Способ сжигания продувочных газов и устройство для его реализации

Изобретение относится к газогорелочным устройствам, работающим с использованием эффекта Коанда, и может быть применено, например, в газовой промышленности для сжигания продувочных газов ремонтируемых скважин. Способ сжигания продувочных газов заключается в разделении потока сжигаемого газа, как минимум, на две части, и подаче одной части газа через кольцевой зазор на профилированное центральное тело горелки, другой - через профилированное выходное сечение трубы, открывающееся в донную область профилированного центрального тела, с последующим их смешением в зоне горения. Профилированное центральное тело выполняют в виде эллипсовидного тела вращения, часть потока, идущего через трубу, направляют через коническое звуковое сопло на отражатель-генератор акустических колебаний, установленный внутри эллипсовидного тела вращения и расположенный в первом фокусе эллипса, затем при помощи отражателя-генератора акустических колебаний направляют отраженный поток на профилированные эллипсовидные стенки с последующей фокусировкой отраженных волн в зоне его второго фокуса. Изобретение позволяет обеспечить максимально возможную полноту сгорания газов с уменьшенным содержанием вредных примесей в продуктах сгорания. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к газогорелочным устройствам и может быть использовано для сжигания продувочных газов ремонтируемых скважин.

Одной из проблем, возникающих при сжигании продувочных и попутных газов, особенно содержащих конденсат и сероводородные соединения, является обеспечение максимально возможной полноты сгорания газов и получение продуктов сгорания с минимальным содержанием сероводородных соединений, не превышающих предельно допустимые нормы.

Известна горелка, содержащая корпус с соосно установленной трубой, снабженной по периферии участка, выведенного за пределы корпуса, рассекателем в виде тела Коанда, размещенным с зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом в трубе дополнительно установлена отсасывающая трубка, нижний конец которой выведен в корпус, и на участке трубы, размещенном в корпусе, выполнено уширение с отверстиями по его образующей, при этом отношение площади зазора к площади выходного сечения трубы составляет 0,75-1,3 (А.с. СССР №643719 от 06.01.77. МКИ F23D 13/20).

Недостатками известной горелки является неполное сгорание газа и конденсата, повышенное содержание вредных примесей в продуктах сгорания.

Известной и наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является горелка, содержащая корпус с соосно установленной трубой, снабженной по периферии участка, выведенного за пределы корпуса, рассекателем в виде тела Коанда, размещенным с зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом в трубе дополнительно установлена отсасывающая трубка, нижний конец которой выведен в корпус, и на участке трубы, размещенном в корпусе, выполнено уширение с отверстиями по его образующей, при этом отношение площади зазора к площади выходного сечения трубы составляет 0,75-1,3, участок трубы, выведенный за пределы корпуса, выполнен в виде сопла Лаваля, а верхний торец отсасывающей трубки размещен на входе в указанное сопло (А.с. СССР №937888 от 01.10.80, дополнительное к а.с. №643719, МКИ F23D 13/20 - прототип).

Указанная горелка работает следующим образом.

Сбрасываемый из скважины газ подается к трубе и разделяется на два потока. Первый поток газа поступает к соплу Лаваля, а второй поток - через отверстия трубы - в корпус горелки. При выходе из отверстий газ в начальный момент времени движется в направлении нижней части корпуса, а затем изменяет направление движения на противоположное и движется к боковому кольцевому зазору. При изменении направления движения газ отделяется от жидкой фазы (конденсата), которая собирается в нижней части корпуса. Очищенный поток газа, выходя из бокового кольцевого зазора, вследствие возникающего эффекта Коанда, прилипает к поверхности рассекателя и создает вокруг него зону пониженного давления, в которую вовлекается окружающий воздух. Воздух смешивается с поступающим газом и полученная газовоздушная смесь движется в направлении образующей конического участка рассекателя, к выходу первого потока газа.

Первый поток газа, выходя по трубе из сопла Лаваля, подсасывает из корпуса, при помощи отсасывающей трубки, конденсат. Поток конденсата, за счет повышенной скорости газа в узком сечении сопла Лаваля, дробится на мелкодисперсные капли, смешивается с первым потоком газа и вторым газовоздушным потоком. Полученная смесь газа, воздуха и конденсата бездымно сгорает.

Основными недостатками данной горелки является недостаточно качественное смесеобразование, что приводит к уменьшению полноты сгорания не до конца очищенных газов и увеличению содержания вредных выбросов, в частности сероводорода и его соединений, в продуктах сгорания.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание способа сжигания продувочных газов и устройства для его реализации, конструкция которого позволит обеспечить максимально возможную полноту сгорания газов с уменьшенным содержанием вредных примесей в продуктах сгорания.

Поставленная задача достигается за счет того, что в предложенном способе сжигания продувочных газов, заключающемся в разделении потока сжигаемого газа, как минимум, на две части, и подаче одной части газа через кольцевой зазор на профилированное центральное тело горелки, другой - через профилированное выходное сечение трубы, открывающееся в донную область профилированного центрального тела с последующим их смешением в зоне горения, согласно изобретению, одну часть потока направляют по трубе через коническое звуковое сопло на отражатель-генератор акустических колебаний, установленный внутри эллипсовидного тела вращения и расположенный в первом фокусе эллипса, затем при помощи отражателя-генератора акустических колебаний направляют отраженный поток на профилированные эллипсовидные стенки с последующей фокусировкой отраженных волн в зоне его второго фокуса. При этом в корпусе эллипсоида возникают волны сжатия и разрежения (скачки уплотнения), за счет которых происходит дробление капель конденсата и интенсивное перемешивание, что вместе с разогревом двухфазной смеси в зоне второго фокуса улучшает условия поджига и горения. Подготовленная таким образом смесь поступает к выходу из рассекателя эллипсовидной формы, где перемешивается с другой частью газового потока.

Для реализации указанного способа предложена горелка, содержащая корпус с соосно установленной трубой, снабженной по периферии участка, выведенного за пределы корпуса, профилированным центральным телом, размещенным с кольцевым зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом в трубе дополнительно установлена отсасывающая трубка, на участке трубы, установленном в корпусе, выполнены отверстия, а выходной участок трубы, выведенный за пределы цилиндрической части корпуса, выполнен в виде сопла, в которой, согласно изобретению, профилированное центральное тело выполнено в виде эллипсовидного тела вращения, выходной участок трубы выполнен в виде конического звукового сопла и размещена во входной части эллипсовидного тела вращения, при этом внутри указанного тела, в первом фокусе эллипса, размещен отражатель - генератор акустических колебаний, а верхний конец отсасывающей трубки размещен в зоне второго фокуса эллипса.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявляемом способе, в отличие от прототипа, одну часть потока перед сжиганием направляют через звуковое сопло, выполненное, например, в виде конфузора, на отражатель-генератор акустических колебаний, установленный внутри эллипсовидного тела вращения и расположенный в первом фокусе эллипса, затем при помощи отражателя-генератора акустических колебаний направляют отраженный поток на профилированные эллипсовидные стенки с последующей фокусировкой отраженных волн и акустических колебаний во втором фокусе эллипса с последующим разогревом газовоздушной смеси при помощи скачков уплотнения, а в заявляемом устройстве, в отличие от конструктивного выполнения прототипа, рассекатель выполнен в виде эллипсовидного тела вращения, вытянутого по большей оси эллипса, трубка отбора конденсата выведена в зону второго фокуса эллипса, а внутри рассекателя установлен отражатель-генератор акустических колебаний.

Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого технического решения, благодаря наличию новых признаков, обеспечивает получение технического результата, выражающегося в улучшении условий перемешивания потоков газа и воздуха между собой, и получении повышенной полноты сгорания газовоздушной смеси за счет улучшения условий смесеобразования и подогрева газовоздушной смеси.

Указанные существенные признаки в совокупности, характеризующей сущность заявляемого технического решения, не известны в настоящее время для горелок и устройств для сжигания топлива. Аналог, характеризующийся идентичностью всем существенным признакам заявляемого изобретения, в ходе исследований не обнаружен, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «Новизна».

Существенные признаки заявляемого изобретения не могут быть представлены как комбинация, выявленная из известных решений с реализацией в виде отличительных признаков для достижения технического результата, из чего следует вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».

В связи с тем, что описанное техническое решение предназначено для использования в рамках реальной системы дожигания газов, разработано заявителем и готовится к внедрению в производство, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, где показан осевой разрез предложенной горелки.

Основными элементами предложенной факельной горелки являются:

1 - корпус;

2 - труба;

3 - периферийный участок;

4 - рассекатель;

5 - кольцевой зазор;

6 - фланец;

7 - отсасывающая трубка;

8 - полость;

9 - отверстия;

10 - звуковое сопло;

11 - первый фокус эллипса;

12 - отражатель-генератор акустических колебаний;

13 - второй фокус эллипса.

Горелка содержит корпус 1 с соосно установленной трубой 2, снабженной по периферии участка 3, выведенного за пределы корпуса 1, рассекателем 4 в виде профилированного эллипсовидного тела вращения. Рассекатель 4 размещен с кольцевым зазором 5 относительно верхнего торца корпуса 1. В нижней части трубы установлен фланец 6 для стыковки с трубопроводом подачи газа.

В трубе 2 дополнительно установлена отсасывающая трубка 7, нижний конец которой выведен в полость 8. На участке трубы 2, установленном в корпусе 1, выполнены отверстия 9. Выходной участок трубы выполнен в виде конического звукового сопла 10. В первом фокусе 11 эллипса размещен отражатель 12 - генератор акустических колебаний, а верхний конец отсасывающей трубки 7 размещен в зоне второго фокуса 13 эллипса.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Поток сжигаемого газа разделяют, как минимум, на две части. Одну часть потока направляют через коническое звуковое сопло 10 на отражатель-генератор акустических колебаний 12, установленный внутри эллипсовидного тела вращения рассекателя 4 и расположенный в первом фокусе 11 эллипса. При помощи отражателя 12 направляют отраженный поток газа на профилированные эллипсовидные стенки рассекателя 4 с последующей фокусировкой отраженных волн в зоне его второго фокуса 13. При этом в полом корпусе эллипсовидного тела рассекателя 4, в районе второго фокуса 13, возникают волны сжатия и разрежения (скачки уплотнения), за счет которых происходит разогрев потока газа и дробление капель конденсата, поступившего вместе с потоком газа, что значительно улучшает условия смесеобразования, поджига и горения.

Часть конденсата подается при помощи отсасывающей трубки 7 в зону второго фокуса 13, где за счет волн сжатия и разрежения также происходит его дробление и разогрев с последующей подачей в зону горения.

Подготовленные таким образом части потока перемешиваются за выходной частью рассекателя и сгорают.

Предложенный способ реализуется при помощи факельной горелки, работающей следующим образом.

Сбрасываемый из скважины газ подается на вход в трубу 2 и поднимается вверх. За счет разницы плотностей конденсат отбрасывается на стенку трубы 2 и стекает вниз по трубе. В трубе газ разделяется на два потока. Один поток газа поступает к коническому звуковому соплу 10, а другой поток - через отверстия 9 в трубе 2 - в кольцевой зазор между корпусом 1 и трубой 2. При выходе из отверстий 9 второй поток газа с конденсатом в начальный момент времени распределяется между отсасывающей трубкой 7 и кольцевым зазором между корпусом 1 и трубой 2. При движении газовой смеси происходит более интенсивное отделение конденсата от газа за счет их разной плотности. За счет разницы плотностей и скоростей движения конденсат стекает в зону установки нижнего конца отсасывающей трубки 7, а газ, очищенный от жидкости, поступает к кольцевому зазору 5 между корпусом 1 и эллипсовидным рассекателем 4.

Очищенный поток газа, выходя из бокового кольцевого зазора 5, вследствие возникающего эффекта Коанда, прилипает к поверхности эллипсовидного рассекателя 4 и создает вокруг него зону пониженного давления, в которую вовлекается окружающий воздух. Воздух смешивается с поступающим газом и полученная газовоздушная смесь движется в направлении образующей эллипсовидного тела рассекателя, к выходу первого потока газа.

Первый поток газа, двигаясь по трубе 2, поступает в звуковое сопло в виде конфузора 10 и из него попадает на отражатель 12, установленный в первом фокусе 11 полого эллипсовидного тела рассекателя 4. Отразившись от отражателя 12, поток газа попадает на стенки эллипсовидного тела рассекателя 4 и снова собирается в пучок во втором фокусе 13 эллипса, расположенном по оси горелки, внутри эллипсовидного тела рассекателя 4.

При этом в полом корпусе эллипсовидного тела рассекателя 4 возникают волны сжатия и разрежения (скачки уплотнения), за счет которых происходит дробление капель конденсата, поступившего вместе с потоком газа, что вместе с разогревом двухфазной смеси в зоне второго фокуса улучшает условия поджига и горения.

Часть конденсата подается при помощи отсасывающей трубки 7 в зону второго фокуса 13, где за счет волн сжатия и разрежения также происходит его дробление и разогрев с последующей подачей в зону горения.

Подготовленные таким образом части потока перемешиваются за рассекателем 4. Полученная смесь газа, воздуха и конденсата бездымно сгорает, обеспечивая при сгорании пониженное содержание вредных примесей в продуктах сгорания.

Использование предложенного технического решения позволит более эффективно отделять конденсат от газа, увеличить полноту сгорания конденсатосодержащих газов и уменьшить содержание вредных примесей в продуктах сгорания за счет улучшения условий сгорания газовоздушной смеси.

1. Способ сжигания продувочных газов, заключающийся в разделении потока сжигаемого газа, как минимум, на две части, и подаче одной части газа через кольцевой зазор на профилированное центральное тело горелки, другой - через профилированное выходное сечение трубы, открывающееся в донную область профилированного центрального тела, с последующим их смешением в зоне горения, отличающийся тем, что профилированное центральное тело выполняют в виде эллипсовидного тела вращения, часть потока, идущего через трубу, направляют через коническое звуковое сопло на отражатель-генератор акустических колебаний, установленный внутри эллипсовидного тела вращения и расположенный в первом фокусе эллипса, затем при помощи отражателя-генератора акустических колебаний направляют отраженный поток на профилированные эллипсовидные стенки с последующей фокусировкой отраженных волн в зоне его второго фокуса.

2. Горелка для реализации способа по п.1, содержащая корпус с соосно установленной трубой, снабженной по периферии участка, выведенного за пределы корпуса, профилированным центральным телом, размещенным с зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом в трубе дополнительно установлена отсасывающая трубка, на участке трубы, установленном в корпусе, выполнены отверстия, а участок трубы, выведенный за пределы цилиндрической части корпуса, выполнен в виде сопла, отличающаяся тем, что профилированное центральное тело выполнено в виде эллипсовидного тела вращения, выходной участок трубы выполнен в виде конического звукового сопла и размещен во входной части эллипсовидного тела вращения, при этом внутри указанного тела в первом фокусе эллипса размещен отражатель-генератор акустических колебаний, а верхний конец отсасывающей трубки размещен в зоне второго фокуса эллипса.