RU2328655C1

RU2328655C1 - Method of smoke-free combustion in flares and burning facility

Info

Publication number: RU2328655C1
Application number: RU2006144065/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Панченко (RU); Владимир Иванович Панченко; шов Владимир Николаевич Кудр (RU); Владимир Николаевич Кудряшов; Николай Владимирович Шашкин (RU); Николай Владимирович Шашкин; Геннадий Павлович Фафанов (RU); Геннадий Павлович Фафанов; Накип Нотфуллович Файзрахманов (RU); Накип Нотфуллович Файзрахманов; Петр Иванович Ильин (RU); Петр Иванович Ильин; Юрий Арсентьевич Вишленков (RU); Юрий Арсентьевич Вишленков; Михаил Борисович Генералов (RU); Михаил Борисович Генералов; Анатолий Александрович Казеннов (RU); Анатолий Александрович Казеннов
Original assignee: Казанское Открытое Акционерное Общество "Органический Синтез" (Оао "Казаньоргсинтез")
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2008-07-10

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention relates to gas combustion methods and to flare end facilities. Method provides for the supplying gas flow for combustion. Gas is separated into a number of the main and supplementary jets. Ejected air flow is twisted by burnt gas jets and combustion stabilisation devices. Combustion is stabilised by gas jets and stabilisers and swirlers. Facility for smoke-free gas combustion in flare pipe includes burner represented with dead-end flare pipe with main outlet nozzles, supplementary nozzles and V-shaped stabilisers and swirlers.

EFFECT: smoke-free gas combustion within the wide range of gas consumption and improvement of reliable combustion stabilisation.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к способу сжигания газов и устройству оголовков факельных установок и может быть использовано в отраслях промышленности, связанных с постоянным, периодическим и аварийным сжиганием газа, например, в нефтехимической и нефтеперерабатывающей.The invention relates to a method of burning gases and the device head of the flare units and can be used in industries related to continuous, periodic and emergency burning of gas, for example, in the petrochemical and oil refining.

Известен способ сжигания газа и устройство, его реализующее (патент США №4038024, МКИ F23С 11/00, 1977), в котором поток сжигаемого газа разбивается на ряд длинных и тонких струй, хорошо смешивающихся с воздухом, что обеспечивает бездымное сжигание газа. Устройство для реализации этого способа представляет собой трубу, заглушенную сверху с продольными прорезями в верхней части. На каждой прорези к трубе приварены щелевые выходные сопла шириной 5,1 мм, расположенные тангенциально к трубе, причем окружность касания сопел меньше внутреннего диаметра трубы. Особенностью устройства является изменение направления выходных головок от вертикали примерно на 45°. Недостатком аналога являются: возможность закупоривания узких щелевых сопел; конструктивная сложность; свертывание плоских струй в круглые при малых давлениях сжигаемого газа, что приводит к дымлению.A known method of burning gas and a device that implements it (US patent No. 4038024, MKI F23C 11/00, 1977), in which the flow of combusted gas is divided into a number of long and thin jets that mix well with air, which provides smokeless combustion of gas. A device for implementing this method is a pipe plugged from above with longitudinal slots in the upper part. On each slot, 5.1 mm wide slotted nozzles are welded to the pipe tangentially to the pipe, with the nozzle touching circle being smaller than the pipe’s inner diameter. A feature of the device is a change in the direction of the output heads from the vertical by about 45 °. The disadvantage of the analogue are: the possibility of clogging narrow slotted nozzles; constructive complexity; coagulation of flat jets in round at low pressures of the combusted gas, which leads to smoke.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности признаков является способ бездымного сжигания газа и устройство, его реализующее (патент RU 2241905, 7 F23D 14/20, приоритет 10.07.2002, опубл. 10.12.2004, Бюл.34), в котором поток сжигаемого газа разделяют на ряд основных круглых струй с диаметром, превышающим 5 мм, направленных по касательной к цилиндрической поверхности, соосной с факельной трубой, под углом 25-80° к оси факельной трубы. От каждой из основных струй отделяют ряд дополнительных струй под углом 0-50° к оси факельной трубы, при этом эжектируемый поток воздуха закручивают струями сжигаемого газа и полками уголковых стабилизаторов-завихрителей, расположенных вдоль основных струй газа. Стабилизацию горения осуществляют струями газа, косыми срезами основных сопел и уголковыми стабилизаторами-завихрителями. Устройство для реализации этого способа представляет собой трубу, заглушенную сверху, с рядом отверстий, в которые вварены выходные основные сопла в виде круглых патрубков с косыми срезами. Ряд дополнительных сопел выполнен по образующей патрубков перпендикулярно к их оси. Диаметр основных и дополнительных сопел превышает 5 мм. Основные сопла расположены в плоскостях, касательных к цилиндрической поверхности, соосной с факельной трубой, и направлены под углом 25-80° к оси факельной трубы. Дополнительные сопла направлены в сторону от оси факельной трубы под углом 0-50° к ней. Вдоль основных сопел приварены уголковые стабилизаторы-завихрители.The closest in technical essence and combination of features is a method of smokeless gas combustion and a device that implements it (patent RU 2241905, 7 F23D 14/20, priority 10.07.2002, publ. 10.12.2004, Bull. 34), in which the flow of combusted gas divided into a number of main round jets with a diameter exceeding 5 mm, directed tangentially to a cylindrical surface, coaxial with the flare pipe, at an angle of 25-80 ° to the axis of the flare pipe. A number of additional jets are separated from each of the main jets at an angle of 0-50 ° to the axis of the flare pipe, while the ejected air stream is swirled by the blasts of gas burned and the shelves of corner stabilizer-swirls located along the main jets of gas. Combustion stabilization is carried out by gas jets, oblique sections of the main nozzles and corner stabilizers-swirlers. A device for implementing this method is a pipe plugged from above with a series of holes into which the output nozzles are welded in the form of round pipes with oblique sections. A number of additional nozzles are made along the generatrix of the nozzles perpendicular to their axis. The diameter of the main and additional nozzles exceeds 5 mm. The main nozzles are located in planes tangent to the cylindrical surface, coaxial with the flare pipe, and are directed at an angle of 25-80 ° to the axis of the flare pipe. Additional nozzles are directed away from the axis of the flare pipe at an angle of 0-50 ° to it. Along the main nozzles, corner stabilizers-swirlers are welded.

Недостатком прототипа являются: конструктивная сложность, обусловленная большим количеством основных и дополнительных сопел; возможность дымления при малом напоре сжигаемого воздуха (при малых скоростях истечения газа из сопел, меньших, чем 60 м/с).The disadvantage of the prototype are: structural complexity due to the large number of primary and secondary nozzles; the possibility of smoke at a low pressure of the burned air (at low velocities of gas outflow from nozzles less than 60 m / s).

Целью изобретения является бездымное сжигание газов в широком диапазоне расходов газа, а также повышение надежности стабилизации горения.The aim of the invention is smokeless combustion of gases in a wide range of gas flow rates, as well as improving the reliability of stabilization of combustion.

Технический результат достигается за счет способа бездымного сжигания газа во всем диапазоне расходов газа за счет лучшего смешения сжигаемого газа с эжектируемым (подсасываемым) атмосферным воздухом с помощью высоконапорных струй с малым расходом, скорость которых превышает 60 м/с во всем диапазоне расходов сжигаемого газа, и упрощения устройства для осуществления способа за счет уменьшения количества основных и дополнительных сопел.The technical result is achieved due to the method of smokeless gas burning in the entire range of gas flow rates due to better mixing of the combusted gas with ejected (sucked up) atmospheric air using high-pressure jets with low flow rate, the speed of which exceeds 60 m / s in the entire range of gas flow rates, and simplification of the device for implementing the method by reducing the number of primary and secondary nozzles.

Технический результат достигается за счет способа бездымного сжигания газа в факельной трубе, заключающегося в том, что поток газа, подаваемый для сжигания, разделяют на ряд основных струй, направляемых под углом 25-80° к оси факела, эжектируемый поток воздуха закручивают струями сжигаемого газа и стабилизаторами горения. Стабилизацию горения осуществляют струями газа и стабилизаторами-завихрителями. Согласно изобретению поток сжигаемого газа разделяют на ряд основных струй в виде секторов конического слоя толщиной, превышающей 5 мм, с помощью стабилизаторов-завихрителей, в область струй сжигаемого газа направляют высокоскоростные струи дополнительного газа с малым расходом, скорость которых превышает 60 м/с во всем диапазоне расходов сжигаемого газа. Высокоскоростные струи направлены по касательным к цилиндрической поверхности, соосной с факельной трубой, под углом 25-80° к оси факельной трубы, при этом эжектируемый поток воздуха и основных струй газа дополнительно закручивается высокоскоростными струями дополнительного газа. Под основными струями располагают дополнительные струи, отделяемые от сжигаемого газа.The technical result is achieved by the method of smokeless gas combustion in a flare pipe, which consists in the fact that the gas stream supplied for combustion is divided into a number of main jets directed at an angle of 25-80 ° to the axis of the torch, the ejected air stream is swirled with jets of combusted gas and combustion stabilizers. Stabilization of combustion is carried out by gas jets and stabilizers, swirlers. According to the invention, the flow of combustible gas is divided into a number of main jets in the form of sectors of a conical layer with a thickness exceeding 5 mm, using stabilizers-swirlers, high-speed jets of additional gas with a low flow rate, the speed of which exceeds 60 m / s throughout, are directed into the region of the jets of the burned gas range of flow rates of combusted gas. High-speed jets are directed tangentially to a cylindrical surface, coaxial with the flare pipe, at an angle of 25-80 ° to the axis of the flare pipe, while the ejected flow of air and the main gas jets is additionally twisted by high-speed jets of additional gas. Under the main jets have additional jets separated from the combusted gas.

Технический результат достигается также за счет устройства для бездымного сжигания газа в факельной трубе, содержащего горелку в виде заглушенной факельной трубы с выходными основными соплами, направленными под углом к оси факельной трубы, дополнительные сопла и уголковые стабилизаторы-завихрители. Согласно изобретению основные сопла выполнены в виде секторов конического кольца, образованного коническим верхним днищем и кромками факельной трубы, разделенного на сектора закручивающими ребрами-стабилизаторами горения, установленными под углом 20-90° к радиальным плоскостям, и частично ограниченного снизу косынками. Полуугол раствора конического днища составляет 25-80°, дополнительные круглые сопла расположены в плоскостях, касательных к цилиндрической поверхности, соосной с факельной трубой, и направлены под углом 25-80° к оси факельной трубы, вдоль дополнительных сопел снизу приварены уголковые стабилизаторы-завихрители, на наружных концах которых крепится кольцевой коллектор высоконапорного газа с соплами, расположенными в плоскостях, касательных к цилиндрической поверхности, соосной с факельной трубой, и направленными под углом 25-80° к оси факельной трубы.The technical result is also achieved by means of a device for smokeless gas combustion in a flare pipe, containing a burner in the form of a plugged flare pipe with output main nozzles directed at an angle to the axis of the flare pipe, additional nozzles and corner stabilizers-swirlers. According to the invention, the main nozzles are made in the form of sectors of a conical ring formed by a conical upper bottom and the edges of the flare tube, divided into sectors by twisting combustion stabilizing ribs installed at an angle of 20-90 ° to the radial planes, and partially bounded below by scarves. The half-angle of the solution of the conical bottom is 25-80 °, additional round nozzles are located in planes tangent to the cylindrical surface, coaxial with the flare pipe, and are directed at an angle of 25-80 ° to the axis of the flare pipe, corner stabilizers-swirlers are welded from below along the additional nozzles, at the outer ends of which an annular high-pressure gas manifold is mounted with nozzles located in planes tangent to the cylindrical surface coaxial with the flare pipe and directed at an angle of 25-80 ° to the torch axis oh pipe.

При средних и больших расходах газа основные струи, будучи секторами тонкого конического слоя, хорошо перемешиваются с эжектируемым воздухом и образуют газовоздушный поток, закрученный ребрами-стабилизаторами горения, обеспечивающий бездымное и устойчивое горение за счет зон обратных токов, как за отдельными ребрами-стабилизаторами, так и общей мощной зоны обратных токов, расположенной в центре. То, что основные струи представляют собой секторы конического кольца, существенно сокращает их число по сравнению с круглыми струями у прототипа при одинаковом поперечном размере струй и одинаковом расходе газа. Это существенно упрощает конструкцию устройства.At medium and high gas flow rates, the main jets, being sectors of a thin conical layer, mix well with the ejected air and form a gas-air flow swirling by fins-stabilizers of combustion, providing smokeless and stable combustion due to zones of reverse currents, both behind separate fins-stabilizers and a common powerful reverse current zone located in the center. The fact that the main jets are sectors of a conical ring significantly reduces their number compared to the round jets of the prototype with the same transverse size of the jets and the same gas flow rate. This greatly simplifies the design of the device.

Высокоскоростные струи дополнительного газа с малым расходом, постоянно подаваемые в область струй сжигаемого газа со скоростью, превышающей 60 м/с, обеспечивают бездымное сжигание газа основных струй и при малых расходах за счет постоянного эжектирования воздуха и его хорошего смешения во всем диапазоне расходов сжигаемого газа. То, что высокоскоростные струи направлены по касательным к цилиндрической поверхности, соосной с факельной трубой, под углом 25-80° к оси факельной трубы, приводит к дополнительной закрутке основных струй газа и эжектируемого потока воздуха, что приводит к созданию зоны обратных токов в центре факела, стабилизации горения и способствует поддержанию горящего факела в вертикальном положении при любых ветровых условиях. Дополнительные струи сжигаемого газа, распространяющиеся внутри уголков, создают устойчивые распределенные очаги пламени по всей наружной поверхности факела, что повышает стабилизацию горения при боковых порывах ветра.High-speed jets of additional gas with a low flow rate, constantly supplied to the region of the jets of combusted gas at a speed exceeding 60 m / s, provide smokeless combustion of gas of the main jets at low costs due to the constant ejection of air and its good mixing in the entire range of flow rates of the burned gas. The fact that high-speed jets are directed tangentially to a cylindrical surface, coaxial with the flare pipe, at an angle of 25-80 ° to the axis of the flare pipe, leads to additional swirling of the main gas jets and the ejected air flow, which leads to the creation of a reverse current zone in the center of the torch , stabilization of combustion and helps to maintain the burning torch in an upright position under any wind conditions. Additional jets of combustible gas spreading inside the corners create stable distributed foci of flame along the entire outer surface of the flame, which increases the stabilization of combustion during side gusts of wind.

На фиг.1 представлен продольный разрез устройства (разрез А-А на фиг.2) для осуществления способа, на фиг.2 - вид Б на фиг.1.Figure 1 presents a longitudinal section of the device (section aa in figure 2) for implementing the method, figure 2 is a view B in figure 1.

Устройство состоит из факельной трубы 1, заглушенной сверху коническим днищем 2. Кромки факельной трубы 1 и коническое днище 2 образуют коническое кольцо 3, разделенное на сектора ребрами - стабилизаторами горения 4, установленными под углом 20-90° к радиальным плоскостям, и образующее основные сопла. К ребрам 4 и кромкам трубы 1 приварены косынки 5, частично ограничивающие коническую кольцевую щель снизу. Ниже кромок трубы 1 вварены дополнительные круглые сопла 6, расположенные в плоскостях, касательных к цилиндрической поверхности 7, соосной с факельной трубой 1, и направленные под углом 25-80° к оси 8 факельной трубы. Вдоль дополнительных сопел 6 приварены уголковые стабилизаторы-завихрители 9, на наружных концах которых крепится кольцевой коллектор 10 высоконапорного газа, подводимого по трубе 11. К коллектору 10 крепятся сопла 12 высоконапорного газа, составляющие с осью 8 трубы 1 углы 25-80° и расположенные в плоскостях, касательных к цилиндрической поверхности 13, соосной с факельной трубой 1.The device consists of a flare pipe 1, plugged at the top with a conical bottom 2. The edges of the flare pipe 1 and the conical bottom 2 form a conical ring 3, divided into sectors by ribs - combustion stabilizers 4, installed at an angle of 20-90 ° to the radial planes, and forming the main nozzle . The ribs 4 and the edges of the pipe 1 are welded scarves 5, partially limiting the conical annular gap from the bottom. Below the edges of the pipe 1, additional round nozzles 6 are welded, located in planes tangent to the cylindrical surface 7, coaxial with the flare pipe 1, and directed at an angle of 25-80 ° to the axis 8 of the flare pipe. Along the additional nozzles 6, corner stabilizers-swirlers 9 are welded on the outer ends of which an annular collector 10 of high-pressure gas is supplied through the pipe 11. To the collector 10 are mounted nozzles 12 of the high-pressure gas, constituting angles 25-80 ° with axis 8 of the pipe 1 and located at planes tangent to the cylindrical surface 13, coaxial with the flare pipe 1.

Устройство работает следующим образом. Поток дополнительного высоконапорного газа с малым расходом постоянно истекает из наклонных сопел 12 со скоростью, превышающей 60 м/с, хорошо перемешивается с воздухом и создает общий высокоскоростной закрученный поток газовоздушной смеси в виде полого конуса, сгорающий бездымно. Внутрь горящего конуса подсасывается атмосферный воздух, нагревается и устремляется вверх также под действием подъемной (архимедовой) силы, обеспечивая дополнительную эжекцию воздуха, окружающего горящий конус. За каждой из наклонных струй, истекающих из сопел 12, образуются зоны обратных токов, заполненные продуктами сгорания и стабилизирующие горение. При малых расходах сжигаемого газа, истекающего из основных щелевых сопел 3, этот газ попадает внутрь горящего высокоскоростного факела, перемешивается с ним и с потоком воздуха, эжектируемого внутрь горящего конуса, что обеспечивает бездымное сгорание. При увеличении расхода сжигаемого газа его струи в виде тонких конических секторов, истекающих из основных сопел 3, турбулизируются и начинают сами эжектировать достаточное количество воздуха, что обеспечивает бездымное сгорание при средних и больших расходах. Ребра-стабилизаторы пламени 4, установленные под углом 20-90° к радиальным плоскостям, вызывают закрутку сжигаемого газа, истекающего из основных сопел 3. За ребрами 4 образуются зоны обратных токов, в которые засасываются продукты сгорания и воздух, что обеспечивает стабилизацию горения. Вдоль наклонных уголковых стабилизаторов-завихрителей 9 поступают дополнительные струи сжигаемого газа, и одновременно уголковые стабилизаторы обтекаются поперек потоком воздуха. В результате за ними образуются зоны обратных токов, стабилизирующие горение. Уголковые стабилизаторы защищают зоны горения от срывов пламени порывами ветра, а их расположение способствует закрутке горящего факела. Закрученный поток воздуха и продуктов сгорания обладает повышенной устойчивостью против ветра. Повышенная турбулизация течения при всех расходах сжигаемого газа, вызываемая высокоскоростными струями дополнительного газа из сопел 12, ребрами-стабилизаторами 4, уголковыми стабилизаторами-завихрителями 9, обеспечивает хорошее перемешивание струй газа с воздухом и приводит к высокой полноте и бездымности сгорания газа при всех расходах. Косынки 5, ограничивающие струи газа, истекающего из основных щелевых сопел 3, препятствуют распространению газа вниз по наружной поверхности трубы 1 и образованию пламени на этой поверхности. Стабилизация горения обеспечивается как зонами обратных токов за отдельными струями газа, за ребрами-стабилизаторами 4 и уголковыми стабилизаторами-завихрителями 9, так и общей зоной обратных токов, расположенной в приосевой области факельной трубы 1. Поперечный размер общего закрученного факела и пламени увеличивается при увеличении расхода газа. При этом увеличивается и расход эжектируемого в зону горения атмосферного воздуха, что приводит к сохранению высокой полноты сгорания и бездымного горения во всех расходах.The device operates as follows. The flow of additional high-pressure gas with a low flow rate constantly flows out of the inclined nozzles 12 at a speed exceeding 60 m / s, mixes well with air and creates a general high-speed swirling flow of the gas-air mixture in the form of a hollow cone, burning smokelessly. Inside the burning cone, atmospheric air is sucked in, heated and rises upward also under the action of the lifting (Archimedean) force, providing additional ejection of the air surrounding the burning cone. For each of the inclined jets flowing from the nozzles 12, zones of reverse currents are formed, filled with combustion products and stabilizing combustion. At low flow rates of the combusted gas flowing from the main slotted nozzles 3, this gas enters the burning high-speed torch, mixes with it and with the flow of air ejected inside the burning cone, which provides smokeless combustion. With an increase in the flow rate of the burned gas, its jets in the form of thin conical sectors flowing out from the main nozzles 3 become turbulent and begin to eject a sufficient amount of air, which ensures smokeless combustion at medium and high flow rates. Flame stabilizers 4, installed at an angle of 20-90 ° to the radial planes, cause a twist of the combusted gas flowing out of the main nozzles 3. Behind the ribs 4, reverse current zones are formed into which the combustion products and air are sucked in, which ensures combustion stabilization. Along the inclined angle stabilizer-swirls 9, additional jets of combusted gas are supplied, and at the same time, the angle stabilizers are flowed across the air stream. As a result, zones of reverse currents are formed behind them, stabilizing combustion. Corner stabilizers protect the combustion zone from flame outbreaks by gusts of wind, and their location helps to twist the burning torch. The swirling flow of air and combustion products is highly resistant to wind. Increased turbulization of the flow at all flow rates of the combusted gas, caused by high-speed jets of additional gas from nozzles 12, stabilizer ribs 4, angle stabilizers-swirlers 9, ensures good mixing of gas jets with air and leads to high completeness and smokeless combustion of gas at all costs. The kerchiefs 5 restricting the jets of gas flowing out of the main slotted nozzles 3 prevent the gas from spreading down the outer surface of the pipe 1 and the formation of a flame on this surface. Combustion stabilization is ensured both by reverse current zones behind individual gas jets, behind stabilizer ribs 4 and corner stabilizer-swirlers 9, and by a common reverse current zone located in the axial region of the flare pipe 1. The transverse size of the total swirling flame and flame increases with increasing flow gas. At the same time, the flow rate of atmospheric air ejected into the combustion zone increases, which leads to the preservation of high completeness of combustion and smokeless combustion at all costs.

Claims

1. The method of smokeless combustion of gases in a flare pipe, which consists in the fact that the gas stream supplied for combustion is divided into a number of main jets directed at an angle of 25-80 ° to the axis of the flare pipe, and a number of additional jets, the ejected air stream is twisted by jets of combustible gas and combustion stabilizers, stabilization of combustion is carried out by gas jets and stabilizers, swirlers, characterized in that the flow of combusted gas is divided into a number of main jets in the form of sectors of conical layers with a thickness exceeding 5 mm and twist swirl using stabilizers, swirls, high-speed jets of additional gas with a low flow rate, the speed of which exceeds 60 m / s in the entire range of flow rates of the burned gas, are directed into the region of flames of the combusted gas, high-speed jets are directed tangentially to the cylindrical surface, coaxial with the flare pipe, under at an angle of 25-80 ° to the axis of the flare pipe, while the ejected air stream and the main gas jets are additionally twisted with high-speed gas jets, additional jets of combusted gas are separated from the new flow and placed under the main jets.

2. A device for smokeless combustion of gases in a flare pipe, containing a burner in the form of a plugged flare pipe with output main nozzles directed at an angle to the axis of the flare pipe, additional nozzles and corner stabilizer-swirls, characterized in that the main nozzles are made in the form of a conical ring formed by the upper conical bottom and the edges of the flare tube, divided into sectors by fins-stabilizers of combustion, installed at an angle of 20-90 ° to the radial planes, and partially bounded from the bottom kerchiefs, the half-angle of the solution of the conical bottom is 25-80 °, additional round nozzles are located in planes tangent to the cylindrical surface, coaxial with the flare pipe, and are directed at an angle of 25-80 ° to the axis of the flare pipe, corner stabilizers are installed along the additional nozzles from below swirlers, on the outer ends of which an annular high-pressure gas manifold is attached with nozzles located in planes tangent to the cylindrical surface, coaxial with the flare pipe, and directed at an angle of 25-80 ° to the axis of the flare pipe.