ФАКЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ СБРОСНЫХ ГАЗОВ. Российский патент 2014 года по МПК F23D14/02 F23G7/06 

Изобретение относится к устройствам для сгорания горючих газов-углеводородов, сероводорода и других газов в факельных установках газоперерабатывающих, нефтеперерабатывающих заводов, газопромыслов и нефтепромыслов, парогенераторах, газоподогревателях, воздухоподогревателях и других установках.

Известны горелочные устройства факельных установок высокого и низкого давления, расчитанные на сгорание сбросов газов от оборудования. Например, Астраханский газоперерабатывающий завод имеет факельное хозяйство, состоящее из двух факельных систем: две высокого давления, которые предназначены для приема сбросов газа от оборудования при расчетном давлении выше или равным 16 кг/см². Две низкого давления, которые предназначены для приема сбросов газа от оборудования с расчетным давлением ниже 16 кг/см². Недостатком работы известных горелочных устройств факельных установок является отсуствие камер сгорания с правильной организацией процесса горения газообразных углеводородов и сероводорода. Во-вторых, из-за изменения давления газа в газовых горелках наблюдается неполное сгорание газообразных углеводородов и сероводорода, а в некоторых случаях отрыв факела от горелок, в связи с тем, что скорость струй газа выходящих из горелок становится больше, чем сама скорость сгорания, что и приводит к повышению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу /см. К.А. Гильзин ″Воздушно-реактивные двигатели″, Воениздат, М., 1956 г., с.149/. Вместе с тем известные горелочные устройства факельных установок являются ближайшими аналогами-прототипами, так как они содержат признаки, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, в частности:

- системы высокого и низкого давления сбросов газа от оборудования,

- трубы горелочных устройств факельных установок.

Недостатком известных горелочных устройств факельных установок является низкая степень сгорания сбросных газов от оборудования, в связи с чем в предлагаемых горелочных устройствах факельных установок осуществляется применение камер сгорания с конусами и электрогазовыми горелками в горелочных устройствах факельных установок, размещенных в трубах систем высокого и низкого давления сбросов газа от оборудования, для осуществления высокой степени сгорания газообразных углеводородов, сероводорода и других газов.

Изложенная выше совокупность существенных признаков при внедрении обеспечивает реализацию поставленной цели, при этом каждой из данной совокупности приведенных признаков необходим, а все вместе достаточны для получения положительного эффекта-осуществления высокой степени сгорания газообразных углеводородов, сероводорода и других газов. Исходя из приведенных доводов совершенно правомерен вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения - ″изобретательский уровень″.

Приведенная совокупность существенных признаков может быть реализована многократно на практике с получением одной и той же цели. Неоднократная возможность реализации /при изготовлении/ заявляемого технического решения с изложенной выше совокупностью существенных признаков, отвечает также в полной мере другому главному критерию изобретения - ″промышленная применимость″.

Изложенная сущность технического решения поясняется чертежами, на которых:

- на фиг.1 показано горелочное устройство /схема/ в продольном разрезе,

- на фиг.2 показано размещение камер сгорания с электрогазовыми горелками в трубе факельной установки - продольном разрезе,

- на фиг.3 в продольном разрезе показана электрогазовая горелка.

Горелочное устройство факельной установки состоит из камеры сгорания 1, имеющей конус 2 с окнами 3 для входа в него воздуха и электрогазовой горелки 4. Патрубок 5 для входа воздуха под небольшим давлением соединен с кожухом 6 и сообщается с патрубком 7 камеры сгорания для тангенциальной подачи воздуха в камеру сгорания.

На фиг.2 показана установка камер сгорания 1 в трубе 8 факельной установки, в которой может быть размещено несколько камер сгорания. В этой конструкции атмосферный воздух подводится в камеры сгорания раздельно по патрубкам 9 и через окна 10. Ребра 11 для воздушного охлаждения камер сгорания.

На фиг.3 показана электрогазовая горелка 4, которая идентична по конструкции и работе плазменным горелкам /см. Б.А. Артамонов ″Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов″, т.2, Высшая школа, 1983 г., стр.69-90 [1]/.Она состоит из корпуса 12, крышки 13, анода-сопла 14, выполненного в пластине 15. Электроизоляционная прокладка 16. Внутри корпуса и крышки установлен заостренный стержень-катод 17, отделенный от стенок с помощью электроизоляционного материала 18. Патрубок 19 служит для входа в электрогазовую горелку сбросных газов, которые являются плазмообразующими, содержащими сероводород, углекислый газ, диоксид серы, метан и другие. Он установлен под углом и смещен относительно оси корпуса для тангенциального подвода газа. Для воздушного охлаждения горелки она снабжена ребрами 20, 21 и 22. Электрогазовая горелка подключается к источнику постоянного тока 23.

Горелочное устройство факельной установки обеспечивает прием и сгорание сбросов газа от оборудования газоперерабатывающих, нефтеперерабатывающих заводов, газопромыслов и нефтепромыслов с расчетным давлением выше или ниже 16 кг/см². В трубе 8 создается восходящий поток атмосферного воздуха от воздуходувки, расположенной на поверхности земли /не показана на чертеже/.

Работает горелочное устройство факельной установки следующим образом. Включается воздуходувка обеспечивающая подачу атмосферного воздуха в горелочное устройство. Следом под давлением через патрубки 19 электрогазовых горелок подается сбросной газ и включается источник постоянного тока 23. Нагрев газа до высокой температуры в электрогазовых горелках осуществляется дуговым разрядом между катодом 17 и анодом-соплом 14, который в виде плазменной струи с температурой около 3500°С поступает в конус/са/ 2, где, соединяясь с воздухом, частично окисляется и сгорает с повышением температуры. При этом сбросной газ может полностью сгорать в конусе/ах/ 2, если давление газа невысокое и небольшого расхода воздуха протекающего через конус/са/ может оказаться достаточно для сжигания всего сбросного газа. При больших давлениях эта зона служит только как пространство, в пределах которого зажигается газ. Факел, выходящий из конуса, втяпывается в то пространство камеры сгорания 1, где имеется наименьшее давление, а такие места находятся у осей двух вихрей, образованных глазным течением воздуха за счет винтового движения, подобно тому, как это получается при повороте в колене. При надлежащем соотношении диаметров подводящего патрубка 5, 7 и камеры 1 образуется двойной вихрь, способствующий правильной организации процесса горения. Удовлетворительный поток воздуха может быть получен при диаметре патрубка 7, равном около 0,6 от диаметра камеры /см И.И. Кириллов ″Газовые турбины и газотурбинные установки″, т.2, Машгиз, М., 1956 г., стр.79-80 [2]/. В горении принимает участие лишь часть воздуха, протекающая вблизи осей вихрей, а во внешних слоях, омывающих стенку камеры сгорания, остается сравнительно холодный воздух. Частицы догорающего сбросного газа, попадая во вращающийся воздух, имеют тенденцию двигаться к внешним слоям воздуха, где они находят достаточное количество кислорода для горения.

Поэтому по мере увеличения давления сбросного газа поперечное сечение факела автоматически увеличивается и захватывает более широкие слои вихрей, с высокой степенью сгорания газа, благодаря чему обеспечивается чистый выхлоп из трубы 8 факельной установки с полным сгоранием газов, в том числе и сероводорода, который, как известно, очень ядовит /см. Н.Л. Глинка ″Общая химия″, издательство ″ХИМИЯ″, Л., 1980 г., стр.383-387 [3]/.

Горение в пространстве конуса и камере/ах/ 1 протекает при небольшом избытке воздуха, так как в зоне горения не происходит интенсивного подмешивания холодного воздуха. Поэтому возможна работа горелочного устройства факельной установки в широком диапазоне нагрузок, т.е. давления сбросного газа, нижний предел которых может достигать 1/20 от полной нагрузки /см. 2, стр.80/. Материал камер сгорания 1 с конусами 2 - первые из хромоникелевой стали, вторые из высокохромистой стали или других материалов.

Таким образом, выполнение горелочного устройства факельной установки с камерами сгорания имеющими конуса, с тангенциальным подводом атмосферного воздуха /угловая/ые/ камера/ы/ сгорания, обеспечивает правильную организацию процесса горения сбросного газа и высокую степень его сгорания. Вместе с тем достижению высокой степени сгорания сбросных газов способствуют реакции диссоциации-ассоциации. В столбе дугового разряда молекулы диссоциируют по следующим схемам:

Н₂=+431,57 кДж/моль; H₂+942,75 кДж/моль; О₂+502,80 кДж/моль и др. /см.1, стр.71/. При этом происходит дополнительное поглощение теплоты при термической диссоциации всех газов входящих в состав сбросного газа, в том числе и серой сероводорода.

Образующиеся в столбе дугового разряда продукты диссоциации с большой скоростью выходят из анода-сопла 14 электрогазовой горелки/ок/ в конус/са/ 2 и смешиваются с кислородом воздуха, при этом плазмообразующий газ ассоциирует /превращается из атомного в молекулярный/; при этом выделяется теплота, затраченная на его диссоциацию, которая нагревает воздух, что способствует нормальному процессу горения с небольшим избытком воздуха.

Вместе с тем вследствие термической диссоциации и ионизации в объеме плазменной струи на всей ее длине газовоздушная смесь реагирует с огромными скоростями без задержки воспламенения, благодаря чему обеспечивается высокая степень сгорания сбросного газа, в том числе сероводорода и углеводородов /см. А.С Хачиян ″Двигатели внутреннего сгорания″, Высшая школа, М., 1978 г., стр.68 [4]/. Устройство направляющих лопаток 24 способствует вращению поступающего воздуха в конусе/ах/ 2 горелочного устройства по фиг.2, смешиванию его с плазменной/ыми/ струей/ями/, образованию горючей смеси и ее сгоранию, при этом плазменная струя/и/ одновременно выполняет роль поджигающего воспламенителя горючей смеси.

Таким образом, применение камер сгорания 1 с конусами 2 и электрогазовых горелок 4, в которых плазмообразующим газом являются газы, поступающие при сбросе от оборудования газоперерабатывающих, нефтеперерабатывающих заводов, газопромыслов и нефтепромыслов, в одном горелочном устройстве факельной установки обеспечивает высокую степень сгорания этих газов, в том числе и сероводорода. Отметим, что электрогазовые горелки могут также выполняться с охлаждением их стенок водой, с устройством рубашек и подачей воды под давлением от насоса.

В связи с изменением давления газов поступающих при сбросе от оборудования источник постоянного тока 23 дополнительно оборудуется устройством для изменения силы тока, например реостатом, управляемым электронной системой факельной установки /не показанных на чертеже/. Однако недопустимо в дальнейшем нагревать атмосферу и тем самым еще больше загрязнять воздух факелами горящих газов. Их использование и сейчас, и в перспективе - бездумное, ничем не оправданное расточительство ресурсов планеты. Поэтому при сбросе газов от оборудования с давлением выше или ниже 16 кг/см² необходимо, во-первых, использовать потенциальную энергию давления этих газов на турбодетандерах с получением полезной электрической энергии достаточно большой мощности, и, во-вторых, отработанные в них газы с низким давлением направляются для сгорания в парогенераторы с применением в них горелочных устройств по фиг.1, обеспечивающих высокую степень сгорания сбросных газов, в том числе и сероводорода, при этом продукты сгорания выбрасываются в атмосферу с низкой температурой, не нанося ей вреда. Полученная электрическая энергия и энергия пара используется для внутренних нужд завода, нефте- или газопромыслов, а при отсутствии потребностей в паре он на паротурбинных установках с электрогенераторами преобразуется в электрическую энергию, направляемую по проводам другим потребителям энергии. При использовании потенциальной энергии давления газов их перед входом в турбодетандеры/ы/ необходимо нагревать до температуры 70°C в газоподогревателях путем частичного отбора газа в горелочное устройство по фиг.1, при этом за счет расширения нагретого газа в турбодетандере его температура снижается до нормальной 18-20°C, а не ниже нуля градусов.

В некоторых случаях горелочное устройство факельной установки может выполняться с одними электрогазовыми горелками, в которых достижению высокой степени сгорания газообразных углеводородов и сероводорода, а также других газов способствует высокая температура плазменной/ых/ струи/й/ на всей ее длине, которая может превышать 0,4 метра /см.1, стр.76-77/. При этом длина плазменной струи/й/ зависит от величины силы тока.

Однако при этом существенно растут затраты электроэнергии, особенно при сбросе газов от оборудования с большим давлением, превышающим 16 кг/см². Поэтому целесообразно в целях снижения расхода электроэнергии горелочное устройство факельной установки выполнять с камерами сгорания, имеющими конуса и электрогазовые горелки, при этом плазмообразующий газ в дуговом разряде нагревается до температуры около 3500°C, которая уточняется в процессе испытания горелочного устройства.

Технико-экономическая часть

Новое горелочное устройство факельной/ых/ установки/ок/ обладает рядом существенных преимуществ перед обычными горелочными устройствами.

Во-первых, обеспечивается высокая степень сгорания газов, сбрасываемых с оборудования газоперерабатывающих, нефтеперерабатывающих заводов, газопромыслов и нефтепромыслов, в том числе сероводорода и углеводородов.

Во-вторых, горелочные устройства с электрогазовыми горелками можно использовать в парогенераторах при сжигании в топках котлов газов с примесью сероводорода, с обеспечением высокой степени сгорания газообразных углеводородов и сероводорода.

Таким образом существенно снижается загрязнение атмосферы, уменьшается в воздухе количество парниковых газов и одновременно ядовитых Н₂.

Изобретение относится к устройствам для сгорания горючих газов-углеводородов, сероводорода и других газов в факельных установках газоперерабатывающих, нефтеперерабатывающих заводов, газопромыслов и нефтепромыслов, парогенераторах, газоподогревателях, воздухоподогревателях и других установках. Факельная установка для сжигания сбросных газов, в трубе которой установлено, по меньшей мере, одно горелочное устройство, содержащее камеру сгорания, конус с окнами для ввода воздуха, в котором осуществляется воспламенение сбросного газа, электрогазовую горелку, кожух с патрубком подачи воздуха, соединенным с патрубком камеры сгорания для тангенциальной подачи в неё воздуха, рёбра для воздушного охлаждения камеры сгорания. Технический результат - осуществление высокой степени сгорания газообразных углеводородов, сероводорода и других газов. 3 ил.

Факельная установка для сжигания сбросных газов, в трубе которой установлено, по меньшей мере, одно горелочное устройство, содержащее камеру сгорания, конус с окнами для ввода воздуха, в котором осуществляется воспламенение сбросного газа, электрогазовую горелку, кожух с патрубком подачи воздуха, соединенным с патрубком камеры сгорания для тангенциальной подачи в нее воздуха, ребра для воздушного охлаждения камеры сгорания.