способ газодинамического розжига газовых горелок факельных устройств

Формула изобретения

Способ газодинамического розжига газовых горелок факельных устройств, включающий приготовление стехиометрической газовой смеси и инициирование детонационного горения, причем в качестве стехиометрической смеси используют смесь кислорода и водорода в интервале концентраций 20-90%, при этом скорость детонационной волны смеси кислорода и водорода равна 2800 м/с, а смесь создают посредством проведения электролиза водного раствора гидроокиси щелочного металла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нефтегазовой, нефтехимической и других отраслей промышленности и может быть использовано с целью повышения надежности розжига газовых горелок факельных устройств и снижения энергозатрат при термической утилизации токсичных продуктов производства.

На газовых и нефтяных месторождениях, на многих крупных предприятиях нефтяной, химической и нефтехимической отраслей промышленности эксплуатируются факельные установки высотного и наземного типа. Они предназначены для сжигания сбросных газов и многофазных систем промстоков, которые образуются в процессе производства. Термическая утилизация горючих газов и токсичных жидкостей позволяет предотвратить загрязнение окружающей среды и дает возможность осуществлять эффективную эксплуатацию скважин и переработку продуктов добычи углеводородов.

Анализ способов термической утилизации сбросных газов на факельных установках показывает, что розжиг газовых горелок осуществляется, в основном, путем создания смеси топлива (природного газа) и воздуха и инициирования горения этой смеси высоковольтным электрическим разрядом. При этом используют смесь как с нестехиометрическим соотношением компонентов, так и со стехиометрическим соотношением.

Известен, например, способ сжигания углеводородного топлива, заключающийся в раздельном подводе топлива и воздуха в газовую горелку и сжигании топлива при нестехиометрическом соотношении компонентов [патент ФРГ 3327597, кл. F 23 С 7/02].

Недостатком данного способа и ему аналогичных является то, что использование для розжига газовых горелок нестехиометрической смеси газов ухудшает надежность системы розжига и значительно увеличивает энергозатраты.

Наиболее близок к предлагаемому способ, включающий приготовление стехиометрической смеси природного газа и воздуха в отношении 1:10, инициирование детонационного горения, пламенем которого поджигают горючий газ, поступающий в горелку по отдельной трубе [И.И.Стрижевский, А.И.Эльнатанов. Факельные установки. - М: Химия. - 1979. - с.184].

Основным недостатком известного способа, взятого за прототип, является низкая надежность розжига газовых горелок при высоких энергозатратах создания стехиометрической смеси природного газа и воздуха, связанных с подготовкой компонентов смеси и с использованием инжекционных смесителей, завихрителей и т.п. устройств, требующих значительных мощностей компрессоров.

Задачей изобретения является утилизация сбросных газов и многофазных систем промстоков посредством термического воздействия с помощью факельных устройств.

Технический результат изобретения состоит в повышении надежности розжига газовых горелок факельных устройств при снижении энергозатрат для формировании стехиометрической газовой смеси.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что способ газодинамического розжига газовых горелок факельных устройств включает приготовление стехиометрической газовой смеси и инициирование детонационного горения, причем в качестве стехиометрической смеси используют смесь кислорода и водорода в интервале концентраций 20-90%, при этом скорость детонационной волны смеси кислорода и водорода равна 2800 м/с, а смесь создают посредством проведения электролиза водного раствора гидроокиси щелочного металла.

Способ реализуется следующим образом. Водный раствор гидроокиси щелочного металла, например калия, массовой концентрации, например, 20%, помещают в электролизер. В процессе электролиза раствора на положительном электроде выделяется кислород, на отрицательном - водород, которые, смешиваясь, образуют стехиометрическую смесь водорода и кислорода.

Стехиометрической смесью этих газов заполняют линию детонационного горения, которая сообщается с газовой горелкой. При полном заполнении линии детонационного горения стехиометрической смесью водорода и кислорода высоковольтным электрическим разрядом поджигают смесь, инициируя детонационное горение этой смеси, пламенем которого поджигают топливо, поступающее в газовую горелку по отдельной трубе.

Известно, что для любой стехиометрической смеси существуют определенные концентрационные пределы, при которых обеспечивается стационарный режим детонации. При выходе за эти пределы устойчивая детонация нарушается. В предлагаемом способе устойчивая детонация стехиометрической смеси водорода и кислорода имеет место в интервале концентраций от 20 до 90%, что в три раза превышает концентрационные пределы устойчивой детонации стехиометрической смеси природного газа и воздуха, используемой в известном способе, взятом за прототип. Скорость детонационной волны стехиометрической смеси водорода и кислорода, равная 2800 м/с, значительно, в 1,6 раза, превышает скорость детонационной волны для стехиометрической смеси природного газа и воздуха (1720 м/с), что также увеличивает устойчивость детонации предлагаемой смеси вследствие меньшего снижения энергии горения путем теплопередачи стенкам трубы. Поэтому применение в предлагаемом способе стехиометрической смеси водорода и кислорода значительно повышает надежность розжига газовых горелок. Кроме того, сравнение параметров детонации стехиометрической смеси водорода и кислорода и параметров детонации стехиометрической смеси природного газа и воздуха, взятых в стехиометрических соотношениях, показывает, что температура детонации смеси водорода и кислорода (3583°К) почти в 1,5 раза выше температуры детонации стехиометрической смеси природного газа и воздуха [Ф.А.Баум, К.П.Станюкович, Б.И.Шихтер. Физика взрыва. - М.: ГИФМЛ, - 1959. - 240-260 с.]. Это также увеличивает надежность розжига газовых горелок.

Использование в качестве электролита водного раствора гидроокиси щелочного металла, например калия, относящегося к симметричным электролитам, в которых в результате электролитической диссоциации возникает одинаковое количество анионов и катионов, снижает электрическое сопротивление электролита, что уменьшает энергопотребление при реализации предлагаемого способа. Кроме того, применение в качестве электролита водного раствора гидроокиси щелочного металла, например калия, застывающего (при определенных концентрациях) при температуре минус 30°С, значительно расширяет температурный диапазон применения предлагаемого способа.

Стендовые испытания предлагаемого способа розжига газовых горелок, проведенные на Экспериментальном заводе ООО «ТюменНИИгипрогаз» при температуре минус 27°С, подтвердили его высокую надежность, низкую энергозатратность и климатическую устойчивость. Заявляемый газодинамический способ розжига газовых горелок может быть использован для наземных и высотных факельных устройств.