Устройство для бездымного сжигания газов

Полезная модель (далее ПМ) относится к области Устройств 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 (И.И. Стрижевский, А.И. Эльнатанов, «Факельные установки», Москва, издательство Химия, 1979 год) для бездымного сжигания газов, сбрасываемых с большой скоростью, использующий многощелевую факельную горелку, в которой сочетаются элементы, обеспечивающие беспрепятственное прохождение воздушного потока и позволяющие изменять размеры щелей за счет поворотных заслонок и перекладин.
Недостатком данного оголовка является сложность устройства в связи с необходимостью изменять размеры щелей за счет поворотных заслонок и перекладин и, соответственно, ненадежность его применения при расширенных скоростях и объемах сбросов.
Известен оголовок факельной трубы (Описание изобретения к Авторскому свидетельству SU 1626048 A1, «Оголовок факельной трубы», 17.10.88), в котором для повышения эффективности сжигания газа за счет стабилизации пламени, турбулизации образующейся смеси и увеличения периметра воспламенения, содержится газоподающая труба, которая на конце выполнена в виде конфузора. На последнем выполнены вертикальные вырезы с установленными в них секторами, которые образуют радиально расходящиеся газоподающие каналы.
Недостатками данного устройства являются его сложность и недостаточная надежность конструкции из-за возможных забросов и горения пламени на внешних поверхностях газоподающих каналов при изменениях давления газа до низких значений и турбулентных порывах ветра на высоте факельного ствола.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является устройство (Описание изобретения к патенту Российской Федерации RU 2241905 C2, «Способ бездымного сжигания газов в факельных установках без подачи пара и устройство для его осуществления», 2002.07.10) для бездымного сжигания газов в факельной трубе, содержащее горелку в виде заглушенной факельной трубы с рядом отверстий, в которые вварены выходные основные сопла, расположенные тангенциально к факельной трубе и направленные под углом к оси факельной трубы. Согласно изобретению, основные сопла выполнены в виде круглых патрубков с косыми срезами, составляющими с осью патрубков угол 10-30° и с осью факельной трубы угол 40-90° Ряд дополнительных сопел выполнен по образующей патрубков перпендикулярно к их осям, диаметры основных и дополнительных сопел превышают 5 мм, основные сопла расположены в плоскостях, касательных к цилиндрической поверхности, соосной с факельной трубой, и направлены под углом 25-80° к оси факельной трубы, дополнительные сопла направлены в сторону от оси факельной трубы под углом 0-50° к ней, вдоль основных сопел приварены уголковые стабилизаторы-завихрители с разной длиной полок, малые полки уголковых стабилизаторов-завихрителей параллельны диаметральным плоскостям факельной трубы, большие полки направлены к оси факельной трубы.
Недостатками данного устройства (прототипа) являются сложность из-за большого количества дополнительных конструктивных элементов и недостаточная надежность из-за «зализываний» и горения пламени непосредственно на каждом из вспомогательных элементов конструкции (основные сопла, дополнительные сопла, отверстия, уголковые стабилизаторы-завихрители, малые полки и т.д.), вероятности прогаров этих элементов, особенно при горизонтальных и вертикальных порывах ветра в различных направлениях, а также низкая эффективность бездымного сжигания газа, имеющего высокие уровни молярной массы, например, пропаны-бутаны и выше.
Задачей данной ПМ является повышение надежности за счет упрощения конструкции устройства и улучшение защиты окружающей среды за счет стехиометрического сгорания газа и бездымности.
Поставленная задача достигается за счет того, что в устройстве для бездымного сжигания газов, содержащем факельную трубу, стабилизатор пламени, сопло, горелку, факельная труба выполнена из двух частей, нижней - цилиндрической и верхней, которая выполнена в виде смежных прямоточных каналов для прохождения газа и каналов для прохождения воздуха. Причем каналы для прохождения газа и воздуха выполнены за счет смежных сегментов-полос. А в каждой паре смежных сегментов-полос одна из полос отогнута вовнутрь факельной трубы, а другая - наружу, при этом смежные грани внутренних и наружных сегментов-полос заглушены между собой клиновыми перемычками, причем горелка установлена в один из прямоточных каналов прохождения воздуха, а стабилизатор пламени установлен на верхний срез канала прохождения газа, смежного с каналом, в котором установлена горелка.
В устройстве для бездымного сжигания газов по п. 1 угол наклона каждого сегмента-полосы наружу и вовнутрь от оси факельной трубы не превышает 12 градусов.
В устройстве для бездымного сжигания газов по п. 1 периметр верхнего среза факельной трубы не менее, чем в 3-4 раза, превышает периметр цилиндрической части.
В устройстве для бездымного сжигания газов по п. 1 площадь проходного сечения верхнего среза факельной трубы равна или больше площади проходного сечения цилиндрической части.
В устройстве для бездымного сжигания газов по п. 1 огибающая внутренних сегментов-полос описывает форму конфузора, а огибающая наружных сегментов-полос описывает форму диффузора.
Технический результат достигается за счет конструкции смежных каналов для сброса газа и подачи воздуха и струйного смежного истечения потоков газа и воздуха в зону смешения над верхним срезом факельной трубы, насыщения горючей смеси кислородом до уровней стехиометрического горения. Кроме того, с целью вовлечения в режим эжекции, задействована кинетическая энергия обоих потоков, как газа, так и воздуха. При высоких давлениях и расходах газ эжектирует в зону смешения воздух. В свою очередь, воздух, при использовании принудительного наддува, эжектирует в более высокие слои атмосферы газ как при низких, так и при высоких давлениях и расходах сброса. Высота выноса газа за пределы верхнего среза факельной трубы увеличивается в десятки раз. Одновременно, конструкция характеризуется прямоточностью высокотемпературных потоков сжигаемой топливо - воздушной смеси, отсутствием элементов, вызывающих поверхностное горение и подверженных термическому разрушению. А за счет увеличенной площади обдува конструкции устья факельной трубы обеспечивается поддержание пониженной температуры ее элементов.
На Фиг. 1 представлен эскиз устройства для бездымного сжигания газов.
Устройство включает: факельную трубу 1, стабилизатор пламени 2, сопло 3, горелку 4, прямоточные каналы для прохождения газа 5, прямоточные каналы для прохождения воздуха 6, отогнутые вовнутрь сегменты-полосы 7 и смежные с ними сегменты-полосы 8, отогнутые наружу. Вместе с клиновыми перемычками 9 сегменты 7 и 8 образуют каналы 5 и 6.
Устройство работает следующим образом.
При подаче газа на сжигание в факельную трубу 1 газ через прямоточные каналы 5 выбрасывается в атмосферу. Поток газа разжигается пламенем горелки 4. Для надежного розжига сбросного газа горелка установлена в один из каналов подачи воздуха, а на верхний срез канала газа, смежного с каналом горелки 4, установлен стабилизатор пламени 2, выполненный в виде плохообтекаемого тела, например, треугольного профиля. Стабилизатор позволяет турбулизировать поток сбросного газа с воздухом и обеспечить розжиг топливовоздушной смеси на выходе из факельной трубы.
Каналы 6 направляют воздух под углом до 12° к оси факельной трубы спутно с потоком сбросного газа и обеспечивают «расщепление» потока газа на требуемое количество струй. А за счет формы конфузора, описывающего эти каналы, происходит охват воздухом каждой струи газа.
В свою очередь, по каналам 5 происходит направленный сброс газа под углом до 12° наружу. А за счет формы диффузора, описывающего эти каналы, получен увеличенный периметр раскрытия потока газа в окружающую атмосферу.
Благодаря описанным выше конструктивным решениям многократно, в десятки раз, увеличена площадь контакта сбрасываемого на сжигание газа с воздухом.
Раскрытие угла сегментов-полос 7 и 8 по отношению к оси факельного ствола ограничено 12° во избежание срыва потока газовых и воздушных струй с поверхности каналов, а также сохранения ламинарного истечения и кинетической энергии скоростного напора для эжектирования окружающей среды (воздуха или газа).
Периметр верхнего среза факельной трубы, измеренный по кромке каналов 5 и 6, не менее, чем в 3-4 раза увеличен по сравнению с ее цилиндрической частью. В то же время, конструктивно обеспечено равенство площади проходного сечения нижней цилиндрической части и верхнего среза факельной трубы для сохранения скорости истечения и сохранения кинетической энергии сбросного газа и поддержания режима эжекции с воздухом при высоких давлениях и объемах сброса.
Одновременно, описанная конструкция сегментов-полос 8 выполняет функцию газового затвора, что исключает заброс и горение газа внутри факельной трубы.
Сопло 3 служит для формирования потока воздуха в каналы 6 как за счет естественного притока под действием подъемной (Архимедовой) силы, так и за счет принудительного наддува воздухом высокого давления на вход «А» для сжигания тяжелых фракций, например, пропан - бутан и выше или при малонапорном сбросе газа.
2
3
Для проверки поставленной задачи проведены натурные испытания устройства для бездымного сжигания газов с параметрами: условный диаметр факельной трубы 500 мм; количество каналов газа 12, воздуха-12; высота факельной трубы - 40 м; соотношение периметра верхнего среза факельной трубы к периметру цилиндрической части 3,7; площадь проходного сечения по всей высоте факельной трубы 0,19-0,2 м. Состав сбросного газа - ШФЛУ («некондиция»). Расход газа 38 ООО м/час. На Фото 1 -режим горения до установки устройства, на Фото 2 - сжигание ШФЛУ после монтажа испытуемого образца с подачей воздуха.
Результаты испытаний. За счет смежных каналов сброса газа и воздуха получено смежное струйное истечение потоков и расширенная зона смешения над верхним срезом факельной трубы, а принудительный наддув воздухом увеличил высоту выброса газо-воздушной смеси до 15-20 м, дополнительное насыщение атмосферным воздухом, и, в конечном счете, бездымное сжигание газа. Одновременно, прямоточность высокотемпературных потоков, отсутствие элементов, вызывающих поверхностное горение и увеличенная площадь обдува конструкции устья факельной трубы обеспечили поддержание пониженной температуры.