废水复合热载体发生器及复合热载体产生方法 |
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| 申请号 | CN201610380529.X | 申请日 | 2016-06-01 | 公开(公告)号 | CN105841129B | 公开(公告)日 | 2018-05-18 |
| 申请人 | 中油锐思技术开发有限责任公司; 北京亦通石油科技有限公司; | 发明人 | 吴耀文; 梅立新; 李国诚; 陈龙; 陆峰; 司军涛; 朱伟; 宋宇波; 梅奕中; 李兴儒; 徐梁; 张建忠; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种 废 水 复合热载体发生器及复合热载体产生方法，该废水复合热载体发生器包括：发生器本体，其包括 燃烧室 及蒸气室，燃烧室的上端与蒸气室相连通，蒸气室的上端连接有出口管道；发生器头部结构，其连接在发生器本体的下端，发生器头部结构具有头部本体和设置在头部本体内的燃烧 喷嘴 和点火 电极 ，燃烧喷嘴和点火电极均与燃烧室相对设置，头部本体内设有进水通道及排垢通道；冷却 气化 装置，其连接在蒸气室的上端。本发明不仅可以满足高压燃烧并安全输出复合热载体的要求，同时还可使用 原油 分离出的废水作为 冷却水 从发生器的下部和上部进行冷却处理并生成复合热载体所需的蒸气，本发明不仅节约清水资源，还减少了废 水处理 的高额 费用 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种废水复合热载体发生器，其特征在于，所述废水复合热载体发生器包括： |
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| 说明书全文 | 废水复合热载体发生器及复合热载体产生方法技术领域[0001] 本发明有关于一种发生器及方法，尤其有关于一种高压燃烧技术领域中的废水复合热载体发生器及复合热载体产生方法。 背景技术[0003] 多元热流体技术用于油砂开采，其核心装备是发生器，目前，用软化水对发生器冷却气化形成多元热流体技术是目前成熟技术。稠油开采过程中，采出的原油含水分离后的废水不能直接使用或排放，如果环保处理排放或软化处理重复使用则处理成本很高，在高油价时代水处理是原油热采很大一部分成本，低油价水处理成本甚至影响到开采是否会有利润。 [0004] 由于油砂开采成本约三分之一要用于水处理，为实现低成本热力开发原油，将原油分离出来的废水用于发生器冷却掺混形成蒸气则可以大量减少稠油/油砂开采的水处理成本。 发明内容[0006] 本发明的目的是提供一种废水复合热载体发生器，其不仅可以满足高压燃烧并安全输出复合热载体的要求，同时该发生器还可使用原油分离出的废水作为冷却水从发生器的下部和上部进行冷却处理并生成复合热载体所需的蒸气，该废水复合热载体发生器不仅节约清水资源，还减少了废水处理的高额费用。 [0007] 本发明的另一目的是提供一种复合热载体产生方法，该方法不仅可以满足高压燃烧并安全输出复合热载体的要求，同时该方法还可使用原油分离出的废水作为冷却水从发生器的下部和上部进行冷却处理并生成复合热载体所需的蒸气，该方法不仅节约了清水资源，还减少了废水处理的高额费用。 [0008] 本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现： [0009] 本发明提供一种废水复合热载体发生器，所述废水复合热载体发生器包括： [0010] 发生器本体，其包括燃烧室及套设在所述燃烧室外部的蒸气室，所述燃烧室的上端与所述蒸气室相连通，所述蒸气室的上端连接有出口管道； [0011] 发生器头部结构，其连接在所述发生器本体的下端，所述发生器头部结构具有头部本体和设置在所述头部本体内的燃烧喷嘴和点火电极，所述燃烧喷嘴和所述点火电极均与所述燃烧室相对设置，所述头部本体内设有与所述蒸气室相连通的进水通道及排垢通道； [0012] 冷却气化装置，其连接在所述蒸气室的上端。 [0013] 在优选的实施方式中，所述蒸气室包括相连通的蒸气环腔及蒸气气化腔，所述燃烧室与所述蒸气室之间形成所述蒸气环腔，所述燃烧室上方的所述蒸气室形成所述蒸气气化腔，所述进水通道和所述排垢通道均与所述蒸气环腔相连通。 [0014] 在优选的实施方式中，所述冷却气化装置包括： [0015] 多组喷水组件，所述喷水组件包括沿径向方向相对设置在所述蒸气室上端的两个喷水头，所述喷水头与所述蒸气气化腔相连通； [0016] 多个冷却水管，所述冷却水管的两端分别连接在每组所述喷水组件的两个所述喷水头之间。 [0017] 在优选的实施方式中，多组所述喷水组件沿圆周方向间隔设置在所述蒸气室的外壁上，且多组所述喷水组件位于同一水平面上。 [0019] 在优选的实施方式中，所述头部本体的内端面形成有冷却腔，所述耐高温隔热层位于所述冷却腔的上方，所述进水通道通过所述冷却腔与所述蒸气环腔相连通。 [0020] 在优选的实施方式中，所述耐高温隔热层的材料为钨、钽、铼或锇。 [0021] 在优选的实施方式中，所述头部本体的内端面设有排垢环槽，所述排垢环槽与所述蒸气环腔相对设置，所述排垢通道与所述排垢环槽相连通。 [0022] 在优选的实施方式中，所述排垢通道的上端形成有沉头槽，所述沉头槽与所述排垢环槽相连通。 [0023] 在优选的实施方式中，多个所述冷却水管、以及所述进水通道均与外部废水源相连通。 [0024] 本发明还提供一种上述的废水复合热载体发生器的复合热载体产生方法，所述复合热载体产生方法包括如下步骤： [0026] b)打开点火电极，自所述燃烧喷嘴喷出的所述燃料在所述燃烧室内燃烧，通过所述进水通道以及通过所述冷却气化装置喷入所述蒸气室内的废水吸收热量后气化为蒸气； [0027] c)所述燃料燃烧后生成的气体和所述蒸气，在所述蒸气室的上端掺混并形成复合热载体，所述复合热载体自连接在所述蒸气室上端的出口管道排出。 [0028] 在优选的实施方式中，所述蒸气室包括相连通的蒸气环腔及蒸气气化腔，所述燃烧室与所述蒸气室之间形成所述蒸气环腔，所述燃烧室上方的所述蒸气室形成所述蒸气气化腔； [0029] 其中，在所述步骤b)中，自所述进水通道喷入所述蒸气环腔内的废水吸收所述燃烧室的热量后气化为第一蒸气，自所述冷却气化装置喷入所述蒸气气化腔内的废水吸收所述发生器本体的热量后气化为第二蒸气，所述第一蒸气和所述第二蒸气在所述蒸气气化腔内掺混形成所述蒸气。 [0030] 本发明的废水复合热载体发生器及复合热载体产生方法的特点及优点是： [0031] 一、本发明将原油开采中油水分离后的废水，一部分由头部本体的进水通道，经头部本体的冷却腔后注入蒸气室，另一部分由冷却气化装置喷入蒸气室的上端，该废水不但能冷却头部本体，提升发生器头部结构的使用寿命，而且还能吸收燃烧室的热量，并气化为复合热载体所需的蒸气；另外，废水气化后，废水中的钙镁离子会在蒸气室内沉积形成水垢，该些水垢最终可从头部本体内的排垢通道顺利排出。本发明不仅可以满足高压燃烧并安全输出复合热载体的要求，同时该发生器还可使用原油分离出的废水作为冷却水对发生器进行冷却处理并生成复合热载体所需的蒸气，该废水复合热载体发生器可对原油分离后的废水循环再利用，其不仅节约清水资源，还减少了废水处理的高额费用。 [0032] 二、本发明通过在头部本体的内端面设置耐高温隔热层，当头部本体与发生器本体连接后，该耐高温隔热层恰好封堵在废水复合热载体发生器的燃烧室的端部并直接面对燃烧室，以有效保护头部本体，避免头部本体直接面对燃烧室，防止高温烧蚀头部本体，延长头部本体的使用寿命；另外，位于头部本体内的燃烧喷嘴和点火电极均密封于耐高温隔热层中，因此，可有效保护燃烧喷嘴和点火电极，防止高温烧蚀，延长了燃烧喷嘴和点火电极的使用寿命。 [0034] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0035] 图1为本发明的废水复合热载体发生器的剖视结构示意图。 [0036] 图2为本发明的废水复合热载体发生器的侧视结构示意图。 [0037] 图3为本发明的废水复合热载体发生器的冷却气化装置的结构示意图。 [0038] 图4为本发明的废水复合热载体发生器的冷却气化装置的俯视结构示意图。 [0039] 图5为本发明的废水复合热载体发生器的冷却气化装置的喷水头的剖视示意图。 具体实施方式[0040] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0041] 实施方式一 [0042] 如图1至图5所示，本发明提供一种废水复合热载体发生器，其包括发生器本体42、发生器头部结构20和冷却气化装置7，其中：发生器本体42包括燃烧室41及套设在所述燃烧室41外部的蒸气室43，所述燃烧室41的上端与所述蒸气室43相连通，所述蒸气室43的上端连接有出口管道431；发生器头部结构20连接在所述发生器本体42的下端，所述发生器头部结构20具有头部本体2和设置在所述头部本体2内的燃烧喷嘴(图中未示出)和点火电极(图中未示出)，所述燃烧喷嘴和所述点火电极均与所述燃烧室41相对设置，所述头部本体2内设有与所述蒸气室43相连通的进水通道28及排垢通道29；冷却气化装置7连接在所述蒸气室43的上端。 [0043] 具体是，如图1和图2所示，发生器本体42大体呈圆柱体形，其中部为燃烧室41，蒸气室43套设在燃烧室41的外部，该燃烧室41的上端开口且与蒸气室43相连通；该蒸气室43包括相连通的蒸气环腔432及蒸气气化腔433，燃烧室41与所述蒸气室43之间形成该蒸气环腔432，燃烧室41上方的蒸气室43形成该蒸气气化腔433，该蒸气室43被划分为两部分，即位于下方的蒸气环腔432和位于上方的蒸气气化腔433，蒸气环腔432和蒸气气化腔433相互连通，二者之间没有明显的界限区分。连接在蒸气室43上端的出口管道431与蒸气气化腔433相连通。 [0044] 如图1所示，该发生器头部结构20位于废水复合热载体发生器的底部，该发生器头部结构20具有头部本体2，该头部本体2的外周缘通过多个连接件与发生器本体42相连，该头部本体2的内端面21与燃烧室41和蒸气室43相对设置；该头部本体2内设有喷嘴通道22和点火电极通道23，该喷嘴通道22和点火电极通道23均与燃烧室41相对，喷嘴通道22内用于放置燃烧喷嘴，点火电极通道23内用于放置点火电极。 [0045] 进一步的，该头部本体2的内端面21上连接有耐高温隔热层26，燃烧喷嘴和点火电极均密封设于该耐高温隔热层26中。在本发明中，该耐高温隔热层26的材料为钨、钽、铼或锇，综合考虑加工及实用成本，该耐高温隔热层26首选锻造致密纯钨制成。在本发明中，该耐高温隔热层26的厚度为20mm～30mm，其可承受3000℃以上的高温，该耐高温隔热层26可有效保护燃烧喷嘴和点火电极，防止高温烧蚀，以延长燃烧喷嘴和点火电极的使用寿命。该耐高温隔热层26的面积大小恰好与燃烧室41的端面面积一致，在头部本体2与发生器本体42连接后，该耐高温隔热层26恰好封堵在燃烧室41的端部并直接面对燃烧室41的内腔411，阻绝了头部本体2与燃烧室41的直接接触，防止高温烧蚀，有效保护了头部本体2，延长了头部本体2的使用寿命。 [0046] 在本发明中，该头部本体2的内端面21形成有冷却腔27，该冷却腔27为设置在头部本体2内端面21的凹槽，该耐高温隔热层26位于冷却腔27的上方，该头部本体2内的进水通道28与冷却腔27相连通，该冷却腔27通过设置在头部本体2内的过流通道271与蒸气室43的蒸气环腔432相连通。 [0047] 在本实施例中，该过流通道271位于头部本体2的内端面21的出口端处延伸形成出口管272。另外，该进水通道28与外部废水源相连通。在本实施例中，外部废水源中的废水为原油开采中油水分离后的废水。 [0048] 本发明通过冷却腔27的设计，可实现对头部本体2的内端面21进行冷却处理；同时，还可对直面燃烧室41的耐高温隔热层26进行冷却处理，防止高温烧蚀及燃料高温反应损坏头部本体2的情况发生。 [0049] 在本发明的一实施例中，该头部本体2的内端面21上凹设有环形的排垢环槽211，该排垢环槽211的宽度与蒸气室43的蒸气环腔432的宽度相同，该排垢环槽211的表面进行了光滑处理，且出口管272的出口端端面稍高于该排垢环槽211的底面，以防止沉积至排垢环槽211内的水垢到流进出口管272中。当头部本体2密封连接在发生器本体42的下端时，排垢环槽211恰好与蒸气环腔432上下相对设置。位于头部本体2内的排垢通道29与该排垢环槽211相连通，在本发明中，头部本体2内沿圆周方向间隔设置有多个排垢通道29，在一实施例中，排垢通道29的数量可为4个～6个，且排垢通道29的直径为15mm～25mm，该孔径的设计主要考虑排垢时间短(约1～3秒)，以保证均布小孔的水垢瞬间通过排垢通道29排出头部本体2。 [0050] 在本实施例中，在排垢通道29的上端形成有沉头槽291，该沉头槽291与排垢环槽211相连通，该沉头槽291为倒圆台形槽，也即类似漏斗形形状的凹槽，该些沉头槽291的设计，可便于沉积于排垢环槽211内的水垢顺利流入沉头槽291内，并自对应的排垢通道29排出。 [0051] 本发明的排垢环槽211以及沉头槽291、排垢通道29的设计，因蒸气环腔432中的废水吸热温度升高，废水中的钙镁离子会在燃烧室41的外壁结成水垢，该些水垢脱落后会沉积在排垢环槽211内，当沉积至一定量后，为保证发生器能够正常安全的运行，该些水垢需要通过排垢通道29以压差的方式排出头部本体2，该些水垢不会堵塞废水复合热载体发生器，确保了废水复合热载体发生器安全可靠运行。 [0052] 如图3至图5所示，在蒸气室43的上端安装有冷却气化装置7，该冷却气化装置7用于向蒸气室43的蒸气气化腔433内喷射水流，一方面用于冷却该废水复合热载体发生器，另一方面，自冷却气化装置7喷入蒸气气化腔433内的废水会吸收废水复合热载体发生器的热量而生成高温蒸气，该高温蒸气与蒸气环腔432内的蒸气共同与燃烧室41内的燃料燃烧后生成的气体掺混形成复合热载体。该冷却气化装置7节约了水处理成本，避免了原油分离废水的直接排放，实现了多元热流体技术在油砂低成本开采中的应用。 [0053] 通过控制冷却气化装置7喷入蒸气室43内的废水流量，可调整输出复合热载体体的温度，以满足实际生产要求。具体是按照理论计算最大水量供水，并通过监控出口管道431输出的复合热载体的温度，将冷却气化装置7喷入废水的流量降低，从低温调整输出复合热载体的温度至工艺要求的高温。 [0054] 具体是，该冷却气化装置7包括多组喷水组件71，每组喷水组件71包含两个喷水头711，该两个喷水头711对称连接在发生器本体42的蒸气室43径向方向相对的两侧，且该两个喷水头711与蒸气室43的蒸气气化腔433相连通。 [0055] 如图4所示，每组喷水组件71的两个喷水头711之间连接有一个冷却水管72，该冷却水管72与外部废水源相连通。在本实施例中，外部废水源中的废水为原油开采中油水分离后的废水。 [0056] 当外部废水源通过冷水水管72向一组喷水组件71的两个喷水头711注入废水时，两个喷水头711由于沿蒸气气化腔433的径向相对设置，因此，自两个喷水头711喷出的废水会在蒸气气化腔433的中心，也即燃烧室41的正上方对撞掺混并吸收热量，瞬间形成水雾而生成高温蒸气，该高温蒸气与来自燃烧室41的燃料燃烧后的气体以及蒸气环腔432中废水吸热后形成的蒸气三者掺混形成复合热载体。 [0057] 在本发明的一实施例中，在蒸气室43的上端外壁上沿其圆周方向间隔设置有多组喷水组件71，且多组喷水组件71位于同一水平面上。这样可使自多组喷水组件71中的多个喷水头711喷出的废水集中于蒸气气化腔433的中心对撞，一方面用于形成水雾，另一方面可使燃烧室41的燃料燃烧后的气体与废水吸热后形成的蒸气均匀掺混。在本实施例中，在蒸气室43上端沿其圆周方向设有2组～4组喷水组件71。 [0058] 在本发明的一实施例中，如图5所示，该喷水头711具有水流通道712，该水流通道712的入口端713直径是水流通道712的出口端714直径的3倍。进一步的，该水流通道712靠近其出口端714处设有直径减缩段715。在本实施例中，水流通道712的入口端713的直径为 1.5mm～3.5mm。 [0059] 该直径减缩段715为形成在水流通道712内的圆台体形通道，该直径减缩段715为自入口端713向出口端714的方向，其通道的直径逐渐收缩，本发明在喷水头711的水流通道712内采用直径减缩段715的设计，可以使自水流通道712的入口端713流入水流通道712的出口端714的废水水流形成射流，以便吸收蒸气室43内的热量，且减低喷水头711的出口端 714温度。 [0060] 进一步的，该水流通道712的出口端714形成有弧形倒角外周缘716，也即，在出口端714的外边缘形成一圈弧形倒角结构，这样可防止自喷水头711喷射的废水在喷水头711的出口端714形成结垢，同时该弧形倒角外周缘716的喷口加工端面及水流通道712的内表面粗糙度低，使废水流过时表面光滑，以进一步防止结垢。 [0061] 该废水复合热载体发生器的工作过程如下：首先，通过发生器头部结构20的进水通道28向发生器本体42的蒸气室43内注入废水、以及通过冷却气化装置7向蒸气室43内注入废水，在本发明中，该废水为原油开采中油水分离后的废水，同时，通过设置在发生器头部结构20内的燃烧喷嘴向发生器本体42的燃烧室41内喷入燃料；打开点火电极，自燃烧喷嘴喷出的燃料在燃烧室41内燃烧，注入蒸气环腔432内的废水首先通过头部本体2的冷却腔27冷却头部本体2及其内的耐高温隔热层26、燃烧喷嘴和点火电极，而后通过出口管272高速喷入蒸气室43的蒸气环腔432，蒸气环腔432内的废水吸收燃烧室41内因燃烧产生的热量，一方面用于冷却燃烧室41，另一方面，蒸气环腔432内的废水吸收热量后会生成过热蒸气，该些过热蒸气会流入蒸气室43顶部的蒸气气化腔433内，同时燃料在燃烧室41内充分燃烧后生成的气体也会排入蒸气室43顶部的蒸气气化腔433内；之后，通过冷却气化装置7的多个喷水头711向蒸气气化腔433内喷入废水，该些自多个喷水头711喷入蒸气气化腔433内的废水会吸收燃烧室41上方的热量瞬间气化成蒸气，该蒸气与燃烧室41内排出的气体及蒸气环腔432内排出的蒸气三者互相掺混，最终形成高温复合热载体，该复合热载体自连接在蒸气室43上端的出口管道431排出。 [0062] 本发明的废水复合热载体发生器，将原油开采中油水分离后的废水，一部分由头部本体2的进水通道28，经头部本体2的冷却腔27后注入蒸气室43，另一部分自冷却气化装置7的多个喷水头711喷入蒸气室43，该废水不但能冷却头部本体2，提升发生器头部结构20的使用寿命，而且还能吸收燃烧室41的热量，使燃烧室41能耐更高的温度，并气化为复合热载体所需的蒸气；另外，废水气化后，废水中的钙镁离子会在蒸气室43内形成水垢，该些水垢会沉积至头部本体2的排垢环槽211中，并最终从头部本体2内的多个排垢通道29顺利排出。另外，本发明通过废水复合热载体发生器的冷却气化装置7实现输出复合热载体可以按照工艺要求调整输出温度；本发明不仅可以满足高压燃烧并安全输出复合热载体的要求，同时该发生器还可使用原油分离出的废水作为冷却水对发生器进行冷却处理并生成复合热载体所需的蒸气，该废水复合热载体发生器可对原油分离后的废水循环再利用，其不仅节约清水资源，还减少了废水处理的高额费用。 [0063] 实施方式二 [0064] 如图1至图5所示，本发明还提供一种废水复合热载体发生器的复合热载体产生方法，所述复合热载体产生方法为实施方式一的废水复合热载体发生器的复合热载体产生方法，所述的废水复合热载体发生器的结构、工作原理和有益效果与实施方式一相同，在此不再赘述。所述复合热载体产生方法包括如下步骤： [0065] a)通过燃烧喷嘴向发生器本体42的燃烧室41内注入燃料，通过发生器头部结构20的进水通道28向所述发生器本体42的蒸气室43内注入废水，通过冷却气化装置7向所述蒸气室43内注入废水； [0066] b)打开点火电极，自所述燃烧喷嘴喷出的所述燃料在所述燃烧室41内燃烧，通过进水通道28以及通过所述冷却气化装置7喷入所述蒸气室43内的废水吸收热量后气化为蒸气； [0067] c)所述燃料燃烧后生成的气体和所述蒸气，在所述蒸气室的上端掺混并形成复合热载体，所述复合热载体自连接在所述蒸气室43上端的出口管道431排出。 [0068] 具体是，在步骤a)中，自发生器头部结构20的进水通道28向发生器本体42的蒸气室43内注入的废水、以及自冷却气化装置7向蒸气室43内注入的废水均为原油开采中油水分离后的废水。 [0069] 在步骤b)中，当打开点火电极，自燃料喷嘴喷入燃烧室内的燃料会进行燃烧，此时，自进水通道28喷入蒸气室43的蒸气环腔432内的废水会吸收燃烧室41的热量后气化为第一蒸气，而自冷却气化装置7喷入蒸气室43的蒸气气化腔433内的废水会吸收发生器本体42的热量后气化为第二蒸气，该第一蒸气和第二蒸气会在蒸气气化腔433内掺混形成复合热载体所需的蒸气。 [0070] 在步骤c)中，该第一蒸气、第二蒸气和燃烧室41中的燃料燃烧后生成的气体会在蒸气气化腔433中均质掺混并形成复合热载体，该复合热载体会自出口管道431排出本发明的废水复合热载体发生器。 [0071] 本发明的复合热载体产生方法，不仅可以满足高压燃烧并安全输出复合热载体的要求，同时还可使用原油分离出的废水作为冷却水对发生器进行冷却处理并生成复合热载体所需的蒸气，该复合热载体产生方法可对原油分离后的废水循环再利用，其不仅节约清水资源，还减少了废水处理的高额费用，实现多元热流体技术在油砂开采的应用。 [0072] 以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。 |
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