Универсальная горелка Российский патент 2024 года по МПК F23D17/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к горелочным устройствам для универсального сжигания в них различных топлив, включая попутный нефтяной газ, низкокалорийный, высококалорийный с содержанием газового конденсата и нефти в жидкой фазе до 200 г/м³ и более, различных ступеней сепарации (на объектах нефтедобычи), природного газа, прочего газа, газообразных отходов (некондиционных газов) с целью утилизации, эффективного использования для обеспечения производительности оборудования с лучшими теплотехническими показателями и устойчивого сжигания газа в требуемом диапазоне ее изменения (производительности).

Для повышения эффективности горения, то есть повышения полноты сгорания, используют отделение от газа жидкой фазы и вихревое движение в пространстве горения. Отделяющая в частях горелки под действием силы тяжести жидкая фаза как правило однозначно задает определенную ориентацию корпуса горелки по вертикали, не позволяя одновременно использовать ее в горизонтальном, в вертикальном, в промежуточных положениях.

Известна горелка (по патенту RU2769048), содержащая корпус, внутреннюю цилиндрическую выходную камеру-сопло, патрубок тангенциального подвода топлива и патрубок тангенциального подвода воздуха, водяную рубашку системы охлаждения выходной камеры-сопла. Внутренняя цилиндрическая выходная камера-сопло расположена внутри внешней камеры возгорания по всей её длине и снабжена продольными тангенциальными отверстиями или двумя тангенциальными прямоугольными окнами. Водяная рубашка наряду с охлаждением выходной камеры-сопла выполняет роль парогенератора и пароперегревателя и соединена посредством паропровода с внешней камерой возгорания топлива.

Использования водяной рубашки усложняет устройство и его использование. Требуется подводить воду, контролировать ее наличие, температуру, утеплять для работы вне помещений. Работа, пуск, остановка в условиях отрицательных температур затруднены или невозможны. Горелка допускает только горизонтальную установку корпуса.

Известна горелка (по авторскому свидетельству SU1645761, выбрана в качестве прототипа), содержащая коаксиально установленные внутренний воздухоподающий и внешний топливный каналы, последний из которых на входе подключен к кольцевой циклонной камере, образованной улиткообразной обечайкой, самоотделительной перфорированной перегородкой 5, тангенциальным топливоподающим патрубком и смолосборным желобом. Выходной срез воздухоподающего канала заглублен относительно выходного среза топливного канала. В воздухоподающем канале установлен держатель с диффузорным полым насадком на конце. Насадок образует со стенками воздухоподающего и топливного каналов кольцевые полости, выходные срезы насадка и топливного канала расположены в одной плоскости. В горелке отделяются капельно-жидкие компоненты и выходят в осадок. Для ее эксплуатации требуется постоянный контроль обслуживающего персонала и система сбора (утилизации) жидкого осадка. В случае переполнения полости для накопления осадка жидкость пойдет в топку, что приведет к ухудшению показателей горения, срыву пламени. Горелка допускает только горизонтальную установку корпуса.

Технической задачей изобретения является создание универсальной горелки, обеспечивающей устойчивое горение в том числе попутного нефтяного газа с высоким содержанием газового конденсата и нефти в жидкой фазе, природного газа, прочего газа, газообразных отходов (некондиционных газов). Техническим результатом является повышение полноты сгорания топлива, содержащего газовый конденсат и/или нефть в жидкой фазе. При этом, повышается устойчивость горения, без срыва пламени. Кроме того, обеспечивается возможность изменения ориентации корпуса горелки по вертикали.

Технический результат достигается в универсальной горелке, состоящей из корпуса с регулируемым воздухозаборником, сообщающимся с коаксиальными основным и периферийным каналами подачи воздуха, узла разделения входного потока газа с каплеотбойником на вход коаксиальных центрального и периферийного каналов подачи газа, установленной на выходе смесительной головки. Регулируемый воздухозаборник выполнен в виде канала с лопатками. На входе регулируемого воздухозаборника может быть установлен вентилятор. Узел разделения входного потока газа выполнен с возможностью регулировки подачи газа в центральный и периферийный каналы подачи газа. Каплеотбойник снабжен щелевым или сетчатым каплеотбойным элементом, верхним и нижним выходными каналами, соединенными с центральным и периферийным каналами подачи газа соответственно. Каплеотбойник выполнен с возможностью изменения положения каплеотбойного элемента с нижним и верхним выходными каналами относительно корпуса. Смесительная головка выполнена с возможностью полного или частичного отсоединения от корпуса, снабжена завихрителями воздуха, поступающего из основного и периферийного каналов подачи воздуха. Смесительная головка снабжена смесителем и дожигателем с отверстиями, соединенных регулировочным элементом. Отверстия смесителя и дожигателя выполнены с возможностью установки насадок. Центральный и периферийный каналы подачи газа снабжены завихрителями, на выходе которых расположены отводные трубки, расположенные в основном канале подачи воздуха

Изобретение поясняется рисунками:

фиг. 1 - схема универсальной горелки;

фиг. 2 - завихритель газа;

фиг. 3 - щелевые каплеотбойные элементы;

фиг. 4 - схема расположения каналов и трубок после завихрителей газа и перед смесительной головкой;

фиг. 5 - горизонтальное расположение корпуса горелки;

фиг. 6 - вертикальное расположение корпуса горелки;

фиг. 7 - наклонное расположение корпуса горелки.

Универсальная горелка (далее, также - «горелка») состоит из металлического цилиндрического корпуса 1 с регулируемым воздухозаборником 2, имеющим каналы, переходящие или являющиеся неотъемлемой частью (как показано на рисунках) коаксиальных основного (центрального) и периферийного каналов 3, 4 подачи воздуха. Например, регулируемый воздухозаборник 2 может быть выполнен в виде каналов с поворотными лопатками 10. При повороте лопаток 10 происходит открытие и закрытие основного (центрального) и периферийного каналов 3, 4 подачи воздуха, тем самым, регулируется подача воздуха в разные области смешения с разными компонентами горючих веществ в зоне горения. На входе регулируемого воздухозаборника 2 может быть установлен вентилятор 11. При работе вентилятора 11 происходит принудительная подача воздуха в горелку.

Горелка оснащена узлом 5 разделения входного потока газа, который может быть расположен в корпусе 1 или может быть снабжен своим корпусом 22. Он предназначен для отделения жидкой фазы из поступающего в горелку потока газа и направления ее в периферийный канал 8 подачи газа. Таким образом, в центральный канал 7 подачи газа попадает газ с пониженным содержанием жидкости. Узел 5 разделения входного потока газа включает каплеотбойник 6, установленный на входах коаксиальных центрального и периферийного каналов 7, 8 подачи газа. Соединения с центральным и периферийными каналами 7, 8 подачи газа могут быть выполнены в виде металлических или полимерных трубок, оснащенных регуляторами 23 подачи газа, выполненных, в виде ручных или автоматических регулирующих устройств (вентилей, клапанов). Таким образом, обеспечивается возможность регулировки подачи газа в центральный и периферийный каналы 7, 8 подачи газа.

Каплеотбойник 6 может быть снабжен одним или несколькими щелевым или сетчатым каплеотбойными элементами 12 (на фиг.3 показано три щелевых каплеотбойных элемента 12 со смещенным расположением щелей). Каплеотбойные элементы 12 представляют собой пластины прямого или измененного профиля установленных прямо либо под углом к оси и малыми расстояниями между ними. Пластины имеют вертикальные щелевые проходы для потока газа. Щелевые проходы расположены в шахматном порядке для соседних пластин. После каплеотбойных элементов 12 расположены верхний и нижний выходные каналы 13, 14 (металлические или полимерные трубки), соединенные с центральным и периферийным каналами 7, 8 подачи газа соответственно. Под верхним и нижним расположением имеется ввиду рабочее положение этих каналов: при эксплуатации горелки верхний канал 13 подачи газа после выхода из каплеотбойника 6 (с меньшим содержанием жидкой фазы) располагается выше нижнего канала 14 подачи газа (с большим содержанием жидкой фазы, отделившейся и опустившейся в виде капель вниз в каплеотбойнике 6). Каплеотбойник 6 выполнен с возможностью изменения положения каплеотбойного элемента 12 с верхним и нижним выходными каналами 13, 14 относительно корпуса 1 горелки. Такая возможность, например, может быть реализована при выполнении узла 5 разделения входного потока газа в отдельном корпусе 22, с гибкими соединениями (гибкие трубки, полимерные, гофрированные и т.п.) верхнего и нижнего выходных каналов 13, 14 с центральным и периферийным каналами 7, 8 подачи газа. Разные положения каплеотбойных элементов 12 с верхним и нижним выходными каналами 13, 14 относительно корпуса 1, позволяют изменять положение горелки (направление пламени): горизонтальная, вертикальная, наклонная (фиг. 5-7). Разное положение корпуса 1 горелки, в совокупности с наличием или отсутствием вентилятора 11, позволяет повысить эффективность ее работы в разных положениях (нагнетание воздуха при горизонтальном расположении, естественная тяга при вертикальном расположении).

Центральный и периферийный каналы 7, 8 подачи газа могут быть снабжены завихрителями 20 газа (фиг. 2), выполненные, например, в виде установленных в трубках лопаток, на выходе которых расположены отводные трубки 21, расположенные в основном канале 3 подачи воздуха. В отводные трубки 21 попадает отделившаяся жидкость из центрального и периферийного каналов 7, 8 подачи газа.

Все указанные каналы подачи воздуха и газа могут образовывать в корпусе 1 различные пространственные конфигурации. Пример конфигурации показан на фиг. 4: основной канал 3 подачи воздуха направляет воздух по межканальным пространствам между каналами 7, 8 подачи газа с низким и высоким содержанием жидкости; периферийный канал 4 подачи воздуха между корпусом 1 горелки и основным каналом 3 подачи воздуха; завихрители 15 воздуха (лопатки); лопатки 10 подачи основного и периферийного воздуха в межканальные пространства.

На выходе горелки, где заканчиваются основной и периферийный каналы 3, 4 подачи воздуха, центральный и периферийный каналы 7, 8 подачи газа, отводные трубки 21, установлена смесительная головка 9.

Смесительная головка 9 может быть выполнена с возможностью полного или частичного отсоединения от корпуса 1, например ее внешняя оболочка соединена шарнирным соединением 24 с корпусом 1 и закрепляется на корпусе болтами. Тем самым, обеспечивается доступ к смесителю 16 и дожигателю 17 для настройки и обслуживания без демонтажа всей горелки.

Смесительная головка 9 снабжена завихрителями 15 воздуха, поступающего из основного и периферийного каналов 3, 4 подачи воздуха. Завихрители 15 воздуха могут быть выполнены в виде лопаток или перегородок с прорезями, установленных на выходах из каналов 3, 4 подачи воздуха.

Смесительная головка 9 может быть снабжена смесителем 16 и дожигателем 17 выполненных в виде обращенных друг к другу чашеобразных поверхностей с отверстиями 18, соединенных регулировочным элементом 19 (например, резьбовая шпилька с регулировочными гайками). Дожигатель 17, таким образом, имеет плохо обтекаемую форму в направлении потока горючей смеси обеспечивает стабилизацию пламени в случае попадания в горелку большого количества жидкой фазы газа (нефть, конденсат) и резком изменении режима ее работы, обеспечивает дожигание низкокалорийного газа и высококалорийной составляющей газа и жидкости, содержащейся в нем.

Газовыпускные отверстия 18 смесителя 16 и дожигателя выполнены с возможностью установки сменных насадок, выполненных в виде вкручиваемых насадок различного диаметра с различным расположением и размером отверстий.

Для автоматизации работы, горелка может оснащаться датчиками и устройствами: устройства для розжига с запальным электродом; датчиком контроля пламени; термопарой температуры горения и контроля пламени; датчиком (датчиками) давления газа; датчиком (датчиками) давления воздуха; датчиком (датчиками) температуры корпуса горелки; датчиком температуры подшипника вентилятора 11 (для вентиляторных горелок).

Горелка работает следующим образом.

Газ с жидкостью (нефть, конденсат) низкого, среднего давления с непостоянной калорийностью подается в горелку узел 5 разделения входного потока газа. За счет закручивания потока газа на входе (плоские (или изогнутые) пластины (лопатки), установленные в трубе круглого поперечного сечения под углом к потоку газа), а также, изменения направления потока подаваемого газа с содержанием жидкой фазы и прохождением через каплеотбойник 6 происходит частичное отделение жидкой фазы из газа под действием силы тяжести и разделение потока газа на коаксиальные центральный и периферийный каналы 7, 8 подачи газа разного проходного сечения, с высоким и низким содержанием жидкой фазы по принципу «труба в трубе». Между центральным и периферийным каналами 7, 8 подачи газа по межтрубному пространству подается воздух основного канала 3 подачи воздуха. В результате завихрения потоков газа после прохождения через завихрители 20 отделившаяся жидкость из газа совместно с газом по отводным трубкам 21 подается на смеситель 16. Отводные трубки 21 проходят в межтрубном пространстве между каналами подачи газа и воздуха. Преимуществом применения отводных трубок 21 является и то, что в случае их засорения (забития) механическими примесями, жидкостью нескольких из низ, подача газа жидкостью может производится по остальным свободным, обеспечивая тем самым отвод жидкости от основного потока газа, образующего и поддерживающего основной постоянный фронт горения.

Таким образом, совместное применение узла 5 разделения входного потока газа с каплеотбойником 6, завихрителей 20 газа и отводных трубок 21 позволяет обеспечить стабильную и постоянную работу горелки без срыва (залития) пламени жидкостью (содержащейся в газе), обеспечивая ее отделение и дожигание в процессе работы. Отвод жидкой фазы из центрального 7 канала подачи газа за счет разделения потоков газа, применения отводных трубок 21 позволяет повысить эксплуатационную надежность оборудования и продление безремонтного периода работы при высоком содержании нефти (конденсата) в газе.

Воздух поступает многослойно по межканальным пространствам между центральным и периферийным каналами 7, 8 подачи газа. К смесителю 16 воздух подается через завихрители 15 воздуха. Смеситель 16 за счет интенсивного дробления, разделения, направленного закручивания газо-жидкостных и воздушных потоков от подводных каналов через различное количество отверстий и их диаметров обеспечивает образование газо-жидкостной воздушной смеси и стабилизирует пламя на голове сгорания. Регулировочный элемент 19 изменяет взаимное положение смесителя 16 и дожигателя 17 для изменения формы пламени на голове сгорания. Такая конструкция позволяет эффективно подготавливать газожидкостную воздушную смесь за счет: предварительного разделения потоков газа, жидкости и воздуха до смесителя 16; эффективного предварительного завихрения газожидкостной воздушной смеси; зонированного разделения подачи основного потока газа, обеспечивающим основное стабильное и качественное горение и направленной подачи жидкой фазы газа, обеспечивающей полное ее сгорание без ухудшения работы горелки, после смесителя. Благодаря использованию дожигателя 17 поддерживается стабильное и постоянное горение с дожигом низкокалорийной газовоздушной смеси в случае значительного кратковременного поступления инертного газа, способного сбить пламя.

Регулировка пламени производится совместным управлением: лопатками 10, регуляторами 23 подачи газа, регулировочным элементом 19, насадками на газовыпускные отверстия 18 смесителя 16. Указанные средства регулировки могут использоваться в разных комбинациях в зависимости от состава газа, требуемого расположения корпуса 1 горелки, наличия или отсутствия вентилятора 11.

Универсальность горелки определяется возможностью ее работы на газе разного состава за счет использования части или всех перечисленных средств и способов регулировки: лопаток 10, регуляторов 23 подачи газа, регулировочного элемента 19, насадками на газовыпускные отверстия 18 смесителя 16; изменение положения корпуса 1 горелки по вертикали, наличия или отсутствия вентилятора 11. Горелка может использоваться в открытых, и закрытых факельных установках, в газоиспользующем оборудовании (топках) котлов, путевых подогревателей, теплогенераторов в широком диапазоне расходов газа при среднем и низком давлении. В качестве топлива может использоваться попутный нефтяной газ с содержанием жидкой фазы (нефти, конденсата) без его дополнительной очистки (без фильтров и пр.) и отдельного сброса, а эффективного использования жидкой фазы в качестве топлива совместно с газом, что позволяет снизить расход потребляемого газа (из-за повышения общей калорийности топлива при совместном сжигании газообразной и жидкой фаз). Горелка не требует дополнительных систем очисток, фильтров, подачи воды, пара. Может работать на некондиционном топливе, за счет конструктивных особенностей (разделение потоков газа, управляемое закручивание (завихрение) потоков газа, воздуха, эффективного смешивания газо-жидкостно-воздушной смеси, обеспечивает высокие теплотехнические показатели работы (низкий коэффициент избытка воздуха, СО, высокий КПД).

Изобретение относится к области теплоэнергетики. Горелка содержит корпус с регулируемым воздухозаборником, сообщающимся с коаксиальными основным и периферийным каналами подачи воздуха, узел разделения входного потока газа с каплеотбойником, установленным на входы коаксиальных центрального и периферийного каналов подачи газа, смесительную головку, установленную на выходе. Регулируемый воздухозаборник выполнен в виде каналов с лопатками. На входе регулируемого воздухозаборника установлен вентилятор. Узел разделения входного потока газа выполнен с возможностью регулировки подачи газа в центральный и периферийный каналы подачи газа. Каплеотбойник снабжен щелевым или сетчатым каплеотбойным элементом, верхним и нижним выходными каналами, соединенными с центральным и периферийным каналами подачи газа соответственно. Каплеотбойник выполнен с возможностью изменения положения каплеотбойного элемента с нижним и верхним выходными каналами относительно корпуса. Смесительная головка выполнена с возможностью полного или частичного отсоединения от корпуса. Центральный и периферийный каналы подачи газа снабжены завихрителями, на выходе которых расположены отводные трубки, расположенные в основном канале подачи воздуха. Смесительная головка снабжена завихрителями воздуха, поступающего из основного и периферийного каналов подачи воздуха. Смесительная головка снабжена смесителем и дожигателем с отверстиями, соединенными регулировочным элементом. Отверстия смесителя и дожигателя выполнены с возможностью установки насадок. Технический результат - повышение полноты сгорания топлива, содержащего газовый конденсат и/или нефть в жидкой фазе, исключение срыва пламени. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Горелка, состоящая из корпуса с регулируемым воздухозаборником, сообщающимся с коаксиальными основным и периферийным каналами подачи воздуха, узла разделения входного потока газа с каплеотбойником, установленным на входы коаксиальных центрального и периферийного каналов подачи газа, центральный и периферийный каналы подачи газа снабжены завихрителями, на выходе которых расположены отводные трубки, расположенные в основном канале подачи воздуха, на выходе горелки установлена смесительная головка.

2. Горелка по п.1, характеризующаяся тем, что регулируемый воздухозаборник выполнен в виде каналов с лопатками.

3. Горелка по п.1, характеризующаяся тем, что на входе регулируемого воздухозаборника установлен вентилятор.

4. Горелка по п.1, характеризующаяся тем, что узел разделения входного потока газа выполнен с возможностью регулировки подачи газа в центральный и периферийный каналы подачи газа.

5. Горелка по п.1, характеризующаяся тем, что каплеотбойник снабжен щелевым или сетчатым каплеотбойным элементом, верхним и нижним выходными каналами, соединенными с центральным и периферийным каналами подачи газа соответственно.

6. Горелка по п.5, характеризующаяся тем, что каплеотбойник выполнен с возможностью изменения положения каплеотбойного элемента с нижним и верхним выходными каналами относительно корпуса.

7. Горелка по п.1, характеризующаяся тем, что смесительная головка выполнена с возможностью полного или частичного отсоединения от корпуса.

8. Горелка по п.1, характеризующаяся тем, что смесительная головка снабжена завихрителями воздуха, поступающего из основного и периферийного каналов подачи воздуха.

9. Горелка по п.1, характеризующаяся тем, что смесительная головка снабжена смесителем и дожигателем с отверстиями, соединенными регулировочным элементом.

10. Горелка по п.9, характеризующаяся тем, что отверстия смесителя и дожигателя выполнены с возможностью установки насадок.