СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА И ГОРЕЛКА УНИВЕРСАЛЬНАЯ
FUEL COMBUSTION METHOD, AND GENERAL-PURPOSE BURNER

Предлагаемые решения относятся к способам и устройствам для сжигания газообразного топлива различной насыщенности по содержанию азота и других негорючих газов в топках печей нагрева нефти, путевых подогревателей, паровых и водогрейных котлов и т.д.
Сжигание на факелах попутного нефтяного газа (ПНГ), особенно забалластированного ПНГ - с высоким содержанием азота (часто от 70 до 98%), приводит к выбросу большого объема соединений азота, образующихся на низких температурах горения (до 600°С), загрязняющих атмосферу. Для решения этой проблемы применяют различные способы утилизации ПНГ (физико-энергетические, термо-химические; химико-каталитические методы) с целью дальнейшего использования продуктов переработки в качестве топлива для получения электроэнергии на газотурбинных электростанциях и тепла.
Кроме того, ПНГ применяют в качестве топлива в установках для подогрева нефти, используемых непосредственно на промыслах при подготовке нефти для передачи в нефтепровод и на нефтеперерабатывающих предприятиях.
Известен способ сжигания ПНГ (патент №52921, опубл. 27.04.2006, №53178, опубл. 10.05.2006, ОАО «Нефтемаш», г.Екатеринбург). При этом ПНГ подают на сопло горелки нагревателя нефти. Горелка работает от одного вида топлива - ПНГ, подаваемого в достаточном количестве. Недостатком данного способа является невозможность использования негорючего ПНГ с повышенным содержанием азота и других негорючих газов. Такие газы невозможно использовать в качестве основного топлива.
Для сжигания ПНГ обычно предварительно смешивают с природным газом. Далее готовую смесь подают на горелочное устройство. При этом снижается калорийность топлива и увеличивается потребление природного газа.
Ближайшим аналогом заявляемой способа и горелки являются способ интенсификации процесса сжигания топлива горелочное устройство для его реализации (патент №2453767, опубл. 20.11.2012, Чумак В.Т., г.Чехов), содержащее первый канал подачи топлива первого типа (жидкого) во вставке (форсунке) и практически соосно расположенный вокруг него кольцевой второй канал подачи топлива второго типа (газообразного), имеющий множество дополнительных боковых отверстий в выходной части трубопровода (коллектора газа), образующего этот канал. Второй канал для топлива расположен между двумя кольцевыми каналами подачи воздуха (внешним и внутренним). Во внутреннем воздушном канале расположен первый канал подачи топлива. На корпусе воздуховода внешнего канала установлено две ступени пластинчатых завихрителей, а на выходной части газового коллектора (втором канале подачи топлива) - множество радиальных отверстий для выхода газа между ступенями завихрителей. За счет ступенчатого перемешивания газа и воздуха формируют эффективную горючую газовоздушную смесь (ГВС). Таким образом, способ включает подачу потока воздуха, подачу потока топлива первого типа по первому каналу, розжиг потока топлива первого типа с получением первого пламени, а также подачу потока топлива второго типа по расположенному практически соосно с первым второму кольцевому каналу с множеством дополнительных боковых струйных выходов в выходной части трубопровода для получения второго пламени. Однако для розжига подают готовую ГВС с резким падением ее скорости при попадании в топку. При этом сжигание ПНГ возможно только совместно с жидким топливом из первого канала, используемым в том числе и для розжига горелки. Сжигание ПНГ с высоким содержанием негорючих газов невозможно, т.к. не образуется второе пламя.
Задачей предлагаемого способа сжигания топлива является возможность максимально эффективного сжигания ПНГ любого состава, в том числе забалластированного ПНГ I ступени сепарации с содержанием азота более 80% (до 98%), сведение к минимуму выбросов вредных веществ в атмосферу, при существенной экономии топлива высокого качества (природный газ, товарную нефть) в топках. При этом необходимость расхода топлива на факелах исчезает.
Задачей предлагаемого устройства является создание простой и надежной конструкции горелки, позволяющей получить вышеуказанный технический результат.
Сущность изобретения.
Для решения задачи служит способ сжигания топлива, включающий подачу потока воздуха, подачу потока топлива первого типа по первому каналу, розжиг потока топлива первого типа с получением первого пламени, а также подачу потока топлива второго типа по расположенному практически соосно с первым второму кольцевому каналу для получения второго пламени, а потоки воздуха и всех типов топлива являются регулируемыми. При этом первый канал расположен во втором канале без кольцевого воздушного канала между ними, а подачу потока топлива первого типа производят при практически прекращенном потоке воздуха. Кроме того, второй канал имеет множество дополнительных боковых струйных выходов, распределяя второй поток топлива на дополнительные потоки, кроме основного кольцевого потока. Подачу потока топлива второго типа по второму каналу для получения второго пламени производят под давлением, равным или превышающим давление потока топлива первого типа (от 1 до 30 раз), при постепенном увеличении подачи потока воздуха, предотвращающем отрыв первого и второго пламени.
Таким образом, в топку подают не готовую горючую ГВС, а производят раздельную подачу различных видов топлива. При этом негорючие газы топлива второго типа подают после розжига первого пламени, что по достижении высоких температур в топке позволяет полностью сжигать даже забалластированный ПНГ.
Целесообразно, чтобы подачу потока топлива второго типа производили после достижения температуры первого пламени, предотвращающей образование различных соединений азота и других вредных газов. При этом полностью исключается выброс вредных веществ в атмосферу.
Целесообразно, чтобы подачу потока воздуха производили бы по двум кольцевым каналам, между которыми производят подачу третьего потока топлива третьего типа по третьему кольцевому каналу с получением опережающего пламени, производят уменьшение третьего потока, посредством опережающего пламени производят розжиг первого пламени. При этом упомянутые каналы (для воздуха и третьего топлива) расположены практически соосно вокруг второго канала, а первый и второй каналы являются выступающими на величину не менее длины выходной части с множеством дополнительных боковых выходов, а потоки воздуха в каждом кольцевом канале являются регулируемыми.
Целесообразно, чтобы перед подачей топлива первого типа мощность опережающего пламени уменьшали.
Целесообразно, чтобы подачу топлива третьего типа постепенно прекращали, при этом горелку переводят в основной режим работы на топливе первого и второго типов. Такой режим выбирают при возможности уменьшения технологических нагрузок.
Для решения задачи служит горелка универсальная, содержащая трубопровод с множеством боковых струйных выходов в выходной части трубопровода, практически соосно расположенную вставку с первым каналом подачи топлива первого типа, образующую в трубопроводе кольцевой второй канал подачи топлива второго типа. Горелка выполнена с возможностью регулируемой подачи топлива в каждый из каналов. При этом трубопровод содержит корпус и съемную насадку, в которой выполнены упомянутые струйные выходы.  Топливо первого типа обычно горит хорошо, а топливо второго типа имеет худшие характеристики горючести (как правило это ПНГ I ступени сепарации, в том числе забалластированный ПНГ), которое подают под давлением, равным либо превышающим в пределах от 1 до 30 раз давление топлива первого типа.
Целесообразно, чтобы на корпусе была закреплена заглушка.
Целесообразно, чтобы множество струйных выходов были выполнены радиальными группами, расположенными равномерно по поверхности насадки.
Целесообразно, чтобы торец вставки выступал за торец насадки.
Целесообразно, чтобы выходная часть вставки была выполнена конически расширяющейся.
Целесообразно, чтобы расширяющаяся часть вставки была выполнена съемной.
Целесообразно также, чтобы горелка дополнительно содержала два практически соосно расположенных кольцевых канала подвода воздуха (внешний и внутренний) и кольцевой третий (внешний) канал подвода топлива третьего типа между ними. При этом каналы для подвода топлива первого и второго типа выполнены выступающими на величину не менее длины выходной части с множеством дополнительных боковых выходов, а каналы выполнены с возможностью регулируемой подачи воздуха в каждый из них.
Предложенная горелка универсальная (ГУ) имеет простую конструкцию, не требующую существенных материальных затрат при изготовлении. ГУ может быть применена для реализации способа сжигания топлива в топках путевых подогревателей (ПП) нефти, воды, соль-воды типа ПП-1,6, ПП-0,63, ПНПТ-1,6, ПНПТ-0,63 в печи нагрева нефти ГПС-1, П-15 и т.п. ГУ могут устанавливать непосредственно в специальное отверстие топки, при этом в ней выполняют отверстие для воздуховода.
Кроме того, ГУ могут устанавливать в широко применяющихся горелочные устройства, относящееся к горелкам с принудительной подачей воздуха без предварительного смешивания (по ГОСТ 21204-83 «Горелки газовые промышленные») - типа ГМ, ГГВ или ГМГ (ГМГ-1,5, ГМГ-2М) - в штатное отверстие для паромеханической или механической форсунки.
Далее осуществление способа сжигания топлива в предпочтительном варианте его исполнения будет показано на примере работы ГУ в предпочтительном варианте, установленной в горелку типа ГМГ, а также непосредственно в топку.
На фиг.1 представлен чертеж горелки универсальной в предпочтительном варианте исполнения, установленной в горелку типа ГМГ.
В Таблице представлены основные варианты использования топлива первого и второго типов и предпочтительное давление во втором канале в горелке универсальной.
Изображенная на фиг.1 горелка универсальная (ГУ) содержит образующие трубопровод цилиндрические корпус 1 с насадкой 2, в которой выполнены отверстия 3, и вставку 4 с первым каналом подачи топлива первого типа 5. Вставка образует с трубопроводом кольцевой второй канал подачи топлива второго типа 6 с множеством дополнительных выходных отверстий в выходной части. ГУ соосно установлена через установочное отверстие во входном торце корпуса комбинированной горелки 7. За счет того, что трубопровод и вставка ГУ выступают за выходной торец корпуса комбинированной горелки 7 на длину насадки, каналы 5 и 6 являются выступающими. Корпус горелки 7 содержит два соосно расположенных кольцевых канала, внешний канал подвода воздуха 8 предназначен для первичного воздуха, внутренний канал подвода воздуха 9 (кольцевой за счет установки ГУ) - для вторичного воздуха, между которыми находится кольцевой третий канал подвода топлива третьего типа 10.
Подача потоков топлива и воздуха на каждый из каналов горелки осуществляется подсоединением к системам подачи соответствующих сред посредством патрубков или резьбы и может изменяться различными регуляторами подачи топлива, вентиляторами. Эти объекты широко известны, не являются предметом заявки и поэтому не описываются.
Для осуществления изобретения изготавливают детали ГУ из стальных труб, размеры которых подбирают в зависимости от требуемой мощности и видов топлива, а при установке горелки в готовые горелочные устройства - и в зависимости от размеров отверстия в их торце. Например, при установке ГУ в ГМГ-1,5 для корпуса и насадки используют трубку диаметром от 32 до 50 мм, а для вставки - от 15 до 32 мм. На корпусе ГУ закрепляют патрубок для подачи топлива. На насадке просверливают отверстия диаметром от 2 до 5 мм. Размер, количество и расположение отверстий варьируют в зависимости от необходимых показателей ГУ. В данном исполнении выполняют три/четыре группы радиально расположенных отверстий по три/четыре в каждой, группы равномерно разнесены по поверхности насадки. Для соединения корпуса и насадки нарезают трубную резьбу. Со стороны насадки вставка имеет конусное расширение (выполняется привариванием отдельной детали в виде полого усеченного конуса либо прокаткой выходной части вставки). За счет расширения достигаются необходимые направление подачи топлива и размер кольцеобразного канала 6.
Вставку продевают в корпус ГУ, располагая их соосно, заглушают кольцеобразный канал 6 со стороны подачи топлива за патрубком, чем закрепляют один конец вставки. Другой конец вставки закрепляют к корпусу точечно, не перекрывая кольцеобразный канал. На корпус наворачивают насадку. При этом торец вставки немного выступает за торец насадки.
Для данного исполнения полученную конструкцию ГУ устанавливают в корпус горелки 7 с двумя кольцевыми каналами 8 и 9 подвода воздуха и третьим каналом подвода топлива 10 между ними, установленную в топке со смотровыми окнами. Установку производят через отверстие во внутренний канал подачи воздуха так, чтобы насадка выступала за выходной торец корпуса горелки. В случае, когда диаметр корпуса меньше диаметра установочного отверстия, его закрывают закрепленной на корпусе ГУ цилиндрической заглушкой с кольцеобразным торцом, плотно прилегающей к корпусу горелки 7.
Из кольцевых каналов комбинированной горелки при работе выходят кольцевые потоки воздуха, топлива второго и третьего типов, а из первого канала 5 - струйный поток топлива первого типа.
1. Работа ГУ в комбинации с горелкой типа ГМГ (ГУ установлена в топку через штатное отверстие ГМГ. Установка дутьевого вентилятора не требуется).
В качестве топлива первого типа используют природный газ, горючий ПНГ - II ступени сепарации либо легкие фракции ПНГ, образуются от испарения на II или III ступенях сепарации.
В качестве топлива третьего типа используют топливо высокого качества - природный газ либо горючий ПНГ (в том числе ПНГ II ступени сепарации или легкие фракции (метан, бутан или другие).
При этом в качестве топлива второго типа предпочтительно использовать ПНГ I ступени сепарации - горючий или забалластированный ПНГ для полного его сжигания.
Рассмотрим совместное сжигание ПНГ II ступени сепарации (первый тип), ПНГ I ступени сепарации/забалластированного ПНГ (второй тип), природного газа (третий тип).
2
2
3
На горелку от газорегуляторной установки в каналы 10, 8, 9 подают соответственно дополнительный поток топлива третьего типа под давлением 0,05 кгс/см, и два регулируемых потока воздуха - первичный и вторичный - под давлением 2-3 мм/возд.ст. (посредством управляемых вентиляторов), получая три кольцеобразных потока. Производят розжиг опережающего пламени, устанавливают минимальную нагрузку, практически прекращая подачу воздуха и уменьшая пламя. Затем в опережающее пламя по первому каналу подачи топлива 5 подают топливо первого типа под низким давлением - от 0,01 до 0,1 кгс/см, которое загорается от опережающего пламени и образует внутреннее первое пламя. При необходимости увеличивают подачу топлива третьего типа для розжига первого. Температура в топке за счет горения топлива двух видов быстро растет, достигая значений предотвращающих образование различных вредных соединений азота. Последним во второй канал горелки (ГУ) подают топливо второго типа, постепенно увеличивая давление до давления, равного давлению топлива первого типа, постепенно доводя давление до высокого - от 0,1 до 3 кг/см. На определенном этапе (зависит от характеристик горючести топлива) и за счет высокой температуры происходит розжиг второго пламени. Показатели максимального давления зависят от характеристик газа - чем выше содержание негорючих газов в ПНГ, тем давление выше. Одновременно с наращиванием давления постепенно увеличивают давление воздуха. Регулирование потока воздуха и топлива на каждом этапе позволяет избежать отрыва пламени (первого и/или второго). При этом через струнные выходы насадки более легкие негорючие газы (азот, гелий, их негорючие соединения) вытесняются, попадают в топку, где вредные соединения разлагаются, при этом других соединений при высокой температуре не образуется (в отличие от сжигания при низких температурах на факелах), и вытесняются в атмосферу через дымовую трубу топки, не участвуя в горении. Под воздействием избыточного давления во втором канале и потока воздуха следом за легкими - оставшиеся более тяжелые газы, вытесненные через дополнительные струйные выходы и кольцевое отверстие второго канала, увлекаются вглубь топки, горение поддерживается первым пламенем, достаточным давлением (не меньше, а предпочтительно больше давления первого топлива) и высокой температурой первого пламени и всей топки (от 900 до 2100°C).
То есть подачу топлива второго типа (даже забалластированного ПНГ), его розжиг и полное сгорание обеспечивают непосредственно в топке за счет первого и второго (с дополнительными выходами) каналов подачи воздуха и достаточной тяги воздуха. Контроль процесса горения производят визуально через смотровые окна топки либо датчиками горения. При таком способе сжигания топлива общий поток пламени увеличивается на величину от 0,5 до 1,2 м по сравнению с обычным в зависимости от мощности горелки и давления подачи каждого вида топлива. Тем самым обеспечивается более равномерный прогрев поверхности топки, увеличивается ее КПД.
В зависимости от технологических нагрузок и качества топлива первого и второго типов подачу природного газа могут постепенно прекратить (при достаточной температуре - после розжига первого пламени), при этом горелка продолжает работу только за счет ГУ и вторичного воздуха.
При таком режиме используют от 30 до 20% топлива третьего типа и от 70 до 80% топлива первого и второго типов.
Кроме того, при возможности снижения нагрузки, регулированием можно подобрать режимы, когда принудительной подачи воздуха не требуется, а на ГУ поддерживают горение при низком давлении в первом и втором каналах и естественной тяге дымовой трубы за счет достаточного притока воздуха через смотровые отверстия топки.
Таким образом, горелка (и ГУ) работает по диффузионно-инжекционному принципу.
3
3
3
При испытаниях устройства на установке подготовки нефти установлено, что пропускная способность ГУ по ПНГ I ступени сепарации составляет до 16000 нм/сут, по ПНГ II ступени сепарации - до 2000 нм/сут, в зависимости от входного давления газа. При этом за месяц абсолютная экономия природного газа за счет остановки сжигания ПНГ на факеле и переводе их на горелки путевого подогревателя составила от 130000 до 140000 нм.
2. Работа ГУ в автономном режиме.
Основные варианты сочетаний топлива первого и второго типов с указанием предпочтительного давления во втором канале при использовании автономной ГУ указаны в Таблице.
Горелку устанавливают в специальное отверстие топки, закрывая его полностью, К другому отверстию (воздуховод) подключают регулируемое устройство подачи воздуха.
Осуществляют предварительную продувку (вентиляцию) топки в течение времени до 15-20 мин. Далее уменьшают либо полностью прекращают подачу потока воздуха, закрывая шибера. Производят подачу потока первого типа топлива под низким давлением, производят его розжиг. Постепенно увеличивают подачу воздуха для прогрева печи и достижения температуры, достаточной для безотходного сжигания выбранного типа второго топлива. Подают топливо второго типа, плавно увеличивая давление второго потока до розжига второго пламени. Постепенно увеличивают давление второго топлива, доводя до необходимо высокого при одновременном увеличении потока воздуха. Регулируют подачу воздуха и топлива, контролируя наличие пламени.
Розжиг второго пламени возможен также при низком давлении топлива во втором канале, при этом достаточно давления воздуха (тяги), создаваемого дымовой трубой топки, печи, ПП.
Заявленный технический результат может быть достигнут и при других конструкциях ГУ без изменения сущности заявляемых ГУ и способа, например:
- при необходимости диаметр насадки может быть больше диаметра корпуса;
- корпус и насадка могут быть выполнены в виде единой детали трубопровода;
- при выполнении вставки в виде ровного цилиндра, без конусного расширения на выходе, кольцевой размер выходного отверстия насадки для достижения оптимального размера кольцеобразного канала уменьшают до необходимой ширины кольцевого отверстия любыми известными способами (например, частично заглушая его либо выполняя его в виде конусного сужения). Кроме того, расширяющаяся часть вставки может быть съемной.
2
При установке горелки с ГУ в топках путевых нагревателей, печах нагрева нефти не требуется газорегуляторной установки, т.к. ГУ устойчива к отрыву и проскоку пламени даже при колебаниях давления до 2-х кгс/см на входах в ГУ. Поэтому при автономной установке ГУ не требуется дорогостоящих газорегуляторных установок в отличии от случаев использования известных горелок, в том числе типа ГМГ.
Таким образом, описанные способ и ГУ позволяют использовать применяемый ранее для сжигания ПНГ на факелах природный газ - для поддержания горения ПНГ в топках, получая при этом двойную экономию и обеспечивая утилизацию ПНГ (в том числе I и II ступеней сепарации) на объектах нефтедобычи до 100%.
Кроме того, исключается выброс вредных веществ в атмосферу, т.к. при воздействии высоких температур в топке вредных азотных соединений не образуется, а в атмосферу выбрасывается чистый азот. Поэтому удается избежать штрафных санкций за загрязнение окружающей среды.