NO118544B

NO118544B -

Info

Publication number: NO118544B
Application number: NO154819A
Authority: NO
Inventors: J Ross; D Boynton; F Gallus
Original assignee: Union Carbide Canada Ltd
Priority date: 1963-09-23
Filing date: 1964-09-19
Publication date: 1970-01-12
Also published as: BE653463A; GB1010407A; US3235182A

Description

Apparat for termisk boring i mineraler. Apparatus for thermal drilling in minerals.

Foreliggende oppfinnelse angår et apparat for termisk boring i mineraler, nærmere bestemt et apparat beregnet på å fjerne bergarter ved hjelp av en hurtigbevegende og høytemperert flamme fremstilt ved forbrenning av et flytende hydrocarbon med luft. Van-lige apparater som produserer stråleflammer til bruk ved termisk boring bruker ren oksygen og et flytende, hydrocarbon for å fremstille den høye temperatur og hastighet som er nødvendig. Slike apparater kan ikke bruke luft som oksygenkilde. The present invention relates to an apparatus for thermal drilling in minerals, more specifically an apparatus designed to remove rocks by means of a fast-moving and high-temperature flame produced by burning a liquid hydrocarbon with air. Conventional apparatus that produces jet flames for use in thermal drilling uses pure oxygen and a liquid hydrocarbon to produce the high temperature and speed required. Such devices cannot use air as an oxygen source.

Hovedhensikten med denne oppfinnelse er derfor å tilveie-bringe et apparat for termisk boring i mineraler som kan drives med luft og et flytende hydrocarbon. The main purpose of this invention is therefore to provide an apparatus for thermal drilling in minerals which can be operated with air and a liquid hydrocarbon.

Andre mål er å frembringe en forstøvningsbrenner som vil kunne arbeide sikkert med luft og flytende brennstoff og hvor forholdet mellom luft og drivstoff kan variere sterkt, å frembringe et apparat som kan tennes lett og sikkert, å frembringe en brenner som kan bruke et lukket vannkjølingssystem og å frembringe en oppfinnelse som kan produsere billig varme til å rømme borhull enten disse er fremstilt ved mekanisk eller termisk boring. Other goals are to produce an atomization burner that will be able to work safely with air and liquid fuel and where the ratio between air and fuel can vary greatly, to produce an apparatus that can be ignited easily and safely, to produce a burner that can use a closed water cooling system and to produce an invention that can produce cheap heat to escape boreholes whether these are produced by mechanical or thermal drilling.

Disse og andre mål vil klarlegges i den følgende beskrivelse og tegning hvor: These and other goals will be clarified in the following description and drawing where:

Fig. 1 er et avkuttet snitt av foreliggende oppfinnelse,Fig. 1 is a cutaway section of the present invention,

fig. 2 er et snitt tatt langs linjen 2-2 på fig. 1,fig. 2 is a section taken along line 2-2 in fig. 1,

fig. 3 er et snitt tatt langs linjen 3_3 Pa fig* 1 og;fig. 4 er et partielt snitt gjennom en alternativ brennstoff dy se. ;De nevnte mål oppnås ved hjelp av et apparat som består;av et borerør for termisk boring i mineraler eller liknende materiale. Boringen utføres med en hurtigbevegende stråleflamme fremstilt ved forbrenning av et flytende hydrocarbon med luft i et borhus hvori det er plasert et sylindrisk forbrenningskammer av tungtsmeltelig metall med en nedre og en øvre ende hvortil den sist nevnte er festet en dyse for flytende drivstoff som sprøyter forstøvet drivstoff inn i nevnte forbrenningskammer. Videre er nevnte forbrenningskammer forsynt med fire grupper av lufttilførselsventiler som er vendt bakover mot den øvre ende av forbrenningskammeret. Ventilene er plasert i hver sin kvadrant rundt på den sylindriske vegg i forbrenningskammeret og like nedenfor øvre ende av nevnte kammer. På ' < liknende måte ;er det plasert grupper av bakovervendte lufttilførselsventiler i flere seksjoner nedover mot den nedre del av forbrenningskammeret. ;Borhuset er videre utstyrt med ledninger som skal lede;luft til forbrenningskammeret og drivstoff til dysen.;I denne beskrivelse er ordet seksjon brukt om et plan;lagt loddrett på forbrenningskammerets lengdeakse. ;Oksygen/drivstoff-flammer har vært brukt i mange år for;å knuse og/eller fjerne mineraler av forskjellig slag. Man har oppdaget at oksygen kan erstattes med luft ved boring i spesielt lett splinterbare bergarter, og at bergarten i dette tilfelle fjernes like fort som når man bruker oksygen. ;Fordelen med en luft/drivstoffbrenner ligger vesentlig i eliminasjonen av de store kvanta komprimert ren oksygen. Da oksygen er relativt dyrt nedsetter dette fordelene ved større borehastig-heter. Dessuten er det ikke alltid mulig å fremstille og/eller lagre de nødvendige kvanta oksygen på borstedet. Foreliggende luft/drivstoff-brenner vil derfor bety bedre økonomi ved termisk boring. Man oppdaget at tenning og opprettholdelsen av en stabil luft/drivstoff-flamme var avhengig av den måten luften ble ført inn i forbrenningskammeret på. ;Utformningen av en brenner som vil kunne drives med luft;og tungtflytende drivstoff som dieselolje eller tung fyringsolje, uansett om forholdet luft/drivstoff varierer sterkt, er ikke bare å erstatte oksygen med luft i en ordinær brenner. Man oppdaget at tenning og opprettholdelsen av en stabil luft/drivstofflamme var avhengig av den måten luften ble ført inn i forbrenningskammeret på. ;Det er viktig at det i en luft/drivstoffbrenner holdes høyest mulig temperatur i flammen. Dette gjør det nødvendig å bruke en dyse med rett utløpsrør i stedet for en vanlig DeLavaldyse som brukes i ordinære oksygen/drivstoffbrennere. ;Videre må det være tungtsmeltelig metall i forbrenningskammeret s vegger for å bevare varmeenergien i forbrenningssonen og derved muliggjøre god forbrenning. Temperaturen i forbrenningskammeret ligger i overkant av 1100°C. ;I et boreapparat beregnet til boring av nye hull eller å utvide gamle, vil diameteren på apparatet være avgjørende for forbrenningskammeret s diameter. Følgelig vil det som står til disposi-sjon for forbrenningen være sterkt begrenset. En luft/drivstofflamme har mindre forbrenningshastighet enn en oksygen/drivstofflamme. ;Ved store gasshastigheter vil derfor en luft/drivstofflamme ha for liten utbredelseshastighet til å opprettholde flammen inne i forbrenningskammeret. Vi oppdaget at hvis man i begynnelsen tilførte luft i forbrenningskammeret, så ville dette overskudd av luft danne hvirvler med det forstøvede drivstoff, og disse hvirvler vil stadig være brennende og dermed opprettholde flammen inne i forbrenningskammeret. Etterhvert pumper man inn mer luft gjennom ventiler lenger nede i forbrenningskammeret, og forbrenningen blir dermed fullstendig. Flammehastigheten ved hver åpning kan nedsettes ytterligere og utstyret kan brukes med stor variasjon i forholdet luft/drivstoff. ;Utstyret i foreliggende oppfinnelse kan operere med vekts- ;forholdet mellom luft/drivstoff som ligger mellom 4-'l og 25:1;med det fordelaktigste område liggende mellom 12:1 og 17:1. Det støkiometriske forhold ligger på 15:1. ;Idet man refererer til tegningene viser fig. 1 et borerør;B som består av et ytre hus C hvori det er et forbrenningskammer D. Dette kammer har en øvre ende I og en nedre ende 0. Endestykket 1 stenger øvre ende av forbrenningskammeret og i den nedre ende er en utløpsdyse 3»Dysen 3 er vannavkjølt og konstruert til å tåle et kammertrykk på 4»2 til 5»25 kg/cm^ samt tåle gjennomstrømning av de gassmengder som dannes under forbrenningen. Dysen 3 kan være en rett-boret dyse for maksimal temperatur eller man kan innsette en DeLavaldyse ved eksepsjonelt store gasshastigheter. En drivstoffdyse 5 er montert på endestykket i forbrenningskammeret og står i forbindelse med en drivstofftank gjennom ledningen 7. -I endestykket er det også utformet en passasje 9 gjennom hvilken oksygen eller oksygenanriket luft kan tilføres kammer D for å tenne borerøret ved hjelp av en ytre flamme som slår inn i borerøret. ;Konstruksjonen av kammer D er meget vesentlig av-de oven-nevnte grunner. I den spesielle utforming som er vist på tegningen, er en gruppe på fem åpninger 8 satt sammen slik at de danner en avkuttet trekant. Grupper av åpninger er plasert i hver sin kvadrant av kammerets omkrets i den første seksjon av nevnte kammer. Åpningene er vendt bakover med en vinkel på 45°• Antall åpninger i en gruppe kan variere sålenge mønsteret av en avkuttet trekant opprettholdes. Følgelig kan en gruppe bestå av syv, ni etc. åpninger, dog slik at antallet ikke blir så stort at det ikke blir noen avstand til gruppen i neste kvadrant. ;Tilleggsåpninger er plasert i hver kvadrant langs omkretsen i andre seksjoner 8A og 8B langsetter kammer D.■ Åpningene i hver seksjon er avpasset med hensyn til åpningene i den derpå følgende seksjon. Det er fordelaktig å plasere åpningene i seksjoner langs hele kammer D. ;Avstanden fra bakstykket 1 til senterlinjen for første åpning i første seksjon er kritisk. Fordelaktig avstand ligger her mellom 2,54~0>32 cm for et forbrenningskammer med en diametBT på 5.O8 -.1,27 cm. Hvis avstanden blir mindre, blir det vanskeligere å tenne borrøret pånytt. Hvis avstanden blir større, begrenses området hvormed forholdet luft/drivstoff kan variere. ;Komprimert luft som skal ledes inn i kammeret 'D gjennom;det nettopp beskrevne arrangement, tilføres borhuset gjennom en fleksibel slange og ned gjennom dette,langs yttersiden av kammeret D ;i en ringformet passasje 15 dannet av kammerets D yttervegg og vann-kappen 17. Vann,såvel som oksygen,til tenningen og drivstoff til forbrenningskammeret tilføres borhuset gjennom en serie slanger inne i luftslangen, og disse er merket Hw, Ho og Hf henholdsvis. Vann kommer inn i kjølekappen 17 og går gjennom passasjene 10 og 12 (se fig. 3)°g returnerer gjennom passasjene 14 og 16 til utløpet 19, hvorfra det forlater borhuset. På den vedlagte tegning er utløps-dysen 3 omgitt av en opprømmerhylse. ;Den spesielle utforming av drivstoffdysen som er vist på tegningen er ikke absolutt nødvendig i denne oppfinnelse. Enhver drivstoff dyse kan brukes bare den forstøver drivstoffet fint nok. En alternativ dyse er vist på fig. 4*I denne dyse går drivstoffet gjennom et U-formet rør 30 inn i "todyser 33°§35 hvis åpninger står mot hverandre. På denne måten vil de to drivstoffstrømmer støte mot hverandre og dermed forstøve drivstoffet. fig. 3 is a section taken along the line 3_3 in fig* 1 and; fig. 4 is a partial section through an alternative fuel dy see. The aforementioned goals are achieved by means of an apparatus consisting of a drill pipe for thermal drilling in minerals or similar material. The drilling is carried out with a fast-moving jet flame produced by burning a liquid hydrocarbon with air in a drill housing in which is placed a cylindrical combustion chamber of refractory metal with a lower and an upper end to which the latter is attached a nozzle for liquid fuel that sprays atomized fuel into said combustion chamber. Furthermore, said combustion chamber is provided with four groups of air supply valves which face backwards towards the upper end of the combustion chamber. The valves are placed in each quadrant around the cylindrical wall in the combustion chamber and just below the upper end of said chamber. In a similar manner, groups of rearward-facing air supply valves are placed in several sections downwards towards the lower part of the combustion chamber. ;The borehole is further equipped with lines that are to lead air to the combustion chamber and fuel to the nozzle. Oxygen/fuel flames have been used for many years to crush and/or remove minerals of various kinds. It has been discovered that oxygen can be replaced with air when drilling in particularly easily splinterable rocks, and that in this case the rock is removed just as quickly as when oxygen is used. The advantage of an air/fuel burner lies essentially in the elimination of the large quantities of compressed pure oxygen. As oxygen is relatively expensive, this reduces the benefits of higher drilling speeds. Furthermore, it is not always possible to produce and/or store the necessary quantities of oxygen at the drilling site. The available air/fuel burner will therefore mean better economy for thermal drilling. It was discovered that ignition and the maintenance of a stable air/fuel flame depended on the manner in which the air was introduced into the combustion chamber. The design of a burner that can be operated with air and heavy-flowing fuel such as diesel oil or heavy fuel oil, regardless of whether the air/fuel ratio varies greatly, is not just about replacing oxygen with air in an ordinary burner. It was discovered that ignition and the maintenance of a stable air/fuel flame depended on the manner in which the air was introduced into the combustion chamber. ;It is important that in an air/fuel burner the highest possible temperature is maintained in the flame. This makes it necessary to use a nozzle with a straight outlet pipe instead of a regular DeLaval nozzle used in ordinary oxygen/fuel burners. ;Furthermore, there must be hard-to-melt metal in the combustion chamber's walls in order to preserve the heat energy in the combustion zone and thereby enable good combustion. The temperature in the combustion chamber is in excess of 1100°C. ;In a drilling device intended for drilling new holes or expanding old ones, the diameter of the device will be decisive for the diameter of the combustion chamber. Consequently, what is available for combustion will be severely limited. An air/fuel flame has a lower combustion rate than an oxygen/fuel flame. At high gas velocities, an air/fuel flame will therefore have too little propagation speed to maintain the flame inside the combustion chamber. We discovered that if you initially added air to the combustion chamber, this excess air would form vortices with the atomized fuel, and these vortices would be constantly burning and thus maintain the flame inside the combustion chamber. Gradually, more air is pumped in through valves further down in the combustion chamber, and the combustion thus becomes complete. The flame speed at each opening can be further reduced and the equipment can be used with a large variation in the air/fuel ratio. The equipment in the present invention can operate with an air/fuel weight ratio between 4-1 and 25:1, with the most advantageous range between 12:1 and 17:1. The stoichiometric ratio is 15:1. Referring to the drawings, fig. 1 a bore pipe; B which consists of an outer housing C in which there is a combustion chamber D. This chamber has an upper end I and a lower end 0. The end piece 1 closes the upper end of the combustion chamber and at the lower end is an outlet nozzle 3"The nozzle 3 is water-cooled and designed to withstand a chamber pressure of 4"2 to 5"25 kg/cm^ as well as to withstand the flow of the quantities of gas formed during combustion. The nozzle 3 can be a straight-bore nozzle for maximum temperature or a DeLaval nozzle can be inserted for exceptionally high gas velocities. A fuel nozzle 5 is mounted on the end piece in the combustion chamber and is connected to a fuel tank through line 7. - In the end piece, a passage 9 is also formed through which oxygen or oxygen-enriched air can be supplied to chamber D to ignite the drill pipe by means of an external flame which hits the drill pipe. The construction of chamber D is very important for the above-mentioned reasons. In the particular design shown in the drawing, a group of five openings 8 are assembled so that they form a truncated triangle. Groups of openings are placed in each quadrant of the chamber's circumference in the first section of said chamber. The openings are turned backwards at an angle of 45°• The number of openings in a group can vary as long as the pattern of a truncated triangle is maintained. Consequently, a group can consist of seven, nine etc. openings, however, so that the number does not become so large that there is no distance to the group in the next quadrant. ;Additional openings are placed in each quadrant along the circumference in second sections 8A and 8B extending chamber D.■ The openings in each section are matched with respect to the openings in the following section. It is advantageous to place the openings in sections along the entire chamber D. The distance from the back piece 1 to the center line of the first opening in the first section is critical. Advantageous distance is here between 2.54~0>32 cm for a combustion chamber with a diametBT of 5.08 -.1.27 cm. If the distance decreases, it becomes more difficult to re-ignite the drill pipe. If the distance becomes greater, the range in which the air/fuel ratio can vary is limited. Compressed air, which is to be led into the chamber D through the arrangement just described, is supplied to the drilling housing through a flexible hose and down through this, along the outside of the chamber D, in an annular passage 15 formed by the outer wall of the chamber D and the water jacket 17 Water, as well as oxygen, for the ignition and fuel for the combustion chamber are supplied to the borehole through a series of hoses inside the air hose, and these are marked Hw, Ho and Hf respectively. Water enters the cooling jacket 17 and passes through the passages 10 and 12 (see fig. 3) and returns through the passages 14 and 16 to the outlet 19, from where it leaves the borehole. In the attached drawing, the outlet nozzle 3 is surrounded by a reamer sleeve. ;The particular design of the fuel nozzle shown in the drawing is not absolutely necessary in this invention. Any fuel nozzle can be used as long as it atomizes the fuel fine enough. An alternative nozzle is shown in fig. 4*In this nozzle, the fuel passes through a U-shaped tube 30 into two nozzles 33°§35 whose openings face each other. In this way, the two fuel streams will collide with each other and thus atomize the fuel.

For å tenne borerøret blir oksygen tilført kammer D i omtrent 20 sek. med en tilførselshastighet på 4>25 til 5>^5 m^/time og et trykk på 4»9kg/cm^, mens drivstoffet sprøytes inn. Gassblandingen antennes av en tennflamme utenfra og flammene slår tilbake inn i kammer D. To ignite the drill pipe, oxygen is supplied to chamber D for approximately 20 sec. with a feed rate of 4>25 to 5>^5 m^/hour and a pressure of 4»9kg/cm^, while the fuel is injected. The gas mixture is ignited by an ignition flame from outside and the flames strike back into chamber D.

De følgende data angis for å gi et bilde av typiske drifts-forhold ved bruk av denne oppfinnelse. The following data is given to give an idea of typical operating conditions when using this invention.

Brenneren ble tent som beskrevet ovenfor. Forbrenningskammeret var forsynt med fire grupper på fem hull hver i første seksjon. Derpå fulgte seks rader med fire hull i hver av de derpå følgende seksjoner langsetter kammeret. Utgangsdysens diameter vari-erte mellom 2,54 til 0,95 cm. Bakstykket var 2,54 cm fra senterlinjen i den første raden med huller i den første seksjonen. Komprimert luft ble tilført proporsjonalt med omdreiningstallet for kompressoren. Brenneren ble drevet ved følgende betingelser: The burner was lit as described above. The combustion chamber was provided with four groups of five holes each in the first section. Then followed six rows with four holes in each of the subsequent sections along the length of the chamber. The exit nozzle diameter varied between 2.54 to 0.95 cm. The back piece was 2.54 cm from the center line of the first row of holes in the first section. Compressed air was supplied in proportion to the speed of the compressor. The burner was operated under the following conditions:

Mens den foreliggende oppfinnelse blir beskrevet som et While the present invention is described as a

hele, er det slik å forstå at små modifikasjoner kan inntreffe for den dyktige borer uten at man derfor forlater denne oppfinnelses ånd og mål. For eksempel i tilfelle hvor omgivelsenes temperatur er lav, whole, it is to be understood that small modifications may occur to the skilled driller without therefore abandoning the spirit and aim of this invention. For example, in the case where the ambient temperature is low,

kan det være fordelaktig å forvarme drivstoffet på en eller annen måte. Grafittforing kan f.eks. brukes på innsiden av forbrennings- it may be beneficial to preheat the fuel in some way. Graphite lining can e.g. used inside the combustion

kammeret for å lette fordampningen av drivstoffet. the chamber to facilitate the vaporization of the fuel.

Claims

Device for thermal processing of minerals and mineral

similar materials using a high speed jet flame, produced by the combustion of air and a liquid hydrocarbon, e.g. diesel oil or bunkering oil C, characterized by that it comprises a housing (C), a cylindrical combustion chamber (D) placed in the housing and provided with an upstream end (I) and a downstream end (0) as well as a back plate (I) which delimits the upstream end of the chamber (D), a fine distributor (5) for liquid fuel placed on the back plate (1) for the introduction of finely divided fuel into the combustion chamber, backward groups of air metering openings (8) placed in each quadrant around the circumference of the combustion chamber in a first transverse section immediately on the downstream side in relation to the backplate, additional rearward air metering openings (8A, 8b) located in each quadrant around the circumference of the combustion chamber in several other sections, where each section is increasingly further down on the downstream side in relation to the previous section, and lines (f, 11) in the house to supply liquid fuel to the atomizer as well as air to the combustion chamber through the air metering openings.

2. Device as stated in claim 1, characterized in that the openings (8, 8A, 8b) in alternating sections are arranged in a zig-zag pattern in relation to the openings in the sections that abut the said section on both sides.

3" Device as specified in claim 1, characterized in that the openings (8, 8A, 8b) stand at an angle of approximately 45° S and are directed backwards.

4. Device as stated in claim 1, characterized in that the openings (8) in the first section are designed in such a way that they let through at least 20% of the total air introduced into the combustion chamber.

5. Device as stated in claim 1, characterized in that the distance from the back plate (1) to the center line of the air dosing openings (8) in the first section is approximately 28.6 mm.

6. Device as specified in claims 1-5, characterized in that it comprises a passage arranged in the back plate (1) for the introduction of oxygen gas or oxygen-enriched air to the combustion chamber (D) for igniting finely divided fuel which is injected into the chamber via the fuel fine distributor ( 5)» a number of lines connected to the fuel fine distributor, with the passage (9) for oxygen gas or oxygen-enriched air and with the air dosing openings (8, 8A, 8B) for the supply of liquid fuel, oxygen gas and air resp. a water jacket surrounding the housing, means for circulating water through the water jacket and a liquid-cooled discharge nozzle (3) designed to emit a high-velocity flame at the downstream end of the combustion chamber.