УСТРОЙСТВО ГОРЕЛОЧНОЕ (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемое техническое решение относятся к устройствам для сжигания газообразного топлива, в том числе попутного нефтяного газа (ПНГ) с высоким содержанием азота (часто от 70 до 95%), и предназначено для использования в топках печей нагрева нефти, путевых подогревателей, паровых и водогрейных котлов и т.д..
В настоящее время попутный нефтяной газ (ПНГ) различных фракций, получаемых при подготовке нефти для передачи в нефтепровод на промыслах либо сжигают на факелах, где образуются экологически вредные соединения азота, либо применяют в топках печей совместно с природным газом/мазутом в качестве дополнительного топлива.
Известно горелочное устройство (патент на изобретение №2453767, опубл. 20.11.2012, Чумак В.Т., г.Чехов), содержащее первый канал подачи топлива первого типа (жидкого), практически соосно расположенный вокруг него кольцевой второй канал подачи топлива второго типа (газообразного), имеющий множество дополнительных боковых отверстий в выходной части. Второй канал для топлива расположен между двумя кольцевыми каналами подачи воздуха (внешним и внутренним). Во внутреннем воздушном канале расположен первый канал подачи топлива. На корпусе воздуховода внешнего канала установлено две ступени пластинчатых завихрителей, а на выходной части газового коллектора (втором канале подачи топлива) - множество радиальных отверстий для выхода газа между ступенями завихрителей. За счет ступенчатого перемешивания газа и воздуха формируют эффективную горючую газовоздушную смесь (ГВС). Потоки воздуха и всех типов топлива являются регулируемыми. Для розжига в горелку подают готовую ГВС. При этом сжигание ПНГ возможно только совместно с жидким топливом первого канала, используемым в том числе и для розжига горелки. Сжигание ПНГ с высоким содержанием негорючих газов невозможно, т.к. не образуется второе пламя. Кроме того, недостатком является и сложность конструкции.
Ближайшим аналогом заявляемого устройства является горелка для сжигания газообразного и жидкого топлива (патент на полезную модель №105407, опубл. 10.06.2011, ЗАО «МАКойл», г.Москва), содержащее выполненный с возможностью подачи топлива трубопровод с центральным и множеством боковых отверстий в выходной его части. Недостатком устройства является сложность конструкции за счет необходимости подачи регулируемого потока воздуха, а также выполнения выходной части трубопровода из нескольких последовательно установленных корпусов конфузоров с боковыми отверстиями (завихрителями), причем полости кофузоров имеют различные размеры.
Задачей полезной модели является создание простой и надежной конструкции устройства горелочного, позволяющего эффективно сжигать газообразное топливо любого состава, в том числе забалластированный ΠΗΓ I ступени сепарации с содержанием азота более 80%, свести к минимуму выбросы вредных веществ в атмосферу.
Для решения задачи служит устройство горелочное, содержащее трубопровод с фронтальным (центральным) отверстием и множеством боковых отверстий в выходной его части, при этом в трубопроводе практически соосно расположена вставка, разделяющая полость трубопровода на центральный и кольцевой каналы во входной части трубопровода и смесительную камеру в выходной его части. Трубопровод выполнен с возможностью регулируемой подачи топлива в полость трубопровода, поток которого проходит по двум каналам, попадает в смесительную камеру, далее вытесняется через фронтальный (центральный) и множество боковых отверстий (выходов) устройства.
Целесообразно, чтобы множество выходов были выполнены радиальными группами, расположенными равномерно по поверхности насадки.
Целесообразно, чтобы трубопровод состоял из корпуса и съемной насадки.
Целесообразно, чтобы внутренний диаметр насадки был больше внутреннего диаметра корпуса.
Для решения задачи служит также устройство горелочное, содержащее трубопровод с множеством боковых отверстий в выходной его части, при этом в трубопроводе практически соосно расположена вставка, разделяющая полость трубопровода на центральный и кольцевой каналы во входной части трубопровода и смесительную камеру с заглушенным торцем в выходной части трубопровода. Трубопровод выполнен с возможностью регулируемой подачи топлива в полость трубопровода, поток которого проходит по двум каналам, попадает в смесительную камеру, далее вытесняется через множество боковых отверстий (выходов) устройства.
Целесообразно, чтобы множество выходов были выполнены радиальными группами, расположенными равномерно по поверхности насадки.
Целесообразно, чтобы трубопровод состоял из корпуса и съемной насадки.
Целесообразно, чтобы внутренний диаметр насадки был больше внутреннего диаметра корпуса.
Предложенные варианты устройства горелочного (УГ) имеют простую конструкцию, не требующую существенных материальных затрат при изготовлении. УГ может быть установлено в топках путевых подогревателей (ПП) нефти, воды, соль-воды типа ПП-1,6, ПП-0,63, ПНПТ-1,6, ПНПТ-0,63, в печи нагрева нефти ГПС-1, П-15 и т.п.. УГ могут устанавливать непосредственно в специальное отверстие топки (при этом в топке выполняют отверстие для воздуховода), либо в штатное отверстие для паромеханической/механической форсунки широко применяющихся горелок с принудительной подачей воздуха без предварительного смешивания (ГМ, ГГВ или ГМГ (ГМГ-1,5, ГМГ-2М, ГМГ-4М)).
В качестве топлива для УГ можно использовать топливо любой насыщенности: природный газ, горючий ΠΗΓ (I и II ступени сепарации), легкие фракции ПНГ (образуются от испарения на II или III ступенях сепарации) либо ПНГ I ступени сепарации - горючий или забалластированный ПНГ.
Далее осуществление и работа каждого из вариантов устройства горелочного будут показаны в предпочтительных вариантах их исполнения.
На фиг.1 представлен чертеж первого варианта устройства горелочного в предпочтительном варианте исполнения.
На фиг.2 представлен чертеж второго варианта устройства горелочного в предпочтительном варианте исполнения.
Описание первого варианта полезной модели.
Изображенное на фиг.1 устройство горелочное (УГ) в первом варианте содержит образующие трубопровод цилиндрические корпус 1 с насадкой 2 и вставку 3. Вставка образует в корпусе центральный канал 4 и кольцевой канал 5 для топлива, а также смесительную камеру 6 в выходной части трубопровода, образованной насадкой. В камере 6 имеются множество боковых отверстий 7 и центральное отверстие 8 в торце насадки.
Подача газа в полость трубопровода осуществляется подсоединением к системе подачи необходимого вида топлива посредством резьбы, и может изменяться, например, последовательно установленными контрольным краном и рабочим краном. Эти объекты широко известны, не являются предметом настоящей заявки и поэтому не описываются. Внутренний диаметр насадки может быть больше внутреннего диаметра корпуса.
Детали УГ изготавливают из стальных труб, размеры которых подбирают в зависимости от требуемой мощности и вида топлива, а при установке УГ в вышеназванные горелки - и в зависимости от размеров отверстия в их торце. Например, для корпуса и насадки используют трубку диаметром от 32 до 50 мм, а для вставки - от 15 до 30 мм. Для соединения корпуса и насадкой на них выполняют трубную резьбу. В первом варианте полезной модели другой конец цилиндрической насадки оставляют открытым (центральное отверстие ГУ). На боковой поверхности насадки просверливают отверстия диаметром от 2 до 6 мм. Размер, количество и расположение отверстий варьируют в зависимости от необходимых показателей УГ. Возможно, например, выполнять три/четыре группы радиально расположенных отверстий по три/четыре в каждой, группы равномерно разнесены по поверхности насадки.
Необходимую резьбу выполняют также на другом конце детали корпуса для соединения с системой подачи топлива.
Изготавливают вставку длиной равной длине корпуса. Выходная часть вставки может иметь конусное расширение (выполняется привариванием отдельной детали в виде полого усеченного конуса либо прокаткой выходной части вставки), за счет чего регулируют выходные размеры каналов 4 и 5.
Вставку продевают в корпус ГУ, располагая их соосно. Оба конца вставки крепят к корпусу точечно, не перекрывая полученный кольцеобразный канал. На корпус наворачивают насадку. За счет укороченной вставки в полости полученного трубопровода образуется смесительная камера.
Работа УГ в комбинации с горелкой типа ГМГ (УГ установлена в топку через штатное отверстие ГМГ для паромеханической или механической форсунки так, что насадка выступает за торец ГМГ. Установка дутьевого вентилятора не требуется).
Рассмотрим сжигание в УГ ПНГ I ступени сепарации, с содержанием азота более от 80 до 90%. ГМГ подключают к широко известным регулируемым системам подачи природного газа и воздуха. УГ подключают к регулируемой системе подачи ПНГ через контрольный и рабочий краны.
2
Производят розжиг ГМГ, выставляют номинальную нагрузку. Открывают контрольный кран, устанавливая давление перед рабочим краном УГ от 0,01 до 3 кгс/см (на фиг.1 не показан). Далее постепенно открывают рабочий кран (на фиг.1 показан схематично), подавая ПНГ I ступени сепарации в полость УГ, где он разделяется вставкой на центральный (до 70% поступающего газа) и кольцеобразный (не менее 30% газа) потоки. При этом кольцеобразный поток между корпусом и вставкой имеет большую скорость и в основном содержит более легкие составляющие ПНГ (азот, гелий и др.). Легкие негорючие газы попадают в смесительную камеру, вытесняются через боковые отверстия насадки в топку, где вредные соединения разлагаются, при этом других соединений при высокой температуре не образуется (в отличие от сжигания при низких температурах на факелах), и вытесняются в атмосферу через дымовую трубу топки, не участвуя в горении.
3
8
4
10
5
12
При попадании в смесительную камеру (особенно, когда ее диаметр больше внутреннего диаметра корпуса) скорость более тяжелых газов (CH, CH, CH и т.п.) центрального и кольцеобразного потоков замедляется, встречая сопротивление завихрителя, что способствует более равномерному перемешиванию смеси. Таким образом, следуя за более легкими, полученная смесь газов через боковые и центральный выходы смесительной камеры УГ поступает в топку.
2
Увеличивая поток газа УГ, производят розжиг пламени от пламени ГМГ. Далее увеличивают нагрузку на УГ, открывая рабочий кран, а нагрузку на ГМГ уменьшают до минимальной (от 0,004 до 0,01 кгс/см). В результате пламя УГ вытягивается в топке конусом, на длину от 0,5 до 1,3 м большим пламени ГМГ. При уменьшении нагрузки на УГ пламя УГ и ГМГ смешивается. Пламя ГМГ играет роль запальника для поддержания горения (отпадает необходимость в установке дополнительного запальника), служит для исключения проскока пламени на УГ.
Описание второго варианта полезной модели.
Изображенное на фиг.2 устройство горелочное (УГ) в первом варианте содержит образующие трубопровод цилиндрические корпус 1 с насадкой 2 и вставку 3. Вставка образует в корпусе центральный канал 4 и кольцевой канал 5 для топлива, а также смесительную камеру 6 в выходной части трубопровода, образованной насадкой с заглушенным торцем. Внутренний диаметр насадки в данном исполнении больше внутреннего диаметра корпуса. В камере 6 имеются множество боковых отверстий 7.
УГ изготавливают, как описано выше. Кроме того, после выполнения трубной резьбы для соединения корпуса с насадкой, на другом конце последней торец заглушают, заваривая круглой металлической пластиной (стаканообразную деталь насадки можно изготовить также фрезерованием, литьем и т.п.). После сборки УГ в смесительной камере имеется лишь множество боковых выходов для топлива.
Рассмотрим работу УГ в автономном режиме.
Горелку устанавливают в специальное отверстие топки, закрывая его полностью (например, стопорным устройством, закрепленном на корпусе - на фиг.1 и 2 не показано), подключают к регулируемой системе подачи ПНГ через контрольный и рабочий краны.. К другому отверстию (воздуховод) топки подключают регулируемое устройство подачи воздуха.
2
Осуществляют предварительную продувку (вентиляцию) топки. Далее уменьшают либо полностью прекращают подачу потока воздуха закрытием шибера. Производят розжиг запальной горелки, работающей на природном газе. Далее производят продувку трубопровода подключения УГ через свечу безопасности (на фиг.1 и 2 не показано) между контрольным и рабочим кранами. Последовательно открывают контрольный кран, затем - рабочий кран перед УГ, подавая на УГ ПНГ I либо II ступени сепарации, либо их смесь. Газ в полости УГ разделяется вставкой на два потока - центральный и кольцевой, затем поступает в смесительную камеру насадки (в выходную часть УГ). Здесь ПНГ встречает сопротивление стенок насадки, скорость потока уменьшается. В результате чего более тяжелые углеводороды оседают вниз камеры, образуя смесь, а более легкие газы (с том числе азот) первыми выходят из отверстий насадки в топку и, не участвуя в горении, по дымовой трубе выводятся в атмосферу. Смесь углеводородных газов, выходя из отверстий насадки УГ, воспламеняется от запальной горелки. Таким образом, розжиг УГ возможен при минимальной нагрузке. Увеличивая подачу ПНГ регулировкой рабочего крана, увеличивают пламя УГ. Отметим, что УГ устойчиво работает (без проскока и отрыва пламени) на смеси ПНГ I или II ступени сепарации, а также при изменении давления ПНГ в системе от 0,005 до 1 кгс/см. При этом достаточно давления воздуха от 2 до 6 мм в.ст.(естественной тяги), создаваемого дымовой трубой топки (печи и т.п.) и поддержание минимального пламени запальной горелки. Работы горелки типа ГМГ не требуется.
Несмотря на то, что варианты УГ показаны и описаны со ссылкой на их конкретные варианты осуществления, специалистам в данной области техники следует понимать, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны без отступления от сущности и объема полезной модели, определенных прилагаемой формулой полезной модели.
Описанные устройства позволяют использовать применяемый ранее для сжигания ПНГ на факелах природный газ - для поддержания горения ПНГ в топках, получая при этом двойную экономию и обеспечивая утилизацию ПНГ (в том числе I и II ступеней сепарации) на объектах нефтедобычи до 100%. Исключается выброс вредных веществ в атмосферу, т.к. при воздействии высоких температур в топке вредных азотных соединений не образуется, а в атмосферу выбрасывается чистый азот. Поэтому удается избежать штрафных санкций за загрязнение окружающей среды. При этом конструкции описанных УГ просты и надежны в изготовлении и при использовании.