專利名稱：無焰燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃燒設(shè)備和方法。
美國(guó)專利No.4,640,352和No.4,886,118提出了對(duì)低滲透性的含油地下巖層的傳導(dǎo)加熱來回收其中的油。低滲透性的巖層包括硅藻土、類脂煤、焦油砂和油頁巖。低滲透性巖層對(duì)油的增強(qiáng)性回收方法，如蒸汽、二氧化碳或火焰溢流等方法不敏感。溢流材料趨于優(yōu)先通過裂縫穿透具有低滲透性的巖層。注入的材料繞過了大部分巖層中的烴。相反，傳導(dǎo)加熱不需要流體遷移進(jìn)入巖層。所以巖層內(nèi)的油不會(huì)象在溢流法中那樣被繞過。在通過傳導(dǎo)加熱提高了巖層的溫度時(shí)，垂直的溫度分布將趨于比較均勻，因?yàn)閹r層一般具有較為均勻的熱傳導(dǎo)性和比熱。熱傳導(dǎo)法中烴的遷移是通過禁錮在巖層的巖石氣孔中的油和水的壓力驅(qū)動(dòng)、蒸發(fā)、和熱膨脹進(jìn)行的。烴通過熱應(yīng)力以及油和水的膨脹與蒸發(fā)產(chǎn)生的細(xì)小裂縫進(jìn)行遷移。
美國(guó)專利N0.3,113,623和No.3,181,613提出了用于加熱地下巖層的燃?xì)鉄釃娚淙紵鳌＿@些燃燒器利用多孔材料吸住火焰，然后把火焰擴(kuò)散到更長(zhǎng)的長(zhǎng)度上。通過提供吸住火焰的多孔介質(zhì)避免了火焰對(duì)爐壁的輻射加熱。但是對(duì)于在多孔介質(zhì)中進(jìn)行的燃燒，燃料氣或助燃空氣必須預(yù)先混合。如果預(yù)先混合的燃料氣和助燃空氣的溫度超過混合物的自燃溫度，它們就會(huì)在預(yù)先混合時(shí)發(fā)生反應(yīng)，而不是在多孔介質(zhì)中進(jìn)行反應(yīng)。用于這些發(fā)明的實(shí)施例中的巖層最高只能達(dá)到約15m厚，僅到覆蓋層之下約4.5m。所以，燃料氣和助燃空氣在到達(dá)燃燒器時(shí)溫度較低。如果要加熱的巖層更深，該燃燒器就不能起到預(yù)定的作用。
美國(guó)專利No.5,255,742提出了一種用于加熱地下巖層的無焰燃燒器，利用預(yù)熱的燃料氣和/或助燃空氣，其中，燃料氣以增量的形式與助燃空氣進(jìn)行混合，所說的增量應(yīng)該足夠小，從而避免了火焰的出現(xiàn)。幾乎可以消除NOx的產(chǎn)生，因?yàn)闃?gòu)造材料較為便宜，所以加熱器的成本大大降低。除非向燃料氣中加入CO2、H2、水蒸氣或其它焦炭抑制劑，否則，根據(jù)這個(gè)以前技術(shù)的說明進(jìn)行的燃料氣的預(yù)熱會(huì)導(dǎo)致焦炭的形成。此外，這種已知的加熱器的起始運(yùn)行是費(fèi)時(shí)的過程，因?yàn)樗仨氃诟哂谌剂蠚饣旌衔锏淖匀紲囟鹊臏囟认虏僮鳌Ｔ跍囟雀叩阶阋哉＿\(yùn)行之前，起始運(yùn)行需要長(zhǎng)時(shí)間的非常低流量的操作過程。
催化燃燒器也是已知的。例如，美國(guó)專利No.3,928,961提出了一種催化支持的熱燃燒設(shè)備，其中，通過在高于燃料的自燃溫度的溫度下進(jìn)行燃燒消除了NOx的形成，但是在低于這些溫度下燃燒會(huì)導(dǎo)致氮的氧化物的大量生成。
例如，在美國(guó)專利No.5,355,668和No.4,065,917中提出了用氧化反應(yīng)催化劑涂覆的金屬涂層表面。這些專利建議在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的部件上使用催化劑涂覆表面。所說的美國(guó)專利No.4,065,917建議使用催化劑涂覆表面用于渦輪機(jī)的起動(dòng)，并建議一個(gè)起動(dòng)操作中傳質(zhì)控制限制階段。
所以本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種無焰的燃燒方法和設(shè)備，可以容易地點(diǎn)火并達(dá)到運(yùn)行溫度。在本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明的目的是提供一種NOx的形成最少的燃燒方法和設(shè)備。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種熱效率高的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種無焰燃燒器，包括一個(gè)軸流式的燃燒室，一端與氧化劑進(jìn)口相連，另一端與燃燒產(chǎn)物出口相連；一個(gè)在所說的軸流式燃燒室之內(nèi)的燃料導(dǎo)管，該燃料導(dǎo)管確定了一個(gè)燃料空間，所說的燃料空間與燃料源相連，并通過沿著燃料導(dǎo)管的許多噴嘴與燃燒室相連，每個(gè)噴嘴間隔一定距離，其中，氧化劑可以通過燃燒室，并且在氧化劑從進(jìn)口端向著燃燒產(chǎn)物出口通過時(shí)，與通過噴嘴的燃料混合；一個(gè)位于軸流式燃燒室之內(nèi)的催化表面，所說的催化表面有效地降低燃料和氧化劑的混合物的自燃溫度，從未催化的自燃溫度降低到催化的自燃溫度。
優(yōu)選的是，所說的催化表面包括燃料導(dǎo)管的外表面和/或燃燒室的內(nèi)表面。同樣優(yōu)選的是所說的催化表面包括鈀，并且所說的燃燒器還包括一個(gè)電源，能夠有效地使燃料導(dǎo)管通過一定量的電流，電流量能夠有效地至少在一個(gè)噴嘴附近把燃料導(dǎo)管加熱到燃料通過該噴嘴時(shí)能夠點(diǎn)火的溫度以上。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面的一種無焰燃燒器，包括一個(gè)軸流式的燃燒室，一端與氧化劑進(jìn)口相連，另一端與燃燒產(chǎn)物出口相連；一個(gè)在所說的軸流式燃燒室之內(nèi)的燃料導(dǎo)管，該燃料導(dǎo)管確定了燃料空間，所說的燃料空間與燃料源相連，并通過沿著燃料導(dǎo)管的許多噴嘴與燃燒室相連，其中，所說的燃料導(dǎo)管由一種導(dǎo)電材料構(gòu)成；一個(gè)電源，能夠有效地使燃料導(dǎo)管通過一定量的電流，電流量能夠有效地至少在一個(gè)噴嘴附近把燃料導(dǎo)管加熱到燃料通過該噴嘴時(shí)會(huì)點(diǎn)火的溫度以上。
合適的是，所說的燃燒器位于一個(gè)地下的鉆井之內(nèi)，所說的燃料導(dǎo)管是一個(gè)從井蓋懸浮的一個(gè)管；在井蓋上通電；燃料導(dǎo)管在噴嘴附近比在噴嘴之上的厚度?。凰f的導(dǎo)管在至少一個(gè)噴嘴下面的一點(diǎn)接地。
本發(fā)明還涉及一種使無焰燃燒器點(diǎn)火的方法，該方法包括提供一個(gè)軸流式的燃燒室，一端與氧化劑進(jìn)口相連，另一端與燃燒產(chǎn)物出口相連；提供一個(gè)在所說的軸流式燃燒室之內(nèi)的燃料導(dǎo)管，該燃料導(dǎo)管確定了燃料空間，所說的燃料空間與燃料源相連，并通過沿著燃料導(dǎo)管的許多噴嘴與燃燒室相連；向所說的燃燒室通入選自由氮的氧化物和過量的氧氣組成的組中的氧化劑；向所說的燃料空間內(nèi)通入一個(gè)燃料流；向所說的燃燒室內(nèi)連續(xù)通入氧化劑，并向所說的燃料導(dǎo)管內(nèi)連續(xù)通入燃料，直至燃燒室內(nèi)的溫度超過所說的燃料在空氣中的點(diǎn)火溫度；在燃燒室內(nèi)的溫度超過所說的燃料在空氣中的點(diǎn)火溫度之后，用空氣取代所說的氧化劑；合適的是，根據(jù)本發(fā)明的方法還包括使燃料導(dǎo)管通過一定量的電流的步驟，通過的電流量應(yīng)該足以使至少一個(gè)噴嘴附近的導(dǎo)管部分加熱到至少260℃。
優(yōu)選的是，根據(jù)本發(fā)明的方法還包括提供一個(gè)位于軸流式燃燒室之內(nèi)的催化表面的步驟，所說的催化表面有效地降低催化表面附近的燃料和氧化劑的反應(yīng)溫度。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的起動(dòng)階段中使用的合適的燃料是氫氣以及氫氣和一氧化碳混合物，這些燃料的點(diǎn)火溫度低。
本發(fā)明的無焰燃燒方法和燃燒器使氮的氧化物的產(chǎn)生量最少，所以不需要其它除去或防止氮的氧化物形成的措施。
現(xiàn)在參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中

圖1表示一個(gè)適用于本發(fā)明的燃燒器。
圖2是表面本發(fā)明的實(shí)用性燃燒器消耗的燃料量與溫度之間的關(guān)系圖。
美國(guó)專利No.5,255,742中提出了一種可以利用的根據(jù)本發(fā)明改進(jìn)的無焰燃燒器，該專利提出的內(nèi)容在本文中引作參考。本發(fā)明的改進(jìn)包括三個(gè)與這樣的燃燒器的起始階段有關(guān)的改進(jìn)。這三個(gè)改進(jìn)可以單獨(dú)使用，但是優(yōu)選的是至少兩個(gè)改進(jìn)結(jié)合使用。本發(fā)明的三個(gè)改進(jìn)包括用燃料氣導(dǎo)管作為電阻加熱器為起始階段提供加熱；用燃燒室內(nèi)的催化表面降低燃料發(fā)生氧化反應(yīng)的溫度；用氧化劑而不是空氣，或與空氣一起降低起始階段的自燃溫度。
本發(fā)明的無焰燃燒器的一個(gè)重要特征是沿著燃燒室的軸向排出熱量，從而使得溫度明顯低于絕熱燃燒溫度。這幾乎可以消除NOx的形成，同時(shí)達(dá)到降低冶金上的要求，從而得到了較便宜的燃燒器。
一般來說，通過充分地預(yù)熱助燃空氣和燃料氣，使得兩個(gè)氣流混合時(shí)，混合物的溫度超過混合物的自燃溫度，但是低于在混合時(shí)氧化反應(yīng)受到混合速度限制時(shí)的溫度，可以完成無焰燃燒。把所說的氣流預(yù)熱到約815℃～1260℃之間的溫度，然后把燃料氣以較小的增量混入到助燃空氣中可以導(dǎo)致無焰燃燒。燃料氣與助燃空氣流混合的增量?jī)?yōu)選的是導(dǎo)致助燃空氣流由于燃料燃燒產(chǎn)生約10～110℃的溫度升高。
參見圖1，表示了一個(gè)能進(jìn)行本發(fā)明的熱噴射井和燃燒器。要加熱的巖層1在覆蓋層2之下。一個(gè)鉆井通過覆蓋層到達(dá)要加熱的巖層中或靠近底部的位置。表示了一個(gè)垂直的井，但是所說的鉆井也可以是傾斜的或水平的。在水平斷裂的巖層中可以提供水平的熱噴射井來通過平行驅(qū)動(dòng)法回收烴。淺油頁巖巖層是這樣的巖層的實(shí)例。水平加熱器也可以有效地用于薄礦床來限制向覆蓋層和基體巖石的熱損失。在圖1所示的實(shí)施方案中，所說的鉆井用井壁4防護(hù)。所說的鉆井的較低部分可以用水泥7膠結(jié)，它具有適合于耐較高溫度和導(dǎo)熱的特性。作為良好的隔熱材料8的水泥，優(yōu)選的是用于鉆井的上部以防止系統(tǒng)的熱損失。一個(gè)氧化劑導(dǎo)管10從井蓋(未表示)伸入到鉆井的下部。燃料導(dǎo)管12也從井蓋伸入到鉆井的底部。所說的燃料導(dǎo)管確定了一個(gè)燃料導(dǎo)管內(nèi)部的燃料空間。所說的燃料空間與燃料源相連，并通過許多噴嘴與燃料導(dǎo)管周圍的燃燒室相連。
適合于膠結(jié)鉆井的高溫部分的井壁和導(dǎo)管的高溫水泥是可以得到的。在美國(guó)專利No.3,507,332和N0.3,180,748中提出了一些實(shí)例。優(yōu)選的是以水泥砂漿中的固體為基準(zhǔn)，氧化鋁的含量高于50wt％。
在淺巖層中，直接把加熱器錘擊進(jìn)入巖層中可能是優(yōu)選的。當(dāng)把加熱器直接錘擊進(jìn)入巖層中時(shí)，不需要加熱器在巖層中的膠結(jié)，但是加熱器的上部可以膠結(jié)以防止到表面的流體損失。
圖1的實(shí)施方案中的井壁4的直徑選擇是在井壁的費(fèi)用與熱量向巖層傳遞速率之間的折衷選擇。由于所需的冶金方面的要求，所說的井壁一般是噴射井中最貴的部件?？梢韵驇r層傳遞的熱量隨井壁的直徑增加顯著增大。內(nèi)徑為約10～20cm之間的井壁一般會(huì)提供在初始費(fèi)用和熱傳遞之間的最佳折衷。
燃料氣導(dǎo)管沿著導(dǎo)管的長(zhǎng)度方向在待加熱的巖石內(nèi)部含有許多噴嘴13(表示了8個(gè))。噴嘴之間間隔一定的距離，該距離應(yīng)該足以使氧化劑和噴嘴之間的燃料明顯反應(yīng)，并沿著噴嘴之間的燃燒室的長(zhǎng)度方向從加熱器中排出熱量。噴嘴13提供在由燃料導(dǎo)管12確定的空間和軸流式燃燒室之間的連接。對(duì)該噴嘴提供了在待加熱的巖層內(nèi)部的熱釋放的分布。燃料分段向氧化劑/燃燒產(chǎn)物氣流中釋放導(dǎo)致了熱量的分階段產(chǎn)生，以及圖1的實(shí)施方案中的鉆井的均勻熱傳遞，在鉆井內(nèi)部的溫度遠(yuǎn)低于絕熱燃燒溫度。避免了溫度過高，明顯降低了冶金方面的要求，因此降低了設(shè)備的成本。此外，遠(yuǎn)低于絕熱燃燒溫度的溫度避免了NOx的產(chǎn)生。
確定噴嘴的尺寸以便得到井壁內(nèi)接近均勻的溫度分布。井壁內(nèi)接近均勻的溫度分布曲線在待加熱的巖層內(nèi)產(chǎn)生更均勻的熱量分布。在巖層內(nèi)的接近均勻的熱量分布在傳導(dǎo)加熱的烴回收法中得到更有效的熱量利用。更均勻的溫度分布對(duì)于相同的熱量釋放還會(huì)導(dǎo)致較低的最高溫度。因?yàn)槿紵骱豌@井系統(tǒng)的構(gòu)造材料限定了最高溫度，均勻的溫度分布對(duì)于相同的構(gòu)造材料會(huì)增大可能的熱量釋放。噴嘴的數(shù)量?jī)H受所使用的噴嘴的尺寸限制。如果使用更多的噴嘴，它們一般必須具有較小的尺寸。較小的噴嘴比較大的噴嘴更容易堵塞。噴嘴的數(shù)量是在溫度均勻性與堵塞的可能性之間的折衷選擇。
噴嘴的數(shù)量、尺寸和空隙與燃燒室的熱量排出一起優(yōu)選的是使得燃燒器內(nèi)的最高溫度低于1100℃。這使得市售材料具有更長(zhǎng)的使用壽命。
在本發(fā)明的燃燒器的運(yùn)行中重要的是熱量從燃料噴嘴之間的燃燒室排出。在本發(fā)明在鉆井熱噴射器中的應(yīng)用中，熱量傳遞到鉆井周圍的巖層中。本發(fā)明的加熱器也可以用于其它用途中，例如蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和化學(xué)工業(yè)或精煉過程的加熱器中。
另外，通過在助燃空氣導(dǎo)管中而不是在燃料導(dǎo)管中提供噴嘴，可以把空氣和/或另一種氧化劑分階段加入到燃料中。
輸送到鉆井底部的燃料和氧化劑在導(dǎo)管14周圍的鉆井空間內(nèi)混合并反應(yīng)，形成燃燒產(chǎn)物。這個(gè)空間是本發(fā)明的軸流式燃燒室。燃燒產(chǎn)物向鉆井上部移動(dòng)，并在井蓋處的廢氣出口排出?？梢蕴幚砣紵a(chǎn)物除去污染物，并且通過膨脹渦輪機(jī)或熱交換器從燃燒產(chǎn)物中回收能量也是希望的。
當(dāng)燃燒產(chǎn)物在鉆井中升高到待加熱的巖層之上時(shí)，在氧化劑和沿著導(dǎo)管向下流動(dòng)的燃料與燃燒產(chǎn)物之間進(jìn)行了熱交換。這種熱交換不僅節(jié)約了能量，而且產(chǎn)生了本發(fā)明希望的無焰燃燒。燃料和氧化劑在其沿著各自的導(dǎo)管向下流動(dòng)時(shí)被充分預(yù)熱使得在最終混合點(diǎn)處兩種氣流的混合物的溫度高于其自燃溫度。產(chǎn)生了無焰燃燒，避免了作為輻射加熱源的火焰。因此，熱量以基本均勻的方式從鉆井中傳遞出來。
電線15可以與一個(gè)接頭16或其它方式在電絕緣的下面連接到靠近井蓋的燃料管線12上，為燃燒器的起始加熱和起動(dòng)提供電能。在靠近鉆井的底部在燃料導(dǎo)管17的周圍和氧化劑導(dǎo)管18的周圍可以用一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電定中心裝置提供電接地。在燃料導(dǎo)管上在電接地定中心裝置之上的定中心裝置是電絕緣定中心裝置。優(yōu)選的是在噴嘴附近燃料導(dǎo)管的壁厚減小使得對(duì)燃料氣導(dǎo)管施加的電能在噴嘴的上方產(chǎn)生可以忽略的電阻加熱，而在噴嘴的下方產(chǎn)生顯著的電阻加熱。優(yōu)選的是提供足夠的熱量，使得從噴嘴排出到流動(dòng)的氧化劑(或空氣)流中的燃料在與所說的氧化劑混合時(shí)，其溫度為燃料-氧化劑混合物的自燃溫度或高于該溫度。最優(yōu)選的是，在這些起動(dòng)條件下，燃料和氧化劑的混合物的溫度高于所說的混合物的自燃溫度。這樣，當(dāng)燃料通過噴嘴并在噴嘴之間的氧化劑混合后，燃料將會(huì)點(diǎn)火。
優(yōu)選的是通過在噴嘴附近提供催化表面19降低燃料一氧化劑的自燃溫度。優(yōu)選的是在氧化劑導(dǎo)管10的內(nèi)表面提供這個(gè)催化表面。此外，可以為燃料導(dǎo)管提供這樣的表面，或者在氧化劑導(dǎo)管內(nèi)單獨(dú)放置一個(gè)管或含有催化劑的表面。也可以提供其它的催化表面，例如，在氧化劑導(dǎo)管的外面的燃燒產(chǎn)物環(huán)狀空間內(nèi)。這種附加的催化表面可以保證在鉆井內(nèi)部產(chǎn)生完全燃燒。所說的催化表面還可以明顯地增大溫度范圍，在該溫度范圍內(nèi)，所說的燃燒器可以通過降低燃料發(fā)生氧化的溫度進(jìn)行運(yùn)行。
本發(fā)明的無焰燃燒器的起動(dòng)可以通過在起動(dòng)階段提供過量的氧化劑，和/或使用具有低點(diǎn)火溫度的燃料(如氫氣)進(jìn)一步增強(qiáng)。優(yōu)選的氧化劑包括過量的氧氣和氮的氧化物。可以與天然氣一起提供氫氣，也可以把氫氣作為替換氣體與存在的一氧化碳和/或存在的二氧化碳一起提供。二氧化碳的存在不是優(yōu)選的，但是是可以容忍的，一些二氧化碳的去除在經(jīng)濟(jì)上可能是不可行的。
可以接受的催化劑材料包括貴金屬、半貴金屬和過渡金屬氧化物。一般來說，已知的氧化催化劑可以用于本發(fā)明。也可以使用這樣的金屬或金屬氧化物。
起動(dòng)的氧化劑和/或燃料優(yōu)選的是僅使用到把燃燒器加熱到足以用甲烷(天然氣)作燃料，用空氣作氧化劑就可以運(yùn)行的溫度(即，把燃燒器加熱到甲烷在空氣中的點(diǎn)火溫度以上)。
為了獲得無焰燃燒而對(duì)甲烷等燃料氣進(jìn)行的預(yù)熱可能導(dǎo)致在燃料導(dǎo)管內(nèi)大量產(chǎn)生碳，除非在燃料氣流中含有碳形成抑制劑。碳形成抑制劑可以是二氧化碳、水蒸氣、氫氣或其混合物。由于氫氣的成本一般較高，二氧化碳和水蒸氣是優(yōu)選的。
當(dāng)氧化劑氣流和燃料之間的反應(yīng)不受混合過程限制并且混合氣流的溫度高于混合氣流的自燃溫度時(shí)，一般發(fā)生無焰燃燒。通過在混合點(diǎn)避免高溫并向含有氧化劑的氣流中混入較小增量的燃料可以做到這一點(diǎn)。通過未燃燒的燃料和燃燒產(chǎn)物之間的明亮界面可以證實(shí)火焰的存在。為了避免火焰的產(chǎn)生，優(yōu)選的是在混合前把燃料和氧化劑加熱到約815℃和約1260℃之間的某一溫度。優(yōu)選的是把所說的燃料以較小的增量與氧化劑氣流混合以促進(jìn)更快的混合。例如，可以以一定的增量加入足夠的燃料，該增量能使燃燒把所說的氣流的溫度提高約28℃-56℃。
使用燃料導(dǎo)管作為電阻加熱器為本發(fā)明的無焰燃燒器的起動(dòng)提高起始的熱量是一個(gè)有意義的改進(jìn)，因?yàn)闊o論如何燃料導(dǎo)管都是存在的，一般是用導(dǎo)電材料制成的，并且一般較厚，可以期望它是一個(gè)可靠的加熱器?？梢宰兓剂蠈?dǎo)管的厚度使得在燃料導(dǎo)管的長(zhǎng)度上的預(yù)定位置上產(chǎn)生熱量的釋放。例如，在井式熱噴射器應(yīng)用中，為了在燃料的最高濃度處點(diǎn)燃所說的混合氣流，并且在廢氣通過鉆井向上排出之前使燃料燃燒，可以希望對(duì)鉆井的最低部分進(jìn)行電加熱?？梢栽诰w上把電能與燃料導(dǎo)管相連，燃料導(dǎo)管用絕緣支架支撐，并用絕緣定中心裝置保持在空氣供應(yīng)導(dǎo)管之內(nèi)的中心。然后在用作加熱器的部分之下把燃料導(dǎo)管接地。
鈀或鉑等催化金屬可以涂敷(優(yōu)選的是通過刷式電鍍法)在燃燒室內(nèi)的表面上，以增強(qiáng)低溫下燃料的氧化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這樣的催化表面在溫度低至260℃時(shí)能非常有效地促進(jìn)甲烷在空氣中的氧化反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)在催化劑表面快速發(fā)生，一般來說，靠近催化表面的邊界層內(nèi)的氣體能夠快速完全反應(yīng)。在燃燒室內(nèi)有一個(gè)顯著的催化表面的優(yōu)點(diǎn)是無焰燃燒器能夠運(yùn)行的溫度范圍可以大大增大。
實(shí)施例使用各種燃料、氧化劑和催化劑表面的組合，用一個(gè)熱反應(yīng)器來提供發(fā)生氧化反應(yīng)的溫度。所說的反應(yīng)器是一個(gè)用電阻加熱線圈纏繞并覆蓋絕緣材料的2.54cm的不銹鋼管?？販?zé)犭娕挤旁诳拷f的管子的外表面的絕緣材料之下。在所說的管子內(nèi)，在進(jìn)口、中間和出口處也提供熱電偶。把貴金屬帶或帶有貴金屬涂層的不銹鋼帶懸掛在管子內(nèi)以試驗(yàn)催化活性。把預(yù)熱到低于希望的試驗(yàn)溫度的某一溫度的空氣注入到管子中的電加熱的試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)。變化電阻加熱器的電能直至在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)獲得要求的溫度并通過安裝在管內(nèi)的熱電偶測(cè)量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。然后通過混合的T形管向預(yù)熱的空氣流中注入燃料并使其流過電加熱區(qū)域。把4個(gè)0.32cm寬、約40cm長(zhǎng)的鉑帶或兩面涂有鉑或鈀的0.95cm寬、約0.16cm厚、約40cm長(zhǎng)的不銹鋼帶懸掛在管內(nèi)以試驗(yàn)催化活性。當(dāng)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)含有催化劑涂敷的帶或貴金屬帶時(shí)，并且高于催化點(diǎn)火溫度時(shí)，燃料的添加使內(nèi)部中間處和出口的熱電偶溫度升高。在催化的點(diǎn)火溫度之下時(shí)，沒有觀察到這樣的溫度升高。在沒有催化劑涂敷的帶或貴金屬帶存在時(shí)，在觀察到溫度升高之前必須把試驗(yàn)區(qū)域加熱到燃料的自燃溫度。測(cè)量的未催化的和催化的自燃溫度總結(jié)在表中，測(cè)量的未催化的或催化的自燃溫度稱為實(shí)測(cè)自燃溫度。
表
從該表中可以看出，向燃料氣流中添加N2O達(dá)到降低了混合物的實(shí)測(cè)自燃溫度。而且，氫氣作為燃料的摻入和催化表面的存在也大大降低了動(dòng)力學(xué)自燃溫度。
用一個(gè)3.048m的試驗(yàn)燃燒器在分布式燃燒器應(yīng)用中試驗(yàn)一英寸反應(yīng)器的結(jié)果。在內(nèi)徑為5.08cm的燃燒管線內(nèi)提供一個(gè)外徑2.54cm的燃料氣管線。所說的燃料注入管線向靠近燃燒管線的進(jìn)口端的燃料注入孔提供一個(gè)燃料導(dǎo)管。在一個(gè)隔熱的管中放置所說的燃燒管線，并把熱電偶沿燃料供應(yīng)管線放置。利用兩個(gè)不同的燃燒管線。一個(gè)燃燒管線用“HAYNES120”合金板制造。把該合金板的一面電刷鍍平均厚度為0.000254cm的鈀。然后把該合金板折斷成形、彎曲并焊接在一個(gè)內(nèi)表面涂敷鈀的3.048m長(zhǎng)的管子內(nèi)。用一個(gè)“MAXON”燃燒器向所說的3.048m長(zhǎng)燃燒管線提供助燃?xì)怏w。并在所說的燃燒器和燃燒管線之間的混合區(qū)內(nèi)用來自“MAXON”燃燒器的廢氣與不同量的空氣和/或氣體添加劑混合。為了在所說的燃燒管線內(nèi)維持均勻的溫度，把三個(gè)電加熱器(每個(gè)加熱器帶有自己的控制器)沿著所說的燃燒管線的長(zhǎng)度方向上放在外面。
進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，一個(gè)試驗(yàn)用涂敷鈀的燃燒管線，一個(gè)試驗(yàn)用未涂敷鈀的管線。在溫度約為15℃，壓力約為1大氣壓下測(cè)定時(shí)，以約0.635m3/小時(shí)的流量通過燃料氣注入孔注入燃料氣，以約374m3/小時(shí)的流量注入空氣，包括燃燒器的氣體和二次空氣。向燃燒器提供足夠的燃料氣體以在燃燒管線的進(jìn)口達(dá)到目標(biāo)溫度。對(duì)于催化的結(jié)構(gòu)(曲線A)和不催化的結(jié)構(gòu)(曲線B)，注入甲烷的燃燒百分?jǐn)?shù)在圖2中表示為燃燒管線進(jìn)口溫度的函數(shù)。從圖2可以看出，在設(shè)備可以運(yùn)行的最低的溫度下約為260℃，用鈀涂敷的燃燒管線，55％的甲烷被氧化。最低的運(yùn)行溫度可以略低于260℃，但是，可以得到的設(shè)備在更低的溫度下不能運(yùn)行。在使用沒有鈀涂層的燃燒管線時(shí)，甲烷的一些氧化約在704℃發(fā)生，甲烷的氧化在約816℃下快速發(fā)生。在871℃和871℃以上的溫度，鈀表面的存在沒有影響，因?yàn)闊o論用不用鈀表面，甲烷的氧化都能快速進(jìn)行并完成。
低于704℃氧化的甲烷的溫度無關(guān)性趨于證實(shí)在鈀表面處的邊界層內(nèi)的甲烷快速氧化，甲烷到該邊界層的傳送而不是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制著甲烷氧化的程度。在約704℃和更高的溫度下，放熱氧化反應(yīng)變得占優(yōu)勢(shì)，溫度依賴性是由于這種放熱氧化反應(yīng)。
權(quán)利要求
1.無焰燃燒器，包括一個(gè)軸流式燃燒室，一端與氧化劑進(jìn)口相連，另一端與燃燒產(chǎn)物出口相連；一個(gè)在所說的軸流式燃燒室內(nèi)的燃料導(dǎo)管，所說的燃料導(dǎo)管確定了一個(gè)燃料空間，所說的燃料空問與燃料供應(yīng)裝置連接，并通過許多沿著燃料導(dǎo)管布置的噴嘴與所說的燃燒室相連，每個(gè)噴嘴之間分開一定的距離，其中，在所說的氧化劑從進(jìn)口端向燃燒產(chǎn)物出口端流過時(shí)，所說的氧化劑可以通過所說的燃燒室并與通過噴嘴來自所說的燃料空間的燃料混合；一個(gè)位于所說的軸流式燃燒室內(nèi)的催化表面，所說的催化表面能有效地把燃料與氧化劑的混合物的自燃溫度從未催化的自燃溫度降低到催化的自燃溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃燒器，其中，所說的催化表面包括所說的燃料導(dǎo)管的外表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的燃燒器，其中，所說的催化表面包括所說的燃燒室的內(nèi)表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的燃燒器，其中，所說的燃燒室由在鉆井內(nèi)的一個(gè)管的內(nèi)表面確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的燃燒器，還包括一種從至少兩個(gè)噴嘴之間的燃燒室空隙內(nèi)排出熱量的裝置，所說的排出熱量的裝置能排出一定量的熱量，這些熱量可以導(dǎo)致燃燒室內(nèi)的溫度在穩(wěn)定態(tài)時(shí)高于燃料在空氣中的自燃溫度，但是低于約1100℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的燃燒器，其中，所說的從至少兩個(gè)噴嘴之間的燃燒室空隙內(nèi)排出熱量的裝置包括巖層，熱量可以通過在所說的燃燒室周圍的環(huán)形空間通過對(duì)流和傳導(dǎo)從所說的燃燒室傳遞到所說的巖層上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的燃燒器，其中，所說的催化表面包括鈀。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的燃燒器，還包括一個(gè)電源供給裝置，能夠有效地通過所說的燃料導(dǎo)管一定量的電流，所說的電流在所說的燃料通過所說的噴嘴時(shí)，可以有效地把至少一個(gè)噴嘴附近的燃料導(dǎo)管加熱到燃料點(diǎn)火溫度以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的燃燒器，其中，所說的燃燒器在一個(gè)鉆井內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的燃燒器，其中，所說的燃料導(dǎo)管是一個(gè)從井蓋懸浮下來的管子，所說的燃燒器還包括一個(gè)在井蓋處向所說的燃料導(dǎo)管提供電能的裝置；所說的燃料導(dǎo)管在噴嘴附近比在噴嘴以上的厚度更薄，所說的燃料導(dǎo)管從至少一個(gè)噴嘴之下的一點(diǎn)接地。
11.一種無焰燃燒器，包括一個(gè)軸流式燃燒室，一端與氧化劑進(jìn)口相連，另一端與燃燒產(chǎn)物出口相連；一個(gè)在所說的軸流式燃燒室內(nèi)的燃料導(dǎo)管，所說的燃料導(dǎo)管確定了一個(gè)燃料空間，所說的燃料空間與燃料供應(yīng)裝置連接，并通過許多沿著燃料導(dǎo)管布置的噴嘴與所說的燃燒室相連，其中，所說的燃料導(dǎo)管由一種導(dǎo)電材料構(gòu)成；一個(gè)電源供給裝置，能夠有效地通過所說的燃料導(dǎo)管一定量的電流，所說的電流在所說的燃料通過所說的噴嘴時(shí)，可以有效地把至少一個(gè)噴嘴附近的燃料導(dǎo)管加熱到燃料點(diǎn)火溫度以上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的燃燒器，其中，所說的燃燒器在一個(gè)鉆井之內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的燃燒器，其中，所說的燃料導(dǎo)管是一個(gè)從井蓋上懸浮的一個(gè)管；在井蓋處提供電源；所說的燃料導(dǎo)管在所說的噴嘴附近比在噴嘴以上更??；所說的燃料導(dǎo)管從至少一個(gè)噴嘴之下的一點(diǎn)接地。
14.一種使無焰燃燒器點(diǎn)火的方法，包括；提供一個(gè)軸流式燃燒室，一端與氧化劑進(jìn)口相連，另一端與燃燒產(chǎn)物出口相連；提供一個(gè)在所說的軸流式燃燒室內(nèi)的燃料導(dǎo)管，所說的燃料導(dǎo)管確定了一個(gè)燃料空間，所說的燃料空間與燃料供應(yīng)裝置連接，并通過許多沿著燃料導(dǎo)管布置的噴嘴與所說的燃燒室相連；向所說的燃燒室內(nèi)通入一種選自由氮的氧化物和過量氧氣組成的組中的氧化劑；向所說的燃料空間通入一個(gè)燃料流把所說的燃料流、氧化劑流或燃料和氧化劑兩者加熱到當(dāng)燃料與所說的氧化劑混合時(shí)可以導(dǎo)致所說的氧化劑與所說的燃料發(fā)生反應(yīng)的溫度；不斷向所說的燃燒室通入所說的氧化劑，并且不斷向所說的燃料導(dǎo)管通入燃料，直至所說的燃燒室內(nèi)的溫度超過所說的燃料在空氣中的自燃溫度；在所說的燃燒室內(nèi)的溫度超過所說的燃料在空氣中的自燃溫度之后，用空氣代替所說的氧化劑。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，還包括使所說的燃料導(dǎo)管通過一定量電流的步驟，所說的電流量應(yīng)該足以使所說的燃料導(dǎo)管在至少一個(gè)噴嘴附近的至少一部分導(dǎo)管加熱到至少260℃的溫度。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，還包括在所說的燃燒室內(nèi)提供催化表面的步驟，所說的催化表面有效地降低燃料和氧化劑在所說的催化表面反應(yīng)的溫度。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中，所說的燃料是氫氣。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中，所說的燃料包括氫氣和一氧化碳。
全文摘要
提供一種燃燒方法和設(shè)備。該方法利用具有三種改進(jìn)中的一種或多種的無焰燃燒來促進(jìn)無焰燃燒器的點(diǎn)火?？梢栽谌紵覂?nèi)提供一個(gè)催化表面,從而至少在催化表面附近,在遠(yuǎn)低于沒有催化表面存在時(shí)燃料在空氣中的自燃溫度的溫度下提供無焰燃燒。也可以用氮的氧化物或過量的氧氣作為氧化劑,代替空氣或者與空氣一起使用以降低點(diǎn)火溫度。此外,可以使燃料導(dǎo)管通過電能,使導(dǎo)管的溫度提高到在燃料與氧化劑混合時(shí)可以點(diǎn)火的溫度以上。
文檔編號(hào)A47G25/90GK1206447SQ96199386
公開日1999年1月27日 申請(qǐng)日期1996年12月17日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月27日
發(fā)明者J·M·卡拉尼卡斯, T·米庫斯, H·J·威尼卡, S·L·威林頓 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司