Горелка универсальная

 

Горелка универсальная относится к устройствам для сжигания газообразного топлива различной насыщенности по содержанию негорючих газов в топках печей нагрева нефти, путевых подогревателей, паровых и водогрейных котлов и т.д.. Горелка содержит первый канал подачи топлива первого типа и практически соосно расположенный кольцевой второй канал подачи топлива второго типа, имеющий множество дополнительных боковых отверстий (выходов) в выходной части. При этом первый канал расположен во втором канале. Возможно, что трубопровод состоит из корпуса и съемной насадки, отверстия выполнены радиальными группами, расположенными равномерно по поверхности насадки. 7 п.ф., 2 ил..

Предлагаемое техническое решение относятся к устройствам для сжигания топлива различной насыщенности в топках печей нагрева нефти, путевых подогревателей, паровых и водогрейных котлов и т.д..

Сжигание на факелах попутного нефтяного газа (ПНГ), особенно забалластированного ПНГ - с высоким содержанием азота (часто от 70 до 98%), приводит к выбросу большого объема соединений азота, образующихся на низких температурах горения (до 600°C), загрязняющих атмосферу. Для решения этой проблемы применяют различные способы утилизации ПНГ (физико-энергетические, термо-химические; химико-каталитические методы) с целью дальнейшего использования продуктов переработки в качестве топлива для получения электроэнергии на газотурбинных электростанциях и тепла.

Кроме того, ПНГ применяют в качестве топлива в установках для подогрева нефти, используемых непосредственно на промыслах при подготовке нефти для передачи в нефтепровод и на нефтеперерабатывающих предприятиях.

Ближайшим аналогом заявляемого устройства является горелочное устройство (патент 2453767, опубл. 20.11.2012, Чумак В.Т., г.Чехов), содержащее первый канал подачи топлива первого типа (жидкого), практически соосно расположенный вокруг него кольцевой второй канал подачи топлива второго типа (газообразного), имеющий множество дополнительных боковых отверстий в выходной части. Второй канал для топлива расположен между двумя кольцевыми каналами подачи воздуха (внешним и внутренним). Во внутреннем воздушном канале расположен первый канал подачи топлива. На корпусе воздуховода внешнего канала установлено две ступени пластинчатых завихрителей, а на выходной части газового коллектора (втором канале подачи топлива) - множество радиальных отверстий для выхода газа между ступенями завихрителей. За счет ступенчатого перемешивания газа и воздуха формируют эффективную горючую газовоздушную смесь (ГВС). Потоки воздуха и всех типов топлива являются регулируемыми. Для розжига в горелку подают готовую ГВС. При этом сжигание ПНГ возможно только совместно с жидким топливом из первого канала, используемым в том числе и для розжига горелки. Сжигание ПНГ с высоким содержанием негорючих газов невозможно, т.к. не образуется второе пламя.

Задачей предлагаемого устройства является создание простой и надежной конструкции горелки, позволяющей максимально эффективно сжигать ПНГ любого состава, в том числе забалластированного ПНГ I ступени сепарации с содержанием азота более 80% (до 98%), свести к минимуму выбросы вредных веществ в атмосферу, при существенной экономии топлива высокого качества (природный газ, товарную нефть) в топках.

Для решения задачи служит горелка универсальная, содержащая трубопровод и практически соосно расположенную вставку с первым каналом подачи топлива первого типа, образующую в трубопроводе кольцевой второй канал подачи топлива второго типа с множеством боковых отверстий в выходной части. Первый канал расположен во втором канале. Топливо первого типа обычно горит хорошо, а топливо второго типа имеет худшие характеристики горючести (как правило это ПНГ I ступени сепарации, в том числе забалластированный ПНГ), которое подают под давлением, равным либо превышающим в пределах от 1 до 30 раз давление топлива первого типа. Горелка образована трубопроводом с множеством сквозных боковых отверстий (струйных выходов) в выходной части его поверхности, дополнительных к кольцевому выходу, и практически соосно установленной в нем вставкой.

Горелка выполнена с возможностью регулируемой подачи топлива в каждый из каналов.

Целесообразно, чтобы трубопровод состоял из корпуса и съемной насадки.

Целесообразно, чтобы на корпусе была закреплена заглушка.

Целесообразно, чтобы множество выходов были выполнены радиальными группами, расположенными равномерно по поверхности насадки.

Целесообразно, чтобы выходная часть вставки была выполнена конически расширяющейся.

Целесообразно, чтобы выходная часть вставки была выполнена съемной.

Предложенная горелка универсальная (ГУ) имеет простую конструкцию, не требующую существенных материальных затрат при изготовлении. ГУ может быть установлена топках путевых подогревателей (ПП) нефти, воды, соль-воды типа ПП-1,6, ПП-0,63, ПНПТ-1,6, ПНПТ-0,63, в печи нагрева нефти ГПС-1, П-15 и т.п.. ГУ могут устанавливать непосредственно в специальное отверстие топки, при этом в ней выполняют отверстие для воздуховода, либо в широко применяющихся горелочные устройства, относящееся к горелкам с принудительной подачей воздуха без предварительного смешивания (ГМ, ГГВ или ГМГ (ГМГ-1,5, ГМГ-2М)), в штатное отверстие для паромеханической или механической форсунки.

Далее осуществление и работа горелки универсальной в предпочтительном варианте будут показаны при установке ГУ в горелку типа ГМГ, а так же непосредственно в топку.

На фиг. представлен чертеж горелки универсальной в предпочтительном варианте. В Таблице представлены основные варианты использования топлива первого и второго типов и предпочтительное давление во втором канале горелки универсальной.

Изображенная на фиг. горелка универсальная (ГУ) содержит образующие трубопровод цилиндрические корпус 1 с насадкой 2, в которой выполнены отверстия 3, и вставку 4 с первым каналом подачи топлива первого типа 5. Вставка образует с трубопроводом кольцевой второй канал подачи топлива второго типа 6 с множеством дополнительных выходных отверстий в выходной части.

Подача потоков топлива и воздуха на каждый из каналов осуществляется подсоединением к системам подачи соответствующих сред посредством патрубков или резьбы, и может изменяться различными регуляторами подачи топлива, вентиляторами. Эти объекты широко известны, не являются предметом заявки и поэтому не описываются.

Для осуществления устройства изготавливают детали ГУ из стальных труб, размеры которых подбирают в зависимости от требуемой мощности и видов топлива, а при установке горелки в готовые горелочные устройства - и в зависимости от размеров отверстия в их торце. Например, при установке ГУ в ГМГ-1,5 для корпуса и насадки используют трубку диаметром от 32 до 50 мм, а для вставки - от 15 до 32 мм. На корпусе ГУ закрепляют патрубок для подачи топлива. На насадке просверливают отверстия диаметром от 2 до 5 мм. Размер, количество и расположение отверстий варьируют в зависимости от необходимых показателей ГУ. В данном исполнении выполняют три/четыре группы радиально расположенных отверстий по три/четыре в каждой, группы равномерно разнесены по поверхности насадки. Для соединения корпуса и насадки нарезают трубную резьбу. Со стороны насадки вставка имеет конусное расширение (выполняется привариванием отдельной детали в виде полого усеченного конуса либо прокаткой выходной части вставки). За счет расширения достигаются необходимые направление подачи топлива и размер кольцеобразного канала 6.

Вставку продевают в корпус ГУ, располагая их соосно, заглушают кольцеобразный канал 6 со стороны подачи топлива за патрубком, чем закрепляют один конец вставки. Другой конец вставки закрепляют к корпусу точечно, не перекрывая кольцеобразный канал. На корпус наворачивают насадку. При этом торец вставки немного выступает за торец насадки.

В случае, когда диаметр корпуса меньше диаметра установочного отверстия в топке, его закрывают закрепленной на корпусе ГУ цилиндрической заглушкой с кольцеобразным торцом.

Из кольцевого второго канала горелки при работе выходит кольцевой поток топлива второго типа, а из первого канала - струйный поток топлива первого типа.

1. Работа ГУ в комбинации с горелкой типа ГМГ (ГУ установлена в топку через штатное отверстие ГМГ для паромеханической или механической форсунки.

Установка дутьевого вентилятора не требуется).

В качестве топлива первого типа используют природный газ, горючий ПНГ-II ступени сепарации либо легкие фракции ПНГ, образуются от испарения на II или III ступенях сепарации.

В качестве топлива второго типа предпочтительно использовать ПНГ I ступени сепарации - горючий или забалластированный ПНГ для полного его сжигания (см. Таблицу).

В качестве топлива для кольцевого канала ГМГ (третий тип топлива) используют топливо высокого качества - природный газ либо горючий ПНГ (в том числе ПНГ II ступени сепарации или легкие фракции (метан, бутан или другие).

Рассмотрим совместное сжигание ПНГ II ступени сепарации (первый тип), ПНГ I ступени сепарации/забалластированного ПНГ (второй тип), природного газа (третий тип).

На горелку от газорегуляторной установки в кольцевые каналы ГМГ подают два регулируемых потока воздуха - первичный и вторичный - под давлением 2-3 мм/возд.ст. (посредством управляемых вентиляторов), а между ними - дополнительный поток топлива третьего типа под давлением 0,05 кгс/см2, получая три кольцеобразных потока. Производят розжиг опережающего пламени, устанавливают минимальную нагрузку, практически прекращая подачу воздуха и уменьшая пламя. Затем в опережающее пламя по первому каналу подачи топлива 5 подают топливо первого типа под низким давлением - от 0,01 до 0,1 кгс/см 2, которое загорается от опережающего пламени и образует внутреннее первое пламя. При необходимости увеличивают подачу топлива третьего типа для розжига первого. Температура в топке за счет горения топлива двух видов быстро растет, достигая значений, предотвращающих образование различных вредных соединений азота. Последним во второй канал горелки (ГУ) подают топливо второго типа, постепенно увеличивая давление до давления равного давлению топлива первого типа, постепенно доводя давление до высокого - от 0.1 до 3 кг/см3. На определенном этапе (зависит от характеристик горючести топлива) и за счет высокой температуры происходит розжиг второго пламени. Одновременно с наращиванием давления, постепенно увеличивают давление воздуха. Регулирование потока воздуха и топлива на каждом этапе позволяет избежать отрыва пламени (первого и/или второго). При этом через отверстия насадки более легкие негорючие газы вытесняются, попадают в топку, где вредные соединения разлагаются, при этом других соединений при высокой температуре не образуется (в отличие от сжигания при низких температурах на факелах), и вытесняются в атмосферу через дымовую трубу топки, не участвуя в горении. Под воздействием избыточного давления во втором канале и потока воздуха следом за легкими - оставшиеся более тяжелые газы, вытесненные через дополнительные выходы отверстий и кольцевое отверстие второго канала, увлекаются вглубь топки, горение поддерживается первым пламенем, достаточным давлением (не меньше, а предпочтительно больше давления первого топлива) и высокой температурой первого пламени и всей топки (от 900 до 2100°C).

То есть подачу топлива второго типа (даже забалластированного ПНГ), его розжиг и полное сгорание обеспечивают непосредственно в топке за счет первого и второго (с дополнительными выходами) каналов подачи воздуха и достаточной тяги воздуха. Контроль процесса горения производят визуально через смотровые окна топки либо датчиками горения. При таком способе сжигания топлива общий поток пламени увеличивается на величину от 0,5 до 1,2 м по сравнению с обычным в зависимости от мощности горелки и давления подачи каждого вида топлива. Тем самым обеспечивается более равномерный прогрев поверхности топки, увеличивается ее КПД.

В зависимости от технологических нагрузок и качества топлива первого и второго типов подачу природного газа могут постепенно прекратить (при достаточной температуре - после розжига первого пламени), при этом горелка продолжает работу только за счет ГУ и вторичного воздуха.

При таком режиме используют от 30 до 20% топлива третьего типа и от 70 до 80% топлива первого и второго типов.

Кроме того, при возможности снижения нагрузки, регулированием можно подобрать режимы, когда принудительной подачи воздуха не требуется, а на ГУ поддерживают горение при низком давлении в первом и втором каналах и естественной тяге дымовой трубы за счет достаточного притока воздуха через смотровые отверстия топки.

Таким образом, ГУ работает по диффузионно-инжекционному принципу.

При испытаниях устройства на установке подготовки нефти установлено, что пропускная способность ГУ по I ступени сепарации составляет до 16000 нм3 /сут., по II ступени сепарации - до 2000 нм3/сут., в зависимости от входного давления газа. При этом за месяц абсолютная экономия природного газа за счет остановки сжигания ПНГ на факеле и переводе их на горелки путевого подогревателя составила от 130000 до 140000 нм3.

2. Работа ГУ в автономном режиме.

Основные варианты сочетаний топлива первого и второго типов с указанием предпочтительного давления во втором канале при использовании автономной ГУ указаны в Таблице.

Горелку устанавливают в специальное отверстие топки, закрывая его полностью. К другому отверстию (воздуховод) подключают регулируемое устройство подачи воздуха.

Осуществляют предварительную продувку (вентиляцию) топки в течении времени до 15-20 мин. Далее уменьшают либо полностью прекращают подачу потока воздуха, закрывая шибера. Производят подачу потока первого типа топлива под низким давлением, производят его розжиг, получая внутреннее первое пламя. Постепенно увеличивают подачу воздуха для прогрева печи и достижения температуры, достаточной для безотходного сжигания выбранного типа второго топлива. Подают топливо второго типа, плавно увеличивая давление второго потока до розжига второго пламени. Постепенно увеличивают давление второго топлива, доводя до необходимо высокого при одновременном увеличении потока воздуха. Регулируют подачу воздуха и топлива, контролируя наличие пламени.

Розжиг второго пламени возможен также при низком давлении топлива во втором канале, при этом достаточно давления воздуха (тяги), создаваемого дымовой трубой топки, печи, ПП.

Заявленный технический результат может быть достигнут и при других конструкциях ГУ без изменения сущности заявляемой ГУ, например:

- при необходимости диаметр насадки может быть больше диаметра корпуса;

- корпус и насадка могут быть выполнены в виде единой детали трубопровода;

- при выполнении вставки в виде ровного цилиндра, без конусного расширения на выходе, кольцевой размер выходного отверстия насадки для достижения оптимального размера кольцеобразного канала уменьшают до необходимой ширины кольцевого отверстия любыми известными способами (например, частично заглушая его либо выполняя его в виде конусного сужения). Кроме того, расширяющаяся часть вставки может быть съемной.

При установке ГУ в топках путевых нагревателей не требуется дорогостоящих газорегуляторных установок, т.к. ГУ устойчива к отрыву и проскоку пламени даже при колебаниях давления до 2-х кгс/см2 на входах в ГУ.

Таким образом, описанная ГУ позволяет использовать применяемый ранее для сжигания ПНГ на факелах природный газ - для поддержания горения ПНГ в топках, получая при этом двойную экономию и обеспечивая утилизацию ПНГ (в том числе I и II ступеней сепарации) на объектах нефтедобычи до 100%.

Кроме того, исключается выброс вредных веществ в атмосферу, т.к. при воздействии высоких температур в топке вредных азотных соединений не образуется, а в атмосферу выбрасывается чистый азот. Поэтому удается избежать штрафных санкций за загрязнение окружающей среды.

1. Горелка универсальная, содержащая трубопровод с множеством боковых отверстий в выходной части трубопровода, практически соосно расположенную вставку с первым каналом подачи топлива, а также кольцевой второй канал подачи топлива, выполненная с возможностью подачи топлива в каждый из каналов, отличающаяся тем, что вставка образует в трубопроводе упомянутый второй канал.

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что трубопровод содержит корпус и съемную насадку с упомянутыми отверстиями.

3. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что отверстия выполнены радиальными группами, расположенными равномерно по поверхности насадки.

4. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что торец вставки выступает за торец насадки.

5. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что выходная часть вставки выполнена конически расширяющейся.

6. Горелка по п.5, отличающаяся тем, что расширяющаяся часть вставки выполнена съемной.

7. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что на корпусе закреплена заглушка.



 

Наверх