一种适用于高粘度燃料的超临界水热燃烧装置
技术领域
本发明属于稠油开采技术领域，特别涉及一种适用于高粘度燃料的超临界水热燃烧装置。
背景技术
对于稠油热采技术，目前油田上主要采用地面上注汽锅炉产生蒸汽，蒸汽注入井下实施蒸汽吞吐、蒸汽驱或者蒸汽辅助重力泄油(SAGD)。然而，以上方式存在以下主要问题：(1)热损失大。地面蒸汽发生装置的排烟损失约20％，地面输气管线热损失约15％，注入井筒热损失每千米约10％，整体热效率低；(2)油藏深度受限。除蒸汽吞吐的应用深度达到1800米，采收率较高的蒸汽驱和SAGD技术主要应用深度在1200米以内的油藏中。(3)地面蒸汽发生装置占地面积大。无法布置于空间受限的海上石油开采平台，限制了海上稠油的开采。
超临界水热燃烧是指燃料或者一定浓度的有机废物与氧化剂在超临界水(T ≥374.15℃且p≥22.12MPa)环境中发生剧烈氧化反应的一种新型燃烧方式，其火焰即为超临界水热火焰。超临界水热火焰通常为800oC以上，水热火焰区局部高温将显著加速有机物降解(100毫秒内可完成降解绝大多数有机物)，释放大量热量，甚至可以作为能源获取的一种手段。该燃烧方式其具有多项显著优势，(1)具有毫秒级反应速率。(2)反应器换热效率高、结构紧凑，尤其适合作为井下蒸汽的来源。(3)反应产物只有CO2和水蒸气，无污染，且CO2可活性降粘，进一步改善开发效果，实现产物的100％利用。多元热流体采油技术是指将燃料和氧化剂注入井下多元热流体发生器，在高压密闭环境中燃烧使水气化，利用气体(N2和CO2)与蒸汽的协同效应，通过气体溶解降粘、气体增压、加热降粘和气体辅助原油重力驱等机理来开采原油的一种技术。
将多热流体采油技术与超临界水热燃烧技术结合形成的超临界水热燃烧型井下蒸汽发生技术，可以实现更高的稠油采收率和安全性，不受井深限制，解放大量油层，完美解决中深层稠油开发，克服传统锅炉产生蒸汽方式所带来的高能耗和高污染难题。石油开采现场，原油等高粘度油丰富。以原油等为燃料的超临界水热燃烧型井下蒸汽发生技术的成功应用离不开具有高粘度燃料适用性的超临界水热燃烧装置的开发设计。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种适用于高粘度燃料的主动冷却型超临界水热燃烧装置，旨在解决注气锅炉在稠油热采注蒸汽过程中的能耗较高、污染较大问题，通过将多元热流体采油技术与超临界水热燃烧技术相结合，从而实现直接在地层内高效产生以蒸汽为主的多元热流体，避免了蒸汽输送过程中的热量损失，为深井、超深井以及海上稠油开采提供了一种切实可行的稠油热采装备。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种适用于高粘度燃料的超临界水热燃烧装置，主要由上部端盖、中部端盖、稳燃室主体一和燃烧室主体二四大主体构件依次连接装配组成，其中，上部端盖上设有一级燃料入口、高能加热棒和一级氧化剂入口，中部端盖上设有二级燃料入口、二级氧化剂入口和反应物一级喷嘴，反应物一级喷嘴与一级燃料入口连通，稳燃室主体一内壁为双层螺旋壁，底端设有与二级燃料入口和二级氧化剂入口连通的反应物二级喷嘴，燃烧室主体二内壁为双螺旋冷却壁，底端设有出口孔群，最终在反应物一级喷嘴与反应物二级喷嘴之间形成稳燃室，在反应物二级喷嘴与出口孔群之间形成燃烧室，在出口孔群与反应器底部出口之间形成混合室。
即，稳燃室顶部为高能加热棒和反应物一级喷嘴，中上部是环形稳燃壁，下部固定有双层螺旋壁；燃烧室与稳燃室之间设有反应物二级喷嘴，燃烧室四周由燃烧室双螺旋冷却壁环绕，出口孔群与反应器底部出口之间区域为混合室。
本发明进一步改进在于，所述高能加热棒设置于上部端盖的中心腔中，并贯穿至中部端盖的中心腔，与反应物一级喷嘴背部接触，一级燃料入口以倾斜角度连通上部端盖的中心腔，一级氧化剂入口贯穿上部端盖和中部端盖，与反应物一级喷嘴或稳燃室连通。
本发明进一步改进在于，所述反应物二级喷嘴呈两排环孔布置，其中二级氧化剂入口经由双层螺旋壁的内层螺旋连通反应物二级喷嘴的内排环孔，二级燃料入口经由双层螺旋壁的外层螺旋连通反应物二级喷嘴的外排环孔，反应物二级喷嘴的两排环孔中心线交于一点，且交点位于燃烧室。
本发明进一步改进在于，所述中部端盖上设有冷燃料进口，冷燃料进口以直孔形式贯穿中部端盖和稳燃室主体一的侧壁，与双螺旋冷却壁的内层连通。
本发明进一步改进在于，所述双螺旋冷却壁的内层回接装置外的三通，所述三通与一级燃料入口和二级燃料入口连接。从而使得整个反应器采用主动冷却方式，燃料流从冷燃料进口进入后，经直孔直接到达双螺旋冷却壁，回流后经直孔到达三通重新分配。
本发明进一步改进在于，所述双螺旋冷却壁基本覆盖燃烧室主体二的内部，以卡槽形式固定，底部收缩封闭，开有诸多呈一定角度的出口孔群，作为高温反应物喷出口。
本发明进一步改进在于，所述中部端盖中下部内壁为由耐火材料制成的呈突扩结构的环形稳燃壁，环形稳燃壁以螺栓加顶板的形式固定，整体呈喇叭状，反应物一级喷嘴位于环形稳燃壁所在区域的上方。
本发明进一步改进在于，所述反应物一级喷嘴为可更换的螺旋喷嘴，但不限于螺旋喷嘴，所述燃料包括但不限于原油、柴油、汽油、煤浆、乙醇。
本发明进一步改进在于，所述高能加热棒采用耐腐蚀材料，以螺纹形式在上部端盖处固定，一直延伸到反应物一级喷嘴上部。
本发明进一步改进在于，在本发明装置内部涉及多种节流控压结构：一级燃料入口进入燃料与一级氧化剂入口进入氧化剂混合后经突扩结构的环形稳燃壁，反应物二级喷嘴整体为拉法尔喷管形式；出口孔群收口，燃烧室底部同样为收口结构。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1、热能利用率高。将超临界水热燃烧装置放置于井底，燃料和氧化剂经水热燃烧反应后，形成的高温热流体经井下调温调压后直接与井下地层接触，供给热量，避免了传统地面产汽向井下输送过程中的热量损失，为深井、超深井以及海上稠油开采提供了一种切实可行的高热能利用率采油方案及装备。
2、多种稳燃措施。反应器内燃料流和氧化剂流各分为两级，一级反应物流用于点火及稳燃，二级用于释放能量；中部端盖靠近喷嘴处固定有耐火材料，用于燃烧过程中吸收热量稳定燃烧；装置顶部安装有高能加热棒，实现对装置进料的必要初步预热；喷嘴结构可保证燃料与氧化剂充分混合反应。
3、多种控压措施。针对水热燃烧过程需要在超临界压力以上进行以及地层对较低压力热流体的需求，装备内部设有多种节流控压结构，在同一装备上实现了二者间的完美匹配。
4、复合冷却壁分离燃料、氧化剂物料的同时，吸收燃烧释放的热量进行预热，既节约了能量，又达到了保护装备承压壁面的目的，防止装置高温烧毁甚至爆炸，确保安全性。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
其中：A1-稳燃室、A2-燃烧室、A3-混合室、1-一级燃料入口、2-二级燃料入口、3-螺栓组、4-双螺旋冷却壁、5-高能加热棒、6-一级氧化剂入口、7-上部端盖、8-二级氧化剂入口、9-冷燃料进口、10-中部端盖、11-反应物一级喷嘴、 12-环形稳燃壁、13-稳燃室主体一、14-双层螺旋壁、15-反应物二级喷嘴、16- 燃烧室主体二、17-出口孔群、18-底部出口、19-三通。
图2为超临界水热火焰发生器的局部(上部)放大图。
图3为超临界水热火焰发生器的局部(中部)放大图。
图4为超临界水热火焰发生器的局部(下部)放大图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1、图2、图3和图4所示，本发明一种适用于高粘度燃料的超临界水热燃烧装置，可采用原油、柴油、汽油、煤浆或乙醇为燃料，装置主要由四大主体构件以螺栓组3依次连接装配组成：上部端盖7、中部端盖10、稳燃室主体一13和燃烧室主体二16。
其中，上部端盖7上设置一级燃料入口1、高能加热棒5和一级氧化剂入口 6，中部端盖10上设置二级燃料入口2、二级氧化剂入口8和反应物一级喷嘴 11，并可进一步增设冷燃料进口9，反应物一级喷嘴11与一级燃料入口1连通，稳燃室主体一13内壁为双层螺旋壁14，底端设有与二级燃料入口2和二级氧化剂入口8连通的反应物二级喷嘴15，燃烧室主体二16内壁为双螺旋冷却壁4，双螺旋冷却壁4基本覆盖燃烧室主体二16的内部，以卡槽形式固定，燃烧室主体二16底端收缩封闭，开有诸多呈一定角度的出口孔群17，作为高温反应物喷出口。最终在反应物一级喷嘴11与反应物二级喷嘴15之间形成稳燃室A1，在反应物二级喷嘴15与出口孔群17之间形成燃烧室A2，在出口孔群17与反应器底部出口18之间形成混合室A3，稳燃室A1、燃烧室A2和混合室A3是水热燃烧装置内部的三个主要功能区域。
高能加热棒5采用耐腐蚀材料，设置于上部端盖7的中心腔中，以螺纹形式固定，并贯穿至中部端盖10的中心腔，一直延伸到与反应物一级喷嘴11背部接触，一级燃料入口1以倾斜角度连通上部端盖7的中心腔，一级氧化剂入口6贯穿上部端盖7和中部端盖10，与反应物一级喷嘴11或稳燃室A1连通。
反应物一级喷嘴11可为可更换的螺旋喷嘴，反应物二级喷嘴15整体为拉法尔喷管形式，呈两排环孔布置，其中二级氧化剂入口8经由双层螺旋壁14的内层螺旋连通反应物二级喷嘴15的内排环孔，二级燃料入口2经由双层螺旋壁 14的外层螺旋连通反应物二级喷嘴15的外排环孔，反应物二级喷嘴15的两排环孔中心线交于一点，且交点位于燃烧室A2。
当增设冷燃料进口9时，冷燃料进口9可以直孔形式贯穿中部端盖10和稳燃室主体一13的侧壁，与双螺旋冷却壁4的内层连通。同时，双螺旋冷却壁4 的内层可回接装置外的三通19，而三通19又与一级燃料入口1和二级燃料入口 2连接。此时，整个反应器采用主动冷却方式，燃料流从冷燃料进口9进入后，经直孔直接到达双螺旋冷却壁4，回流后经直孔到达三通19重新分配。
中部端盖10中下部内壁可设置为由耐火材料制成的呈突扩结构的环形稳燃壁12，环形稳燃壁12以螺栓加顶板的形式固定，整体呈喇叭状，反应物一级喷嘴11位于环形稳燃壁12所在区域的上方。
由此，在本发明装置内部涉及多种节流控压结构：一级燃料入口1进入燃料与一级氧化剂入口6进入氧化剂混合后经突扩结构的环形稳燃壁12，反应物二级喷嘴15整体为拉法尔喷管形式；出口孔群17收口，燃烧室A2底部同样为收口结构。
即，在本发明中，稳燃室A1顶部是螺纹固定的高能加热棒5和反应物一级喷嘴11，中上部是环形稳燃壁12，下部是双层螺旋壁14；燃烧室A2与稳燃室 A1隔有反应物二级喷嘴15，燃烧室A2四周为燃烧室双螺旋冷却壁4，受过收缩处理后的冷却壁出口与反应器出口二者之间的区域则为混合室A3。
根据以上结构，本发明的启动方式：启动高能加热棒5，对从一级燃料入口 1进入的一级燃料进行初步预热，此时控制流量尽可能低。经由反应物一级喷嘴 11(雾化喷嘴)喷出的一级燃料与螺旋状喷出的一级氧化剂在环形稳燃壁12附近混合反应，实现着火。较高流量的二级燃料和二级氧化剂分别流经双层螺旋壁14，从反应物二级喷嘴15喷出后，汇聚一点发生反应，燃烧后大量放热。稳定燃烧后，调低燃料质量分数，保证燃烧持续的同时提高水占比，从而提高高温蒸汽的产量。
当设置冷燃料进口9时，则在启动高能加热棒5之前，先从冷燃料进口9 通入冷燃料，待充满双螺旋冷却壁4的内层后，再启动高能加热棒5，之后使用主动冷却方式对燃烧器进行冷却。
综上，针对基于地面注气锅炉的稠油热采工艺的能耗较高、污染较大问题，考虑到采油现场原油作为燃料的就地取材便捷性，本发明提出了可于超深井下、海底产生多元热流体的具有高粘度燃料适用性的超临界水热燃烧装备，避免了地面产汽-注入井下输送过程中的巨大热量损失，为深井、超深井以及海上稠油开采提供了一种切实可行的采油方案及装备，突破了稠油热采的井深限制。
