KR19990076856A - 무염 연소기 - Google Patents

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토머스 미커스
해럴드 제이. 비니거
스캇 리 웰링턴
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체슈트라텐 알베르투스 빌헬무스 요하네스
쉘 인터내셔널 리써치 마챠피즈 비 브이
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Abstract

본 발명은 연소기 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 방법은 무염 연소기의 점화를 향상시키기 위해 세 개의 개선점을 갖는 무염 연소를 이용하는 것이다. 촉매 표면은 촉매 표면없이 공기 중 연료의 자연발화 온도보다 더 낮은 온도에서 촉매 표면 근처에서 무염 연소를 얻기 위해 연소실 내에 제공될 수 있다. 질소 산화물 또는 추가 산소는 점화 온도를 감소시키기 위해 공기 대신에 또는 공기와 함께 산화제로서 사용될 수 있다. 또한, 전기 에너지는 연료 도관을 통과할 수 있고, 산화제와 결합될 때 연료가 점화되는 온도로 도관의 온도를 상승시킨다.

Description

무염 연소기
본 발명은 연소 장치 및 방법에 관한 것이다.
미국 특허 Nos. 4,640,352 및 4,886,118 은 오일을 회수하기 위해 오일을 함유하는 저침투성의 지하 형성물의 전도 가열을 나타내고 있다. 저침투성 형성물은 규조토, 지질성 석탄, 타르 샌드, 및 함유 혈암(含油頁岩)을 포함한다. 저침투성의 형성물은 개선된 오일 회수법, 예컨대 증기, 이산화 탄소, 또는 파이어 플러딩(fire flooding) 에 맞지않는다. 플러딩 물질은 갈라진 틈을 통해 우선적으로 저침투성을 갖는 형성물을 침투하는 경향이 있다. 대비해서, 전도 가열은 형성물에 유체를 수송할 필요는 없다. 따라서, 형성물 내의 오일은 플러딩 과정에서와 같이 우회되지 않는다. 형성물의 온도가 전도 가열에 의해 증가되는 경우, 수직 온도 구배가 비교적 균일하게 되는 경향이 있는 것은 형성물이 통상 비교적 균일한 열전도와 비열을 갖기 때문이다. 열전도 과정 중 탄화수소의 수송은 압력 드라이브, 증발, 및 생성암의 흡수공 내에 존재하는 오일과 물의 열팽창에 의한다. 탄화수소는 열응력에 의해 그리고 오일과 물의 팽창 및 증발에 의해 만들어진 작은 틈을 통해 이동한다.
미국 특허 Nos. 3,113,623 및 3,181,613 은 지하 형성물을 가열하기 위한 열주입 가스 버너를 나타내고 있다. 이들 버너는 불꽃을 유지하기 위해 흡수공극성 물질을 이용해서 늘어난 길이 이상으로 불꽃을 퍼지게한다. 불꽃에서 케이싱(casing)으로의 복사열 수송은 불꽃을 유지하기 위해 공극성 매질을 제공해서 피한다. 그러나, 공극성 매질에서 일어나는 연소를 위해, 연료 가스와 연소 공기가 미리 혼합되어야 한다. 미리 혼합된 연료 가스와 연소 공기는 혼합물의 자연발화 온도 이상의 온도인 경우, 공극성 매질 내에서 미리 혼합될 때 반응한다. 이들 발명의 예로서 이용된 형성물은 두께 약 15 m 이하 및 약 4.5 m 이하의 피복탄(overburden)이다. 따라서, 연료 가스 및 연소 공기는 버너에 도달할 때 비교적 식어 있다. 버너는 가열되고 있는 형성물이 상당히 깊지 않으면 의도한대로 작용하지 않는다.
미국 특허 No. 5,255,742 는 예열된 연료 가스 및/또는 연소 공기를 이용하는 지하 형성물을 가열하는데 유용한 무염 연소기를 나타내고 있는데, 여기서, 연료 가스는 불꽃을 피할만큼 충분히 작은 증가량으로 연소 공기와 결합된다. NOx의 발생은 거의 제거되고, 가열기의 비용이 상당히 감소될 수 있는 것은 건축 재료가 덜 비싸기 때문이다. 선행 기술의 가르침에 따른 연료 가스 예열의 결과, CO2, H2, 스팀, 또는 다른 코크스 억제 물질이 연료 가스에 첨가되지 않는다면 코우크가 생성된다. 또한, 이러한 공지된 가열기의 작업 개시가 시간 허비 과정인 것은 가열기가 연료 가스 혼합물의 자연발화 온도 이상의 온도에서 작동하기 때문이다. 온도가 통상의 작동에 충분히 높게 되기 전에, 작업 개시는 긴 시간의 아주 낮은 유량 조작을 필요로한다.
또한 촉매 연소기도 공지되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 No. 3,928,961 은 촉매로 지지된 열연소 장치를 나타내고 있는데, 여기서, NOx의 생성은 연료의 자연발화 온도 이상의 온도에서, 그러나 질소 산화물이 상당량으로 생성되는 온도 미만에서 연소에 의해 제거된다.
산화 촉매로 코팅된 금속 코팅 표면은 예를 들어 미국 특허 Nos. 5,355,668 및 4,065,917 에 나타나 있다. 이들 특허는 가스 터빈 엔진의 부품에 대한 촉매 코팅 표면을 제안하고 있다. 상기 미국 특허 4,065,917 은 터빈의 작업 개시를 위한 촉매 코팅 표면의 사용을 제안하고 있고, 작업 개시 조작에서 물질 전달 컨트롤 한계 상을 제안하고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 불꽃없고, 쉽게 점화될 수 있고, 작동 온도 이하로 될 수 있는 연소법 및 연소 장치에 관한 것이다. 본 발명의 다른 측면에서, NOx의 발생이 최소인 연소법과 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 높은 열효율을 갖는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 측면에 따라, 무염 연소기는 하기를 포함한다:
하나의 말단에 산화제를 위한 입구와 통해있고 다른 말단에 연소 형성물 출구와 통해있는 축류 연소실;
축류 연소실 내의 연료 도관, 연료 체적을 한정하는 연료 도관, 연료 공급과 통해있고 연료 도관을 따라 위치한 복수의 오리피스를 통해 연료실과 통해있는 연료 체적 (각 오리피스는 내부 거리에 의해 분리되는데, 여기서, 산화제는 연소실을 통과할 수 있고, 산화제가 입구 말단에서 연소 형성물 출구로 통과하는 것처럼 연료 체적으로부터 오리피스를 통과하는 연료와 혼합할 수 있음); 그리고
축류 연소실 내에 위치한 촉매 표면 (이러한 촉매 표면은 비촉매화된 자연발화 온도에서 촉매성 자연발화 온도에서 연료와 산화제의 혼합물의 자연발화 온도를 감소시키는데 효과적임).
바람직하게는 촉매 표면은 연료 도관의 외부 표면 및/또는 연소실의 내부 표면을 포함한다. 촉매 표면이 팔라듐을 포함하고, 연소실이 연료가 오리피스를 통과할 때 점화하는 온도 이상으로 적어도 하나의 오리피스 근처에서 연료 도관을 가열하는데 효과적인 양으로 연료 도관을 통해 전류를 통과시키는데 효과적인 전력 공급 장치를 연소기가 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 무염 연소기는 하기를 포함한다:
하나의 말단에 산화제를 위한 입구와 통해있고 다른 말단에 연소 형성물 출구와 통해있는 축류 연소실;
축류 연소실 내의 연료 도관, 연료 체적을 한정하는 연료 도관, 연료 공급과 통해있고 연료 도관을 따라 위치한 복수의 오리피스를 통한 연료실을 통한 연료 체적(여기서, 연료 도관은 전도성 물질을 포함함); 그리고
연료가 오리피스를 통과할 때 점화하는 온도 이상으로 적어도 하나의 오리피스 근처에서 연료 도관을 가열하는데 효과적인 양으로 연료 도관을 통해 전류를 통과시키는데 효과적인 전력 공급기.
적당하게, 연소기는 지하의 웰보어(wellbore) 내에 위치하고, 연료 도관은 웰헤드로부터 매달려 있는 관모양이고; 전력은 웰헤드에서 사용되고; 연료 도관은 오리피스 위 보다 오리피스 근처에서 두께가 더 얇고; 연료 도관은 적어도 하나의 오리피스 아래 지점에서 위치해있다.
본 발명은 또한 무염 연소기를 점화하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은 하기를 포함한다:
하나의 말단에 산화제를 위한 입구와 통해있고 다른 말단에 연소 형성물 출구와 통해있는 축류 연소실을 제공하고;
축류 연소실 내의 연료 도관, 연료 체적을 한정하는 연료 도관, 연료 공급기와 통해있고 연료 도관을 따라 위치한 복수의 오리피스를 통해 연료실과 통해있는 연료 체적을 제공하고;
질소 산화물 및 추가 산소를 포함하는 군에서 선택된 산화제를 연소실로 통과시키고;
연료 스트림을 연료 체적에 넘겨주고;
연료 스트림, 산화제 또는 연료 스트림과 산화제 모두를 연료가 산화제와 결합할 때 산화제와 연료의 반응이 일어나는 온도로 가열하고;
연소실 내의 온도가 공기 중 연료의 자연발화 온도를 초과할 때까지 산화제를 연소실로 그리고 연료를 연료 도관으로 계속해서 넘겨주고;
연소실 내의 온도가 공기 중 연료의 자연발화 온도를 초과한 후, 산화제를 공기로 대체한다.
적당하게, 본 발명에 따른 방법은 적어도 하나의 오리피스 근처에서 적어도 한 부분의 도관을 위해 연료 도관이 적어도 260 ℃ 의 온도로 가열되기에 충분한 전기의 양을 연료 도관에 통과시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따른 방법은 연소실 내에 촉매 표면을 제공하는 단계를 더 포함하는데, 상기 촉매 표면은 연료와 산화제가 촉매 표면 근처에서 반응하는 온도를 감소시키는데 효과적이다.
본 발명에 따른 방법의 작업 개시 동안에 사용하기 위한 적합한 연료는 수소 그리고 수소와 일산화 탄소 혼합물인데, 이러한 연료는 낮은 점화 온도를 갖는다.
본 발명의 무염 연소법 및 연소기는 질소 산화물을 최소한으로 생성한다. 따라서, 질소 산화물의 형성을 제거하거나 방지하기 위한 다른 수단은 필요하지 않다.
본 발명은 도면을 참고로해서 더욱 상세하게 설명하는데, 도 1 은 본 발명에 사용하기에 적합한 연소기를 나타내고 있다.
도 2 는 본 발명의 가동성 대 온도를 나타내는 버너에서 소비된 연소의 양을 제도한 것이다.
본 발명에 따른 개선으로 이용될 수 있는 무염 연소기는 미국 특허 No. 5,255,742 에 나타나 있고, 여기에 참고로 포함되어 있다. 본 발명의 개선은 연소기의 작업 개시에 관련된 세 개의 개선을 포함한다. 세 개의 개선은 각각 사용될 수 있지만, 바람직하게는 적어도 두 개와 결합해서 사용된다. 본 발명의 세 개의 개선은 하기를 포함한다: 작업 개시용 열을 제공하기 위해 저항 가열기로서 연료 가스 도관의 사용; 연료의 산화가 일어나는 온도를 낮게 하기 위해 연소실 내의 촉매 표면의 사용; 그리고 작업 개시 동안 자연발화 온도를 낮게 하기 위해 공기 이외의 산화제, 또는 공기를 더한 산화제의 사용.
본 발명의 무염 연소기의 중요한 특징은 연소실의 축을 따라 열이 제거되어, 단열 온도 보다 상당히 이하인 온도로 유지된다. 이것은 거의 NOxS 의 생성을 제거하고, 또한 비교적 값싼 연소기인 야금 필수적인 조건을 상당히 감소시킨다.
통상, 무염 연소는, 두 개의 스트림이 결합될 때, 혼합물의 온도가 혼합물의 자연발화 온도를 초과할 정도로, 연소 공기와 연료 가스를 혼합비에 의해 제한되는 혼합시의 산화로 나타나는 온도 미만의 온도로 연소 공기와 연료 가스를 충분히 예열해서 이루어진다. 약 815 ℃ 내지 약 1260 ℃ 의 온도로 스트림을 예열한 다음, 비교적 작은 증가량 중 연소 공기에 연료 가스를 혼합함으로써 무염 연소가 일어날 것이다. 연료 가스가 연소 가스 스트림과 혼합되는 증가량은 결과적으로 바람직하게는 연료의 연소로 인해 연소 가스 스트림에서 10 에서 110 ℃ 로 온도가 상승된다.
도 1 을 참고로, 본 발명을 수행할 수 있는 열주입 웰 및 연소기가 나타나 있다. 가열된 형성물 1 은 피복탄 2 아래이다. 웰보어 3 은 오부버버든을 통해 그리고 가열된 형성물의 하부에 또는 근처의 지점에 연장된다. 수직 웰이 나타나 있지만, 웰보어는 편향되거나 수평이 될 수 있다. 수평 열주입 웰은 평행 드라이브 공정으로 탄화수소를 회수하기 위해 수평으로 부수는 형성물에 제공될 수 있다. 섈로우 함유 혈암 형성물은 그와 같은 형성물의 예이다. 수평 가열기는 또한 피복탄과 기저암의 열손실을 제한하기 위해 얇은 베드에서 효과적으로 사용될 수 있다. 도 1 에 나타나 있는 구현예로, 웰보어는 케이싱 4 로 덮여있다. 웰보어의 하부는 시멘트 7 로 접합되어 있는데, 고온에 견디고 열을 이동시키는데 적합한 특징을 가지고 있다. 우수한 열 절연체 8 인 시멘트는 시스템으로부터 열손실을 방지하기 위해 웰보어의 상부가 적합한다. 산화제 도관 10 은 웰헤드 (나타나 있지 않음) 에서 웰보어의 하부로 연장되어 있다. 연료 도관 12 는 또한 웰헤드에서 웰보어의 하부로 연장되어 있다. 연료 도관은 연료 도관 내에 연료 체적을 한정한다. 연료 체적은 연료 공급기와 통해있고, 복수의 오리피스를 통해 연료 도관을 에워싸고 있는 연소실과 통해있다.
웰보어의 고온부 내에 케이싱 및 도관을 접합하는 데 적합한 고온 시멘트를 이용할 수 있다. 예는 미국 특허 제 3,507,332 호 및 제 3,180,748 호에 나타나 있다. 시멘트 슬러리 고형체 기재 약 50 중량 % 초과의 알루미나 함량이 바람직하다.
섈로우 형성물에서, 형성물속에 직접 가열기를 해머-드릴하는 것이 유익하다. 가열기를 형성물속에 직접 해머-드릴할 때, 형성물에서 가열기의 접합은 필요하지 않지만, 가열기의 상부를 접합하여 표면에 유체 손실을 방지할 수 있다.
도 1 의 구현예에서 케이싱 (4) 의 직경 선택은 케이싱의 비용 및 형성물에 전달될 수 있는 열의 속도 사이에서 선택한다. 야금술의 필요로 인해 케이싱은 일반적으로 주입 웰의 가장 비싼 성분이다. 형성물에 전달될 수 있는 열은 케이싱 직경이 증가함에 따라 매우 증가한다. 내부 직경 약 10 내지 약 20 cm 사이의 케이싱은 통상적으로 초기 비용 및 열전달 사이의 최적의 균형을 이룰 것이다.
연료 가스 도관은 가열된 형성물 내에 도관의 길이를 따라 복수의 오리피스 13 (8개) 을 포함한다. 오리피스는 산화제와, 오리피스 사이의 연료의 중요한 반응 그리고 오리피스 사이의 연소실의 길이를 따라 가열기로부터의 열의 제거 모두를 허용하기에 충분한 간격 거리에 의해 분리되어 있다. 오리피스 13 은 연료 도관 12 에 의해 한정된 체적과 축류 연소실 사이를 통하게 한다. 복수의 오리피스는 가열된 형성물 내에 열방출을 분배한다. 산화제/연소 형성물 스트림 내로의 연료 단계적으로 방출한 결과, 열은 단계적으로 발생하고, 도 1 의 구현예에서 처럼 웰보어로부터 열의 균일한 전달로, 웰보어 내의 온도는 단열 연소 온도 아래의 웰 온도이다. 고온을 피하면 야금 필요조건과 설비 비용을 상당히 줄일 수 있다. 또한, 단열 연소 온도 아래의 웰는 NOxs 가 발생되지 않는다.
오리피스는 케이싱 내의 온도 분포를 균일하게 하기 위해 그 크기가 정해진다. 케이싱 내의 거의 균일한 온도 구배의 결과, 가열된 형성물내의 열 분포가 더욱 균일하다. 형성물 내의 거의 균일한 열 분포로 인해, 전도성 가열 탄화수소 회수 공정에서 열의 이용이 더욱 효율적이 될 것이다. 균일한 온도 구배가 균일할수록 동일한 열 방출을 위해 최대 온도는 낮아질 것이다. 버너와 웰 시스템의 구성 재료가 최대 온도를 나타내기 때문에, 균일한 온도 구배는 건축의 동일한 재료가 가능한 열방출을 증가시킬 것이다. 오리피스의 수는 단지 사용되는 오리피스의 크기에 의해 제한된다. 더많은 오리피스를 사용한다면, 통상 크기는 더 작아야 한다. 작은 오리피스는 큰 오리피스보다 더 쉽게 플러그할 것이다. 오리피스의 수는 온도 구배의 평평함과 플러깅의 가능성 사이의 균형이 있어야한다. 연소실로부터 열제거에 더하여 오리피스의 수, 크기 및 공간은 연소기 내의 최대 온도가 약 1100 ℃ 미만일 정도가 바람직하다. 이것으로 상업적으로 이용할 수 있는 물질을 위한 긴 서비스 라이브로 나타난다.
열이 연료 오리피스 사이의 연소실로부터 제거되는 것은 본 발명의 연소기의 작동에 있어서 중요하다. 웰보어 열 주입기에 본 발명을 적용할 때, 열은 웰보어 주위의 형성물에 전달된다. 본 발명의 가열기는 또한 다른 적용, 예컨대 스팀 발생 및 화학 공업 또는 정제 공정 가열기에 사용될 수 있다.
대안적으로, 공기 및/또는 다른 산화제는 연료 도관 대신에 연소 공기 도관에 오리피스를 제공해서 연료 내에 단계적으로 공급될 수 있다.
웰보어의 하부에 전달된 연료 및 산화제는 결합해서 연소 생성물을 형성하는 도관 14 주위의 웰보어 체적내에서 반응한다. 이러한 체적은 본 발명의 축류 연소실이다. 연소 형성물은 웰보어 위로 이동하고, 웰헤드에 있는 배기구 밖으로 이동한다. 연소 형성물은 오염 물질을 제거하기 위해 처리되고, 팽창 터빈 또는 열교환기에 의한 연소 형성물로부터의 에너지 회수가 또한 바람직할 수 있다.
연소 형성물이, 처리되는 형성물 위의 웰보어에서 나타날 때, 열은 흐름관과 연소 형성물 아래로 이동하는 연료와 산화제 사이에서 교환된다. 이러한 열교환은 에너지를 보존하고, 본 발명의 바람직한 무염 연소를 허용한다. 연료 및 산화제는 각 흐름관 아래로 이동할 때 충분히 예열되고 마지막 혼합 지점에서 두 개의 스트림의 혼합물이 혼합물의 자연발화 온도 위의 온도이다. 무염 연소의 결과, 복사열 공급원으로서 불꽃을 피한다. 따라서, 열은 필수적인 균일한 형태로 웰보어로부터 전달된다.
도선 15 는 클램프 16, 또는 전기 절연 커플링 아래의 웰헤드 근처의 연료 라인 12 의 다른 연접과 접속되어 연소기의 작업 개시와 초기 가열을 위한 전기 에너지를 공급한다. 연료 도관 17 과 산화제 도관 18 주위에 하나 이상의 전기 유도 집중기로 시추공의 하부 근처에 접지가 제공된다. 접지 집중기 위의 연료 도관 상의 집중기는 전기적 절연 집중기이다. 연료 도관의 벽 두께는 바람직하게는 오리피스 근저에서 감소하고, 연료 가스 도관에 전기 에너지를 공급의 결과, 오리피스 위의 내열성은 무시할만하고 오리피스 아래의 열은 상당한 양이다. 충분한 열이 적용되어, 존재하는 흐르는 산화제 (또는 공기) 스트림내로 오리피스를 빠져나가는 연료는, 연료가 산화제와 혼합될 때 연료 산화제 혼합물의 자연발화 온도에서 또는 온도 위에 있다. 가장 바람직하게는, 연료와 산화제의 혼합물은 이들 작업 개시 조건에서 혼합물의 자연발화 온도 위에 있다. 따라서, 연료는 오리피스를 통해 통과하고 오리피스 사이의 산화제와 혼합할 때 점화한다.
연료-산화제 혼합물의 자연발화 온도는 바람직하게는 오리피스 근처에 있는 촉매 표면 19 의 제공에 의해 낮아진다. 이러한 촉매 표면은 바람직하게는 산화제 도관 10 의 내부 표면 상에 제공된다. 대안적으로, 연료 도관에 그와 같은 표면을 제공하거나, 관 또는 촉매 포함 표면은 따로따로 산화제 도관 내에 위치한다. 다른 촉매 표면은 예를 들어 산화제 도관의 연소 형성물 환형 외부에 제공된다. 이러한 추가적인 촉매 표면은 완전한 연소가 웰보어 내에서 일어나게 한다. 촉매 표면은 또한 연소기가 연료의 산화가 일어나는 온도를 감소시켜서 작동할 수 있는 온도 범위를 상당히 증가시킬 수 있다.
본 발명의 무염 연소기의 작업 개시는 작업 개시 동안에 추가적인 산화제의 제공에 의해 및/또는 낮은 자연발화 온도를 갖는 연료, 예컨대 수소의 사용에 의해 더 개선될 수 있다. 바람직한 산화제는 추가 산소 및 질소 산화물을 포함한다. 수소는 천연 가스 스트림에 추가하여 제공될 수 있고, 존재하는 일산화 탄소 및/또는 존재하는 이산화 탄소와 함께 쉬프트 가스로서 제공될 수 있다. 이산화 탄소의 존재는 바람직하지 않지만, 참을만하고, 이산화탄소의 제거는 경제적으로 타당하지 않다.
허용할 수 있는 촉매 물질은 귀금속, 반귀금속, 그리고 전이 금속 산화물을 포함한다. 통상, 공지된 산화 촉매는 본 발명에서 유용하다. 그와 같은 금속 또는 금속 산화물의 혼합물도 유용하다.
작업 개시 산화제 및/또는 연료는 바람직하게는 연소기가 연료로서 메탄(천연 가스) 그리고 산화제로서 공기와 작동하기에 충분한 온도로 가열될 때 (즉, 연소기는 공기중 메탄의 자연발화 온도 위의 온도로 가열된다)까지 사용된다.
무염 연소를 얻기 위해 메탄과 같은 연료 가스의 예열로 인해, 탄소 형성 억제 물질이 연료 스트림에 포함되지 않는다면, 연료 도관 내에 상당한 양의 탄소가 발생한다. 탄소 형성 억제 물질은 이산화 탄소, 증기, 수소 또는 이들의 혼합물이 될 수 있다. 이산화 탄소 및 증기가 바람직한 것은 수소의 비용이 높기 때문이다.
무염 연소는 통상 산화제 스트림과 연료 사이의 반응이 혼합에 의해 제한되지 않고 혼합된 스트림이 혼합된 스트림의 자연발화 온도보다 더 높은 온도에 있을 때 일어난다. 이것은 혼합 지점의 고온을 피하거나 스트림을 포함하는 산화제 내에 연료의 비교적 작은 증가량을 혼합해서 이룰 수 있다. 불꽃의 존재는 미연소 연료 및 연소 형성물 사이의 빛나는 접촉면에 의해 증명된다. 불꽃의 발생을 피하기 위해, 연료와 산화제는 바람직하게는 혼합하기 전에 약 815 ℃ 내지 1260 ℃ 의 온도로 가열된다. 연료는 바람직하게는 더욱 빠르게 혼합하기 위해 비교적 소량의 증가량으로 산화제 스트림과 혼합된다. 예를 들어, 충분한 연료는 약 28 ℃에서 56 ℃ 까지 스트림의 연소 온도를 상승시키기 위해 증가량에 포함될 수 있다.
본 발명의 무염 연소기의 작업 개시용 초기 열을 제공하기 위해 저항 가열기로서 연료 도관의 사용이 상당한 개선이 있는 것은 연료 도관이 어떻게 해서든 존재할 것이고, 통상 전도성 물질로 만들어지고, 비교적 두꺼운 금속이고, 믿을만한 가열인 것으로 기대되기 때문이다. 연료 도관의 두께는 변할 수 있는데, 그 결과, 연료 도관의 길이의 미리선택된 세그먼트에서 열이 방출된다. 예를 들어, 웰 열 주입기 적용에서, 연료의 가장 높은 농도에서 혼합된 가스 스트림을 점화하기 위해 웰보어의 최저부를 전기로 가열하고, 배기 가스가 웰보어를 통해 역류하기 전에 연료를 연소시키는 것이 바람직하다. 전기 에너지는 웰헤드에서 연료 도관에 접속될 수 있고, 연료 도관은 절연 행어(hanger) 에 의해 지지될 수 있고, 절연 집중기를 갖는 공기 공급 도관 내에 집중화된다. 그 다음, 연료 도관은 가열기로서 사용되는 세그먼트 아래에 접지된다.
팔라듐 또는 플래티넘과 같은 촉매 금속은 바람직하게는 브러시 전기도금에 의해 연소실내에 표면상에 코팅되어 저온에서 연료의 산화를 개선시킨다. 그와 같은 촉매 표면은 260 ℃ 정도의 낮은 온도에서, 공기 중 메탄의 산화를 촉진시키는데 아주 효과적이다. 이러한 반응은 촉매 표면에서 급속하게 일어나고, 통상, 촉매 표면에 인접한 경계층의 가스는 완전하게 반응한다. 연소실 내의 상당한 촉매 표면을 갖는 장점은 무염 연소기가 작동할 수 있는 온도 범위가 상당히 증가될 수 있다는 것이다.
열 반응기를 사용하여 산화 반응이 연료, 산화제 및 촉매 표면의 다양한 혼합물과 발생하는 온도를 평가하였다. 반응기는 전기 저항 가열 코일로 싸여지고 절연체로 덮인 2.54 cm 스테인레스 스틸 파이프였다. 온도 조절용 온도계를 파이프의 바깥 표면에 인접한 절연체 밑에 두었다. 온도계를 또한 입구, 중간 및 출구에서 파이프의 내부에 설치하였다. 귀금속 코팅물을 가진 귀금속 또는 스테인레스 스틸 편을 파이프에 매달아서 촉매 활성을 시험하였다. 본 시험의 목적 온도 미만인 온도까지 예열된 공기를 파이프의 전기 가열된 시험 구획에 주입하였다. 전기 저항 가열기에서 전력은 시험 구획에서 목적 온도가 수득될 때까지 변화시켜, 파이프의 내부에 돌출된 온도계로써 측정된 정상 상태를 달성하였다. 다음에 연료를 혼합 T 자관을 통해 예열 공기의 스트림으로 주입하고 전기 가열된 시험 구획으로 흐르게 하였다. 플라티늄 또는 백금으로써 양면에 코팅된 0.32 cm 폭 및 약 40 cm 길이의 4개의 백금 리본 또는 0.95 cm 폭 및 약 0.16 cm 두께 및 약 40 cm 길이의 스테인레스 스틸 편을 파이프내에 매달아서 촉매 활성을 시험한다. 시험 구획이 촉매 코팅된 편 또는 귀금속의 리본을 포함하고 촉매화된 자연발화 온도 또는 초과일 때, 연료의 첨가는 내부 중간 및 외부 온도계에서 온도 증가를 일으켰다. 촉매화된 자연발화 온도미만에서 상기 온도는 관찰되지 않았다. 촉매 코팅된 편 또는 귀금속 리본이 존재하지 않을 때, 시험 구획은 온도 증가가 관찰되기 전에 연료의 자연발화 온도까지 가열해야 했다. 측정된 비촉매화 및 촉매화된 자연발화 온도를 측정된 자연발화 온도로서 참고된 측정된 비촉매화 또는 촉매화 자연발화 온도와 함께 표 1 에 요약한다.
연료 측정된 자동발화온도 ℃ 공기 유량CC/MIN 공기 중의연료 농도 %체적 % 공기 중의 ACCEL %체적 % 촉매
천연 가스 788 380 10.5
천연 가스 732 380 2.6 N2O/21
천연 가스 677 380 2.6 O2/40
디메틸 에테트 510 380 2.6
디메틸 에테르 316 380 2.6 N2O/21
H2 659 380 13
H2 49 380 13 Pt
66.6 % H233.3 % CO 676 380 13
66.6 % H233.3 % CO 213 380 13 Pt
66.6 % H233.3 % CO 211 380 13 N2O/44.7 Pt
66.6 % H233.3 % CO 149 0 13 380CC/MIN100 % N2O Pt
메탄 310 380 13 - Pd
H2 149 380 13 - Pd
66.6 % H233.3 % CO 154 380 13 - Pd
표로부터 N2O 를 연료 스트림에 첨가하면 혼합물의 측정된 자연발화 온도를 매우 감소시킨다는 것을 알 수 있었다. 또한, 촉매 표면의 연료 및 존재로서 수소를 포함시키는 것은 동적 자연발화 온도를 감소시킨다.
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 연소선내에 설치한다. 연료 주입선은 연소선의 입구 끝 근처에 위치한 연료 주입구에 연료 도관을 제공한다. 연소선은 절연 파이프 내에 위치하고, 온도계를 연료 공급선을 따라 둔다. 두개의 다른 연소선을 활용한다. 하나의 연소선은 "HAYNES 120" 합금 편으로부터 제작된다. 평균 두께가 0.000254 cm 인 편을 팔라듐으로써 한면상에 도금된 전기 브러시한다. 편을 다음에 내부 표면상에 팔라듐 코팅으로써 3.048 m 길이로 브레이크 형성, 스웨지(swedge) 및 용접한다. 다른 연소선은 "HAYNES 120" 합금의 표준 7.62 cm 파이프이다. "MAXON" 브러시를 사용하여 연소가스가 3.048 m 길이 연소 파이프로 가도록 공급하고, 공기 및/또는 다른 첨가물의 양을 변화시켜 버너 및 연소선사이에 혼합 구획에서 "MAXON" 버너로부터 배출물과 함께 혼합한다. 연소선애세 균일한 온도를 유지하기 위해, 각각 자기의 조절기를 가진 세개의 전기 가열기를 외부 및 연소선의 길이를 따라 둔다.
팔라듐 코팅된 연소선을 가진 가열기 및 팔라듐 코팅되지 않은 연소선을 가진 가열기로써 일련의 시험을 행한다. 약 15 ℃ 의 온도의 온도 및 1 기압의 압력에서 측정될 때, 0.635 m3/시간의 속도로 연료 가스 주입구를 통해 연료가스를 주입하고, 버너 공기 및 제2 공기를 포함하는 약 374 m3/시간의 공기를 주입한다. 풍부한 연료 가스를 버너에 공급하여 연료 선의 입구에 목적온도를 제공한다. 연소된 주입된 메탄의 퍼센티지는 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 가장 최저 온도가 약 260 ℃ 이고, 55 % 의 메탄을 팔라듐 코팅된 연소선으로써 산화한다는 것을 알 수 있다. 운전의 최저 온도는 260 ℃ 미만 정도일 수 있지만, 최저 온도에서는 장치를 유용하게 쓸 수 없다. 팔라듐 코팅없는 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 없이 메탄의 산화가 급속하고 완전히 일어나므로 영향이 없다.
704 ℃ 미만에서 산화된 메탄의 온도 비의존성은 팔라듐 표면의 표면에서 경계층내에 메탄이 급속히 산화되고, 키네틱스 (kinetics) 가 아닌 상기 경계층에서 메탄의 이동은 메탄이 산화되는 정도를 나타내는 것이 입증되는 경향이 있다. 약 704 ℃ 이상의 온도에서, 열 산화가 우세하고, 상기 열 산화로 인해 온도 의존성이 있다.

Claims (18)

  1. 하기를 포함하는 무염 연소기:
    하나의 말단에 산화제를 위한 입구와 통해있고 다른 말단에 연소 형성물 출구와 통해있는 축류 연소실;
    축류 연소실 내의 연료 도관, 연료 체적을 한정하는 연료 도관, 연료 공급과 통해있고 연료 도관을 따라 위치한 복수의 오리피스를 통해 연료실과 통해있는 연료 체적 (각 오리피스는 내부 거리에 의해 분리되는데, 여기서, 산화제는 연소실을 통과할 수 있고, 산화제가 입구 말단에서 연소 형성물 출구로 통과하는 것처럼 연료 체적으로부터 오리피스를 통과하는 연료와 혼합할 수 있음); 그리고
    축류 연소실 내에 위치한 촉매 표면 (이러한 촉매 표면은 비촉매화된 자연발화 온도에서 촉매성 자연발화 온도에서 연료와 산화제의 혼합물의 자연발화 온도를 감소시키는데 효과적임),
  2. 제 1 항에 있어서, 촉매성 표면이 연료 도관의 외부 표면을 포함하는 연소기.
  3. 제 1 항에 있어서, 촉매성 표면이 연소실의 내부 표면을 포함하는 연소기.
  4. 제 1 항에 있어서, 연소실이 웰보어 내의 관의 내부 표면에 의해 한정되는 연소기.
  5. 제 1 항에 있어서, 적어도 두 개의 오리피스 사이의 연소실의 틈으로부터 열을 제거하기 위한 수단, 즉 정상 상태일 때, 공기 중 연료의 자연발화보다 더 크지만, 1100 ℃ 미만인 연소실 내의 온도로 나타나는 열의 양을 제거하기 위한 수단을 더 포함하는 연소기.
  6. 제 5 항에 있어서, 적어도 두 개의 오리피스 사이의 연소실의 틈으로부터 열을 제거하기 위한 수단이 연소실 주위의 환상 공간을 통해 대류 및 전도에 의해 연소실로부터 열이 전달될 수 있는 형성물을 포함하는 연소기.
  7. 제 1 항에 있어서, 촉매성 표면이 팔라듐을 포함하는 연소기.
  8. 제 1 항에 있어서, 연료가 오리피스를 통과할 때 연료가 점화하게 되는 온도 초과의 온도로 적어도 하나의 오리피스 근처의 연료 도관을 가열하는데 효과적인 양으로 연료 도관을 전류로 통과시키는데 효과적인 전력 공급기를 더 포함하는 연소기.
  9. 제 8 항에 있어서, 연소기가 웰보어 내에 있는 연소기.
  10. 제 9 항에 있어서, 연료 도관이 웰헤드로부터 현수되어 있는 관이고, 연소기가 웰헤드에서 연료 도관에 전력을 제공하기 위한 수단을 포함하고, 연료 도관이 오리피스 상부보다 오리피스 근처에서의 두께가 더 얇으며, 연료 도관이 적어도 하나의 오리피스의 아래 지점으로부터 접지되는 연소기.
  11. 하기를 포함하는 무염 연소기:
    하나의 말단에 산화제를 위한 입구와 통해있고 다른 말단에 연소 형성물 출구와 통해있는 축류 연소실;
    축류 연소실 내의 연료 도관, 연료 체적을 한정하는 연료 도관, 연료 공급과 통해있고 연료 도관을 따라 위치한 복수의 오리피스를 통한 연료실을 통한 연료 체적(여기서, 연료 도관은 전도성 물질을 포함함); 그리고
    연료가 오리피스를 통과할 때 점화하는 온도 이상으로 적어도 하나의 오리피스 근처에서 연료 도관을 가열하는데 효과적인 양으로 연료 도관을 통해 전류를 통과시키는데 효과적인 전력 공급기.
  12. 제 11 항에 있어서, 연소기가 웰보어 내에 있는 연소기.
  13. 제 12 항에 있어서, 연료 도관이 웰헤드로부터 현수되어 있는 관이고; 전력이 웰헤드에서 공급되고; 연료 도관이 오리피스 상부보다 오리피스 근처에서의 두께가 더 얇으며; 연료 도관이 적어도 하나의 오리피스 아래의 지점으로부터 접지되는 연소기.
  14. 하기를 포함하는 무염 연소기를 점화하는 방법:
    하나의 말단에 산화제를 위한 입구와 통해있고 다른 말단에 연소 형성물 출구와 통해있는 축류 연소실을 제공하고;
    축류 연소실 내의 연료 도관, 연료 체적을 한정하는 연료 도관, 연료 공급기와 통해있고 연료 도관을 따라 위치한 복수의 오리피스를 통해 연료실과 통해있는 연료 체적을 제공하고;
    질소 산화물 및 추가 산소를 포함하는 군에서 선택된 산화제를 연소실로 통과시키고;
    연료 스트림을 연료 체적에 넘겨주고;
    연료 스트림, 산화제 또는 연료 스트림과 산화제 모두를 연료가 산화제와 결합할 때 산화제와 연료의 반응이 일어나는 온도로 가열하고;
    연소실 내의 온도가 공기 중 연료의 자연발화 온도를 초과할 때까지 산화제를 연소실로 그리고 연료를 연료 도관으로 계속해서 넘겨주고;
    연소실 내의 온도가 공기 중 연료의 자연발화 온도를 초과한 후, 산화제를 공기로 대체한다.
  15. 제 14 항에 있어서, 적어도 하나의 오리피스 근처에서 도관의 적어도 한 부분에 대해 연료 도관이 적어도 260 ℃ 의 온도로 가열되기에 충분한 연료 도관을 통해 전기를 통과시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,연소실 내에 촉매성 표면을 제공하는 단계를 더 포함하는데, 상기 촉매성 표면이 연료와 산화제가 촉매성 표면 근처에서 반응하는 온도를 감소시키는데 효과적인 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 연료가 수소인 방법.
  18. 제 14 항에 있어서, 연료가 수소와 이산화 탄소를 포함하는 방법.
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