ФАКЕЛ ЗАКРЫТЫЙ БЕЗДЫМНЫЙ ПАРФЕНОВА Российский патент 2013 года по МПК F23D14/20 F23D14/22 F23G7/06 

Изобретение относится к устройству факельных установок закрытых и может быть использовано в нефтегазовой, нефтехимической, химической, коксохимической и других отраслях промышленности для полного термического обезвреживания горючих углеводородных газов (до углекислого газа CO₂ и воды H₂O) при их сбросе в атмосферу.

Факельные установки закрытые (далее - ФЗ) представляют собой технические сооружения для полного сжигания горючих сбросов газов внутри конструкций башенного типа, цилиндрические или конические усеченные, создающие гравитационную тягу, с открытым выходом сверху для дымовых газов. ФЗ размещают на фундаментах. Внутри конструкции, в нижней горизонтальной части или снаружи ФЗ по периметру башни размещены газовые форсунки и дежурные горелки. Воздух на обеспечение горения поступает снизу через подовые решетки или в местах размещения боковых горелок.

ФЗ распространены незначительно из-за нерешенных принципиальных технологических проблем.

Недостатком существующих конструкций ФЗ является то, что сжигание сбросов горючих газов выполняют без охлаждения конструкции сооружения. При массовых сбросах газов (периодических, эпизодических и аварийных) тепловые излучения в зоне горения поднимают температуру внутренних конструкций до 2200°C, что выше температур применения всех промышленных сплавов металлов и большинства огнеупоров. Происходят повреждения металла конструкций и футеровки ФЗ изнутри, до разрушения последних. В футерованном изнутри огнеупорами ФЗ температура должна подниматься и снижаться с градиентом не более 100-150°C/час, иначе футеровка разрушается. Такой градиент допускается только для предварительно высушенной до рабочей температуры футеровки, по специальному графику на протяжении 7-8 суток. В случае увлажнения футеровки атмосферными осадками или конденсатом водяного пара из продуктов сжигания процедура сушки должна повторяться. Поэтому в промышленности футерованные ФЗ применяются только для сжигания постоянных незначительных сбросов газов (И.И.Стрижевский, А.И.Эльнатанов. Факельные установки. - М.: Химия, 1979, стр.116, 117).

Воздух в зону сжигания существующих ФЗ поступает снизу но проходам в фундаментах сквозь воздухозаборные решетки, собственно конструкцию ФЗ не охлаждает. В Евросоюзе на ФЗ поступают постоянные незначительные сбросы, а массовые-аварийные сбросы газов - перебрасываются на высотные факельные стволы, где сгорают до углекислого газа (CO₂) и водяных паров (H₂O) от 10 до 70% углеводородов, а в атмосферу, кроме инертных газов H₂O и CO₂, сбрасываются не обезвреженные факельные газы, сажа и угарный газ (CO).

Кроме того, применяемые ФЗ высотой до 30-40 м и диаметром до 15-20 м и более в ветреную погоду за корпусом ФЗ создают зоны пониженного давления ("ветровую тень"), в которые затягиваются и опускаются сверху часто до поверхности земли продукты полного, а часто и неполного сжигания газов.

ФЗ для сжигания массовых сбросов газов начали применяться только в России и в последние годы с отрицательными результатами по причине неизбежного превышения температур эксплуатации над разрешенными температурами для металлоконструкций из жаропрочных металлов и последующего повреждения конструкций ФЗ.

Наиболее близким по технической сущности является ФЗ по патенту RU 2062950, представляющий факел цилиндрический наземный с газовыми горелками в нижней части. Вход воздуха на горение выполняется снаружи внутрь через проходы в фундаментах снизу цилиндрической обечайки в зону горения под действием гравитационной тяги. По причине незначительных сбросов газов воздух поступает со значительным избытком, снижающим температуру пламени и дымовых газов до уровня 600-900°C, обеспечивающего температуру облучаемой внутренней поверхности конструкций на уровне 200-600°C и позволяющего длительную эксплуатацию ФЗ. Однако массовые сбросы газов на ФЗ не обеспечиваются избыточным количеством воздуха от гравитационной тяги тех же ФЗ, температура горения повышается до максимально возможной, а принудительная подача воздуха воздуходувками невозможна, т.к. например на 100000 кг/час газов необходимо подавать минимум 1000000 кг/час воздуха, что воздуходувками экономически нецелесообразно, поэтому такая конструкция ФЗ предназначена для сжигания только постоянных незначительных сбросов, а массовые сбросы газов не обезвреживают и не рассеивают их на необходимой высоте при скорости ветра более 2 м/сек.

Задача изобретения - создание ФЗ для длительного бездымного сжигания газов во всем расчетном диапазоне расходов факельных газов, включая аварийные сбросы и рассеивания продуктов полного сжигания газов выше мест пребывания людей в санитарно-защитной зоне (далее - СЗЗ).

Задача решается тем, что для возможности работы со всеми сбросами, включая массовые аварийные, повышения устойчивости факела закрытого бездымного (далее - ФЗБ) к длительной эксплуатации между капитальными ремонтами, исключения распространения дымовых газов в зоне пребывания людей, предлагаемый факел закрытый бездымный (далее - ФЗБ), применяющий технологию и конструкции кинетического бездымного сжигания газов по патентам RU 2248502 и RU 2386897, устанавливается на высоких стойках, способствующих проходу ветровых потоков воздуха под ФЗБ для ограничения нижнего уровня "ветровой тени" (пониженного давления) выше мест пребывания людей. Воздух на сжигание сбросных газов к оголовку проходит снаружи по кольцевому воздуховоду, образованному поверхностями, одна их стенок которого является внутренним кожухом зоны сжигания газов ФЗБ, охлаждает облицовку внутренней части конструкций в зоне сжигания ФЗБ до разрешенной температуры длительной эксплуатации соответствующего жаропрочного металла. Для уменьшения влияния зоны пониженного давления на распределение входа потоков воздуха в воздуховод и для предотвращения забора продуктов сжигания вход воздуха в кольцевой воздухозабор выполнен ниже закрытой части и горизонтальных опорных конструкций закрытой части ФЗБ. Воздух на горение охлаждает поверхность воздуховода со стороны теплового облучения от пламени оголовка. Тепловая энергия сжигания газов переходит в тепловое излучение (в доле 10-30%) на конструкции зоны сжигания и в теплосодержание продуктов сгорания (остальная доля - 90-70%). Теплосодержание продуктов сжигания газов конвекционным способом практически не передается на конструкции ФЗБ, поэтому воздух, проходящий на горение по воздуховоду, выполненному из нескольких кожухов, охлаждает внутренний кожух зоны сжигания до уровня менее 700-900°C.

На Фиг.1 представлена принципиальная конструкция предлагаемого ФЗБ, работающего следующим образом. Факельные газовые сбросы 1 из факельной системы поступают в факельный ствол 2, далее - в оголовок 3. Оголовок 3 обеспечивает скорость истечения факельных газов 1 в зону горения с расчетной скоростью, обеспечивающей полное бездымное сжигание газов во всем диапазоне сбросов: от минимальных постоянных до максимальных аварийных. Такой оголовок обеспечивает короткопламенное сжигание всех видов сбросов, в том числе аварийных сбросов газов, что является преимуществом перед традиционными ФЗ. Газы 1 высокой скоростью истечения газов из оголовка 3 эжектируют воздух 8, создают разрежение в нижней части закрытой зоны камеры горения 10 ФЗБ, а следовательно, создают перепад давления, являющийся движущей силой для поступления воздуха 8 снаружи по воздуховоду в камеру горения 10 газов.

Воздух 8 на горение проходит по воздуховоду 11, состоящему в основном из кожухов 5, 6, 7, охлаждает внутреннюю (облучаемую пламенем) поверхность воздуховода 11. Часть обечайки кожуха 7, обращенная в камеру горения 10, является внутренней облицовкой камеры горения 10.

Для снижения локальных перегревов от теплового излучения поверхность кожуха 7 воздухопровода 11 со стороны пламени защищена слоем газопроницаемой или газонепроницаемой огнеупорной теплоизоляции 12 (полотном или матами из жаропрочного волокна кремнезема (или другого материала), или твердыми огнеупорными элементами с температурными зазорами. Это покрытие может крепиться на поверхности кожуха 7 жаростойкими бандажами с фиксирующими креплениями 13. Бандажи также закрываются сверху теплоизоляцией 12. Для охлаждения бандажей и креплений 13 в поверхности кожуха 7 имеются отверстия 14 для прохода воздуха 8, охлаждающего бандажи и крепеж 13. Охлаждение кожуха 7 можно выполнять прохождением воздуха на горение по специальной перфорации значительной поверхности этого же кожуха 7 для создания относительно холодного слоя воздуха по нагреваемой поверхности этого кожуха.

ФЗБ имеет общую расчетную высоту 10-40 м и более по критериям рассеивания продуктов сжигания, в зависимости от количества сбросов. Для предотвращения опускания "ветровой тени" за закрытой частью ФЗБ до уровня пребывания людей в СЗЗ закрытая часть выполняется на высоких стойках 9, обеспечивающих проход потоков ветра 16 под днищем закрытой зоны камеры горения 10 ФЗБ.

Скорость истечения газов из оголовка 3, как правило, достигает 100-180 м/сек, обеспечивает полное обезвреживание сбросов газов и выброс продуктов сжигания на 15-50 м выше верха ФЗБ при любой скорости ветра, что исключает снижение зоны рассеивания продуктов сжигания по "ветровой тени" ниже расчетной высоты ФЗБ. Наличие жидкой горючей фазы в количестве 10-20 тн на 1 тн сбросного газа не влияет на работоспособность предлагаемого ФЗБ.

Изобретение может быть использовано в устройствах закрытых факельных установок в нефтегазовой, нефтехимической, химической, коксохимической отраслях промышленности для полного сжигания сбросов газов. Факел закрытый бездымный содержит камеру горения газов, расположенную на опорах выше мест пребывания людей в санитарно-защитной зоне. Камера горения обдувается потоками ветра со всех сторон, в том числе снизу. Внутренняя часть камеры горения охлаждается воздухом, поступающим по воздуховоду, часть стенки которого является кожухом камеры горения. Воздуховод имеет слой огнеупорной теплоизоляции. Воздух на горение поступает в воздуховод снизу, из уровня ниже закрытой части факела и несущих конструкций камеры горения и частично проходит через перфорированные отверстия в обечайке воздуховода (кожухе камеры горения) для снижения температур кожуха или/и огнеупорной теплоизоляции и ее креплений со стороны тепловых потоков. Технический результат заключается в длительном сжигании сбросных газов и рассевании продуктов сжигания выше мест пребывания людей в санитарно-защитной зоне. 1 ил.

Факел закрытый бездымный, отличающийся тем, что его камера горения газов расположена на опорах выше мест пребывания людей в санитарно-защитной зоне, обдувается потоками ветра со всех сторон, в том числе снизу, а внутренняя часть камеры горения охлаждается воздухом, поступающим в камеру горения по воздуховоду, часть стенки которого является кожухом камеры горения, при этом воздуховод в камеру горения для воздуха на горение со стороны тепловых потоков имеет слой газопроницаемой или газонепроницаемой огнеупорной теплоизоляции и воздух на горение поступает в воздуховод снизу, из уровня ниже закрытой части факела и несущих конструкций камеры горения, и воздух частично проходит через перфорированные отверстия в обечайке воздуховода (кожухе камеры горения) для снижения температур кожуха или/и огнеупорной теплоизоляции и ее креплений со стороны тепловых потоков.