Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО РОЗЖИГА ФАКЕЛЬНЫХ ГАЗОВ

Изобретение относится к области нефтегазовой, нефтехимической и других отраслей промышленности и может быть использовано с целью повышения надежности розжига газовых горелок факельных установок и снижения энергозатрат при термической утилизации токсичных продуктов производства.

На газовых и нефтяных месторождениях, на многих крупных предприятиях нефтяной, химической и нефтехимический отраслей промышленности эксплуатируются факельные установки высотного и наземного типов. Они предназначены для сжигания сбросных газов и многофазных систем промстоков, которые образуются в процессе производства.

Термическая утилизация горючих газов и токсичных жидкостей позволяет предотвратить загрязнение окружающей среды и дает возможность осуществлять эффективную эксплуатацию скважин и переработку продуктов добычи углеводородов. Кроме того, на факел направляют горючие и горючетоксичные газы и пары в аварийных случаях, в период пуска оборудования в работу, при остановке оборудования на ремонт и наладке технологического режима.

Анализ устройств термической утилизации сбросных газов на факельных установках показывает, что розжиг газовых горелок осуществляется в основном путем создания смеси топлива (природного газа) и воздуха и инициирования горения этой смеси высоковольтным электрическим разрядом.

Условием успешного розжига является формирование стехиометрической смеси природного газа и воздуха в отношении 1:10 и полное ее сгорание в зоне химической реакции, следующей за ударной волной, возникающей при подрыве этой смеси высоковольтной искрой.

Применяемые системы розжига, как отечественные, так и зарубежные обладают недостаточной надежностью и имеют ограничения по климатическим условиям эксплуатации. Основной причиной указанных недостатков известных устройств является проблема формирования стехиометрической смеси газов и устойчивой детонационной волны в линии розжига.

Известно, например, устройство для зажигания факела, состоящее из двух труб. Одна из них имеет прорезь или отверстия по всей высоте, другая, по которой поступает горючий газ, через определенные промежутки соединена маленькими трубочками с трубой с прорезью. В трубе с прорезью образуется горючая смесь из газа и подсасываемого воздуха. Для зажигания газовой горелки смесь поджигают электрозапалом в нижней части трубы (см., например, И.И.Стрижевский, А.И.Эльнатанов. Факельные установки. - Москва, Химия, 1979, с.184) [1]. Известное устройство обладает недостаточной стабильностью и низкой надежностью розжига газовых горелок в связи с тем, что стехиометрическая смесь топливного газа и воздуха, необходимая для химической реакции горения, формируется случайным образом.

Задачей изобретения является утилизация сбросных газов и многофазных систем промстоков посредством термического воздействия с помощью факельных устройств.

Технический результат изобретения состоит в повышении надежности розжига газовых горелок факельных устройств при снижении энергозатрат для формировании стехиометрической газовой смеси.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагается устройство дистанционного розжига факельных газов, включающее генератор постоянного тока, высоковольтный генератор, электролизер для автоматического создания стехиометрической смеси газов путем электролиза водного раствора гидроксида щелочного металла, снабженный электровводом, сепаратор для исключения попадания электролита в линию розжига со сливным вентилем в его нижней части, соединенный с электролизером трубкой для подачи стехиометрической смеси газов (водорода и кислорода) и их детонационного горения и газопроводной трубкой - с полостью высоковольтного электроразрядника, в котором установлены обратный клапан и свеча, а сам электроразрядник трубкой соединен с линией розжига.

Схема предлагаемого устройства представлена на чертеже.

Устройство дистанционного розжига факельных газов включает генератор 1 постоянного тока, высоковольтный генератор 2, электролизер 3, снабженный электровводом 4, сепаратор 5, соединенный с электролизером 3 трубкой 6. В нижней части сепаратора 5 установлен сливной вентиль 7. Сепаратор 5 соединен газопроводной трубкой 8 с высоковольтным электроразрядником 9, в котором установлены обратный клапан 10 и свеча 11. Высоковольтный электроразрядник 9 трубкой 12 соединен с линией 13 розжига.

Устройство функционирует следующим образом. В электролизере 3 размещают водный раствор гидроксида щелочного металла, например калия. На электроды электролизера 3 с генератора 1 постоянного тока подается ток порядка 40 А. В процессе электролиза раствора создается стехиометрическая смесь водорода и кислорода, которая по трубке 6 поступает в сепаратор 5, из него, преодолевая сопротивление обратного клапана 10, смесь газов по газопроводной трубке 8 поступает в полость высоковольтного электроразрядника 9 и по трубке 12 - в линию 13 розжига. При полном заполнении этой линии 13 розжига смесью водорода и кислорода высоковольтным импульсом с высоковольтного генератора 2 посредством свечи 11 инициируют детонационное горение этой смеси, пламенем которого поджигают топливо, поступающее в газовую горелку по отдельной трубе.

В отличие от известных устройств розжига факельных газов, в которых стехиометрическая смесь газов готовится подбором расходов воздуха и природного газа и в этой связи требующего и времени, и значительных энергозатрат, в предлагаемом устройстве стехиометрическая смесь кислорода и водорода формируется автоматически в результате электролиза водного раствора гидроксида щелочных металлов (см., например, Краткая химическая энциклопедия, т.4 - Москва, Советская Энциклопедия, 1967, с.1065).

Известно, что для любой стехиометрической смеси существуют определенные концентрационные пределы, при которых обеспечивается стационарный режим детонации. При выходе за эти пределы устойчивая детонация нарушается. В предлагаемом устройстве устойчивая детонация смеси водорода и кислорода имеет место в интервале концентраций от 20 до 90%, что в три раза превышает концентрационные пределы устойчивой детонации смеси метана и воздуха, используемой в известном устройстве [1]. Скорость детонационной волны смеси водорода и кислорода, равная 2800 м/с, значительно, в 1.6 раза, превышает скорость детонационной волны для смеси метана и воздуха (1720 м/с), что также увеличивает устойчивость детонации предлагаемой смеси вследствие меньшего снижения энергии горения путем теплопередачи стенкам трубы. Поэтому применение в предлагаемом устройстве стехиометрической смеси водорода и кислорода значительно повышает надежность розжига газовых горелок. Кроме того, сравнение параметров детонации гремучего газа и детонации смеси метана и воздуха, взятых в стехиометрических соотношениях, показывает, что температура детонации гремучего газа почти в 1,5 раза выше температуры детонации смеси метана и воздуха, (см., например, Ф.А.Баум, К.П.Станюкович, Б.И.Шихтер. Физика взрыва. Москва, ГИФМЛ, 1959, с.240-260). Это также увеличивает надежность розжига газовых горелок.

Использование в качестве электролита водного раствора гидроксида щелочного металла, например калия, относящегося к симметричным электролитам, в которых в результате электролитической диссоциации возникает одинаковое количество анионов и катионов, снижает электрическое сопротивление электролита, что уменьшает энергопотребление при реализации предлагаемого способа. Кроме того, применение в качестве электролита водного раствора гидроксида щелочного металла, например калия, застывающего (при определенных концентрациях) при температуре минус 30°С, значительно расширяет температурный диапазон применения предлагаемого способа.

Устройство дистанционного розжига факельных газов успешно прошло предварительные и приемочные испытания в широком диапазоне температур: от минус 30 до плюс 28°С, которые показали его высокую надежность, низкую энергозатратность и климатическую устойчивость.

Устройство дистанционного розжига факельных газов внедрено на Заполярном НГДУ ООО «Ямбурггаздобыча» и на Экспериментальном заводе ООО «ТюменНИИгипрогаз».