ФАКЕЛЬНАЯ ГОРЕЛКА Российский патент 2008 года по МПК F23D14/20 

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 стволоом 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 является 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.

Основными недостатками данной горелки является недостаточно полное отделение конденсата из конденсатосодержащих газов, 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.

Кроме этого, выведение отсасывающей трубки в кольцевой зазор между трубой и корпусом приводит к значительному росту габаритно-массовых характеристик горелки.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание горелки, конструкция которой позволяет обеспечить более полное отделение конденсата от конденсатосодержащего газа, 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, участок трубы, выведенный за пределы корпуса, выполнен в виде сопла Лаваля, согласно изобретению верхний конец отсасывающей трубки расположен на выходе из сопла Лаваля, нижний - размещен в боковой стенке трубы горелки и открывается в кольцевой зазор между корпусом и трубой, а отверстия расположены в районе установки нижнего конца отсасывающей трубки.

Для улучшения условий отделения конденсата от газа перед отсасывающей трубкой установлен сепаратор, выполненный, например, в виде шнека.

Для улучшения условий срыва капель конденсата, стекающих по стенке трубы, отверстия выполнены в виде плоских щелей и расположены под углом к продольной оси горелки, равным углу подъема спирали шнека сепаратора, и направлены в противоположную сторону.

Щели выполнены с соотношением длины к ширине щели, равным 4-6, исходя из того, что при меньшем соотношении увеличивается гидравлическое сопротивление тракта, по которому движется поток внутри корпуса, при большем - происходит перекрывание щелей с уменьшением механической прочности трубы.

Щели расположены в виде спирали с углом подъема к продольной оси горелки, равным углу подъема спирали шнека сепаратора, и направлены в противоположную сторону.

Для снижения гидравлического сопротивления тракта трубы и ее габаритных размеров, отсасывающая трубка выполнена с постоянным проходным сечением.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявляемом устройстве, в отличие от конструктивного выполнения прототипа, верхний торец отсасывающей трубки расположен на выходе из сопла Лаваля, а нижний - размещен в боковой стенке трубы горелки и открывается в кольцевой зазор между корпусом и трубой, перед отсасывающей трубкой установлен сепаратор, выполненный, например, в виде шнека, отверстия выполнены в виде плоских щелей с соотношением длины к ширине щели, равным 4-6, и расположены под углом к продольной оси горелки, равным углу подъема спирали шнека сепаратора, и направлены в противоположную сторону.

Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого технического решения, благодаря наличию новых признаков, обеспечивает получение технического результата, выражающегося в улучшении условий отделения конденсата от газа, и получение 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 - профилированное сопло;

7 - фланец;

8 - отсасывающая трубка;

9 - кольцевой зазор;

10 - отверстия;

11 - сепаратор.

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.

Верхняя часть трубы 2 выполнена профилированной в виде сопла 6, например сопла Лаваля, и размещена внутри рассекателя 4. На нижней части трубы 2 установлен ответный фланец 7 для стыковки с газоводом.

В трубе 2 установлена отсасывающая трубка 8, нижний конец которой выведен в стенку трубы 2 и сообщается с кольцевым зазором 9, образованным трубой 2 и корпусом 1. На участке трубы 2, установленном в корпусе 1, выполнены отверстия 10 в виде щелей. Перед отсасывающей трубкой 8, в трубе 2, установлен сепаратор 11, выполненный, например, в виде шнека.

Предложенная горелка работает следующим образом.

Сбрасываемый из скважины газ подается на сепаратор 11, установленный на входе в трубу 2, в районе установки нижнего конца отсасывающей трубки 8, приобретает вращательное движение и поднимается вверх по трубе 2. За счет вращательного движения и разницы плотностей конденсат отбрасывается на стенку трубы 2 и стекает вниз по трубе. После сепаратора в трубе 2 газ разделяется на два потока. Первый поток газа поступает к соплу Лаваля 6, а второй поток - через отверстия 10 в трубе 2 - в кольцевой зазор между корпусом 1 и трубой 2. При выходе из щелевых отверстий 10 газ с конденсатом в начальный момент времени вращается и распределяется между отсасывающей трубкой 8 и кольцевым зазором между корпусом 1 и трубой 2. При вращении газовой смеси происходит более интенсивное отделение конденсата от газа за счет их разной плотности. За счет разницы плотностей и скоростей движения конденсат стекает в зону установки нижнего конца отсасывающей трубки 8, 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 движется в направлении образующей конического участка рассекателя, к выходу первого потока газа.

Первый поток газа, выходя по трубе 2 из сопла Лаваля 6, подсасывает за счет разности скоростей из кольцевого зазора 9, образованного корпусом 1 и трубой 2 при помощи отсасывающей трубки 8 конденсат. За счет того, что оставшийся поток конденсата подается к выходной части сопла 6, обеспечивается его повышенная турбулентность и скорость на выходе из сопла и поток первоначально более эффективно дробится на мелкодисперсные капли, а затем перемешивается с первым потоком газа и вторым газовоздушным потоком. Полученная смесь газа, воздуха и конденсата бездымно сгорает, обеспечивая при сгорании пониженное содержание вредных примесей в продуктах сгорания.

Для улучшения условий срыва капель конденсата, стекающих по стенке трубы 2, отверстия 10 могут быть выполнены в виде плоских щелей, располагаться под углом к продольной оси горелки, равным углу подъема спирали шнека сепаратора, и быть направленными в противоположную сторону.

Отверстия выполняются в виде щелей и располагаются под углом к продольной оси горелки исходя из того, что именно такая форма отверстия позволяет увеличить периметр отверстия и повысить, тем самым, эффективность удаления конденсата со стенок трубы.

Щели выполнены с соотношением длины к ширине щели, равным 4-6, исходя из того, что при меньшем соотношении увеличивается гидравлическое сопротивление тракта, по которому движется поток внутри корпуса, при большем - происходит перекрывание щелей с уменьшением механической прочности трубы.

Для снижения гидравлического сопротивления тракта трубы 2 и ее габаритных размеров, отсасывающая трубка 8 может быть выполнена с постоянным проходным сечением.

Использование предложенного технического решения позволит более эффективно отделять конденсат от газа, увеличить полноту сгорания конденсатосодержащих газов и уменьшить содержание вредных примесей в продуктах сгорания за счет улучшения условий сгорания газовоздушной смеси.

Изобретение относится к газогорелочным устройствам, работающим с использованием эффекта Коанда, и может быть применено, например, в газовой промышленности для сжигания продувочных газов ремонтируемых скважин. Факельная горелка содержит 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. Верхний конец отсасывающей трубки расположен на выходе из сопла Лаваля, нижний размещен в боковой стенке трубы горелки и открывается в кольцевой зазор между корпусом и трубой, а отверстия расположены в районе установки нижнего конца отсасывающей трубки. Перед отсасывающей трубкой установлен сепаратор, выполненный, например, в виде шнека. Отверстия выполнены в виде плоских щелей. Щели выполнены с соотношением длины к ширине щели, равным 4-6. Щели расположены под углом к продольной оси горелки, равным углу подъема спирали шнека сепаратора, и направлены в противоположную сторону. Щели расположены в виде спирали с углом подъема к продольной оси горелки, равным углу подъема спирали шнека сепаратора, и направлены в противоположную сторону. Отсасывающая трубка выполнена с постоянным проходным сечением. Изобретение позволяет обеспечить более полное отделение конденсата от конденсатосодержащего газа, максимально возможную полноту сгорания газов с уменьшенным содержанием вредных примесей в продуктах сгорания. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Факельная 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, на участке трубы, установленном в корпусе, выполнены отверстия, а участок трубы, выведенный за пределы корпуса, выполнен в виде сопла Лаваля, отличающаяся тем, что верхний конец отсасывающей трубки расположен на выходе из сопла Лаваля, нижний - размещен в боковой стенке трубы горелки и открывается в кольцевой зазор между корпусом и трубой, а отверстия расположены в районе установки нижнего конца отсасывающей трубки.2. Факельная горелка по п.1, отличающаяся тем, что перед отсасывающей трубкой установлен сепаратор, выполненный, например, в виде шнека.3. Факельная горелка по п.1, отличающаяся тем, что отверстия выполнены в виде плоских щелей.4. Факельная горелка по п.3, отличающаяся тем, что щели выполнены с соотношением длины к ширине щели, равным 4-6.5. Факельная горелка по п.3, отличающаяся тем, что щели расположены под углом к продольной оси горелки, равным углу подъема спирали шнека сепаратора, и направлены в противоположную сторону.6. Факельная горелка по п.3, отличающаяся тем, что щели расположены в виде спирали с углом подъема к продольной оси горелки, равным углу подъема спирали шнека сепаратора, и направлены в противоположную сторону.7. Факельная горелка по п.1, отличающаяся тем, что отсасывающая трубка выполнена с постоянным проходным сечением.