ФАКЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ПАРФЕНОВА
PARFYONOV FLAME DEVICE

Изобретение относится к устройству факельных установок и может быть использовано в нефтегазовой, нефтехимической, химической, коксохимической и других отраслях промышленности для термического обезвреживания газов при невозможности их утилизации в технологических процессах и/или аварийном их сбросе в атмосферу.
Законодательство по охране окружающей среды требует, чтобы сжигание газов производилось бездымно (без образования сажи) и с минимальным содержанием окиси углерода (СО) в продуктах сгорания.
Распространены конструкции оголовков факельных установок, представляющие собой обрез круглой факельной трубы, по окружности которой размещены дежурные горелки. На оголовках могут быть устройства для подачи пара и/или воздуха, и/или воды.
Недостатком конструкции является то, что для получения бездымного сгорания сбросного газа к факельной горелке должны принудительно подавать в большом количестве воздух или/и водяной пар, или/и воду (И.И.Стрижевский, А.И.Эльнатанов. «Факельные установки». - М: Химия, 1979, стр.38-41). Однако водяной пар или вода, испаряющаяся в пламени, подавляют горение (являются инертными как азот, гелий, углекислый газ и т.п.), снижают температуру в факеле пламени ниже температуры крекинга, что прекращает образование сажи, но факельные газы уже не сгорают.
Наиболее близкой к заявке по технической сути является конструкция факельного оголовка для бездымного сжигания газов (патент на ПМ RU №36876), состоящего из корпуса и подвижного газового затвора в виде перевернутого «стакана». При аварийных сбросах с увеличением давления газов до расчетной величины, «стакан» начинает приподниматься и выпускать факельные газы в верхнюю часть оголовка.
Недостатком конструкции является то, что большие и аварийные сбросы газов не удается сжигать полностью, так как оголовок формирует факельные газы в струю, имеющую в поперечном сечении замкнутую круглую форму с пониженным давлением внутри и стягивающуюся к центральной оси, с минимальной поверхностью контакта с воздухом. Кроме того, дно «стакана» создает большое газодинамическое сопротивление при аварийных сбросах, которое препятствует применению таких оголовков на специальных факельных системах (низкого давления) и приводит к неоправданному увеличению его габаритов.
Задача изобретения - создание конструкций факельных установок бездымного (полного) сжигания газов во всем расчетном диапазоне расходов факельных газов без принудительной подачи воздуха или/и водяного пара, или/и воды увеличением удельной поверхности контакта с окружающим воздухом/газом и достижения их смешения (до стехиометрического коэффициента и более).
Задача решается тем, что факельная установка бездымного сжигания газов, содержащая оголовок, подвижный газовый затвор в виде тела обтекания, который способен менять проходное сечение оголовка при изменении расхода газа и создающий газовые струи, проходы в зону горения между корпусом оголовка и газовым затвором в зону горения для газов низких давлений или других давлений, постоянных или других расходов. Согласно изобретению, газовый(вые) затвор(ы) выполнен подъемным(и) и/или поворотным(и) в количестве от 1+n (где n от 0 до 10000 и более), имеет(ют) форму(ы) в виде или стержня, или пластины, или конуса, или призмы, или тела обтекания с длиной, превышающей ширину, или сферы, с возможностью поддержания расчетной(ых) скорости(ей) истечения факельных газов из оголовков, и создания газовых струй, в том числе или плоских, и/или разомкнутых, и/или расходящихся в разных направлениях и контактирующих с воздухом с двух сторон, в поперечном сечении минимальной толщины - максимального периметра, которые получаются при обтекании подвижных газовых затворов (далее затворов). Подвижные затворы обеспечивают расчетные скорости истечения газов из оголовков. Для уменьшения габаритов оголовков для больших расходов газов, затворы в виде пластин, расположение граней многогранников могут быть выполнены таким образом, чтобы струи газов не были замкнутыми по периметру полости, а были разомкнутыми, обеспечивая контакт струй с окружающим воздухом с двух сторон (струи газов и их сочетания должны иметь поперечное сечение, например, в виде S, Е, W, II, Н, П, X, звездообразными и т.д.). Эти струи газов могут расходиться по разным направлениям (под углом к осям оголовков и факельного ствола), что увеличивает сечение захвата окружающего воздуха и обеспечивает полноту сгорания.
Когда газовый затвор находится в нижнем (закрытом) положении, создаются проблемы эксплуатации от подпора давления из факельной системы в оборудование при подготовке к ремонту, поэтому, предпочтительно, чтобы оголовки имели проходы в зону горения для газов низких давлений, постоянных или других незначительных расходов. Незначительные расходы газов (постоянные затворные, технологические продувки и т.д.) могут выходить в зону горения через конструктивные зазоры между корпусом оголовка и газовым затвором. Струи газов с низкими скоростями, но тонкие или плоские, с высокой удельной поверхностью хорошо смешиваются с воздухом и сгорают бездымно.
Возможна подача газов в зону горения от других различных факельных систем.
Каждая конфигурация сочетания затворов предназначена для своего диапазона расходов и давлений газов. На промышленном предприятии может быть до нескольких тысяч предохранительных клапанов (ПК) от различных технологических установок, имеющих выхлопы в одну факельную систему. При срабатывании одного или нескольких ПК давление в факельной системе должно увеличиваться незначительно, что обеспечивается открытием на оголовке(ах) одного или нескольких затворов минимальной пропускной способности (стержневые и/или сферические, и/или конические). С увеличением расходов газов и увеличением давления в факельной системе, на оголовке(ах) открываются затворы (пластинчатые, и/или призматические, и/или тела обтекания и т.д.), рассчитанные на большие: пропускные способности и давления. В зависимости от расчетных расходов газов затворы могут иметь длину большую, чем ширина. Возможна эжекция газами высоких скоростей в зону горения газов от других факельных систем с меньшим давлением (от параллельных и/или коаксиальных факельных стволов).
Подвижные поворотные затворы могут иметь различные конструкции, самые простые из которых - сферы или цилиндры со сквозными отверстиями, которые в закрытом положении перекрыты обечайками оголовков. Повышение давления газа в факельном стволе (известным приводом, например поршнем с уравновешивающей пружиной) перемещает поршень и через механическую тягу с рычагом передает усилие на поворотные затворы, которые поворачиваются и открывают проходные отверстия. При уменьшении давления газа пружина возвращает поршень и затворы в исходное закрытое положение.
Более сложные поворотные затворы могут быть пластинчатыми, в виде жалюзи, также изменяющих проходные сечения верхних обрезов оголовков ФУ. На одной ФУ одновременно могут быть оголовки, имеющие в конструкции подъемные и поворотные затворы.
Приводы затворов могут быть пневматические, соленоидные, пружинные, гравитационные и любые известные, включая их сочетания.
На чертеже показана работа факельной установки, на которой осуществляется способ бездымного сжигания газов переменных составов, расходов и давлений факельных систем различных давлений без принудительной подачи воздуха и/или пара, и/или воды в зону сжигания газов.
В коаксиальную ФУ 1 по отдельному проходу 2 из факельной системы поступают сжигаемые газы высокого давления 5. Газы из факельных систем низкого давления поступают на сжигание по отдельным проходам 3, 4, (…N). Верхняя часть прохода 2 ФУ 1 имеет оголовок(и) 6 совместно с затвором 8, направляющий и формирующий плоские струи сжигаемых газов 7. Выход газов через оголовок(и) 6 закрывается (при отсутствии протока газов 5 из факельной установки) подвижным газовым затвором (регулирующим устройством подъемным и/или поворотным) 8. На чертеже показан простейший частный случай, когда выполнен подъемный затвор. При увеличении расхода газов 5 давление под затвором 8 увеличивается и он приподнимается с увеличением зазора между оголовком 6 и подвижной частью - затвором (нижнее положение показано пунктиром). Повышение давления газов приводит к увеличению геометрических размеров газовой струи, поверхности соприкосновения газов с окружающим воздухом и турбулентности. Струи газов 7 высокого давления взаимодействуют со струями газов низкого давления 9.10 (…N), эжектируют их и выбрасывают последние с высокой скоростью в зону смешения с окружающим воздухом и горения. Регулирование давления под затвором производится грузом 11 (гравитационным способом) с тягой 12 (или любым другим известным приводом). Для возможности сжигания газов с незначительными расходами (например, постоянные расходы и постоянные технологические сбросы) и незначительными давлениями, предусмотрены проходы 13 мимо затвора 8 (в нижнем положении) в зону горения.
Таким образом, обеспечивается бездымное сжигание газа на факельной установке без принудительной подачи воздуха или/и водяного пара, или/и воды.