ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА
GAS BURNER

Предлагаемое изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано преимущественно в конверторах высокотемпературной конверсии природного газа.
3
3
Известна инжекционная горелка факельного типа (см. Вакк Э.Г., Семенов В.П. Каталитическая конверсия углеводородов в трубчатых печах (учебное пособие для рабочих профессий). М., НИИТЭХИМ, 1979). При нормальной работе горелки диаметр образующегося конусообразного факела составляет не более 1 м, длина - 1,2 м. Средняя температура факела 1250-1300°С. Производительность горелки 150 м/ч по природному газу. Коэффициент избытка воздуха при подогреве газа до 150°С равен 1,15. Горелка состоит из заслонки; газового сопла; смесителя; штуцера запальника с крышкой; головки горелки; корпуса с крышкой; регулятора подсоса дополнительного воздуха; керамического сопла факела; изоляции свода. Топливный газ входит в горизонтальную трубку диаметром 25 мм и выходит через отверстия диаметром 3 мм. Поступление воздуха регулируют шиберами, выполненными в форме двух прямоугольных желобов с отверстиями, которые перекрываются при перемещении подвижного желоба. Теплопроизводительность такой горелки 62,5 тыс.ккал/ч, расход газа на сжигание 73,5 м/ч, коэффициент избытка воздуха равен 1,06-1,1. Недостатком такой горелки является относительно невысокий ресурс, связанный с высокими термическими нагрузками.
Также известна инжекционная смесительная горелка, содержащая трубчатый (цилиндрический) корпус с газовым коллектором, подключенным к полости корпуса кольцевым рядом наклонных сопел, верхняя часть трубчатого (цилиндрического) корпуса закрыта крышкой, совмещенной с воздушным кольцевым коллектором с входным патрубком и выходными отверстиями, а нижняя часть - решеткой, играющей роль стабилизатора горения, в центре которой соосно трубчатому (цилиндрическому) корпусу расположен электрический источник розжига (электросвеча). Решетка с электрическим источником розжига (электросвечой) расположена в трубчатом (цилиндрическом) корпусе на удалении 2-2,5 калибра ниже газового коллектора и на 2,5-3 калибра выше нижнего торцевого среза трубчатого (цилиндрического) корпуса камеры горения (Патент РФ №2419744, опубл. 27.05.2011).
Недостатками ее являются низкие надежность и долговечность при использовании ее в конверторах высокотемпературной конверсии природного газа.
Для приготовления исходной смеси применяют аппараты, которые принято называть паро-газо-кислородными смесителями. В азотной промышленности используют смесители трубчатого типа, изготовленные из стали Х18Н10Т. Принцип работы их заключается в разбивке смешиваемых компонентов на множество струй; контактирование компонентов осуществляется при параллельном токе. Весовая скорость парогазовой смеси принимается большей, чем скорость кислородсодержащего компонента. Такое распределение скоростей обусловлено необходимостью интенсивной турбулизации.
Горизонтальный смеситель получил в промышленности наибольшее распространение. К достоинствам его следует отнести хорошее перемешивание компонентов в довольно длинном кольцевом диффузоре сложной геометрической формы. Недостатками являются относительно большое гидравлическое сопротивление и невысокая надежность в отношении техники безопасности. Так, в случае воспламенения реакционной смеси основной очаг горения находится вблизи смесительной решетки. Если блокирующее устройство не успевает вовремя отсечь кислород, прогорает стенка диффузора, и пламя выбивается на рабочую площадку установки.
Существует вполне оправданная тенденция использовать вертикальные смесители, так как они более безопасны при эксплуатации, чем горизонтальные, и обладают меньшим сопротивлением. Существуют вертикальные смесители с кольцевым смесительным каналом и центральной трубой для ввода теплоносителя в конвертор при разогреве агрегата и с цилиндрическим каналом без центральной трубы (Л.Д. Гущин, В.П. Семенов, Каталитическая конверсия природного газа. Памятка аппаратчику. Издательство «Химия», М., 1970 г.). Смеситель устанавливают непосредственно на крышке конвертора метана так, чтобы смесительная доска и канал были расположены в корпусе конвертора. Сопротивление смесителя с цилиндрическим каналом меньше, чем с кольцевым, однако при разогреве агрегата смесители такого типа необходимо демонтировать. Недостатком данного смесителя является то, что для разогрева конвертора метана используют теплоноситель, получаемый при сжигании смеси углеводородного или конвертированного газа с воздухом. Сжигание проводят в специальном аппарате или непосредственно в конверторе метана. В настоящее время для разогрева агрегатов, работающих при низком давлении, применяют специальные камеры разогрева. В агрегатах, работающих под давлением 2.0 МПа, теплоноситель получают непосредственно в конверторе метана как над слоем катализатора, так и в катализаторной зоне. В частности, теплоноситель получают непосредственно в конверторе метана над слоем катализатора, используя в паро-газо-кислородном смесителе запальную горелку, для чего по центральной трубе запальной горелки подают смесь природного газа с воздухом для образования запального факела. Основной поток природного газа вводят по кольцевому сечению, образованному горелкой и центральной трубой смесителя, которая при работе конвертора предназначена для установки термопары. После разогрева конвертора высокотемпературной конверсии природного газа и, соответственно, отключения подвода запального газа, запальную горелку заменяют на термопару. Недостатком такого решения является сложность эксплуатации заменяемых элементов в смесителе, что увеличивает время пуска, требует разогрева при атмосферном давлении, дополнительного контроля взрывобезопасности.
Наиболее близким техническим решением является горелка, которая содержит корпус, внутри которого размещен смеситель, имеющий первый и второй входные патрубки и выпускное устройство, и трубопроводы для подвода горючего газа, окислителя и продуктов сгорания топлива из запальника. Смеситель дополнительно снабжен двумя кольцевыми камерами, одна из которых сообщена с трубопроводом для подвода горючего газа через первый входной патрубок и атмосферой через выпускное устройство, а другая - с трубопроводом для подвода окислителя через второй входной патрубок и атмосферой через выпускное устройство и центральным каналом, вход которого сообщен с трубопроводом для подвода продуктов сгорания топлива из запальника, а выход - с атмосферой в зоне расположения выпускного устройства (Патент РФ №2168112, опубл. 27.05.2001 - прототип). Недостатком данной горелки является необходимость подвода продуктов сгорания топлива из запальника, отсутствие возможности подачи в смеситель парометановой и паровоздушной смесей после окончания разогрева конвертора высокотемпературной конверсии природного газа и, соответственно, отключения подвода горючего газа.
Целью изобретения является повышение функциональных возможностей газовой горелки для дополнительной подачи и смешения парометановой и паровоздушной смесей, образующих реакционную смесь.
Поставленная цель достигается тем, что в известной газовой горелке, содержащей корпус, внутри которого размещен смеситель, смеситель, имеющий первый и второй входные патрубки и выпускное устройство, трубопроводы для подвода горючего газа и окислителя, и снабженный двумя кольцевыми камерами, внутренняя из которых сообщена с трубопроводом для подвода горючего газа через первый входной патрубок и внутренней полостью конвертера метана через выпускное устройство, а внешняя - с трубопроводом для подвода окислителя через второй патрубок и внутренней полостью конвертера метана через выпускное устройство, отличающаяся тем, что внутри смесителя размещена трубка, снабженная свечой зажигания, расположенной внутри выпускного устройства. Кроме того:
- трубка снабжена электродом, изолированным от стенок трубки и соединенным со свечой зажигания.
- трубка снабжена штуцером, сообщающимся с источником воздуха, а свеча зажигания размещена с радиальным зазором внутри трубки.
- трубопроводы для подвода горючего газа и окислителя сообщены с источником водяного пара.
- выпускное устройство снабжено расположенными равномерно по окружности дроссельными щелями и отверстиями для выпуска газа и окислителя во внутреннюю полость конвертера метана.
- при этом отверстия для выпуска газа и окислителя выполнены таким образом, что пересечение их осей находится на расстоянии не менее 8-12 калибров от их нижнего среза.
На чертеже показана предлагаемая газовая горелка.
Горелка содержит корпус 1, внутри которого размещен смеситель 2, имеющий первый 3 и второй 4 входные патрубки и выпускное устройство 5, и трубопроводы 6, 7, 8, 9 и 10 для подвода, соответственно, воздуха, воздуха, окислителя, горючего газа, окислителя, трубка 11, электрод 12, штуцер подачи воздуха 13, свеча зажигания 14, источник водяного пара 15, электроизолятор 16, зону катализатора 17.
Смеситель 2 дополнительно снабжен двумя кольцевыми камерами: внешней с патрубком 3 и внутренней с патрубком 4 и трубкой 11. Внутренняя кольцевая камера сообщена с трубопроводом 9 для подвода горючего газа через входной патрубок 4 и атмосферой - через выпускное устройство 5, а внешняя кольцевая камера - с трубопроводом 6 через входной патрубок 3 и атмосферой - через выпускное устройство 5, вход трубки 11 сообщен с трубопроводом 7 для подвода воздуха через штуцер подачи воздуха 13, а выход - с атмосферой в зоне выпускного устройства 5.
Выпускное устройство 5 во внутреннюю полость конвертера метана снабжено расположенными равномерно по окружности дроссельными щелями и отверстиями (на чертеже не показаны). Каждое дроссельное отверстие расположено между двумя соседними дроссельными щелями. Для улучшения качества горючей смеси дроссельные щели могут быть выполнены профилированными. Для повышения надежности работы горелок смеситель 2 установлен в корпусе 1 с уплотняемым зазором.
К трубке 11 через штуцер подачи воздуха 13 подведен воздух. Внутри трубки 11 размещен электрод 12, подводящий напряжение к свече зажигания 14, которая расположена на нижнем срезе трубки 11 в зоне выпускного устройства 5. Для подвода электроэнергии на верхнем срезе трубки 11 выполнен гермоввод - электроизолятор 16, изолирующий электрод 12 от стенок трубки 11.
Смеситель 2 рассчитывается таким образом, чтобы соответствовать необходимым требованиям, таким как повторное зажигание в процессе эксплуатации конвертера, форма температурного профиля, термомеханическая стойкость ее различных составляющих частей.
В частности, система зажигания, включающая в себя трубку 11 со штуцером подвода воздуха 13 и свечу зажигания 14 с электродом 12, призвана обеспечивать повторное зажигание в процессе эксплуатации конвертера в случае неожиданного прекращения его работы и расхолаживания. При этом свеча зажигания 14 должна сохранить работоспособность при сохранении сопротивления термическим напряжениям, которым она подвергается. Для этого вокруг свечи зажигания 14 выполнен минимальный боковой зазор для обеспечения возможности относительных перемещений относительно трубки 11 вследствие изменений температуры во время различных фаз эксплуатации конвертера, а также для того, чтобы свеча зажигания 14 могла охлаждаться потоком воздуха, поступающим через штуцер подачи воздуха 13.
Свеча зажигания 14 может быть выполнена по типу «высокая энергия-высокое напряжение», рабочее напряжение которых составляет порядка 20 кВ, или как свеча типа «высокая энергия-низкое напряжение», рабочее напряжение которых составляет порядка от 2 до 3 кВ. В свечах типа «высокая энергия-низкое напряжение» между электродами размещен полупроводниковый материал таким образом, что приложение достаточного напряжения к электродам приводит к возникновению искры. Срок службы свечей ограничен; в случае свечей «высокая энергия-высокое напряжение» - вследствие износа электродов, а для свечей «высокая энергия-низкое напряжение» - вследствие износа полупроводника, при этом последний изнашивается быстрее, чем электроды. В этой связи трубка 11 может содержать средства направления воздуха для охлаждения полупроводника свечи. В частности, для свечей этого типа полупроводник свечи может быть размещен между наружной плоской поверхностью на конце свечи и центральным электродом таким образом, что конец полупроводника и внутренняя стенка оболочки свечи образуют кольцевую полость свечи, как это предложено фирмой СНЕКМА (патент РФ №2501963, опубл. 20.12.2013 Бюл. №35). Горелка работает следующим образом.
По команде с пульта управления из трубопровода 7 через штуцер подвода воздуха 13 начинают подавать воздух внутрь трубки 11. Одновременно, поток горючего газа, например, природного газа, начинают подавать через трубопровод 9 внутрь смесителя 2. При подаче напряжения на свечу зажигания 14 по электроду 12 возникает искра, энергии которой достаточно для воспламенения в зоне выпускного устройства 5 газовоздушной смеси, образуемой ниже среза трубки 11. Продукты сгорания горючего газа при высокой температуре поступают во внутреннюю полость конвертера метана - зону катализатора 17 и разогревают ее. После начала подачи пускового горючего газа первый разогрев конвертора осуществляется до 100°С со скоростью 10-15 гр./час. При 100-110°С осуществляется 3-5 часовая выдержка температуры. Далее разогрев конвертора осуществляется со скоростью 20-25 гр./час до достижения температуры 1000°С под слоем катализатора конверсии природного газа.
По достижению этой температуры прекращается подача горючего газа на разогрев.
Для того, чтобы сократить время охлаждения конвертора и сохранить максимальную температуру в конверторе при пуске, необходимо как можно быстрее осуществить последовательную подачу технологического воздуха, технологического природного газа, а так же пара в смеситель 2 газовой горелки перед слоем катализатора 17. Подача этих потоков начинается при условии, что температура после слоя катализатора конверсии природного газа на момент пуска не ниже 700°С.После подачи горючего газа в конвертор из трубопровода 9 по входному патрубку 4 ведется контроль за ростом температуры. Контрольным параметром является наличие роста температуры после слоя катализатора конверсии природного газа. В случае наличия роста температуры в горючий газ, подаваемый по трубопроводу 9, начинается подача окислителя по трубопроводу 8 из источника водяного пара 15.
По мере вывода конвертера на нормальный технологический режим поднимается давление в конверторе, а затем осуществляется подача смеси горючего газа и окислителя через входной патрубок 4 во внутреннюю полость смесителя 2, а затем через выпускное устройство 5 в пространство перед слоем катализатора 17.
При горении горючей смеси горелка начинает нагреваться, отнимая тепло от пламени. Горючий газ, идущий из трубопровода 9, при движении по входному патрубку 4 и внутренней кольцевой камере к дроссельным щелям выпускного устройства 5, отнимая тепло от узлов и деталей горелки, охлаждает их до необходимой температуры. Воздух, идущий из трубопровода 6, при движении по входному патрубку 3 и внешней кольцевой камере к дроссельным отверстиям выпускного устройства 5, отнимая тепло от узлов и деталей горелки, также охлаждает их до необходимой температуры.
Состав исходной реакционной смеси, образуемой в процессе смешения потоков, относится к медленно горящим и потому трудно поджигаемым. Содержание кислорода в смеси в среднем составляет 15-20%. При нарушениях параметров нормального технологического режима возникают локальные отклонения состава смеси от среднего. Чем больше отклоняется состав исходной смеси от среднего (в сторону увеличения содержания О2), тем ниже температура воспламенения смеси, т.е. тем легче возникает очаг горения. Для предотвращения возникновения очагов горения необходимо на выходе из смесителя иметь однородную смесь. Ввиду высокой начальной температуры компонентов смеси (до 400-600°С) их перемешивание должно быть интенсивным, приводящим практически к полному смешению в течение короткого промежутка времени.
Смесь горючего газа и окислителя поступает при температуре 400°С на конверсию через патрубок 4.
Парогазовая смесь поступает во внутреннюю полость смесителя 2, установленного в корпусе 1 газовой горелки на горловине конвертора.
Воздух с избыточным давлением 1.2-1.1 МПа поступает по трубопроводу 6 с температурой 400°С. Предусмотрена сигнализация и блокировка по минимальному объемному расходу воздуха.
Перегретый пар из источника водяного пара 15 с расходом 29.5 нм3/час и температурой 400°С поступает по трубопроводу 10 на смешение в воздух до соотношения объемных расходов пар: воздух - 0.1:1. Регулирование расхода перегретого пара осуществляется клапаном.
Паровоздушная смесь с температурой 400°С и избыточным давлением не более 1.1 МПа поступает во внешнюю полость смесителя 2.
Для защиты газовой горелки и предотвращения обратного хода горячего газа из конвертора метана в смеситель 2 предусматривается непрерывный расход пара по трубопроводу 10 до соотношения объемных расходов пара и воздуха (0,1-0,15):1.
Режим работы горелки поддерживается путем изменения расходов горючего газа, воздуха и окислителя.
Таким образом, предлагаемая горелка благодаря охлаждению ее узлов и деталей движущимися потоками горючего газа и окислителя и смесеобразований за пределами ее дна обладает высокими надежностью и долговечностью.
Использование предлагаемой горелки в конверторах высокотемпературной конверсии горючего газа позволяет повысить экономичность производства за счет ускорения пусковых операций, повышения функциональных возможностей газовой горелки для дополнительной подачи и смешения парогазовой и паровоздушной смесей, образующих реакционную смесь.