Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СЖИГАНИЯ ГАЗОВ

Изобретение относится к газогорелочным устройствам и может быть применено в газовой промышленности для создания способов сжигания попутных и продувочных газов, особенно содержащих конденсат и сероводородные соединения.

Одной из проблем, возникающих при сжигании продувочных и попутных газов, особенно содержащих конденсат и сероводородные соединения, является обеспечение максимально возможной полноты сгорания газов, получение продуктов сгорания с минимальным содержанием сероводородных соединений, не превышающих предельно допустимые нормы, и уменьшение шума при работе горелки.

Известна горелка, содержащая корпус с соосно установленной трубой, снабженной по периферии участка, выведенного за пределы корпуса, рассекателем в виде тела Коанда, размещенным с зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом в трубе дополнительно установлена отсасывающая трубка, нижний конец которой выведен в корпус, и на участке трубы, размещенном в корпусе, выполнено уширение с отверстиями по его образующей, при этом отношение площади зазора к площади выходного сечения трубы составляет 0,75-1,3 (А.с. СССР №643719 от 06.01.77. МКИ F23D 13/20).

Недостатками известной горелки является неполное сгорание газа и конденсата, повышенное содержание вредных примесей в продуктах сгорания.

Известна горелка, содержащая корпус с соосно установленной трубой, снабженной по периферии участка, выведенного за пределы корпуса, рассекателем в виде тела Коанда, размещенным с зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом в трубе дополнительно установлена отсасывающая трубка, нижний конец которой выведен в корпус, и на участке трубы, размещенном в корпусе, выполнено уширение с отверстиями по его образующей, при этом отношение площади зазора к площади выходного сечения трубы составляет 0,75-1,3, участок трубы, выведенный за пределы корпуса, выполнен в виде сопла Лаваля, а верхний торец отсасывающей трубки размещен на входе в указанное сопло (А.с. СССР №937888 от 01.10.80, дополнительное к а.с. №643719, МКИ F23D 13/20).

Указанная горелка работает следующим образом.

Сбрасываемый из скважины газ подается к трубе и разделяется на два потока. Первый поток газа поступает к соплу Лаваля, а второй поток - через отверстия трубы - в корпус горелки. При выходе из отверстий газ в начальный момент времени движется в направлении нижней части корпуса, а затем изменяет направление движения на противоположное и движется к боковому кольцевому зазору. При изменении направления движения газ отделяется от жидкой фазы (конденсата), которая собирается в нижней части корпуса. Очищенный поток газа, выходя из бокового кольцевого зазора, вследствие возникающего эффекта Коанда, прилипает к поверхности рассекателя и создает вокруг него зону пониженного давления, в которую вовлекается окружающий воздух. Воздух смешивается с поступающим газом и полученная газовоздушная смесь движется в направлении образующей конического участка рассекателя, к выходу первого потока газа.

Первый поток газа, выходя по трубе из сопла Лаваля, подсасывает из корпуса, при помощи отсасывающей трубки, конденсат. Поток конденсата, за счет повышенной скорости газа в узком сечении сопла Лаваля, дробится на мелкодисперсные капли, смешивается с первым потоком газа и вторым газовоздушным потоком. Полученная смесь газа, воздуха и конденсата бездымно сгорает.

Основным недостатком данной горелки является то, что газ, поступающий по центральной трубе, поступает к профилированному соплу с давлением, значительно больше атмосферного, и повышенной скоростью, дополнительно разгоняется в сопле, что приводит к образованию скачков уплотнения за рассекателем, повышенному шуму и вибрациям при работе горелки, ухудшению условий смесеобразования и увеличению длины факела. Это влечет за собой уменьшение полноты сгорания не до конца очищенных газов и увеличению содержания вредных выбросов, в частности сероводорода и его соединений, в продуктах сгорания.

Известен способ сжигания газов при помощи факельной горелки и горелка для реализации указанного способа, содержащая корпус с соосно установленной трубой, снабженной по периферии участка, выведенного за пределы корпуса, рассекателем в виде тела Коанда, размещенным с зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом участок трубы, выведенный за пределы корпуса, выполнен в виде сопла Лаваля, а внутри трубы установлены полые профилированные тела, каждое из которых имеет одно минимальное проходное сечение, расположенное в его выходной части, при этом число полых профилированных тел определено из соотношения n=Р_вх/Р_вых·k:, где: n - число полых профилированных тел; Р_вх - давление на входе в трубу; Р_вых - давление на выходе из трубы (атмосферное); k - коэффициент восстановления полного давления, равный 0,7-0,8 (патент РФ №2315239, МПК: F23D 13/20 - прототип).

Указанный способ реализуется следующим образом.

Сбрасываемый из скважины газ после входа в трубу разделяют на два потока.

Первый поток газа поступает к соплу Лаваля, а второй поток - через отверстия в трубе - в кольцевой зазор между корпусом и трубой. Первый поток поднимается вверх по трубе, попадает в сужающуюся часть полого профилированного тела, сужается, проходит минимальное сечение и снова расширяется. За счет сжатия и последующего расширения газа происходит уменьшение давления газа на выходе из расширяющейся части, и в сужающуюся часть следующего профилированного тела газ поступает уже с меньшим давлением, чем в предыдущее, и, соответственно, меньшим, чем давление на входе в трубу. Таким образом, пройдя через несколько последовательно установленных профилированных тел и теряя на каждом из них давление за счет чередующихся процессов сжатия-расширения, газ поступает к профилированному соплу с заданным давлением, близким к атмосферному.

Первый поток газа, выходя по трубе из сопла Лаваля, подсасывает за счет разности скоростей из кольцевой полости, образованной корпусом и трубой, при помощи всасывающей трубки, конденсат. За счет того, что оставшийся поток конденсата подается к выходной части сопла, обеспечивается его повышенная турбулентность и скорость на выходе из сопла и поток первоначально более эффективно дробится на мелкодисперсные капли, а затем перемешивается с первым потоком газа и вторым газовоздушным потоком. Полученная смесь газа, воздуха и конденсата бездымно сгорает, обеспечивая при сгорании пониженное содержание вредных примесей в продуктах сгорания.

Основным недостатком данной горелки является то, что на рассекателе образуется значительная неравномерность в скорости потока, что приводит к образованию скачков уплотнения за рассекателем, повышенному шуму и вибрациям при работе горелки, ухудшению условий смесеобразования и увеличению длины факела. Это влечет за собой уменьшение полноты сгорания не до конца очищенных газов и увеличению содержания вредных выбросов, в частности сероводорода и его соединений, в продуктах сгорания.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание горелки, конструкция которой позволяет обеспечить улучшенные условия смесеобразования и максимально возможную полноту сгорания газов с уменьшенным шумом и вибрациями при работе горелки.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в предложенном способе сжигания газов при помощи факельной горелки, содержащей полый корпус в виде трубы, снабженной в выходной части рассекателем, размещенным с кольцевым зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом внутри трубы установлено одно полое профилированное центральное тело, которое имеет одно минимальное проходное сечение, расположенное в его выходной части, заключающемся в подаче потока газа на рассекатель через полые профилированные тела с воздействием на указанный поток по принципу «сжатие-расширение», согласно изобретению, полый корпус факельной горелки выполняют с коническим расширением в его выходной части, при этом выходной рассекатель выполняют в виде конуса, обращенного вершиной к входной части корпуса горелки, причем по оси рассекателя, параллельно или практически параллельно оси факельной горелки, выполняют сквозной канал, при помощи которого соединяют полость под рассекателем с окружающей атмосферой, при этом в кольцевом зазоре, предпочтительно, между выходной частью рассекателя и выходной конической частью корпуса, устанавливают дополнительные рассекатели, которые выполняют, преимущественно, в виде кронштейнов V-образного профиля, обращенных вершиной к входной части корпуса, при этом в минимальном сечении входного профилированного центрального тела устанавливают с образованием кольцевого зазора дополнительный рассекатель, который выполняют, преимущественно, в виде конуса, обращенного вершиной к входной части корпуса горелки, при этом газ подают через кольцевую щель, образованную профилированным входным центральным телом и полым профилированным центральным телом, предотвращая, таким образом, попадание воздуха внутрь полого корпуса факельной горелки, а затем поток газа разделяют, как минимум, на три потока, при этом один поток пропускают через профилированные щели, образованные дополнительными V-образными рассекателями, другой - через кольцевую щель, образованную указанными дополнительными рассекателями и конической частью рассекателя, установленного в выходной части корпуса, третий - через центральный канал в упомянутом выходном конусообразном рассекателе.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявляемом устройстве, в отличие от конструктивного выполнения прототипа, в минимальном сечении, как минимум, одного профилированного центрального тела, предпочтительно, входного, установлен с образованием кольцевого зазора, дополнительный рассекатель, выполненный, преимущественно, в виде конуса, обращенного вершиной к входной части корпуса горелки.

При использовании традиционных конструкций сжигание тяжелых углеводородов сопровождается дымообразованием за счет неполного сгорания, что, в свою очередь, является следствием малого содержания первичного воздуха перед фронтом пламени и малой поверхности контакта горючего газа с воздухом. Предлагаемая конструкция факельного оголовка, за счет принципа многоструйности, обеспечивает гораздо большую поверхность контакта и лучшее смешение с воздухом перед фронтом горения.

Такая совокупность признаков позволяет получить новые свойства, заключающиеся в том, что, благодаря организации кольцевого течения внутри корпуса горелки, получают достаточно равномерный профиль скорости газа на выходе из факельной горелки, что, в свою очередь, приводит к снижению токсичности продуктов сгорания, снижению шума от факельной горелки и повышению стабильности воспламенения.

Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого технического решения, благодаря наличию новых признаков, обеспечивает получение технического результата, выражающегося в улучшении условий смесеобразования, значительном снижении уровня шума, возникающего при работе горелки, и уменьшении длины факела, получении повышенной полноты сгорания газовоздушной смеси за счет улучшения условий смесеобразования и возможности унификации горелок.

Указанные существенные признаки в совокупности, характеризующей сущность заявляемого технического решения, не известны в настоящее время для горелок и устройств для сжигания топлива. Аналог, характеризующийся идентичностью всем существенным признакам заявляемого изобретения, в ходе исследований не обнаружен, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «Новизна».

Существенные признаки заявляемого изобретения не могут быть представлены как комбинация, выявленная из известных решений с реализацией в виде отличительных признаков для достижения технического результата, из чего следует вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».

В связи с тем, что представленное техническое решение предназначено для использования в рамках реальной системы дожигания газов и подготовлено заявителем для внедрения в производство, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана предложенная факельная горелка в аксонометрии, на фиг.2 показан осевой разрез предложенной факельной горелки, на фиг.3 - вид сверху на предложенную факельную горелку, на фиг.4 - поперечный разрез А-А по уровню входного рассекателя, на фиг.5 - продольный разрез на уровне выходного рассекателя, на фиг.6 - распределение поля скоростей для обычной горелки, на фиг.7 - распределение поля скоростей для предложенной горелки.

Предложенный способ может быть реализован при помощи факельной горелки, содержащей полый корпус 1 в виде трубы, в верхней части которой установлен выходной рассекатель 2, размещенный с кольцевым зазором 3 относительно верхнего торца корпуса. Полый корпус 1 выполнен с коническим расширением 4 в его выходной части. Выходной рассекатель 2 выполнен в виде конуса, обращенного вершиной к входной части корпуса 1 горелки. По оси рассекателя 2, параллельно или практически параллельно оси факельной горелки, выполнен сквозной канал 5, соединяющий полость под рассекателем с окружающей атмосферой. В кольцевом зазоре 3, между выходной частью рассекателя 2 и выходной конической частью 4 корпуса 1, установлены дополнительные рассекатели 6, выполненные, преимущественно, в виде кронштейнов V-образного профиля, обращенных вершиной к входной части корпуса 1. Между дополнительными рассекателями 6 и выходным рассекателем 2 выполнен кольцевой зазор 7.

Внутри корпуса 1, во входной его части, установлено, как минимум, одно входное полое профилированное центральное тело 8, которое имеет одно минимальное проходное сечение 9, расположенное в его выходной части. В минимальном сечении входного профилированного центрального тела 8 установлен с образованием кольцевого зазора 10 дополнительный рассекатель 11, выполненный, преимущественно, в виде конуса, обращенного вершиной к входной части корпуса 1 горелки.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Поток газа подают на вход в корпус 1 горелки. Газ проходит через кольцевой зазор 10, образованный входным полым профилированным центральным телом 8 и дополнительным рассекателем 11, установленным в минимальном проходном сечении 9, при этом, за счет увеличения скорости газа, происходит «запирание» минимального сечения факела и предотвращается попадание воздуха внутрь корпуса 1.

Далее газ проходит через коническое расширение 4, выполненное в форме конфузора, который формирует форму потока и снижает градиент скоростей в поперечном сечении.

После конического расширения поток газа разделяют на три части. Первую часть потока газа подают в треугольные щели, образованные выходными треугольными рассекателями 6 и выходной частью рассекателя 2, при этом газ интенсивно смешивается с окружающим воздухом за счет большей площади контакта, по сравнению с традиционными конструкциями.

Вторую часть потока газа подают в кольцевую щель, образованную дополнительными рассекателями 6 и выходным рассекателем 2. На выходе, благодаря указанным рассекателям 6, происходит формирование трапециевидной формы потока с большой площадью контакта с окружающей средой, при этом средний поток газа также интенсивно смешивают с воздухом, который подходит к указанному потоку в промежутках между треугольными внешними потоками.

Третью часть потока газа подают в центральное отверстие 5 в выходном конусном рассекателе 2, что позволяет снизить температурные нагрузки на конусный рассекатель 2.

Данную конструкцию факельного оголовка наиболее целесообразно применять на факельных установках, в сбросе которых в значительном количестве присутствуют тяжелые углеводороды (С₄-С₁₀). При этом за счет хорошего предварительного смешения газа с воздухом, для обеспечения бездымной работы, не требуется подача пара или сжатого воздуха. При наличии в составе сброса ароматических, непредельных, диеновых углеводородов фенольного ряда, рекомендуется подавать пар в центральное отверстие 5 в конусном рассекателе 2.

Проведенные авторами и заявителем испытания полноразмерной факельной горелки полностью подтвердили правильность заложенных конструкторско-технологических решений.

Использование предложенного технического решения позволит более эффективно организовать процесс подготовки смеси перед сгоранием, уменьшить длину факела и шум при работе горелки, повысить полноту сгорания конденсатосодержащих газов и уменьшить содержание вредных примесей в продуктах сгорания за счет улучшения условий сгорания газовоздушной смеси.