автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка микрофакельной горелки для попутных нефтяных газов с пониженным уровнем токсических выбросов

РГб од

/ з :.!ла 1233

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И Т01ОТШШХ РЕСУРСОВ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

КАЗАХСКИЙ НАУЧНОЧГССЛЕДОВАШЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ ИМЕНИ АКАДОИНА Ш.Ч.ЧОКША

На правах рукописи

УЖ 662.95

ЖАНВУР11Ш ЕДО ТЕРЕКБАЕВИЧ ■

РАЗРАБОТКА МИКРОФАКЕЛЬНОЙ ГОРЕЛКИ ДЛЯ ПОПУТШХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ С ПОНИЖЕННЫМ УРОВНЕМ ТОКСИЧНЫХ ВЫБРОСОВ.

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ,

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ллияти - 1993

Работа выполнена в Казахском.научно-исследовательском институте имени академика Ш.Ч.Чокина.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Б.К. Алияров

кандидат технических наук, доцент А.М.Достияров

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор У.К.Жапбасбаев

кандидат технических наук, с.н.с. М.А.Бухман

Ведушая организация: КазГАСА, кафедра " Теплотехники и котельных установок ".

Защита диссертации состоится алреля 1993 г.

в час. на заседании специализированного Совета К 144.08.02

при Казахском научно-исследовательском институте энергетики имени академика Ш.Ч.Чокина по адресу: 480012, г.Алматы, 12, ул.Вайтурсы-нова,85.

О диссертацией мокно ознокомитъся в научно-технической библиотеке института.

' ' -

Автореферат разослан " " иил^/лл- 1993 г.

Отзыв на реферат, заверенный печатью, в двух экземплярах просим направить в адрес института:

480012, г.Алматы, 12, ул. Байтурсынова, 85, Ученый Совет Казахского научно-исследовательского института энергетики имени, академика Ш.Ч.Чокина.

Ученый секретарь специализированного Совета К 144.08.02 к.т.н., с.н.с. ~ К.А.Сулейменов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Все возрастающие требования к защите окружающей среды остро ставят перед предприятиями нефтяной промышленности проблему снижения токсичных выбросов, выделяющихся в процессе добычи нефти.

Основных источников среди загрязнителей воздушного бассейна на нефтяных промыслах и морских шельфах,продолжают оставаться продукта сгорания попутных нефтяных газов (ПИТ) сни-гавдхся в факелах, несмотря на то,что использование ресурсов ИНГ на предприятиях нефтяной отрасли возросло до 85%.

По оценкам специалистов в странах СНГ ежегодно в факелах сжигается IV млрд.(?ПНГ,а в 1989 году на I чел. приходилось 600 м сожженного в факелах Г1НГ.

Только в НГДУ "Прорванефть" ПО "Теэтизнефтегаз" ежегодно в факелах сягигается около 130 млн.if ПНР и в атмосферу с продуктами сгорания выбрасываются свыше 15 гас.т/год-СО,200 т/год-Ж)*, более 3 тис. т/год-углеводородов и 17 т/год-SOg.

Ввиду отсутствия в достаточном количестве газосборных сетей,необходимого оборудования по сбору и утилизации попутного газа, в ближайшие 10-15 лет нефтегазодобывающим управлениям следует заниматься модернизацией конструкций факельных горелок, обеспечивающих высокую полноту сгорания и устойчивости горения, а также снижения окислов азота.

Вместе с тем, отличительной особенностью ПНГ является не стабильность его расхода и состава в процессе добычи нефтн.

Проблема создания конструкции факельных горелок с более высокими экологическими, характеристиками требует в настоящее время разработки и исследования новнх типов факельшх горелок,но только с перспективными способами организации процесса горения, но и с простыми по конструкции,эксплуатации и обслукиванию. Необходимо отметить, что до настоящего времени эти вопросы практический не исследованы, что .существенно сказывается па экологии нефтедобывающих регионов мира

Поэтому особую актуальность приобретают поиски перспективных способов организации сжигания в факельных горелках, обес-

печивэшке при переменных расходах и составах ПНГ нормальную экологическую обстановку нефтяных месторождений.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование возможности снижения токсичных компонентов в продуктах сгорания при ехшгаии частично подготовленной, топливо-воздушной смеси в микрофакельной горелке(МФГ), разработка методики расчета конструкций МФГ, а также оцегка рассеивания окислов азота Г830--ВЫХ факелов в приземном слое.

Методы исследования. На основе изучения рэсчетно-теоре-тических и экспериментальных работ по микрофакелыюму сжиганию топлива и образованию окислов азота составлена математическая • модель и проведены расчеты на ЭВМ типа ИМ с применением алго- • ритмического языка Турбо Паскаля.Б теоретических исследованиях использовались основные положения теории горения, аэродинамики струи.

Экспериментальная часть основана на методе физического моделирования условий работы факельной горелки на специально созданной моделирующей установке.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана новая микрофакельная горелка шжекциошюго типа (в соавторстве) обеспечивающая снижение токсичных веществ (МОх, СО ) в продуктах сгорания газовых факелов нефтепромыслов при переменных, расходах и составах попутного нефтяного газа;

- впервые проведены исследования микрофакельной горелки для ПНГ с целью изучения возможностей снижения продуктов неполного сгорания и образование окислов азота;

- выявлены влияния геометрических и режимных параметров МФГ на полноту сгорания и на выход НОх, а такке расчетным путем оирнен уровень Выхода окислов азота при МФО удовлетворительно согласующийся с опытными данными;

- предложен расчет микрофакельного диффузионного горения;

- разработана методика расчета конструкций МФГ;

- уточнена существующая методика расчета рассеивания в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий с учетом особенности газовых факелов нефтепромыслов;

- разработана и создана экспериментальная установка,

позволяющая исследовать модели МФГ в широком диапазоне изменения режимных и геометрических параметров горелки.

Практическая ценность. lio результатам расчетно-теорети-чвсного и экспериментального исследования создана система расчета факчльноя roj*yri! с микрсфчкельнмм устройством, позволяющая на стадии проектирования определения геометрических размеров МФГ, ооесиежкэгаию снижение неполноту сгорания и выхода окислов азота в продуктах сгорания газовых факелов нефтепромыслов. Разработана конструкция Ш'Г для сжигания ГШГ.

Экспериментально подтверждена вогмоююсть снижения неполно ru сгорания и шх при использовании микрофакельного сжигания топлива.

Т'самратя работы. Оопоыт результата рчсчетно-эксшри-менталышх исследовании "использованы в исследованиях Казахского отделении Всемирной лабораторий "Экология биосферы", а также при проведении испытании промышленного образца МФГ на месторождений "Лотяхлн" НГД>Г "Доссорне^ть" ПО "Эмбанефть".

Литор защищает:

'i. расчетно-тооретические разработки и предложения предс-та пленное в виде инженерных расчетов.

'2. эшкриментаиьмие результам.шлучешше в ходе исследования микрофзкельннх насадок, горелки с различными геометрическими размеряли.

АпнроОашш работы. Основное результаты работы докладова-лись: "

-iia 11-ой Республиканской научно-технической конференции "Научно-технический прогресс и экология", г.Актау, 199,3 г.

-на научно-практической конференций молодых учета и специалистов СНГ, г.Алма-Ата:КазСХИ, 1992 г.

-на II-ой научно-технической конференции Алма-Атинского автомоОилыю-дороетгого института, г.Алма-ЛтагААДИ, 1993 г.

Публикацииv По результатам исследовании опубликовано 6 статей, выпущен один научно-технический: отчет и получено одно положительное решение но выдачу патента.

Объем работу. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений,Объем диссертации - ЮГ страниц основного текста, 32 рисунков но

33 страницах, 2 таблиц.Список использованной литературы из 159 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе представлен патентный анализ состояния по разработке конструкций факельных горелок,дан обзор современного состояния исследовании микрофакелыюго сжигания в различных топливоскигащих устройствах н сформулированы задачи исследования.

Проведенный; патентный обзор конструкций факельных горелок ведущих стран мира: США, Англия, ФРГ, Франция, Япония и стран СНГ за последнее 15-20 лет показал, что существует до-, вольно большое количество различных конструкций факельных горе-лок,обеспечивающее снижение дымо-саяеобразования, стабилизацию факела к снижения образования окислов азота. 0снов1шми мероприятиями rio сшшншю этих вредных веществ являются: впрыск вода или водяного пара в зону горения, увеличение поверхности контакта факела с окислителем, эффект " Коанда ", частичное смеше-ниние газа с воздухом, ступенчатое сжигание газа, йршудитель-ная подача воздуха и комбинированная подача его с водой или с паром, струйно-стаОилизаторннй метод, микрофакельное скитание.

Каждый из вышеперечисленных способов снижения окислов азота я продуктов неполного сгорания имеет свои особенности, достоинства, недостатки.

Ra основе проведенного анализа конструкции факельных горелок и методов снижения окислов азота.неполноты сгорания можно заключить, что этапом решения проблемы снижения Юци СО можно считать создание факельной горелки, обеспечивающей выполнения следующих условий:

-предварительное смешение газа с воздухом; -равномерное распределение газа и воздуха в зоне горения -малая величина времени пребывания продуктов сгорания ; зоне горения;

-быстрое перемешивание продуктов сгорания в т?ситеяыю-го воздуха.

-возможность работы " при переменных расходах и составах

газа, обеспечивая при этом устойчивое горение Ш5Г и пониженно» образование токсичных веществ в продуктах сгорания.

Наиболее полно всем указанным требованиям удовлетворяет микрофакельный принцип сжигания топлива, т.е. дробление факела на отдельные микроочаги.

Впервые микродафрузионное (микрофакельное) турбулентное горение описывается в работах Д.^.Франк-Каменещюго,Е.М.Минского,.Ы1Лигриш,Д.Л^Хзмаляна,Ь..И.Корнее118 с точки зрения увеличения теплового напряжения.

В исследованиях Б.А.Христича, А.В.Сударева, А.Г.Тума-новского, Г.Н.Любчика, Ю.М.Пчелкина, А.М.Достиярова и др. показаны возможность эффективного использования принципа микрофакельного сжигания в камерах сгорания НУ, обеспечивающий снижения окислов азота, продуктов сгорания и повышения экономичности путем расширения диапазона режимов устойчивой работы тарелочного устройства.

Кроме того, шсой принцип сжигания широко применяется в горелочних устройствах используемые в металлургических и метал-лобрабатыващих предприятиях для равномерного и симметричного прогрева изделия, в сельском хозяйстве для повышения эффективности и качества огневой обработки почв с целью борьбы с сорняками, болезнями и вредителями сельскохозяйственных культур , а также в ко(,«порочных горелках бытовых газовых плиток, позволяющая содержать нормальном санитарно-гигиеническом состоянии газифицированных квартир.

Проведенный анализ микрофакельного сжигания топлива показывает, что этот принцип по сравнению с другими способа?® сжигания имеет ряд дрстойнств: снижение токсичных веществ в продуктах сгорания; равномерное распределение температурного поля по длине факела¡большая объемная теплонапряйения¡равномерное смешение окислителя по всему выходному сечению горелки;устойчивое горение в различных расходах газа, ветровых воздействиях и переменных воздуха ¡простота изготовления,компактность газогорелочяого устройства и в целом установки¡возможность использования в различных топливосжигаюншх устройствах, скигвщиа газообразное и шдкое топливо; надежность рабочих вшмитов я

простота профилактического обслугавэнм.'гонижекный уровень шума за счет подавления вибрационного горения¡пониженная склонность к нагэрообразовзши и другие.

Процессы .протекающее при мккрофакольном ошгашш топлива, существенно отличаются от процессов,реализуемых в извостшх фа-кельни горелках,поэтому следуют рассмотреть те условия,которые происходят при скитании топлива микрофакелъно.

Особый интерес представляет создание факельной горелки обеспечивающий при переменных расходах и составах ПЕГ снижшше продуктов неполного сгорания, устойчивое горение факелов, а такке оценка рассеивания вредных веществ в "атмосфере,выбрасываемых газовыми факелами нефтянпых мчстороадешш.Как известно, су- . ществуодая методика неполной мере учитывает те процессы которые происходят,в зоне горения факельной горелки.

На основании вышеизложенного коню сказать,что исследования возможностей снижения токсичных выбросов в факельных, го-релсах, являются на сегодняшний день актуальной проблемой.

Поэтому высказанные вше сображешш определили круг исследований мнфофакельной горелки,с целью уменьшения содержания продуктов неполного сгорания и окислов азота в рамках настоящей работы и позволили сформировать автору задачи исследования.

¡.Разработать новую конструкцию факельной горелки с микрофакельным устройством,для сжигания попутных нефтянных газов;

2.Экспериментально исследовать влияние геометрических размеров микрофакельной горелки на полноту сгорания горючей смей и на выход Шх,с целью выбора эффективной конструкции факельной горелки;

3.Разработать ттодаку расчета конструкции факельной горелки;

4.Внести предложения в методику расчета рассеивания вредных выбросов в атмосфере .примшштелыю к Факельным горелкам и составить программу расчета на ЭВМ этой методики;

5.Провести оценочный расчет выхода окислов

азота при микрофакельном сжигании;

6.Провести промышленное испытание конструкщш разработанной факельной горелки.

Вторая глава посвящена расчетно-теоретическому исследованию диффузионного сзшгания мшсрофакелов, выхода окислов азота для ммкрофакельной горелки с учетом геометрических размеров.ме-тодики расчета конструкщш горелки и оценка рассеивания в приземном слое окислов азота выбрасываемых газовыми факелами нефтепромыслов .

При микрофакельном сгшггшки газа на процесс горетт су-иестьениое ьлияние оказывает структура течения горючей смеси,вытекащей из насадка горелочного устройства.Скорость реакции горения при высоких температурах очень велика,поэтому время .необходимое для полного сгорания топлива,определяется процессом перемешивания газа с- воздухом .

Поэтому обьем зоны микрофакелов существенно зависит от геометрического размера микрофакельной насадки (МФН) и для расчета пространственного распределения скорости, температуры, концентрации продуктов сгорания, а также длины зоны горения микрофэкелов можно использовать метода расчета трехмерного факела рассмотренные в работах Л.А. Вулиса, Ш.А.Ерпина, Л.П.Ярша и других авторов.Ими рассматрена методика расчета трехмерного составного факела и сложных турбулентных струй,образующихся при истечении топлива из систем осесимметричных сопел,расположенных равномерно вдоль некоторой окружности радиуса И,в неподвижный окислитель.

Рассматриваемая в данной работе расчетная схема микрофакелов отличается от расчетной схемы, рассмотренной вышеназванными авторами тем,что турбулентная составная струя,образована системой осесимметричных струй,расположенных по окружности диаметра 211 с равным угловым расстоянием гумеаду осями струй и в центре.

При расчете будем лологать, что в сложном турбулентном факеле распределение плотности потока импульса сохраняется таким ш, . как в идентичной струе инертного газа. Примем турбулентное число Льюиса равно единице, а моле кулярннэ масса ис-

ходных компонентов и продуктов сгорания одинаковой.

Для расчета поля течения используем метод эквивалентной задачи теории теплопроводности, согласно которому распределение уч,*^¿о^сД. в факеле,образующее при истечении топлива из системы осесимметричных сопел, расположенных равномерно вдоль некоторой окружности радиуса К, описывается следующей системой уравнений:

~ 1 V 1

Ц М Ц Г Г Пг

* ^ ^ ч ] т ™

Ц1 ' 1 Ч ) Г К

Ввиду симметрии течения достаточно рассмотреть сектор ОФизически очевидны также следующие граничные условия, учетом которых следует интегрировать систему уравнений (I). Они имеют следукидай вид:

п . • ,-г ^ V

-зО. —7Г-—го лри 14 /_ к

Ц ^ ' Ц , * * 2 (2)

где,?- функция Дирака;^,^ - соответственно продол ' ная,радиальная и угловая координаты.

Система (I) записана для безразмерных величин ¿¡ГК ' ^~' причем чёрточка над^безра

мерныш величинами опущена.

Центральную струю рассмотрим как одиночную затоплеш струю с осевой симметрией.Расчет осесимметричного факела с р? номерным распределением скорости,температуры и концентраций с£

дится к интегрированию системы уравнений : 1 (ц эр'^д " о Ц ^ ^ ^

зз^^кл/и <з>

"зу-, - «I щ 3

при следующих грагшчгшх условиях: 1^4 М г I И^Н 0< Ч

одч£ио и/рг

-зон ^ ^ ' ,, „ (4)

П ' -V-"40 Т V?

Решения 'задачи о распределении плотности потока импульса, потока приведенной концентрация и потока избыточного тёплосодзр-кания в системе струи конечного размера, заданные уравнениями I и 2, могут быть получены путем суперпозиции решений уравнений I и 2, относящихся к распространению одиночной струи, истегсавдей из сопла заданного диаметра.

Используя работу А.Н.Тихонова и А.Л.Самарского получаем общее решение системы уравнения I, 2, 3, 4 в виде:

П -1 Г

где, , Равно , $ и Гй. или.

- радиус отверстий, м;

к - расстояния от тигра кшфофэкельной насадки до центра периферийных отверстий, м:

функция Бесселя нулевого порядка;

- фугащкя Бесселя первого порядка;

¡¡'л- собственное число функций Бесссля первого поряд-

Г.р - количество радиальных отверстий в микрофэколь-кой насадке;

Используя уравнения (5) определяем длину зона горения учитывал, что с конце зонЬ горения полнота сгорания составлет 98-998 и по оси юшрофякельного насадка ^ = 0 к<(~ О, кроме того, при больших значениях степени в экспоненте, можно ограничиться первым членом сукг<а ряда.

Прологарифмировав выражение (5).окончательно получим уравнения для определения длины зоны горения микрофакелов:

1 £1

&т,а-,г_____

(б>

где, С , 6"-экспериментальные коэффициенты,которые соответственно ровны 0,04 и 0,75;

СЙГ - относительная концентрация продуктов горения; Как известно,наибольаее N0 в факеле природного газа достигается в зоне,в которой горение исходных углеводородов паверош-лось,а концентрация промежуточных радикалов реакции достигает максимального значения-Это означает, что в основном выход N0 определяется в после пламенной' зоне.

В работах Нельсона, А.В.Талантовэ, Н.В.Лаврова, С.Р.Фе-немора, И.Я.Сигала и других отмечаются, что основным механизмом за фронтом пламени остается механизм Н.в.Глльдовича.

Поэтому принимаем за основу аналитического расчета кше-

тическое уравнение Я.Б.Зельдовича.

При шкрофзкельном ся!гащщ газа в факелаих горелках определяющими факторами являвтсн время пребывашш (гродуктов сгорания в зоне высоких температур и элективная тем-

пература в зоне горения ("fj^l.

В исследованиях И.Я.Сигала, В.Р.Кузнецова, Б.Я.Бурико и других авторов получено различные экспериментальные значения температуры факела определяющая выход Шх, немного отличающиеся друг от друга, и сделаны различные подхода для ее определения, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки.Отсутствие единого подхода в определении Гэф скорее всего связано со сложными физико-химическими процессами протеканишн в коне реакции.Поатому учитывать все факторы,которые косвенно или прямо влияют при определении Тэф, составляет оиределеннне труднос-ти.Однако все полученние значения Тэф лежат в интервала от IV10 К до 2100 К в зависимости от концентрации окислителя в зоне горения, и потери тепла составляют примерно 7 г 23 % от адиабатической температуры. В данной работе предлагается выражение для определения эффективной температуры в виде:

т** 6WTs (7)

где, коэффициент, учитывающий потери тепла в окрука вдую среду;

адиабатическая температура горения топлива.

Как известно, сокращение времени пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур значительно сникает концентрацию окислов азота.

Чтобы правильно оценить при МФО .следует проанализировать его составляющее;

- время смешения топлива и воздуха;

- время химической реакции горения ДЦ;

- время образования КО (Çy

Для уменьшим ten в зоне горения применяют различные способы сжигания и конструкции факельных горелок.В исследуемой горелке для сокращения ¿^предпринято предварительное частичное смешение окрукащего воздуха с газом за счет эжекции, создаваемой последншл.Кроме того, на выходе газовоздушная смесь равномерно выпускается из мгасрофзкглшой насадки .Такие мери значительно сокращаетзоне горения.

Времена и ^зависят от температурного уровня в зоне реакции.В зоне горения при шкрофзкелыюм скигании гомогенной смеси неравномерность температурного поля мала, поэтому с достаточным приближением можно считать,что химические реакции протекают при постоянной температуре для соответствующего^)» .

EcjBi по принятому условию работы миирофакельной горелки не будем пренебрегать значениями кЦ&ч, то Z/JQ .

Время горения горючей смеси при МИ в значительной степени зависит от геометрических и режимных параметров, что, естествешо должно учитыватся в методике расчета выхода окислов азота.

Время пребывания представим в виде: г,- _ Кг

Vr„ (8)

где, V-j. объем зоны горения, •.<!

Vr- объемный расход газа, м*/с.

Выражения (8) будем преобразовывать применительно к исследуемой МФГ, тогда объем зоны горения^ можно определить как объел цилиндра от устья горелки до конца зоны горения:

^ (9)

где,а - радиус отверстии насадки, м; % - шаг между отверстиями, м; длина зоны горения, м:

Объемный расход газа можно определить по шрокошш:

г ■'а ' '' г 4 4-(!

-1 ■!- 15,

(10)

где,^ - площадь живого сечошм МФК, м;

- пгя<"г ветшш, при некоторых гнэчегатях которых работа шшекционного смесителя будет наиболее »Тфектпгной. т.е. горелка обеспечить нужные показатели при мшптгалыюп давлении газа, я оптимальные их значения по В.П.Нихееву определяются соответственно по выражениям:

\

"^т® Г.. (П)

11 ,5? " .и...-. — Ь* 4 • «ГАЛ-Г ----

"опт* г? -,т О.г, 1\

V-- -ц /

, •[',, '.(^ - коэффициенты, учитывающие снимете скорости при истечении, в камере смешения и в диффузоре.Средние значения опытных коэффициентов скорсти по В.П.Михееву следующие: = 0.95,^ = 0.975,1^= 0.90.

(>]•'- скорость газа на входе в факельную горелку, м/с; 1.С - массовый коэффициент инжекции, который определяется при удельном весе воздуха (в нормальных условиях) равном 1.29 кг/м!

ин.гч аз)

С» Г

ГД8,Сг УЯелъшЯ вес газа (в нормальных условиях), кглд теоретическое необходимое количество воздуха, о1г~ коэффициент избытка воздуха в зоне горения, Для расчета концентрации окислов азота с учетом вышеизло- '

ценного предлагается следующее выражение:

. , »1

Г 1.04 Ю

Г Л

^Wr-OMuf

o.s

где - концентрация окислов азота, млн!;

cs, - коэф$ициент,зависящий от углеродного числа угле-

.1 «сродов газового топлива, м5/ кдж;

лР ■ а

- низшая теплота сгорания топлива,кдж/м ;

- эффективная средняя температура в зоне горения,

h' (avvty1

V = —¡¿г; 1 ~ коэффициент учитывающий геометрические

-л^ы-лорнстики МФК;

К - количество отверстии в МФН;

11 и

км = '[-¿ц.р, - коэффициент, учитывающий эффективность работы камеры смешения;.

длина зоны горения микрофайлов ,м; ~ экспериментально установленный коэффициент, учитывающий условия смешения в зоне горения.

Для расчета необходимо знать объем зоны горения микрофакелов.Как показано выше, эта величина зависит от геометрических размеров микрофакельной насадки и количества отверстий в ней. Результаты расчетов по предложенной оценке и сопоставление их с экспериментальными данными показаны на рис.I.Расхождение данных не превышают 10 % во всем диапазоне исследованных геометрических параметров MSH, что позволяет рекомендовать полученный оцеочннй расчет для использования.

■ Кроме того, для этого расчета составлена программа расчета на ЭВМ типа IBM на языко Турбо Паскаль и работа ее заключается в том, что при заданных режимных и геометрических параметрах ШТ определяется длина зоны горения,соответственно и расчитывается концентрация окислов азота в продуктах сгорания.Расчет осуществляется до тех пор, пока концентрация окислов озота не Судет равна или меньше минимальной концентрации Шх, т.е. выполняется задача оптимизации геометрических параметров

МЭД, которые в последующем используются в расчете конкретной конструкции факельной горелгот и оценке рассеивания окислов азота в приземном слое.

Таким образом, латюя расчетная оценка МОх с учетом формирования микрофакелов на выходе из МФГ позволяет еде на стадии проектирования провести оптимальную геометрия факельной горелки и пе. только с точки зрения устойчивого горения при различных режимных параметрах ПНР,но и обеспечения поннтатшх выбросов КОх, и, соответственно, определения максимальной концентрации окислов азота в приземном слое.

Вкиероссмотрентме расчета длины зоны горения и выхода концентрации окислов азота позволили разработать методику расчета геометрических размеров разработанной мтсрофзкелыгой горелки да-.текцношюго ттто.

Исследованию рабочего процесса и определении геометрических параметров инфекционной газовой горелки посвящено работы II.II.Доброхотова, Б.Р.Именитова, А.В.Арсеева, А.А.Ионика, В.А.Спейшера.В.П.Нихеева, О.Г.Ропшского, В.Л.Гусовского, А.Е.Ершова и июги других.

Болышглство исследовзний было направлено на разработку методики расчета горелок - установление связи мекду геометрией ннжекшюннсго смесителя и коэффициентом инкекции,обеспечиваемым горелкой .Исходным положением для расчета работы ШТ в них использованы теория свбодных струй или теорема импульсов Эйлера.

В работе В.П.Михеева отмечается,что специфические особенности рабОШ ПНГСеКЦИОШШХ ГОреЛОК ДЛЯ ПрирОДННХ и попутных газов позволяют упростить ряд зависимостей,устанавливаемых общей теорией струйных аппаратов,и дать достаточно надежные методе расчета процесса с учетом всех рекимных факторов.В камерах всасывания и смешения диффузоре и головке давление весьма мало отличается от атмосферного,поэтому его мояно принимать равным барометрическому,а расчеты процессов в этих элементах горелки вести по формулам гидравлики без учета расширения или сжатия воздуха и смеси.

В данной работе в основу расчета ГОТ положено классическое уртттю Эйлера, и площади сечений и диаметры проточной

части осесимметричных горелок определяются по скоростям и часо-

вым объемам воздуха или смеси в рабочих условиях,вычисленных при расчете процесса.

Необходимо отметить, что расчетные формулы определяющие геометрические параметры конфузорной части, инфекционного смесителя и длину диффузора заимствованы у В.П.Михеева и Ю.П.Мед-никова.

Геометрические размеры выходной микрофакельной насадки, которые определяют основные размеры диффузора, находятся при определений длину зоны горения и при расчете концентрации окислов азота.

Использования данной методики расчета позволяет заранее выбрать оптимальные геометрические размеры, обеспечивающие полноту сгорания,устойчивое горение факелов и снижения окислов азота в продуктах сгорания при переменных расходах и составах 11НГ, в стадии конструирования и проектирования новых типов горелок ишсекционного типа для факельных установок нефтяных местороадений.

Для оценки рассеивания окислов азота в приземном слое, внесено коррективы существующей методике расчета рассеивания вредных веществ в атмосфере, выбрасываемые различными предприятиями с учетом особенности газовых факелов нефтепромыслов.

Максимальное значение приземной концентрации вреднего вещества 0М (мг/м) при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника с круглым устьем достигается при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии Хн(м) от источника и определяется по формуле:

(14)

В отличие от дымовой трубы, где выбрасываемые продукты сгорания имеют постоянную температуру, в факеланых установках сама выходящая в атмосферу среда является источником тепла,

т.е. над устьем факельной: трубы происходит процесс горения газа. •

Поэтому в формулу (14) введем некоторые изменения. В первую очередь это относится к определению разности температур АТ .которая определяется разностью между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Тс и температурой окруясащего атмосферного воздуха Но по длине факела температура да постоянна и существенно меняется, поэтому необходимо ввести среднуп температуру факела в выражения (14).

Немало вашую роль играет и определение значении . массового выброса ЭД. .В некоторых работах Нопределеяется через экспериментально установленные коэффициенты, которые не учитывают различные способы сжигания топлива, конструктивные особенности факельных горелок, параметров горючей смеси и т.д.

В связи с этим для определения Я предлагается следугздая

формула:

1<Чг (15)

где С,,- концентрация 1-го вещества в продуктах сгорания газового факела, г/и3;

объемный расход продуктов сгорания на выходе из факельной установки, м'/с;

Вычисление (А может отличаться от выражения (15),но не. должно определяться'только экспериментально установленными коэффициентами.

Для конкретной конструкции исследуемой МФГ инфекционного типа массовый выброс вредного вещества определяется с учетом того,что выделения продуктов неполного сгорания при кикрофа-кельном сжигании почти отсутствуют и осуществляется скитание попутного нефтянного газа не содержащего сероводород,можно определить по формуле :

где {^концентрация окислов азота в продуктах сгоршшя газовых факелов, г/м3.

Важным моментом для газовых факелов нефтепромыслов является определение эффективной высоты факельной трубы Н»^.В реальных условиях кроме геометрической высоты факельной трубы необходимо учитывать гидродинамический и тепловой подъем продуктов сгорания над устьем факельной трубы,существенно влияющий на рассеивания и концентрацию токсичных веществ приземном слое. При эксплуатации факельных установок поддействием обдуваемой поперечным потоком воздуха, траектория продуктов сгорания газовых факелов сильно меняется, и тепловой подъем по сравнению с гидродинамическим подъемом незначительно.

Закономерности распространения воздушной струи в сносящем поперечном потоке рассматривались Ю.В.Ивановом,И.Б.Палатни-ком.Д.Н.Темирбаевым и другими авторами. Тогда

НэоГ Ч.Т.

где.Лу гидродинамический подъем, м ;

{(ф^ геометрическая высота факельной трубы, м. Величину übe можно определить по формуле Ю.В.Иванова:

где, - коэффициент , зависящий от относительного шага между струями;

К^- коэффициент, зависящий от угла ыевду направлением газовой струи и направлением потока воздуха; - плотность газа, кг/м! ^- плотность воздуха , кг/мг В третьей главе дается описание экспериментальной уста-

Невки i! конструкции исследуемой модели факельной горелки,в токзкэ огшсатш методики проведения экспериментов.В этой же главе проведена оценка погрешностей экспериментальных данных.

Для проведения исследовагаш модели факельной горелки с микрофакелышми устройствами создана экспериментальная установка, включающая в себя: газотопшвную систему ¡контрольные приборы по газовому тракту; модель микрофакельной горелки; измерительные приборы на выходе из модели микрофакельной горе леи; систему отбора проб на анализ продуктов сгорания.

В качестве микрофакельшх устройств использовались круглые насадки с диаметром 56 км, толщиной 5 мм и с различными диаметрами отверстии (3,5,7). Количество отверстии на ШИ было семь.

В качестве горелки использована модель шжендаонпой горелки. Во время исследования в качестве топливо использовался пропан. Параметры потока измерялись на входе п на выходе из модели горелки. Полнота сгорания топлива определялась по результатам газового анализа приборами ОРСА и Тазохром',-ЗГ01.

Температура микрофакелов определялась методом двух термопар. Использовались платинородиевые (пр-ЗО/6) термопари с диаметрами спая 0,3 мм и 0,5 мм.

При проведении исследования измерение термоЭДС, развиваемые термопарами, производились на приборе комбинированный цифровой Щ4316.

Продукты сгорания отбирались водоохлавдаемыш зондами.

Во всех режимах пробы газов отбирались на оси практически с одинакового расстояния от светящейся области по потоку где,полнота сгорания смеси близка к единице. Определение суммарного содержание Юх в уходящих газах осуществлялось колориметрическим методом.

Проведенный анализ погрешностей измерения параметров при определении характеристик модели М$Г позволяет сделать вывод о том, что используемая контрольно-измерительная аппаратура обес-печивеют получение экспериментальных данных с удовлетворительной точность».

Четвертая глава содержит результаты экспериментальных ис-

следований:

- влияние шага мезду мшфофанелами на полноту сгорания газового топлива;

- образование окислов азота при различных шагах мезду соплами насадки исследуемой модели горелки.

Кроме того в этой же главе сопоставлены экспериментальные и расчетные данные исследованной микрофакельной горелки.

Исследования проводились при различных расходах газа 1Гг= 2,67 * 4,62-10 м/с.

На рис.2 представлены результата исследования влияния геометрических размеров, в частности относительного шага 1/& МФН на полноту сгорание топлива. Как видно с увеличением расхода газа концентрация продуктов неполного горения увеличиваются.

Полнота горения топлива для различных МФН при одинаковых расходах газовоздушной.смеси существенно не отличается, и ее значение во всем исследованном диапазоне лежит в интервале П = 0,975 ■}■ 0,995.

Изменение расстояние между отверстиями оказывает существенное влияние на формирования микрофакелов.При плотной компоновке отверстии Ц = 10 мм) факела сливаются, а для МФН с г = 15 мм горение факелов осуществляется раздельно, хотя расход газа обоих случаях остается постоянным. Увеличение шага' между отверстиями обеспечивает увеличение поверхности контакта факелов с окислителем, что сопровождается не только с высокой полнотой сгорания,-но и значительными тепловыми напряжениями об'ена зоны горения.

Исследования выхода Щ,в ЫФГ с микрофакельной насадкой проведены в продуктах горения частично перемешанной газовоздушной (пропан) смеси при атмосферном давлении в ламинарных пламенах, чтобы более четко проследить влияние Геометрических размеров Ш1 на образование НО*.

На рис. I. представлены результаты исследования выхода НОх при постоянном расходе <т£= 2.67-10 м/с) и при различных значениях относительного шага Х/в. Ш{. Полученные результаты выхода НОх не превышает 40 млн при коэффициенте = 1.23.

На рис.3 представлен виход окислов азота в связи с

изменением количества газа,подаваемого в горожу.С увеличением количества горючей смеси концентрация окислов азота линейно возрастает и для МФН с <3С= 5 мм к 1, = 10 мм изменяется в интервале 14,7+33,81 млн! При исследовании микрофакельных насадок с диаметрами отверстий <1^= 5 и 7 мм и t = 15 мм эмиссия И0.г для этих насадок лекит на одном уровне ( №31 мл!?).

Сопоставления теоретических данных, с экспериментальными результатами(рис.1), почти полностью согласуются (отклонение составляет 10Ж)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1.Нэ основе анализа патентных фондов СНГ и зарубежных стран, а также исследовании гю мтарофзкельному сжиганию топлива в различии тогшязосжигэиагх усторЯствах,обоснована возможность сшшзшш выброса окислов азота к продуктов неполного сгорания при использовании микрофэкелыгого скитания в факельных горелках.

2.Разработана,реализована в конструкции и исследована новая микрофакельная горелка инжекционного типа,для сжигания попутных нефтяных газов (новизна подтверждена положительным решением ВНИИГПЭ на выдачу патента).

3.Полученные экспериментальные данные подтверждают эффективность предложенного способа снижения окислов азотв и неполноту сгорания = 0,975 0,995) .Установлена зависимость неполноты.сгорания топлива и выхода окислов азота от геометрических размеров микрофакельной насадки факельной горелки.

4.Предложен оценочный расчет выхода окислов азота для микрофакельной горелки с учетом геометрических и режимных параметров ,а также разработана методика расчета конструкции факельной горелки с микрофакельным устройством.

5.Методика расчета рассеивания концентрации в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выросах предприятий, скорректирована применительно к газовым факелам нефтяных промыслов.

6.Экспериментально показано влияние на формирование микрофайлов шага между отверстиями насадки.

7.Составлена программа расчета на ЗБМ типа IBM, включающая в себя оптимэзацию конструкций микрофакельной горелки,не только с точки зрения снижение окислов азота, обеспечение устойчивого горения и высокую полноту сгорания, но и определение максимальной приземной концентрации токсичных компонентов.

8.Провидено испытание промышленного образца разработанной микрофызльной горелки в услоькях месторождении "Б'отахэн" НГДУ "Доссорнефть" ПО "Эмбанефть".Результаты испытания показал! работоспособность МФГ,которая обеспечивши снижения NOk 40-50%,(JO до 60» и устойчивое гордо» факела яре скоростях ветра от 1 до 7 м/с.

9.Полученные результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований мнкрофь-келыюй горелки внедрены на месторождении "Вотахан" ПО "ЭмОшефть" и с Казахском отделении Всемирной лаборатории "Экология биосфера".

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах,

1. Алияров Ь.К., Д'>стияр»ь A.M., Женбурыин Е.'Г. К вопросу рассеивания продуктов сгорадмя газовых факелов // Проектирования, техника и технология строительства -автомобильных дорог,- В сб.трудов. - Шн-Avb.: У1АЛИ.- Шв.- с.64-67.

2. Достияроь A.M., Каи<5урвкн ЕЛ., Джагснпбеков М.С.'Мш-« рофакельш/Я пришит сжнгенян к тошшосягигегяшх устройствах // Вторая научно-техническая кон^оренния " Проблема! совершенствования и моделирования дорожной техники .и технологических процессов строительства автомобильных дорог и автотранспорта ". Тезисы докл.- Алма-Ата.: ААДИ.- ГЛй.- c.93-S6.

3. Алияров Б.К., Досткяров A.M., Жэнбуршин Е.Т. Анализ конструкции факельных горелок / Библиографический указатель

" Депонированные научные рглч'и аллэ-Л'П, tun Л.

4. Достияров A.M., Яанбуршин Е.'Г. Использование микрофз-кельного сжигания в теплогенераторах // М-пчияли нвутоо-практи-

ческой конференции молодых ученых и специалистов СНГ.- Алма-Ата. :КазСХ1Л.- 1992. С.32-33.

5. Достияров A.M., Бейсембин М.А., Ианбуршш Е.Т. К расчету микрофэкельной горелки для гэзогнх факелов // Вторая Республиканская научно-техническая коиЧ'ер'ниия " Научно-технический прогресс и ркология ".Тезисы докл.- Актэу,- 1992,- С.99.

G. Достияров A.M., Жонбуртш F.T., Габ^псов У.А. Микро-фэкельная горелка для сжигяния попутнях нефтяных газов // Вторая Республиканская научно-техническая конференция " Каучно-тех-нический прогресс и экология ".Тезисы.докл.- Актзу.- 1992.- C.I0I.

С:?г

>о

4, 4

c, аоч! »m

■С

-

н.о

г.о

а.о

Рис.1.Зависимость выхода Шх от относительного шага t/da МФН. А - якопешмент: .....— - пястат.

0,99 0,93

0,9*

. ч? 1 1

$ . -и-

1 —-V а-о З-л

г.О-ЦГ 3,0-(о * 4,010м

Рис.2. Зависимость полноты сгоропил от расхода газа. I- t = 10 мм и 2- t = 15 мм при <L= 5 мм, 3- t = 15 мм при d. =

i MM•

С/. '!Í0

30

сö

10

г"-/' 1

// iP/

//

/ 7

/У

// '■i' ■ /

р/ /if

\-и z- л S- +

!,0 3,0 5i0 Vt;lÖA,K-

i

Рис.a. öaDMCüWOCTb обртзовемия окислов аэото от расхода

геза.

I- t = 10 мм и 2- t = 15 мм при (10= 5 мм, 3- t = 15 мм при 7 мм. ■