Факельная установка (варианты) Российский патент 2024 года по МПК F23D14/20 

Изобретение относится к газогорелочным устройствам и может применяться для сжигания различных газообразных видов топлива, в том числе попутных нефтяных газов (ПНГ) любой степени насыщенности по содержанию азота и других негорючих газов (I, II ступеней сепарации).

Известна факельная горелка (патент №2477423, опубл. 10.03.2013), включающая корпус в виде трубы, с профильным рассекателем в выходной части для образования струйных потоков газа, а также расположенные внутри трубы дополнительный рассекатель и профилированные тела для предварительного рассекания потока газа с получением желаемых скорости и давления на выходе, за счет чего достигают улучшенного прогорания ПНГ при подаче газа определенного давления. При изменении давления газа, подаваемого на горелку, для сохранения эффективности ее работы требуется изменение формы дополнительного рассекателя, достигаемого его заменой, что достаточно трудоемко в полевых условиях. Конструкция не обеспечивает стабильной работы при перепадах давления: возможны проскоки либо отрывы пламени, приводящие к аварийным ситуациям либо затуханию пламени с выбросом вредных веществ в атмосферу.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является универсальная факельная установка (патент №2554684, опубл. 27.06.2015). Установка содержит основание, оголовок с множеством боковых форсуночных отверстий на его боковой поверхности и кожух, расположенный с радиальным зазором вокруг оголовка. Основание и оголовок выполнены в виде единой детали трубопровода, внутренний диаметр оголовка больше внутреннего диаметра основания, а радиальный зазор выполнен сквозным. Установка содержит два рассекателя, установленных практически соосно с трубопроводом, причем первый рассекатель потока топлива с множеством форсуночных отверстий установлен в верхней части основания, а второй рассекатель установлен подвижно вдоль оси трубопровода, выполнен в виде диска с хотя бы четырьмя форсуночными отверстиями, одно из которых расположено в центре и является выходом газоуравнительной трубки, образующей торцевое кольцевое отверстие оголовка, и образует с торцом оголовка узкую торцевую щель при низком давлении топлива в трубопроводе, размер которой увеличивается с поднятием рассекателя над торцом оголовка при возрастании давления топлива. Недостатком данной установки является то, что при прохождении газа через рассекатель, установленный в основании, фракции тяжелых и легких газов перемешиваются, что создает трудности для его быстрого воспламенения и стабильной работы горелки, вследствие чего появляются проскоки и отрывы пламени.

Задачей заявляемого изобретения является создание простой и надежной конструкции факельной горелки, обеспечивающей улучшенные условия образования газовоздушной смеси, максимально эффективное и быстрое сжигание ПНГ, разделение тяжелых и легких фракций, повышенную устойчивость горения, регулирование высоты пламени.

Задача решается тем, что факельная установка содержит основание, оголовок с множеством боковых форсуночных отверстий на его боковой поверхности и кожух, расположенный с радиальным зазором вокруг оголовка, рассекатель, установленный в верхней части оголовка.

В верхней части основания установлен завихритель газа, выполненный таким образом, что обеспечивается беспрепятственный проход тяжелых газов по центру завихрителя, а его лопатки подкручивают поток легких газов. Лопатки установлены под определенным углом, рассчитанным в каждом конкретном случае и зависящим от вида газа, его расчетного объема, компонентного состава газа.

Также один или более завихрителя газа установлены в оголовке. Оптимальное количество завихрителей газа, установленных в оголовке, - два. Боковые форсуночные отверстия имеют разную пропускную способность. Размер боковых форсуночных отверстий, расположенных после каждого установленного в оголовке завихрителя газа, увеличивается по сравнению с предыдущей зоной оголовка в направлении от основания факельной установки по ходу движения ПНГ. Лопатки завихрителей газа направляют легкие газы в боковые форсуночные отверстия. Углы наклона лопаток завихрителей газа, установленных в оголовке, регулируются в двух плоскостях, что позволяет гибко регулировать оптимальную величину в каждом конкретном случае использования установки. Если в оголовке устанавливаются два или более завихрителя газа, то углы наклона лопаток последующего завихрителя в направлении от основания факельной установки больше углов наклона лопаток предыдущего завихрителя.

Кожух, установленный с образованием радиального сквозного зазора с оголовком, обеспечивает постоянный естественный приток воздуха для поддержания пламени, выполняет теплозащитную функцию, долго сохраняя высокую температуру разогретого пламенем оголовка для лучшего сгорания ПНГ даже в случае понижения давления, а также служит защитой пламени от жестких погодных условий. При этом нижняя часть кожуха расширяется и образует диффузор кожуха, что в совокупности с регулирующей заслонкой обеспечивает настраиваемый поток вторичного воздуха для образования газовоздушной горючей смеси.

На наружной поверхности оголовка в зазоре с кожухом установлен завихритель воздуха, через который проходит поток воздуха в зону образования газовоздушной горючей смеси.

Таким образом, на выход из оголовка поступает достаточное количество всасываемого воздуха для эффективного сгорания газовоздушной смеси при полном боковом отражении ветра по всей окружности кожуха. В зоне установки запального электрода создаются благоприятные условия для моментального розжига и стабильности горения без проскоков и отрывов пламени, так как обеспечивается доступ стабильной горючей газовоздушной смеси в этой зоне.

Также для улучшения создания газовоздушной смеси и уменьшения высоты факела в факельной установке в основании может быть установлен конфузор и размещен воздушный канал подсоса первичного воздуха. При прохождении газа через конфузор за конфузором создается разряжение, через канал первичного воздуха происходит подсос воздуха и образуется газо-воздушная смесь.

Предложенная факельная установка имеет простую конструкцию, не требующую существенных материальных затрат при изготовлении. Заявленное изобретение поясняется следующими чертежами: На фиг. 1 изображена факельная установка (вариант 1), продольный разрез; На фиг. 2 изображена факельная установка (вариант 2), продольный разрез; на фиг. 3 - сечение А-А фиг. 1; на фиг. 4 - сечение Б-Б фиг. 1. на фиг. 5 - сечение В-В фиг. 4. на фиг. 6 - сечение Д-Д фиг. 4.

Факельная установка содержит трубопровод из основания 1 и оголовка 2 с диффузором оголовка 3, конически сужающимся к основанию, кожух 4 с расширяющимся к нижнему торцу диффузором кожуха 5, завихритель газа 6, расположенный в верхней части основания, один (вариант 1) или по меньшей мере два (вариант 2) завихрителя газа 7, установленных в оголовке, множество боковых форсуночных отверстий 8, рассекатель 9 с форсуночными отверстиями, завихритель воздуха 10. В верхней части оголовка также может быть установлен стабилизатор пламени 11. В нижней части основания может быть установлен конфузор 12, выполнен канал для подсоса первичного воздуха 13. В нижней части оголовка может быть установлена регулируемая заслонка подачи воздуха 14. Завихритель 6 содержит лопатки 17 (фиг. 3), закрепленные на внутренней поверхности основания 1. Завихрители 7 могут быть выполнены в виде, представленном на фиг. 4. Завихритель 7 содержит лопатки 15 и основание завихрителя 16.

Устройство работает следующим образом.

Факельную горелку подключают к системе сброса ПНГ различной насыщенности, поступающего в систему от устройств добычи, подготовки или переработки нефти. Открывают доступ ПНГ на факельную горелку. Розжиг установки производят либо вручную от запальной горелки, либо от дежурной горелки, либо электророзжигом.

ПНГ проходит через основание 1 и завихритель газа 6, выполненный таким образом, что обеспечивается беспрепятственный проход прямого потока вращающихся тяжелых газов по центру всего потока ПНГ (например, пропан, бутан, пентан, этан) по центру завихрителя, а лопатки 17 закручивают поток легких газов через форсуночные отверстия оголовка. Завихритель 6 крепится сварным соединением за лопатки 17 к внутренней поверхности основания 1. Оптимальное число лопаток 2-4 штуки. Лопатки устанавливаются под определенным углом а (угол между плоскостью основания завихрителя и хордой лопатки). Данный угол рассчитывается в каждом конкретном случае и зависит от вида ПНГ, его расчетного объема, компонентного состава.

Далее разделенные потоки газа проходят через завихрители газа 7, установленные в оголовке 2. Завихрители выполнены таким образом, что поток тяжелых газов беспрепятственно проходит по центру завихрителя и, соответственно, по центру оголовка, а лопатки 15, расположенные по окружности основания завихрителя 16, создают сопротивление движению потока легких газов и направляют его в боковые форсуночные отверстия 8, тем самым отводя поток легких газов из оголовка 2. До установки в оголовок завихрителей 7 предварительно рассчитываются и регулируются углы наклона лопаток в двух плоскостях (угол между хордой лопатки и плоскостью основания завихрителя и угол между боковой гранью лопатки, параллельной основанию лопатки, и плоскостью основания завихрителя), что позволяет подобрать оптимальные положение и поворот лопатки относительно основания завихрителя 16 в каждом конкретном случае использования факельной горелки. Угол между хордой лопатки и плоскостью основания завихрителя β (фиг. 6) позволяет задать центростремительное вращение легких газов (и в то же время сопротивление беспрепятственному их прохождению), что обеспечивает выход части легких газов через форсуночные отверстия до завихрителя, и подкручивание другой части легких газов, проходящих далее через завихритель. Регулирование угла между боковой гранью лопатки, параллельной основанию лопатки 18, и плоскостью основания завихрителя γ (фиг. 5) позволяет регулировать направление к внутренней стенке оголовка 2 вращающегося потока легких газов для их выхода через форсуночные отверстия 8, расположенные после завихрителя. В оголовке устанавливаются один (вариант 1) или по меньшей мере два (вариант 2) завихрителя газа 7 (количество завихрителей также зависит от вида ПНГ, его расчетного объема, компонентного состава), при этом углы наклона лопаток каждого последующего по ходу движения ПНГ завихрителя в направлении от основания факельной установки больше соответствующих углов наклона предыдущего завихрителя. У ближнего к основанию 1 завихрителя 7 углы наклона незначительны, что позволяет инициировать разделение газа на легкие и тяжелые, а у последнего завихрителя угол максимальный, что способствует интенсивному разделению газов и их выводу из оголовка.

Легкие газы, направляемые лопатками завихрителей, выходят из оголовка через боковые форсуночные отверстия 8. При этом форсуночные отверстия имеют разную пропускную способность. После первого по ходу движения ПНГ завихрителя газа 7, установленного в оголовке, размер форсуночных отверстий увеличивается по сравнению с боковыми форсуночными отверстиями, расположенными на оголовке до завихрителя. Во втором варианте исполнения размер боковых форсуночных отверстий, расположенных после каждого завихрителя газа 7 увеличивается по сравнению с предыдущей зоной оголовка.

На наружной поверхности оголовка 2 в зазоре с кожухом 4 установлен завихритель воздуха 10. Поток воздуха направляется вверх по радиальному сквозному зазору через завихритель воздуха в зону образования газовоздушной горючей смеси. Завихрители 7 позволяют эффективно разделить потоки тяжелых газов, движущихся по центру общего потока с большими скоростями, и легких газов, движущихся с меньшими скоростями по внутренней стенке оголовка. При горении ПНГ создается разряжение в зоне между оголовком 2 и кожухом 4. Подсос воздуха осуществляется через регулируемый зазор между диффузором кожуха 5 и регулируемой заслонки подачи воздуха 14. Таким образом, на выход из оголовка поступает достаточное количество всасываемого воздуха для эффективного сгорания газовоздушной смеси при полном боковом отражении ветра по всей окружности кожуха. В зоне установки запального электрода создаются благоприятные условия для моментального розжига и стабильности горения, так как обеспечивается доступ стабильной горючей газовоздушной смеси в этой зоне.

На выходном участке оголовка имеется рассекатель 9 с форсуночными отверстиями по периметру и отверстием большого диаметра по центру, через который проходят тяжелые составляющие ПНГ. Таким образом, сопротивление тяжелым газам на выходе практически отсутствует.

В верхней части оголовка в зависимости от компонентного состава ПНГ также может быть установлен стабилизатор пламени 11, наличие которого обеспечивает отсутствие отрыва пламени от горелки. В случае сжигания высококалорийных ПНГ стабилизатор пламени может не устанавливаться.

Для уменьшения высоты факела в факельной горелке при необходимости в основании 1 может быть установлен конфузор 12 и размещен воздушный канал подсоса первичного воздуха 13. При поступлении газа в основание за счет наличия конфузора происходит подсос первичного воздуха. Сжигание газа происходит значительно лучше за счет возникающего диффузионно-кинетического эффекта. В зону горения поступает приготовленная газовоздушная смесь, благодаря чему пламя становится короче.

Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает создание простой и надежной конструкции факельной горелки, обеспечивающей улучшенные условия образования газовоздушной смеси, что обеспечивает максимально эффективное сжигание ПНГ, а также повышенную устойчивость горения без проскоков и отрывов пламени, позволяет регулировать высоту пламени, эффективно разделяет потоки тяжелых и легких газов.

Изобретение относится к газогорелочным устройствам и может применяться для сжигания различных газообразных видов топлива, в том числе попутных нефтяных газов любой степени насыщенности по содержанию азота и других негорючих газов. Факельная установка содержит основание, оголовок с множеством боковых форсуночных отверстий на его боковой поверхности и кожух, расположенный с радиальным зазором вокруг оголовка, рассекатель. Установка содержит завихритель воздуха, установленный на оголовке, завихритель газа, установленный в основании, завихритель газа, установленный в оголовке, при этом завихрители газа имеют отверстия, расположенные в центре, и выполнены в виде лопаток, установленных под углом к основанию соответствующего завихрителя, углы наклона лопаток завихрителя газа, установленного в оголовке, регулируются в двух плоскостях, размер боковых форсуночных отверстий, расположенных в верхней части оголовка над завихрителем газа, больше размера боковых форсуночных отверстий, расположенных в нижней части оголовка до завихрителя. Техническим результатом изобретения является создание простой и надежной конструкции факельной горелки, обеспечивающей улучшенные условия образования газовоздушной смеси, максимально эффективное и быстрое сжигание ПНГ, разделение тяжелых и легких фракций, повышенную устойчивость горения, регулирование высоты пламени. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Факельная установка, содержащая основание, оголовок с множеством боковых форсуночных отверстий на его боковой поверхности и кожух, расположенный с радиальным зазором вокруг оголовка, рассекатель, отличающаяся тем, что содержит завихритель воздуха, установленный на оголовке, завихритель газа, установленный в основании, завихритель газа, установленный в оголовке, при этом завихрители газа имеют отверстия, расположенные в центре, и выполнены в виде лопаток, установленных под углом к основанию соответствующего завихрителя, углы наклона лопаток завихрителя газа, установленного в оголовке, регулируются в двух плоскостях, размер боковых форсуночных отверстий, расположенных в верхней части оголовка над завихрителем газа, больше размера боковых форсуночных отверстий, расположенных в нижней части оголовка до завихрителя.

2. Факельная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в основании установлен конфузор и размещен воздушный канал подсоса первичного воздуха.

3. Факельная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в верхней части оголовка установлен стабилизатор пламени.

4. Факельная установка, содержащая основание, оголовок с множеством боковых форсуночных отверстий на его боковой поверхности и кожух, расположенный с радиальным зазором вокруг оголовка, рассекатель, отличающаяся тем, что содержит завихритель воздуха, установленный на оголовке, завихритель газа, установленный в основании, по меньшей мере два завихрителя газа, установленные в оголовке, при этом завихрители газа имеют отверстия, расположенные в центре, и выполнены в виде лопаток, установленных под углом к основанию соответствующего завихрителя, углы наклона лопаток завихрителей газа, установленных в оголовке, регулируются в двух плоскостях, при этом углы наклона лопаток каждого последующего по ходу движения газа завихрителя больше углов наклона предыдущего завихрителя, а размер боковых форсуночных отверстий, расположенных после каждого завихрителя увеличивается по сравнению с предыдущей зоной оголовка.

5. Факельная установка по п. 4, отличающаяся тем, что в основании установлен конфузор и размещен воздушный канал подсоса первичного воздуха.

6. Факельная установка по п. 4, отличающаяся тем, что в верхней части оголовка установлен стабилизатор пламени.