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 являются 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.
Основным недостатком данной горелки является недостаточно качественное смесеобразование между сжигаемым газом и воздухом окружающей атмосферы, 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 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 сопло Лаваля разделено как минимум на две части, входящие одна в другую и образующие профилированную кольцевую камеру смешения, при этом полость тела Коанда соединена при помощи каналов с окружающей средой.
Для того чтобы вывести входные концы каналов из зоны перемешивания газа с воздухом и подачи в зону горения чистого, без примесей газа, воздуха, входные части каналов выступают над внешней поверхностью рассекателя.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявляемом устройстве, в отличие от конструктивного выполнения прототипа, сопло Лаваля разделено как минимум на две части, входящие одна в другую и образующие при этом камеру смешения с кольцевым зазором для эжекции воздуха из полости тела Коанда, соединенной при помощи каналов с внешней средой.
Такое решение позволяет подавать воздух в сопло виде сплошного полого кольца, контактирующего со струей сжигаемого газа как по внешней, так и по внутренним поверхностям, что позволяет улучшить условия смесеобразования и уменьшить длину нераспавшейся части струи.
Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого технического решения, благодаря наличию новых признаков, обеспечивает получение технического результата, выражающегося в улучшении условий перемешивания 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 - каналы;
7 - выходная часть сопла;
8 - входная часть сопла;
9 - кольцевой зазор;
10 - фланец;
11 - отсасывающая трубка;
12 - кольцевая полость;
13 - 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. В теле Коанда выполнены каналы 6, соединяющие его полость с окружающей атмосферой.
Верхний участок 3 трубы 2, выведенный за пределы корпуса 1, выполнен профилированным в виде профилированного сопла, например сопла Лаваля, состоящего как минимум из двух частей - выходной 7 и входной 8, входящих друг в друга и образующих кольцевой зазор 9.
На нижнем участке трубы 2 установлен ответный фланец 10 для стыковки с газоводом.
В трубе 2 установлена отсасывающая трубка 11, нижний конец которой сообщается с кольцевой полостью 12, образованной трубой 2 и корпусом 1, а верхний выведен в сопло, состоящее из частей 7 и 8. На участке трубы 2, установленном в корпусе 1, выполнены отверстия 13.
Предложенная горелка работает следующим образом.
Сбрасываемый из скважины газ поступает в трубу 2 и разделяется на два потока. Первый поток газа по внутренней полости трубы 2 поступает к профилированному соплу, состоящему из двух частей - входной 8 и выходной 7, а второй поток - через отверстия 13 в трубе 2 - в кольцевой зазор между корпусом 1 и трубой 2. При выходе из отверстий 13 газ с конденсатом в начальный момент времени распределяется между отсасывающей трубкой 11 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 11, 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 после поджига движется в направлении образующей конического участка рассекателя к выходу первого потока газа.
При сбросах газа с повышенным давлением в профилированном сопле, состоящем из двух частей 7 и 8, реализуется сверхзвуковой режим течения и, начиная с некоторого сечения, давление в сопле снижается ниже давления внешней среды. При этом с учетом наличия каналов 6 за счет перепада давления между внешней средой и профилированным соплом, состоящим из двух частей, происходит подсос атмосферного воздуха внутрь полости профилированного сопла через кольцевую щель 9, где и происходит дальнейшее перемешивание смеси газа с воздухом, т.е. на выходе из выходной части сопла 7 создается подготовленная к сгоранию смесь газа и воздуха, что обеспечивает улучшенные условия поджига центрального потока и более полное его сгорание при взаимодействии с факелом, поступающим снаружи вдоль образующей рассекателя 4.
Смесь газа и воздуха, выходя из выходной части сопла 7, подсасывает при помощи отсасывающей трубки 11, за счет разности скоростей, конденсат из кольцевой полости 12, образованной корпусом 1 и трубой 2.
За счет того, что конденсат подается к выходной части сопла 7, обеспечивается его повышенная турбулентность и скорость на выходе из сопла и поток первоначально более эффективно дробится на мелкодисперсные капли смесью на выходе из сопла, а затем перемешивается с газовоздушной смесью на выходе из части сопла 7. Полученная смесь газа, воздуха и конденсата взаимодействует с факелом и бездымно сгорает, обеспечивая при сгорании пониженное содержание вредных примесей в продуктах сгорания.
Для более эффективной организации смешения газа с воздухом в выходной части горелки, выполненной в виде профилированного сопла 6 Лаваля, входные части каналов 6 могут быть расположены в районе входной части рассекателя 4.
Для того чтобы вывести входные концы каналов 6 из зоны перемешивания газа с воздухом и подачи в зону горения чистого, без примесей газа, воздуха, входные части каналов 6 выступают над внешней поверхностью рассекателя.
Использование предложенного технического решения позволит улучшить условия смесеобразования, увеличить полноту сгорания конденсатосодержащих газов и уменьшить содержание вредных примесей в продуктах сгорания за счет улучшения условий сгорания газовоздушной смеси.