ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ФАКЕЛЬНОЙ ТРУБЫ

Полезная модель (далее ПМ) относится к области горелочных устройств факельной трубы для бездымного сжигания газов при постоянных, периодических и аварийных сбросах попутного нефтяного газа (ПНГ) в факельных установках и может быть использована в нефтяной, газовой, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.
Известен оголовок факельной установки (Описание изобретения к Патенту RU 2328655 C1 «Способ бездымного сжигания газа в факельных установках и устройство для его осуществления»), содержащий горелку в виде заглушенной факельной трубы с выходными основными соплами, направленными под углом к оси факельной трубы, дополнительные сопла и уголковые стабилизаторы-завихрители. Основные сопла выполнены в виде секторов конического кольца, образованного коническим верхним днищем и кромками факельной трубы, разделенного на сектора закручивающими ребрами-стабилизаторами горения, установленными под углом 20-90° к радиальным плоскостям, и частично ограниченного снизу косынками. Дополнительные круглые сопла расположены в плоскостях, касательных к цилиндрической поверхности, соосной с факельной трубой, и направлены под углом 25-80° к оси факельной трубы. Вдоль дополнительных сопел снизу приварены уголковые стабилизаторы-завихрители, на наружных концах которых крепится кольцевой коллектор высоконапорного газа с соплами, расположенными в плоскостях, касательных к цилиндрической поверхности, соосной с факельной трубой, и направленными под углом 25-80° к оси факельной трубы. Недостатками аналога является то, что применена заглушенная коническим днищем факельная труба, что может привести к торможению потока сжигаемого газа на больших расходах, завихрениям и превышению температуры конструкции; применение коллектора и дополнительных сопел высоконапорного газа; в целом конструктивная сложность и снижена экономичность.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является «Горелочное устройство факельной трубы» (Заявка на изобретение RU 94028425 А1) для сжигания технологических газов в факельных трубах нефтехимической промышленности, содержащее по меньшей мере один блок газовых горелок, включающий центральную горелку и расположенные вокруг нее периферийные горелки, центральная и периферийные горелки имеют общий коллектор подвода сжигаемого газа, выполненный, например, в виде кольцевого канала, образованного патрубком, установленным вокруг центральной горелки, вход в который сообщен с магистралью подвода сжигаемого газа, центральная горелка выполнена в виде патрубка, имеющего прямой и диффузорный на выходе участки, и сообщена с коллектором посредством отверстий, выполненных перед диффузорным участком, внутри центральной горелки установлен патрубок с образованием кольцевого канала на участке подвода сжигаемого газа, периферийные горелки выполнены в виде конфузорно-диффузорных патрубков и сообщены с коллектором посредством отверстий, выполненных вблизи горла в их конфузорной части и снабженных саморегулируемыми щелевыми форсунками.
Недостатками данного устройства являются недостаточная пропускная способности в широком диапазоне давлений сжигаемого газа от малых расходов до аварийных; сниженная надежность из-за вероятных «встречных» забросов пламени и повреждений конструкции высокими температурами; вероятность прогаров конфузорно-диффузорных патрубков при горизонтальных и вертикальных порывах ветра в различных направлениях; сложность из-за дополнительных конструктивных элементов и, соответственно, снижение ресурса.
Задачей данной ПМ является расширение диапазона бездымного сжигания газов, снижение температуры на элементах и конструкции в целом и повышение надежности и ресурса.
Поставленная задача достигается за счет того, что в горелочном устройстве факельной трубы, содержащем факельную трубу, коллектор, центральную горелку и расположенные вокруг нее периферийные горелки, коллектор герметично заведен снаружи через стенку факельной трубы вовнутрь ее. На входе коллектора установлен эжектор первой ступени, состоящий из конфузора и форсунки сжатого воздуха. А на выходе коллектора установлен эжектор второй ступени, состоящий из диффузора, герметично соединенных с ним центрального и периферийных патрубков и центральной и периферийных горелок. При этом центральный патрубок заведен в центральную горелку, а периферийные патрубки заведены в периферийные горелки. Центральная и периферийные горелки установлены в устье факельной трубы.
В горелочном устройстве факельной трубы в устье факельной трубы может быть установлено от 1 до 3 горелок, в которые заведены от 1 до 3 патрубков второй ступени эжектора.
Технический результат расширения диапазона бездымного сжигания газов предлагаемого устройства ПМ достигается за счет двухступенчатого эжектора, герметично заведенного через стенку вовнутрь факельной трубы. При этом выполнено последовательное соединение выхода первой ступени эжектора со входом коллектора, выхода коллектора со входом второй ступени эжектора, а выход второй ступени эжектора установлен в устье факельной трубы. А за счет прямоточности газовоздушного тракта решается задача снижения температуры на элементах и конструкции в целом, а также повышения надежности и увеличения ресурса.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 представлен эскиз горелочного устройства факельной трубы для бездымного сжигания газов.
Устройство включает: факельную трубу 1, коллектор 2, центральную горелку 3 эжектора второй ступени, периферийные горелки 4 эжектора второй ступени, конфузор 5 эжектора первой ступени, форсунку сжатого воздуха 6 эжектора первой ступени, диффузор 7 эжектора второй ступени, центральный патрубок 8 эжектора второй ступени, периферийные патрубки 9 эжектора второй ступени.
Устройство работает следующим образом.
Газ на сжигание подается в факельную трубу 1. Одновременно на вход эжектора первой ступени, состоящего из форсунки сжатого воздуха 6 и конфузора 5, подается воздух высокого давления. С выхода эжектора первой ступени сжатый воздух поступает на вход коллектора 2. Суммарный расход воздуха на выходе коллектора увеличивается в соответствии с расчетным коэффициентом эжекции. С выхода коллектора сжатый воздух поступает на вход эжектора второй ступени, который состоит из диффузора 7, центрального патрубка 8, периферийных патрубков 9, центральной горелки 3 и периферийных горелок 4. Входные концы патрубков 8 и 9 герметично установлены в выходной срез диффузора 7, а выходные концы заведены на вход прямоточных горелок 3 и 4. Сжатый воздух с выхода коллектора поступает через диффузор 7 и патрубки 8 и 9 на вход горелок 3 и 4. За счет эжекции, потоками сжатого воздуха во вход горелок 3 и 4 вовлекается газ из факельной трубы 1. Потоками газовоздушной смеси и пламенем с выхода горелок 3 и 4 эжектируется и вовлекается в процесс горения газ из объема устья факельной трубы 1. По тракту горелок происходит интенсивное смешивание газа с воздухом и выброс газовоздушной смеси с верхнего среза факельной трубы в атмосферу. За счет кинетической энергии газовоздушной смеси и пламени над верхним срезом факельной трубы в процесс сжигания интенсивно вовлекается окружающий атмосферный воздух. Суммарная повышенная скорость факела пламени и образование зоны разрежения обеспечивают дополнительный подсос воздуха из окружающей атмосферы, насыщение газовоздушной смеси воздухом и бездымное горение. Стабильность подачи сжатого воздуха по тракту двухступенчатого эжектора, не зависящая от окружающих условий, и вовлечение в процесс смешивания и горения газовоздушной смеси в горелках 3 и 4 последней ступени эжектора гарантируют насыщение кислородом сбросной смеси в расширенном диапазоне давлений и расходов и обеспечивает стехиометрическое горение и бездымность.
При выбросе горящей газовоздушной смеси с верхнего среза горелок продолжается увеличение скорости потока, а также вовлечение газа на сжигание по всему объему устья факельной трубы, а за счет кумулятивного эффекта интенсивное смешивание газа с атмосферным воздухом, насыщение горючей смеси кислородом и стехиометрическое сжигание. Суммарная повышенная скорость потока создает зону разряжения и дополнительный подсос воздуха из окружающей среды. Соответственно происходит расширение диапазона бездымного сжигания сбрасываемых газов.
Таким образом, в предлагаемом устройстве ПМ достигается последовательное принудительное наращивание по тракту двухступенчатого эжектора объема воздуха и скоростного напора газовоздушной смеси от первой ступени до второй ступени, далее до устья факельной трубы и до сброса в окружающую атмосферу с выходного среза факельной трубы и далее в атмосферном пространстве.
3
3
3
Для проверки поставленной задачи проведены натурные испытания устройства для бездымного сжигания газов с параметрами: условный диаметр факельной трубы 800 мм; высота факельной установки 30 м; давление на входе в форсунку 0,58-0,6 МПа; расход воздуха высокого давления через форсунку 1700 м/ч; расход воздуха со второй ступени эжектора до 10000 м/ч. Состав сбросного газа - этан 55%, пропан 37%; ШФЛУ 8%. Расход газа до 16000 м/ч. На Фиг. 1 - режим горения до установки устройства, на Фиг. 2 - сжигание ШФЛУ после монтажа испытуемого образца с подачей воздуха.
Результаты испытаний, Фиг. 1 и Фиг. 2.
2
2
Визуально снизилось сажеобразование пламени факельной установки; улучшилась прозрачность тела пламени; уменьшилась краснота и высота видимого пламени; соответственно, снизилась инфракрасная составляющая, которая является признаком твердых включений в виде копоти. Тепловое излучение на расстоянии 20 м от основания снизилось с 4,8 кВт/м до 2,4 кВт/м. Обеспечен режим бездымного сжигания в соответствии с приказом ФСЭТАН (Росхтехнадзор) от 26.12.2012 г. №779. Одновременно, прямоточность высокотемпературных потоков, отсутствие элементов, вызывающих поверхностное горение обеспечили поддержание пониженной температуры в течение гарантийного срока эксплуатации.
Источники информации.
1. Описание изобретения к Патенту RU 2328655 C1 «Способ бездымного сжигания газа в факельных установках и устройство для его осуществления».
2. «Горелочное устройство факельной трубы», Заявка на изобретение RU 94028425 А1.