmating som en funksjon av varmemengden som genereres ved et hvilket som helst tidspunkt, kan den optimale fordampningen finne sted. Overvåking og justering av temperaturer i det indre av evaporatorskorsteinen 110 brukes dermed for effektiv maksimering av råvannets fordampning. Termoelementet 122 føler temperaturen på fluiddampen i eksosgassene, og når temperaturen varierer fra omtrent 75 °C, vil en variabel frekvensregulering (VFD) som styres av PLS'en justere hastigheten på pumpen 70 for å kunne modulere drift av fordampningssystemet slik at det genereres temperaturer i fluideksosensom er innenfor det optimale området av det som ønskes som utgang. Generelt, straks parameterne er satt, vil ikke systemet kreve noen ytterligere tilsyn, og vil kunne driftes automatisk innenfor de forhåndsinnstilte områdene.

Selv om oppfinnelsen har blitt beskrevet og illustrert med hensyn til foretrukne utførelsesformer og foretrukne anvendelser av disse, er den likevel ikke begrenset på denne måten, siden det kan gjøres modifikasjoner og endringer som likevel er innenfor det fullstendige og tilsiktede omfanget av oppfinnelsen, slik som vil kunne forstås av fagfolk på området.

Claims

1. En evaporator for oppkonsentrering av forurensinger i råvann, omfattende: en første tank for å ta imot og lagre råvann; en evaporator for råvann, som innbefatter: et isolert avgassrør som er i operativ kommunikasjon med det isolerte avgassrøret, varmekilden for å tilveiebringe varm gass til det isolerte avgassrøret ved en lavere posisjon, hvor den varme gassen stiger opp innenfor avgassrøret gjennom pakningsmaterialet; et fluidfordelingssystem for fordeling av råvannet til et øvre område av avgassrøret, hvor råvannet strømmer motstrøms i forhold til den varme gassen gjennom pakningsmaterialet; og et oppsamlingssystem for oppkonsentrert vann ved en lavere ende av det isolerte avgassrøret for å samle opp oppkonsentrert råvann.

2. Evaporatoren ifølge krav 1, hvor varmekilden er et hydrokarbonbasert forbrenningssystem som er operativt koplet til det isolerte avgassrøret og hvor den varme gassen er eksosgass fra det hydrokarbonbaserte forbrenningssystemet.

3. Evaporatoren ifølge krav 2, hvor varmekilden er en flammebrenner.

4. Evaporatoren ifølge et hvilket som helst av krav 1-3, hvor oppsamlingssystemet for det oppkonsentrerte vannet er i fluidkommunikasjon med den første tanken.

5. Evaporatoren ifølge et hvilket som helst av krav 1-4, hvor fluid fra oppsamlingssystemet for det oppkonsentrerte vannet er i varmevekslingsskontakt med fluid i fluidfordelingssystemet for forvarming av fluid i fluid fordelingssystemet før fordeling over pakningsmaterialet.

6. Evaporatoren ifølge krav 5, hvor varmevekslingssystemet er en rør-i-rør varmeveksler.

7. Evaporatoren ifølge et hvilket som helst av krav 1-6, hvor pakningsmaterialet innbefatter strukturpakning.

8. Evaporatoren ifølge et hvilket som helst av krav 1-7, hvor pakningsmaterialet innbefatter randomisert pakning.

9. Evaporatoren ifølge et hvilket som helst av krav 1-8, hvor pakningsmaterialet er en kombinasjon av strukturpakning og randomisert pakning, og hvor den randomiserte pakningen er under strukturpakningen inne i det isolerte avgassrøret.

10. Evaporatoren ifølge et hvilket som helst av krav 1-9, videre omfattende et separasjonssystem som er operativt koplet til den første tanken for å separere partikulært og organisk materiale fra råvannet før det leveres til den første tanken.

11. Evaporatoren ifølge krav 10, hvor separasjonssystemet innbefatter en sikt som er operativt plassert over den første tanken og en fordelingsmanifold over sikten, hvor råvann fordeles over sikten av fordelingsmanifolden og går gjennom sikten til den første tanken og hvor det partikulære materialet ikke går gjennom sikten og leveres til en andre tank.

12. Evaporatoren ifølge et hvilket som helst av krav 1-11, hvor hver enkelt av den første tanken, evaporatoren for råvann, fluidfordelingssystemet og oppsamlingssystemet for oppkonsentrert vann blir operativt konfigurert til en hvilken som helst av eller en kombinasjon av en ramme eller trailer for levering til en arbeidsplass.

13. Evaporatoren ifølge krav 12, hvor rammen eller traileren innbefatter en brenselstank for lagring av brensel for varmekilden.

14. Evaporatoren ifølge et hvilket som helst av krav 12 -13, hvor rammen eller traileren videre innbefatter separasjonssystemet.

15. Evaporatoren ifølge et hvilket som helst av krav 1 -14, hvor varmekilden er en dieselbrenner.

16. Evaporatoren ifølge krav 1, hvor varmekilden er motoreksos fra en tilgrensende motor, og evaporatoren innbefatter isolerte rørledninger som har en første ende som er operativt koplet til en nedre ende av det isolerte avgassrøret og en andre ende for operativ til kopling til den tilgrensende motoren.

17. Evaporatoren ifølge krav 1-16, hvor varmekilden innbefatter et avgassrør for varmekilde som strekker seg inn i den nedre posisjonen av det isolerte avgassrøret, hvor avgassrøret for varmekilden har et varmeavbøyningssystem, for radiell avbøyning av direkte varme fra varmekilden ved inngangen til det isolerte avgassrøret.

18. Evaporatoren ifølge et hvilket som helst av krav 1-17, hvor varmeavbøyningssystemet er en stol som har en øvre plate og minst to hule ben som definerer avgassrørsåpninger mellom den øvre platen og avgassrøret for varmekilden, og hvor råvann som slår inn på den øvre platen kan strømme gjennom de minst to hule bena til oppsamlingssystemet for det oppkonsentrerte vannet.

19. Evaporatoren ifølge et hvilket som helst av krav 1-18, videre omfattende en innvendig foring innenfor det isolerte avgassrøret, hvor den innvendige foringen er dimensjonert for å definere et fluidreservoar mellom det isolerte avgassrøret og den innvendige foringen for å samle opp og ta imot nedadgående strømmende råvann for å tilveiebringe kjøling og isolasjon til den nedre posisjonen for det isolerte avgassrøret.

20. Evaporatoren ifølge et hvilket som helst av krav 1-19, videre omfattende et styringssystem, styringssystemet innbefatter minst et termoelement for å overvåke temperaturen innenfor det isolerte avgassrøret og minst en pumpe for å styre strømmen av råvann til fluidfordelingssystemet.

21. Evaporatoren ifølge et hvilket som helst av krav 1 - 20, hvor varmekilden er en flammebrenner og varmekilden innbefatter et isolert gassekspansjonskammer som er operativt koplet til det isolerte avgassrøret, det isolerte gassekspansjonskammeret har dimensjoner som tillater full utvikling av en høyhastighets flamme.

22. Evaporatoren ifølge krav 9-21, hvor den randomiserte pakningen har et volum som er tilstrekkelig for dissipering av en varm gass med temperatur i et område fra 300 °C til 1500 °C til en varm gass med temperatur i et område fra 50 °C til 1000 °C før den går inn i strukturpakningen.

23. Evaporatoren ifølge et hvilket som helst av krav 1 - 22, videre omfattende et andre isolert avgassrør som tilpasses for konfigurasjon til en alternativ varmekilde.

24. Evaporatoren ifølge krav 16, hvor det isolerte avgassrøret og den isolerte gassledningen har et totalt mottrykk til den tilgrensende motoren, som gjør det mulig for den tilgrensende motoren å operere ved et mottrykk på mindre enn 100 cm vannkolonne.

25. Evaporatoren ifølge krav 1-24 som samtidig fordamper vann og fjerner partikulært materiale, sot og forbrenningskjemikalier fra gasstrømmen.

26. En fremgangsmåte for å fordampe råvann, som omfatter trinnene av å: tilveiebringe varme i form av varme gasser til et avgassrør; fordele råvann inne i avgassrøret med en teknikk som genererer overflateareal; få råvannet til å komme i direkte kontakt med de varme gassene; og samle opp oppkonsentrert råvann fra avgassrøret.

27. Fremgangsmåte ifølge krav 26, hvor råvannet har sin kilde fra boreriggsoperasjoner og/eller rundt et boreriggsfelt.

28. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 26 - 27, hvor pakningsmaterialet brukes til å generere overflateareal for råvann inne i avgassrøret.

29. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 26 - 27, hvor en hvilken som helst kombinasjon av spraydyser og atomiseringsdyser brukes til å generere overflateareal for råvann inne i avgassrøret.

30. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 26 - 29, hvor råvann strømmer motstrøms i forhold til strømmen av varme gasser i avgassrøret.

31. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 26 - 29, hvor råvann strømmer medstrøms i forhold til strømmen av varme gasser i avgassrøret.

32. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 26 - 29, hvor råvann strømmer rettvinklet i forhold til strømmen av varme gasser i avgassrøret.

33. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 26 - 32, videre omfattende trinnet av å forvarme råvannet ved å plassere det oppkonsentrerte råvannet i varmevekslingskontakt med råvannet før fordeling av råvannet til det øvre området av avgassrøret.

34. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 28 - 33, videre omfattende trinnet av å regulere temperaturen inne i avgassrøret for å minimere dannelse av avleiringer i pakningsmaterialet.

35. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 28 - 34, videre omfattende trinnet av å regulere temperaturen inne i avgassrøret for å minimere dannelse av korrosive kjemikalier i pakningsmaterialet.

36. En fremgangsmåte for å fjerne sot, partikulært materiale og/eller kjemikalier fra eksosen fra en dieselmotor, omfattende trinnene av å: tilveiebringe eksos fra dieselmotor til et avgassrør; fordele råvann inne i avgassrøret med en teknikk som genererer overflateareal; få råvannet til å komme i direkte kontakt med eksosen fra dieselmotoren; og samle opp oppkonsentrert råvann, som inneholder eksosforurensinger fra dieselmotoren, fra avgassrøret.

37. Fremgangsmåte ifølge krav 36, hvor råvannet har sin kilde fra boreriggsoperasjoner og/eller rundt et boreriggsfelt.

38. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 36 - 37, hvor pakningsmaterialet brukes til å generere overflateareal for råvannet inne i avgassrøret.

39. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 36 - 38, hvor en hvilken som helst eller en kombinasjon av spraydyser og atomiseringsdyser brukes til å generere overflateareal for råvannet inne i avgassrøret.

40. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 36 - 39, hvor råvannet strømmer motstrøms i forhold til eksosstrømmen fra dieselmotoren i avgassrøret.

41. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 36 - 39, hvor råvannet strømmer medstrøms i forhold til eksosstrømmen fra dieselmotoren i avgassrøret.

42. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 36 - 39, hvor råvannet strømmer rettvinklet i forhold eksosstrømmen fra dieselmotoren i avgassrøret.

43. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 36 - 42, videre omfattende trinnet av å forvarme råvannet ved å plassere det oppkonsentrerte råvannet i varmevekslingskontakt med råvannet før fordeling av råvannet til det øvre området av avgassrøret.

44. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 38 - 43, videre omfattende trinnet av å regulere temperaturen inne i avgassrøret for å minimere dannelse av avleiringer i pakningsmaterialet.

45. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 38-44, videre omfattende trinnet av å regulere temperaturen inne i avgassrøret for å minimere dannelse av korrosive kjemikalier i pakningsmaterialet.

46. En fremgangsmåte for samtidig fordampning av råvann og fjerning av sot, partikulært materiale og/eller kjemikalier fra eksosen fra en dieselmotor, omfattende trinnene av å: tilveiebringe varme i form av varme gasser til et avgassrør; fordele råvann inne i avgassrøret med en teknikk som genererer overflateareal; får råvannet til å komme i direkte kontakt med de varme gassene; og samle opp oppkonsentrert råvann fra avgassrøret.

47. Fremgangsmåte ifølge krav 46, hvor råvannet har sin kilde fra boreriggsoperasjoner og/eller rundt et boreriggsfelt.

48. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 46 - 47, hvor de varme gassene har sin kilde fra avgasser og/eller motoreksos.

49. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 46 - 48, hvor pakningsmateriale brukes til å generere overflateareal for råvann inne i avgassrøret.

50. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 46 - 49, hvor en hvilken som helst eller en kombinasjon av spraydyser og atomiseringsdyser brukes til å generere et overflateareal for råvannet inne i avgassrøret.

51. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 46 - 50, hvor råvann strømmer motstrøms i forhold til strømmen av varme gasser i avgassrøret.

52. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 46 - 50, hvor råvann strømmer medstrøms i forhold til strømmen av varme gasser i avgassrøret.

53. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 46 - 50, hvor råvann strømmer rettvinklet i forhold til strømmen av varme gasser i avgassrøret.

54. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 46 - 53, videre omfattende trinnet av å forvarme råvannet ved å plassere det oppkonsentrerte råvannet i varmevekslingskontakt med råvannet før fordeling av råvannet til det øvre området av avgassrøret.

55. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 48 - 54, videre omfattende trinnet av å regulere temperaturen inne i avgassrøret for å minimere dannelse av avleiringer i pakningsmaterialet.

56. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 48 - 55, videre omfattende trinnet av å regulere temperaturen inne i avgassrøret for å minimere dannelse av korrosive kjemikalier i pakningsmaterialet.