ФАКЕЛЬНАЯ ГОРЕЛКА ДЛЯ НИЗКОКАЛОРИЙНЫХ ГАЗОВ Российский патент 2025 года по МПК F23D14/02 

Описание патента на изобретение RU2837182C1

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к факельным установкам и способам, предназначенным для сжигания низкокалорийных газов (биогазы, свалочные газы, доменные газы и т.д.).

Уровень техники

Особенностью низкокалорийных газов является большое содержание в них инертных газов, (например, азота) и СО2, что приводит к снижению теплотворной способности газа и невозможности и сжигания в обычных горелках факельных установок.

Одним из путей обеспечения их горения является предварительный нагрев воздуха, подаваемого в горелку, а также самого газа до температуры 500-700 С.

Известна горелка для сжигания низкокалорийных газов в пористом керамическом материале или в пространстве, наполненном керамическими шарами (RU2125204C1, 20.01.1999). Горелка содержит корпус, включающий топочную камеру с впускным отверстием для подачи газовоздушной смеси в качестве топлива и выпускным отверстием для отработанных газов, причем топочная камера заполнена пористым материалом, пористость которого изменяется вдоль топочной камеры таким образом, что величина пор в направлении течения потока газовоздушной смеси увеличивается таким образом, что на граничной поверхности или в определенной зоне пористого материала для величины пор и тем самым для распространения пламени образуется критический коэффициент Пекле, при котором может возникнуть пламя, ниже которого пламя подавляется.

Известна горелка факельная (RU2619666C2, 17.05.2017), которая содержит цилиндрический корпус с патрубком для устройства розжига и контроля факела пилотной горелки, установленный в полости корпуса коаксиально и защищенный экраном кольцевой газовый коллектор со сменными соплами, оси каналов трубок которых направлены под острым углом к плоскости оси горелки, трубопровод подачи газа, регулируемый воздуховод, образованный центральным отверстием кольцевого газового коллектора и управляемым завихрителем в нем, в цилиндрическом корпусе, в месте расположения запального патрубка, установлен дополнительный патрубок, соединенный с контролирующим соплом, корпус которого соединен трубкой через игольчатый вентиль с кольцевым газовым коллектором и трубопроводом подачи газа, а на выходе из торцевого отверстия корпуса контролирующего сопла, размещенного в дополнительном патрубке, установлен датчик контроля пламени, не реагирующий на факел пилотной горелки, причем на боковой поверхности корпуса контролирующего сопла выполнены инжекционные отверстия для воздуха и установлена поворотная заслонка.

Недостатками этих устройств являются сложность конструкции, большие габариты, обусловленные необходимостью прокачки через них смеси воздуха и газа с низкой скоростью, не превышающей обычно несколько метров в секунду, низкие степень утилизации и эффективность обезвреживания газа.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей является создание простой и надежной факельной горелки, обеспечивающей высокие степень утилизации и эффективность обезвреживания газа.

Технический результат заключается в повышении степени утилизации и эффективности обезвреживания газа.

Технический результат достигается за счет того, что факельная горелка содержит стакан из жаропрочного материала, заполненного металлом с высокой теплопроводностью, внутри которого выполнены вертикальные цилиндрические каналы со вставленными в них трубками из жаропрочного материала, смеситель, расположенный на входе в вертикальные цилиндрические каналы, включающий каналы подачи низкокалорийного газа, каналы подачи высококалорийного газа и каналы подачи воздуха в каждый из вертикальных цилиндрических каналов, причем внутри или на выходе нескольких трубок вертикальных цилиндрических каналов установлены свечи электрического поджига, а смеситель содержит патрубок подачи низкокалорийного газа, патрубок подачи высококалорийного газа и патрубок подачи воздуха.

Кроме того, вертикальные цилиндрические каналы выполнены диаметром 2-15 мм.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Схема факельной горелки, вид сбоку в разрезе.

На фигуре обозначены следующие элементы:

1 - стакан из жаропрочного материала;

2 - металл с высокой теплопроводностью;

3 - вертикальные цилиндрические каналы со вставленными в них трубками из жаропрочного материала для горения высококалорийного газа;

4 - смеситель;

5 - каналы подачи высококалорийного газа;

6 - каналы подачи воздуха;

7 - свечи электрического поджига;

8 - патрубок подачи низкокалорийного газа;

9 - патрубок подачи высококалорийного газа;

10 - патрубок подачи воздуха;

11 - каналы подачи низкокалорийного газа.

Осуществление изобретения

Заявленное решение может быть использовано в высокотемпературных факельных установках и предназначено для снижения негативного воздействия свалочного газа полигонов захоронения ТКО и низконапорного попутного нефтяного газа на месторождениях на окружающую среду путем термического обезвреживания этих газов и их разложения до более простых веществ, соответственно может применяться на полигонах ТКО и нефтегазовых месторождениях в различных регионах независимо от климатических, геологических, гидрологических и других характеристик района. При сжигании свалочного и попутного нефтяного газа в реакции участвуют: оксид углерода, сероводород, аммиак, метан, фенол, формальдегид, толуол, ксилол, этилбензол, бензол, меркаптан, азот и кислород. В ходе реакций, образуются углекислый газ, вода, хлор, диоксид серы, а остаются азот и кислород, которые не требуются для реакции.

Заявленная факельная горелка (фиг. 1) включает в себя стакан (1) из жаропрочного материала, заполненный металлом (2) с высокой теплопроводностью, вертикальные цилиндрические каналы (3) диаметром 2-15 мм со вставленными в них трубками из жаропрочного материала для горения высококалорийного газа, располагаемые внутри металла, смеситель (4) для подачи в каналы воздуха или газа, расположенный на входе в каналы (3), включающий каналы подачи низкокалорийного газа (11), каналы подачи высококалорийного газа (5) и каналы подачи воздуха (6) в каждый из каналов (3), свечи (7) электрического поджига, расположенные внутри или на выходе нескольких трубок каналов (3), причем в нижней части горелки, в смесителе, выполнены патрубок (8) подачи низкокалорийного газа, патрубок (9) подачи высококалорийного газа и патрубок (10) подачи воздуха, при этом один или несколько каналов (3) предназначены для подачи в них высококалорийного газа. Подача в горелку низкокалорийного газа осуществляется через патрубок подачи низкокалорийного газа 8. Подача в горелку высококалорийного газа осуществляется через патрубок подачи высококалорийного газа 9. Подача воздуха осуществляется через патрубок подачи воздуха 10.

Количество каналов, и соответственно, количество трубок, зависит от расхода газа, подаваемого на сжигание, их количество рассчитывается исходя из условия обеспечения турбулентного режима течения смеси газа и воздуха внутри трубок. Турбулентный режим течения необходим для нормального обеспечения теплопередачи от горячих стенок трубки к смеси низкокалорийного газа и воздуха внутри трубки. Для обеспечения турбулентного режима течения в трубе, необходимо чтобы число Рейнольдса, характеризующее отношение сил инерции к силам вязкости в потоке жидкости или газа было больше, чем 2300. R e=ρ v L / μ, где ρ - плотность смеси газа и воздуха, μ - коэффициент динамической вязкости смеси газа и воздуха, v - характерная скорость потока, L - диаметр трубки. Плотность смеси низкокалорийного газа и воздуха, рассчитывается исходя из содержания различных компонентов в низконапорном газе и воздухе, для этого рассчитывается сначала молекулярный вес смеси, а затем по уравнению Клайперона-Менделева, рассчитывается плотность смеси. Уравнение Клайперона-Менделеева для этого случая записывают в виде: P=rRT/w, где P-давление смеси, r-плотность смеси, Т-температура смеси, и w-молекулярный вес смеси. Для нормального горения низкокалорийного газа желательно подбирать соотношение воздуха и газа, близким к расчетной стехиометрической смеси (смеси окислителя (кислорода) и горючего (горючие компоненты низкокалорийного газа), в которой кислорода ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего). Для примера, при плотности смеси в трубке 1 кг/м3, диаметра трубки 10 мм, динамической вязкости смеси 10-5 Нс/м2, турбулентный режим течения реализуется при скорости больше чем 2.3 м/c. Т.к. значение числа Рейнольдса Re=2300 для перехода ламинарного потока в турбулентный - это граничное значение, поэтому желательно для поддержания стабильного турбулентного потока в трубках, чтобы скорость потока по крайней мере в два раза превышала граничное значение скорости. Таким образом, в рассматриваемом случае, через одну трубку можно минимум прокачать расход смеси газа и воздуха расходом Q=rvS=1.3 кг/час, где S-поперечное сечение трубки. Длина трубок и максимальный расход будет зависеть от температуры стенки трубки, обусловленный количеством включенных трубок с горящим внутри них высококалорийным высококалорийным газом, а также от длины трубок. Из-за необходимости обеспечения установки в каждой трубке с высококалорийным газом свечей поджига, количество трубок с высококалорийным газом необходимо минимизировать, оптимальное количество таких трубок обычно не превышает 10 штук. Их располагают так, чтобы обеспечить по возможности, равномерный нагрев всех трубок, например одну трубку с высококалорийным газом распологают на оси стакана, а остальные трубки равномерно располагают на окружности с центром на оси стакана, радиус окружности рассчитывают с помощью специальных программ расчета теплопередачи в телах с учетом подвода энергии.

Для одного из испытанного варианта горелки, при расходе смеси воздуха и низкокалорийного газа 500 м3/час, в результате оптимизационного моделирования тепловых потоков в предлагаемой горелке в программном комплексе методом конечных элементов, была получена следующая конфигурация горелки: диаметр трубок составил 15 мм, их количество 40 штук, длина трубок составила 1500 мм, дополнительно было установлено 8 аналогичных трубок для высококалорийного газа. Температура стенок трубок с высококалорийным газом составила 1000° С. В качестве высококалорийного газа был выбран природный метан с содержанием 99% метана, 1% этана, 1% азота mol. В качестве низкокалорийного газа выступал газ с содержанием метана 20%, углекислого газа 40%, азота, 40% mol. Температура горения низкокалорийного газа составила 900° С. Для устойчивого горения низкокалорийный газа, как показало моделирование процесса горения стехиометрической смеси газа необходимо проводить предварительный нагрев низкокалорийного газа до температуры 300° С. Предварительный нагрев необходим, так как при горении низкокалорийного газа выделяется недостаточное количество тепла, и этого тепла недостаточно для поддержания устойчивого горения в случаях, когда смесь газа и воздуха предварительно не нагревается. При уменьшении доли горючих газов в низкокалорийном газе, необходимо соответственно увеличивать температуру его предварительного нагрева. Однако, при каждом составе низкокалорийного газа надо определять необходимый уровень его предварительного нагрева, т.к., например при представленном составе газа, предварительный перегрев газа выше 400° С, будет приводить к возрастанию в выхлопных газах горелки соединений NOх. Моделирование горения низкокалорийного газа и определение необходимой температуры предварительного нагрева можно проводить в программных комплексах, таких как HYSYS, ANSYS, и т.п. Обычно минимальная длина трубок составляет по длине примерно 100 калибров по диаметру трубок. Для рассматриваемой горелки низкокалорийный газ - это газ с содержанием горючих веществ алканового ряда не более 20%. Высококалорийный газ - это газ с содержанием горючих веществ алканового ряда более 70%.

Способ сжигания низкокалорийных газов с помощью указанной факельной горелки и соответственно ее работа заключается в следующем.

Перед запуском факела в горелку через соответствующий патрубок поступает высококалорийный газ, который через смеситель воздуха попадает в несколько трубок из жаропрочного материала. За счет свечей поджига происходит возгорание и дальнейшее горение смеси воздуха и высококалорийного газа в этих трубках. Тепло выделяющееся при горении высококалорийного газа идет на прогрев всей конструкции горелки до температуры 600-900°С. После достижения этой температуры (определяется по датчику температуры вмонтированного в металл с высокой теплопроводностью), происходит подача в горелку низконапорного газа, который смешивается в смесителе с воздухом и направляется в вертикальные цилиндрические каналы. При прохождении каналов смесь воздуха и низкокалорийного газа нагревается до температуры 300 - 600° С и воспламеняется внутри трубок. Тепло выделяемое при горении низконапорного газа передается с помощью металла с высокой теплопроводностью низкокалорийному газу, поступающему по каналу. После выхода горелки на расчетный режим горения, подача высококалорийного газа прекращается.

Заявленное решение, выполненное вышеуказанным образом, обладает простотой и надежностью, обеспечивая высокую степень утилизации и эффективность обезвреживания газа.

Похожие патенты RU2837182C1

название год авторы номер документа
Универсальная горелка 2024
  • Толмашенко Виталий Владимирович
RU2831558C1
ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО 1995
  • Варфоломеев В.С.
  • Дунай О.В.
  • Кузнецов В.Я.
  • Образцов И.А.
  • Строгонов О.В.
  • Щукин В.А.
RU2106574C1
Устройство для термического обезвреживания сточных вод 1980
  • Мамистов Виктор Владимирович
  • Иванов Виктор Михайлович
  • Максимюк Валерьян Евгеньевич
SU877240A1
Горелка вихревая противоточная 2020
  • Илиев Роман Лазирович
  • Мешков Сергей Анатольевич
  • Миславский Борис Владленович
RU2740240C1
Способ и устройство (горелка) для сжигания низкокалорийного газообразного топлива 2024
  • Кузнецов Николай Павлович
  • Арсибеков Дмитрий Витальевич
  • Ахмадуллин Ильдар Булатович
  • Болтовский Андрей Витальевич
  • Карманчиков Александр Иванович
RU2838732C1
ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО 2022
  • Файзрахманов Альберт Зинурович
  • Стерхов Константин Викторович
  • Богданов Владимир Александрович
RU2780599C1
Высокотемпературная факельная установка для обезвреживания свалочного газа 2023
  • Краснов Александр Владимирович
RU2811237C1
Устройство для огневого обезвреживания жидких горючих отходов и сточных вод 1990
  • Шелыгин Борис Леонидович
  • Бернадинер Михаил Наумович
SU1730507A1
ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА 2018
  • Столяревский Анатолий Яковлевич
RU2705536C1
ГОРЕЛКА ФАКЕЛЬНАЯ ИНЖЕКЦИОННАЯ 2002
  • Киселев В.В.
  • Паршин С.Н.
  • Долотовский В.В.
RU2215938C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 837 182 C1

Реферат патента 2025 года ФАКЕЛЬНАЯ ГОРЕЛКА ДЛЯ НИЗКОКАЛОРИЙНЫХ ГАЗОВ

Настоящее изобретение относится к факельным установкам, предназначенным для сжигания низкокалорийных газов (биогазы, свалочные газы, доменные газы и т.д.). Факельная установка содержит стакан из жаропрочного материала, заполненного металлом с высокой теплопроводностью, внутри которого выполнены вертикальные цилиндрические каналы со вставленными в них трубками из жаропрочного материала, смеситель, расположенный на входе в вертикальные цилиндрические каналы, включающий каналы подачи низкокалорийного газа, каналы подачи высококалорийного газа и каналы подачи воздуха в каждый из вертикальных цилиндрических каналов, причем внутри или на выходе нескольких трубок вертикальных цилиндрических каналов установлены свечи электрического поджига, при этом в нижней части горелки смеситель содержит патрубок подачи низкокалорийного газа, патрубок подачи высококалорийного газа и патрубок подачи воздуха. Технический результат заключается в повышении степени утилизации и эффективности обезвреживания газа. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 837 182 C1

1. Факельная горелка, характеризующаяся тем, что содержит стакан из жаропрочного материала, заполненный металлом с высокой теплопроводностью, внутри которого выполнены вертикальные цилиндрические каналы со вставленными в них трубками из жаропрочного материала, смеситель, расположенный на входе в вертикальные цилиндрические каналы, включающий каналы подачи низкокалорийного газа, каналы подачи высококалорийного газа и каналы подачи воздуха в каждый из вертикальных цилиндрических каналов, причем внутри или на выходе нескольких трубок вертикальных цилиндрических каналов установлены свечи электрического поджига, при этом в нижней части горелки смеситель содержит патрубок подачи низкокалорийного газа, патрубок подачи высококалорийного газа и патрубок подачи воздуха.

2. Факельная горелка по п. 1, характеризующаяся тем, что вертикальные цилиндрические каналы выполнены диаметром 2-15 мм.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2025 года RU2837182C1

ГОРЕЛКА ФАКЕЛЬНАЯ 2015
  • Нигматьянов Рустем Фаритович
  • Нигматьянов Оскар Рустемович
  • Нигматьянов Артур Рустемович
RU2619666C2
ТЕХНИЧЕСКАЯ «О SHKJHpTgjf.ГИРОМОТОР 0
SU220526A1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФТОРСОДЕРЖАЩИХ ИЗОКСАЗОЛИДИНОВ 0
SU187026A1
СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА И ГОРЕЛКА УНИВЕРСАЛЬНАЯ 2013
  • Короткий Владимир Владимирович
  • Федоров Юрий Викторович
RU2522341C1
US 5957682 A, 28.09.1999
US 4394120 A, 19.07.1983.

RU 2 837 182 C1

Авторы

Краснов Александр Владимирович

Даты

2025-03-26Публикация

2024-04-11Подача