ФАКЕЛЬНАЯ ГОРЕЛКА
FLAME BURNER

Изобретение относится к газогорелочным устройствам и может быть применено в газовой промышленности для 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.
вх
вых
вх
вых
Известна факельная 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 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/Р·k, где: n - число полых профилированных тел; Р - давление на входе в трубу; Р - давление на выходе из трубы (атмосферное); k - коэффициент восстановления полного давления, равный 0,7-0,8 (патент РФ №2315239, МПК F23B 13/20 - прототип).
Указанная горелка работает следующим образом.
Сбрасываемый из скважины газ после входа в трубу разделяется на два потока.
Первый поток газа подается 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, 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 предложенной факельной горелке, содержащей корпус в виде трубы, снабженной в выходной части рассекателем, размещенным с кольцевым зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом внутри трубы установлено, как минимум, одно полое профилированное центральное тело, предпочтительно два и более, каждое из которых имеет одно минимальное проходное сечение, расположенное в его выходной части, согласно изобретению выходной рассекатель выполнен в виде конуса, обращенного вершиной к входной части корпуса горелки, при этом 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 этом, как минимум, один рассекатель, предпочтительно все, выполнены с возможностью изменения их геометрических размеров.
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 этом, как минимум, один рассекатель, предпочтительно все, выполнены с возможностью изменения их геометрических размеров.
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.
Кроме этого выполнение рассекателей с возможностью изменения их геометрических размеров позволяет унифицировать конструкцию горелки, так как для работы горелки на других давлениях и расходах необходимо лишь изменить геометрические размеры рассекателей.
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 показан осевой разрез предложенной горелки с полыми профилированными телами, на фиг.2 - распределение поля давлений, на фиг.3 - распределение поля скоростей в кольцевом зазоре на выходе из оголовка факельной горелки для горелки без дополнительного рассекателя, кривая вариант 1, и для предложенной горелки - кривая вариант 2.
Факельная горелка содержит корпус в виде трубы 1, снабженной в выходной части рассекателем 2, размещенным с зазором 3 относительно верхнего торца трубы 1. Внутри трубы 1 установлено 3 полых профилированных центральных тела 4, 5, 6, каждое из которых имеет одно минимальное проходное сечение, расположенное в его выходной части. В минимальном сечении полого профилированного центрального тела 4 установлен с образованием кольцевого зазора 7 дополнительный рассекатель 8, выполненный, преимущественно, в виде конуса, обращенного вершиной к входной части корпуса горелки. Рассекатели 2 и 8 выполнены с возможностью изменения их геометрических размеров, преимущественно путем замены на аналогичные рассекатели с другими размерами.
Предложенная горелка работает следующим образом.
Поток горючего газа подается на профилированное центральное тело 4 и проходит через кольцевой зазор 7 между профилированным центральным телом 4 и рассекателем 8. Скорость в кольцевом зазоре 7 достаточна для гарантированной защиты от проскока пламени внутрь корпуса горелки. Кольцевой зазор 7 формирует внутри корпуса 1 горелки кольцевую форму течения газа. Профилированные центральные тела 5, 6 формируют профиль течения горючего газа таким образом, что газ, проходя через них, постоянно расширяется, при этом давление газа падает, а скорость возрастает. Поток газа поднимается вверх по трубе 1, попадает в сужающуюся часть полого профилированного тела 4, 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 выходному рассекателю 2 с заданным давлением, близким к атмосферному.
Затем уже профилированный поток горючего газа попадает в кольцевой зазор 3, образованный рассекателем 2 и корпусом 1, который окончательно формирует форму и скоростные характеристики потока газа на выходе из факельной горелки.
Значение ширины кольцевого зазора 3 и 7 зависит от давления на входе в факельную горелку, требуемой пропускной способности и термодинамических характеристик сжигаемого газа. Рассекатели 2 и 8 выполнены с возможностью изменения их геометрических размеров, преимущественно, путем замены на аналогичные рассекатели с другими размерами, что позволит обеспечить требуемое значение ширины кольцевого зазора 3 и 7.
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.