ФАКЕЛЬНАЯ ГОРЕЛКА
FLARE BURNER

Изобретение относится к газогорелочным устройствам, работающим с использованием эффекта Коанда, и может быть применено, например, в газовой промышленности для сжигания продувочных газов ремонтируемых скважин.
Одной из проблем, возникающих при сжигании продувочных и попутных газов, особенно содержащих конденсат и сероводородные соединения, является обеспечение максимально возможной полноты сгорания газов и получение продуктов сгорания с минимальным содержанием сероводородных соединений, не превышающих предельно допустимые нормы.
Известно факельное устройство, состоящее из тела Коанда, внутри которого проходит отверстие в виде сопла Вентури, оснащенного в узкой части диффузора завихрителем, а на выходе - эжекторной приставкой, состоящей из трех коаксиально расположенных патрубков и смещенных вдоль оси, образуя между собой кольцевые щели.
Одна часть сжигаемого газа подается в зону горения по соплу Вентури, другая через кольцевой зазор в виде щели - по телу Коанда. Завихритель, установленный внутри сопла Вентури, придает потоку вращательное движение, что приводит к более интенсивному перемешиванию потоков перед зоной горения (патент РФ №2113657 от 14.06.96, МПК F23D 14/20).
Основным недостатком данного факельного устройства является то, что при подаче конденсатосодержащего газа конденсат, несмотря на вращательное движение потока, полностью не успевает отделиться от газа и поступает в зону горения, что приводит к ухудшению условий сгорания и повышенной концентрации вредных веществ в продуктах сгорания.
Известна факельная горелка, содержащая газоподводящий ствол, цилиндрическую обечайку для подачи воздуха, установленную по оси газоподводящего ствола, и конусную обечайку, размещенную вокруг цилиндрической обечайки с образованием с ней вихревой камеры, в которой установлен завихритель, образующий с газоподводящим стволом торцевой зазор, при этом воздухозаборное устройство выполнено в виде крестообразной перегородки, установленной на торцевом срезе ствола и равной по высоте указанному торцевому зазору, причем на ветрозащитной и конусной обечайках в месте ввода электрозапальника выполнены соответственно козырек и выемка, образующие зону стабильного розжига (патент РФ №2033575 от 15.09.89, МПК F23D 14/20).
Основным недостатком данной факельной горелки является то, что при подаче конденсатосодержащего газа конденсат, несмотря на вращательное движение потока, полностью не успевает отделиться от газа и поступает в зону горения, что приводит к ухудшению условий сгорания и повышенной концентрации вредных веществ 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 (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.
Известной и наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является 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 - прототип).
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.
Основными недостатками данной горелки является недостаточно полное отделение конденсата из конденсатосодержащих газов, что приводит к уменьшению 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 более полное отделение конденсата от конденсатосодержащего газа, максимально возможную полноту сгорания газов с уменьшенным содержанием вредных примесей в продуктах сгорания.
Поставленная задача достигается за счет того, что в предложенной факельной горелке, содержащей 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, на участке трубы, установленном в корпусе, выполнены отверстия, а участок трубы, выведенный за пределы корпуса, выполнен в виде сопла Лаваля, согласно изобретению срез сопла, Лаваля расположен внутри полого тела Коанда, а на внешней поверхности тела Коанда выполнены входные и выходные каналы, соединяющие полость тела Коанда с окружающей средой.
к
к
к
к
Для выравнивания поля скоростей потока, идущего через решетку, длина выходных каналов, соединяющих полость тела Коанда с окружающей средой, выбирается из соотношения L/d≥3, где L- длина канала, d - диаметр канала.
При меньшем значении указанного предела поток не успевает выровняться по полю решетки, при большем происходит рост габаритных размеров горелки.
Для увеличения площади поверхности соприкосновения струй газа, выходящих из сопла, и окружающего воздуха, уменьшения длины нераспавшейся части струи выходное сечение выходных каналов, соединяющих полость тела Коанда с окружающей средой, расположено тангенциально по отношению к продольной оси горелки.
Для увеличения механической прочности участка тела Коанда и самого тела в целом участок тела Коанда, расположенный в зоне выходного сечения сопла Лаваля, выполнен профилированным.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявляемом устройстве в отличие от конструктивного выполнения прототипа срез сопла Лаваля расположен внутри полого тела Коанда, а на внешней поверхности тела Коанда выполнены каналы, соединяющие полость тела Коанда с окружающей средой. Такое решение позволяет разделить сплошную струю газа на несколько мелких, что позволит увеличить периметр контакта компонентов и уменьшить длину нераспавшеся части струи газа.
Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого технического решения благодаря наличию новых признаков обеспечивает получение технического результата, выражающегося в улучшении условий отделения конденсата от газа, и получении повышенной полноты сгорания газовоздушной смеси за счет улучшения условий смесеобразования.
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 описанное техническое решение предназначено для использования в рамках реальной системы дожигания газов, в частности в условиях Астраханского газоконденсатного месторождения, изготовлено заявителем и прошло испытания с достижением заявляемого технического результата, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».
Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, где показан осевой разрез предложенной горелки.
Основными элементами предложенной факельной горелки являются
1 - корпус;
2 - труба;
3 - периферийный участок;
4 - рассекатель;
5 - кольцевой зазор;
6 - профилированное сопло;
7 - выходные каналы;
8 - входные каналы;
9 - фланец;
10 - отсасывающая трубка;
11 - кольцевой зазор;
12 - отверстия.
Горелка содержит корпус 1 с соосно установленной внутри корпуса трубой 2, снабженной по периферии участка 3, выведенного за пределы корпуса 1, рассекателем 4 в виде тела Коанда. Рассекатель 4 установлен с кольцевым зазором 5 относительно верхнего торца корпуса 1.
Верхняя часть трубы 2 выполнена профилированной в виде сопла 6, например сопла Лаваля, и размещена внутри рассекателя 4. В выходной части рассекателя 4 выполнены каналы 7, во входной - каналы 8.
На нижней части трубы 2 установлен ответный фланец 9 для стыковки с газоводом.
В трубе 2 установлена отсасывающая трубка 10, нижний конец которой выведен в стенку трубы 2 и сообщается с кольцевым зазором 11, образованным трубой 2 и корпусом 1. На участке трубы 2, установленном в корпусе 1, выполнены отверстия 12 в виде щелей.
Предложенная горелка работает следующим образом.
Сбрасываемый из скважины газ подается в трубу 2 и разделяется на два потока. Первый поток газа поступает к профилированному соплу 6, а второй поток через отверстия 12 в трубе 2 - в кольцевой зазор 11 между корпусом 1 и трубой 2. При выходе из щелевых отверстий 12 газ с конденсатом в начальный момент времени распределяется между отсасывающей трубкой 10 и кольцевым зазором между корпусом 1 и трубой 2. За счет разницы плотностей и скоростей движения конденсат стекает в зону установки нижнего конца отсасывающей трубки 10, а газ, очищенный от жидкости, поступает к кольцевому зазору 5 между корпусом 1 и рассекателем 4.
Очищенный поток газа, выходя из бокового кольцевого зазора 5, вследствие возникающего эффекта Коанда прилипает к поверхности рассекателя 4 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 2 из профилированного сопла 6, подсасывает за счет разности скоростей при помощи входных каналов 8 внутрь тела Коанда окружающий воздух, перемешивается с ним и поступает к выходным каналам 7.
Оставшийся поток конденсата подается к выходной части профилированного сопла 6, где обеспечивается его повышенная турбулентность и скорость на выходе из сопла и поток первоначально более эффективно дробится на мелкодисперсные капли.
За счет того, что выходная часть горелки выполнена в виде решетки с профилированными каналами 7, струя на выходе разбивается на несколько более мелких струй, по числу выходных каналов. Это позволяет уменьшить длину струи и увеличить периметр контакта компонентов, что в конечном итоге приводит к улучшению смесеобразования и повышению полноты сгорания компонентов топлива.
При расположении выходного сечения каналов, соединяющих полость тела Коанда с окружающей средой, тангенциально по отношению к продольной оси горелки происходит дополнительная закрутка потока, что также улучшает условия распадения струи и перемешивания.
Использование предложенного технического решения позволит более эффективно отделять конденсат от газа, увеличить полноту сгорания конденсатосодержащих газов и уменьшить содержание вредных примесей в продуктах сгорания за счет улучшения условий сгорания газовоздушной смеси.