Актуальность темы
Факельные системы в нефте-газо добыче и переработке относят к разряду вспомогательных производств, но без них невозможна работа основного производства. Главное назначение факельных систем – безопасность, высокая надежность при эксплуатации и экологическая эффективность при сжигании газов. Основная задача факельных установок – природоохранная.
Экологический аспект
Один из аспектов эксплуатации факельных установок - экологический. Сжигание попутного нефтяного газа сопровождается выбросом в атмосферу больших объемов вредных веществ, что влечет за собой ухудшение состояния окружающей среды, уничтожение не возобновляемых природных ресурсов, развитию негативных процессов, отрицательно влияющих на климат и здоровье людей.
Проблемы экологического характера при факельном сжигании отражены в Руководстве ЕМЕП/ЕАОС по инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в последней редакции от 2019 года «Вентилирование и факельное сжигание. ИНЗВ 090203, 090206. Факельное сжигание на нефтеперерабатывающих заводах. Факельное сжигание при нефтегазодобыче»: «Факельные выбросы в результате добычи нефти и газа являются очень серьезными источниками выбросов для стран, производящих нефть и газ. Выделяемые загрязняющие вещества - NOx и неметановые летучие органические соединения (НМЛОС), но также может происходить выброс SOx, CO, тяжелых металлов (ТМ), твердых частиц (ТЧ) и черного углерода».
Основные методы и способы организации сжигания углеводородных сбросов с минимизацией выбросов загрязняющих веществ.
Горением называется сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, характеризующийся само ускоряющимися преобразованиями и сопровождающийся выделением большого количества тепла, света и дыма.
Для возникновения процесса горения необходимо наличие: горючего вещества, окислителя и достаточного по мощности источника зажигания.
Горючим называется вещество (газ, пар, материал, смесь, конструкция), способное самостоятельно гореть после удаления источника зажигания.
В качестве окислителя при факельном сжигании привлекается атмосферный воздух.
Источник зажигания – горячее или раскаленное тело, а также электрический разряд, обладающие запасом энергии и температурой, достаточной для возникновения горения других веществ (пламя, искры, раскаленные предметы, выделяемая при трении теплота и др.).
При горении часто можно наблюдать пламя – видимую зону горения, от которой идет свечение и излучение теплоты, и дым, который представляет собой аэрозоль, образуемую жидкими и твердыми продуктами неполного сгорания веществ.
Пиролиз природных газов, содержащих некоторое количество тяжелых фракций, начинается уже при температурах 300-4000С и протекает по сложной цепной схеме преобразований. Выделяющие в результате пиролиза атомы углерода имеют четыре свободные связи, отдельно не существуют и в зонах недостатка кислорода соединяются между собой, образуя твердые кристаллы графита – мельчайшие частицы сажи размером 0,3-0,4 мкм.
Между тем при хорошем смесеобразовании, когда все молекулы горючего вступают в контакт с необходимым для полного горения количеством молекул окислителя, образуется сравнительно небольшое количество углеродных частиц, которые, попадая в зону с достаточным содержанием кислорода, быстро сгорают.
Материальный баланс процесса горения устанавливает математическую связь между веществами, вступившими в реакцию (топливо (сбрасываемый газ) и окислитель), и конечными продуктами (продукты сгорания).
Горючие составляющие сбрасываемого газа вступают в химическую реакцию с кислородом в определенном количественном соотношении.
Расход кислорода и количество образующихся продуктов сгорания определяются из стехиометрических соотношений реакций горения. Суммируя затраты кислорода на сжигание горючих составляющих на 1 кг сбрасываемого газа и учитывая кислород, содержащийся в газе, получают теоретически необходимое количество кислорода для сжигания 1 кг (1 м3) сбрасываемого газа.
Для полного смешения вступающих в процесс горения больших масс топлива и воздуха, воздуха для горения необходимо подать больше его теоретически необходимого количества.
В зависимости от способа подачи воздуха, необходимого для горения, возможны следующие виды сжигания сбросных газов:
- диффузионный;
- кинетический;
- диффузионно-кинетический (смешанный).
В наших разработках при конструировании оголовка применяется диффузно-кинетический метод сжигания газа.
При разработке факельных оголовков с условном диаметром от 50 до 500 мм применяется метод разделения потоков сбросного газа с созданием больших поверхностей и увеличением давления газа на выходе из сопла, что позволяет добиться практически полного термического окисления «коптящих» газов.
Конструкция оголовков условным диаметром от 500 до 1600 мм создает условия для предварительного смешения газа только с частью воздуха, подаваемого по воздушному каналу из воздуходувки (первичный воздух), а остальной воздух поступает из окружающей среды непосредственно к факелу. В этом случае сначала выгорает во фронте кинетического горения лишь часть газа, смешанная с первичным воздухом, а оставшаяся часть газа, разбавленная продуктами сгорания, выгорает после присоединения кислорода вторичного воздуха во фронте диффузионного горения.
При невозможности применения по техническим условиям Заказчика воздуходувок применяется иной способ обеспечения бездымного сжигания с формированием расположения потоков сбросного газа и атмосферного воздуха - мультигорелочный факельный оголовок (несколько горелочных устройств (сопел)), что позволяет использовать энергию сбросного газа для инжекции дополнительного воздуха.
Преимущество ФУ нашего производства
Предприятия нефте и газохимии РФ эксплуатируют более 800 старых, уже не эффективных и не отвечающим современным требованиям по экологической безопасности в современных условиях факельных систем различной мощности. Перевооружение факельного хозяйства и разработка новых технологических решений при проектировании и эксплуатации факельных установок – основная и приоритетная задача специалистов нашего предприятия. В результате развития нашего предприятия и получения практического опыта, с использованием в том числе и приемов математического моделирования, натурных испытаний и должного контроля производства со стороны технологической и конструкторской групп позволило создать, внедрить и повысить энергетическую эффективность факельных систем различной направленности.
Уникальные факельные оголовки собственной разработки, новые эффективные дежурные горелки, новые надежные системы розжига и контроля пламени позволили снизить степень воздействия на атмосферный воздух, добиться практически полного уничтожения выбросов вредных органических соединений.