Инвентаризация выбросов в атмосферу загрязняющих веществ при сжигании углеводородных смесей в факельных установках (добыча газа)

Из всего многообразия технологических операций нефте- и газодобычи, сопровождающихся загрязнением атмосферы, рассмотрим только две:

  • а) сжигание некондиционных углеводородных смесей (НУС) в факельных установках;
  • б) хранение нефти в резервуарах.

Для расчетной инвентаризации выбросов загрязняющих веществ при сжигании НУС воспользуемся Методикой расчета параметров выбросов и валовых выбросов вредных веществ от факельных установок сжигания углеводородных смесей[1]. С целью лучшего понимания сути задачи приведем толкование некоторых понятий из Методики:

  • некондиционные углеводородные смеси — непригодные для использования в хозяйственных целях углеводородные конденсаты, газовые и газоконденсатные смеси, образующиеся в процессе добычи, переработки и транспорта природного газа и газоконденсата;
  • горизонтальная факельная установка — открытое устройство (амбар) с горизонтальным подводом НУС под давлением в зону горения, конструкция которого обеспечивает выход горящего факела в атмосферу под углом 45°;
  • высотная факельная установка — техническое устройство для сжигания в атмосфере НУС, транспортируемых под давлением в зону горения по вертикальному факельному стволу высотой 4 м и более;
  • наземная факельная установка — открытая кочегарная яма-амбар круглой или прямоугольной формы, в которой сжигаются НУС. Поверхность горения сжигаемой смеси в яме-амбаре находится ниже уровня земли.

При сжигании НУС в факельных установках образуется газовоздушная смесь продуктов сгорания и несгоревших компонентов сжигаемой углеводородной смеси. Качественная характеристика и количественные параметры этой смеси зависят от состава сжигаемой смеси, типа и параметров самой факельной установки.

Факельные установки спроектированы таким образом, чтобы обеспечить преимущественно бессажевое сгорание смеси углеводородов, поступающей на дежурные горелки горизонтальной, наземной и высотной факельных установок и факельный ствол высотной установки (табл. 4.12).

Опытным путем установлено, что для достижения бессажевого сгорания сбрасываемых НУС на горизонтальных и высотных факельных установках необходимо выполнение условия, заключающегося в том, что скорость истечения сжигаемой смеси Wc должна быть не менее 20% от скорости распространения звука в этой смеси ws. В целях упрощения будем считать в дальнейшем, что данное условие выполнено и бессажевое сгорание НУС обеспечено.

Таблица 4.12

Типичный состав выбросов факельных установок

Месторождение нефти

Факельная

установка

Сжигаемая

смесь

Выбрасываемые

вещества

Бессернистое

Горизонтальная, высотная

Некондиционные газовые и газоконденсатные смеси. Природный газ

Оксид углерода СО Оксиды азота NOv Метан СН4

Сернистое

Оксид углерода СО Оксиды азота NOv Метан СН4 Диоксид серы S02 Сероводород H2S Меркаптаны RSH

Бессернистое

Наземная

Некондиционный

углеводородный

газоконденсат

(НУГ)

Оксид углерода СО Оксиды азота NOv Метан СН4

Сернистое

Оксид углерода СО Оксиды азота NOr Метан СН4 Диоксид серы S02 Сероводород H2S Меркаптаны RSII

Величина массового выброса, г/с, метана, оксида углерода, оксидов азота (в пересчете на диоксид азота) рассчитывается по формуле

где qi удельный выброс г-го загрязняющего вещества, г/г (принимается по табл. 4.13); G — массовый расход углеводородных смесей и природного газа, г/с.

Для горизонтальных и высотных факельных установок параметр G в формуле (4.16) заменяется на Gr, который определяется по (4.17), а для наземных факельных установок — на GK (расчет осуществляется по (4.20) или (4.21)).

Таблица 4.13

Удельные выбросы q загрязняющих веществ от факельных установок

Тип факельной установки

Сжигаемая смесь

Вредное вещество

<7;. г/г

Горизонтальная,

высотная

Некондиционные газовые и газоконденсатные смеси

Оксид углерода СО

0,02

Оксиды азота N0,.

(в пересчете на N02)

0,003

Метан СН4 и другие углеводороды (кроме содержащих серу, в пересчете на СН4)

0,0005

Наземная

Некондиционный углеводородный газоконденсат (НУГ)

Оксид углерода СО

0,25

Оксиды азота NO,.

(в пересчете на N02)

0,002

Метан СН4 и другие углеводороды (кроме содержащих серу, в пересчете на СН4)

0,03

Горизонтальная, высотная, наземная (дежурные горелки и факельный ствол)

Природный газ

Оксид углерода СО

0,02

Оксиды азота NO,

(в пересчете на N02)

0,003

Метан СН4 и другие углеводороды (кроме содержащих серу, в пересчете на СН4)

0,0005

Массовый расход сжигаемой в горизонтальных и высотных установках газовой и газоконденсатной смеси Gr, г/с, рассчитывается по формуле

где В— объемный расход газовых и газоконденсатных смесей, природного газа, м3/с; р, — плотность этих смесей и газа, кг/м3.

Плотность рг и объемный расход Bv газовых и газоконденсатных смесей и природного газа, сжигаемых на горизонтальных и высотных факельных установках, принимают по результатам инструментальных измерений. При отсутствии экспериментальных данных для газовых и газоконденсатных смесей значение объемного расхода Вг может быть оценено по формуле

где wnQ1 скорость истечения газовых и газоконденсатных смесей и природного газа, м/с; d — диаметр выходного сопла, м.

При этом параметр wHCT рассчитывается по формулам (4.19)—(4.24), а диаметр выходного сопла d принимают по проектным данным факельной установки.

Для высотных факельных установок скорость истечения шнст НУС, м/с, можно принимать равной

Скорость истечения газов wHCT из горизонтальных факельных установок можно вычислить по формуле

где а — коэффициент скорости истечения сжигаемой углеводородной смеси, равный 0,5; g — ускорение свободного падения, 9,8 м/с2; к — показатель адиабаты газовой смеси; R — универсальная газовая постоянная, 8,314 кДжДкмоль • К); р — молярная масса газовой смеси, кг/кмоль, определяемая по выражению

где ру — молярная масса /-го компонента, кг/кмоль (принимается по табл. 4.16); [iQ — содержание /-го вещества в смеси, % об. (принимается по табл. 4.15); Т0 температура сжигаемой углеводородной смеси, °С.

Показатель адиабаты к для газовых смесей в первом приближении можно принять равным 1,3.

Таким образом, с учетом значений постоянных величин скорость истечения йуист, м/с, может быть рассчитана по следующим формулам: а) для газовых смесей:

  • 1 Метод расчета скорости звука ?е>зв в сжигаемой газовой смеси дан в формуле (4.34).
  • 6) газоконденсатных смесей:

Для наземных факельных установок, массовый расход НУГ GK, г/с, сжигаемого в кочегарных ямах-амбарах различной формы определяют из выражений:

а) для ям-амбаров круглой формы:

б) прямоугольной формы:

где D — диаметр кочегарной ямы-амбара, м; а, b — длина и ширина ямы- амбара, соответственно, м; wBhir скорость выгорания углеводородного конденсата, г/(м2 • с).

Метод расчета скорости выгорания НУГ wBhir приведен ниже.

Диаметр кочегарной ямы-амбара d или его длина а и ширина b, м, принимаются по проектным данным наземной факельной установки.

Объемный расход Вк углеводородного конденсата, м3/с (наземные факельные установки), сжигаемого в кочегарных ямах-амбарах, рассчитывают по формуле

где GK — массовый расход НУГ, г/с; рк — плотность углеводородного газоконденсата в газовой фазе, кг/м3.

В свою очередь, плотность НУГ в газовой фазе рк, кг/м3:

Температура Тк углеводородного конденсата, °С, аналогично температуре Т0 задается по результатам лабораторных измерений.

Для углеводородных смесей сернистых газовых и газоконденсатных месторождений наряду с массовым выбросом загрязняющих веществ, перечисленных в табл. 4.13, необходимо учитывать выброс серосодержащих веществ: диоксида серы S02, сероводорода H2S и меркаптанов RSH по следующим формулам:

где [H2S|W, [RSH|W и [S]w — содержание сероводорода, меркаптанов и общей серы в сжигаемой углеводородной смеси, соответственно, % масс; G — расход газовой или газоконденсатной смеси, г/с, рассчитывается по формулам (4.17), (4.24) или (4.25); п — полнота сгорания углеводородной смеси и природного газа. Величина этого параметра установлена на основе экспериментальных исследований и составляет:

  • • для газовых и газоконденсатных смесей — 0,9984;
  • • для углеводородных конденсатов — 0,873.

Внимание — переход от объемных единиц 0 (% об.) состава сжигаемой углеводородной смеси и природного газа к массовым единицам т (% масс.) и обратно осуществляется по формулам

Валовый выброс i-го загрязняющего вещества от горизонтальных, высотных и наземных факельных установок MBi, т/год, рассчитывается по обычному соотношению

где t — продолжительность работы факельной установки, ч/год; Мш — массовый выброс i-го вещества, г/с.

Метод оценки скорости звука в сжигаемой смеси. Скорость распространения звука в сжигаемой углеводородной смеси w3B, м/с, может быть оценена по соотношению

Все параметры, входящие в формулу (4.34), известны.

Метод оценки скорости выгорания некондиционного газового конденсата (НУГ). Скорость выгорания ж>выг, кг/м2 • с, может быть вычислена с учетом его состава по соотношению

где ^вып — скорость выгорания г-го компонента газового конденсата.

Основные параметры природного газа и углеводородных смесей, сжигаемых в факельных установках, приведены в табл. 4.14—4.18.

Химический состав (об. %) природных газов некоторых месторождений[2]

Месторождение

СН4

С2Нс

с3н8

с„н10

С5Н12

n2 +

редкие

гч

О

о

Уренгойское

98,5

0,1

Следы[2]

Следы

-

и

0,21

Тазовское

99,0

0,15

0,03

0,005

0,002

0,50

0,37

Заполярное

98,5

0,2

0,05

0,012

Следы

0,70

0,50

Губкинское

98,5

0,12

0,015

Следы

Следы

1,2

0,10

Ныдинское

98,2

0,8

0,003

0,05

0,002

0,62

0,30

Медвежье

98,63

0,35

0,02

0,003

0,04

0,73

0,22

Комсомольское

97,8

0,15

0,004

0,001

-

1,74

0,28

Таблица 4.15

Химический состав (об. %) газов различных газоконденсатных

месторождений

Месторождение

си4

С2Н6

с3н8

с4н10

C5Hl2 +

высшие

СМ

о

и

n2 +

редкие

Вуктыльское

75,7

9,1

3,1

0,7

7,5

0,2

3,8

Березнянское

87,7

4,9

1,9

0,9

1,0

2,5

1,1

Оренбургское

82,2

5,2

1,85

1,0

1,88

2,4

5,5

Шебелинское

93,6

4,0

0,6

0,7

0,4

0,1

0,6

Краснодарское

86,0

6,0

2,0

1,0

1,5

1,5

2,0

Газлинское

94,2

3,0

0,9

0,4

0,4

0,4

0,6

Таблица 4.16

Физико-химические свойства газов

Наименование

газа

Химическая

формула

Молярная масса р, кг/кмоль

Плотность рг, кг/м3, при температуре 20"С

Метан

сн4

16,0

0,667

Этан

сн4

30,1

1,25

Пропан

О

tc

се

44,1

1,83

Бутан

С4Н10

58,1

2,42

Пентан

с3н12

72,2

3,0

Диоксид углерода

со2

44,0

1,83

Азот

N,

28,0

1,16

Состав и физико-химические свойства некондиционного углеводородного газоконденсата

Фракция ГУК

Относительное содержание, % масс.

Молярная масса р, кг/ кмоль

Плотность рк, кг/м3, при температуре 20°С

Скорость выгорания *>выФ г/(м2 с)

Бензиновая

49,3

115

756

46,5

Керосиновая,

дизельная

22,2

193

845

46,5

Остаток

28,5

413

914

34,5

Содержание сернистых соединений в углеводородных газовых и газоконденсатных смесях варьирует в широких пределах. В табл. 4.18 приведены данные по Оренбургскому НПЗ.

Таблица 4.18

Содержание сернистых соединений в некондиционных углеводородных смесях

Компонент

Относительное содержание, % масс.

Общая сера

0,22

Сероводород

0,005

Меркаптаны

1,5

Практические задания

Исходные данные, необходимые для выполнения работы, приведены по вариантам в табл. 4.20.

Отчет о выполнении работы должен содержать:

  • а) исходные данные своего варианта;
  • б) ход вычислений;
  • в) результаты расчетов в форме итоговой таблицы 4.19.

Результаты инвентаризации выбросов в атмосферу загрязняющих веществ при сжигании углеводородных смесей в факельных установках

Таблица 4.19

Наименование ЗВ

Величина выброса

массового, г/с

валового, т/год

Варианты индивидуальных заданий

№ варианта

Сведения о сжигаемой НУС

Сведения

о факельной установке

Тип

Геометрические

параметры

Наименование

Месторождение

Температура,

°С

Продолжительность

работы,

ч/год

диаметр

(ширина),

м

длина,

м

1

Природный

газ

Уренгойское

-5,8

8760

Высотная

0,6

2

Газоконденсатная смесь сернистая

Оренбургское

4,3

6040

Горизонтальная

1,15

3

Некондиционный углеводородный газоконденсат

2,2

1230

11аземная

16

35

4

Газоконденсатная смесь бессернистая

Газлинское

-1,8

6060

Высотная

0,7

5

Природный

газ

Медвежье

-0,9

7100

Горизонтальная

0,44

-

6

Некондиционный углеводородный газоконденсат

3,4

2240

Наземная

44

7

Некондиционный углеводородный газоконденсат

3,0

1440

Наземная

18

29

8

Газоконденсатная смесь сернистая

Вуктыль-

ское

-2,4

5980

Горизонтальная

1,0

9

Природный

газ

Заполярное

-6,8

7230

Высотная

0,77

-

10

Некондиционный углеводородный газоконденсат

3,1

1070

Наземная

35

№ варианта

Сведения о сжигаемой НУС

Сведения

о факельной установке

Тип

Геометрические

параметры

Наименование

Месторождение

Температура,

°С

Продолжительность

работы,

ч/год

диаметр

(ширина),

м

длина,

м

11

Природный

газ

Ныдинское

-1,2

5060

Высотная

0,55

-

12

Газоконденсатная смесь бессернистая

Шебелин-

ское

0,8

3340

Горизонтальная

0,88

13

Некондиционный углеводородный газоконденсат

1,7

980

I {аземная

40

14

Газоконденсатная смесь сернистая

Березнян-

ское

-1,9

6570

Горизонтальная

0,85

15

Природный

газ

Комсомольское

-3,3

7990

Высотная

0,36

-

16

Некондиционный углеводородный газоконденсат

-4,0

2340

Наземная

18

51

17

Газоконденсатная смесь сернистая

Краснодарское

7,2

4400

Горизонтальная

0,95

18

Природный

газ

Губкинское

-2,1

7560

Высотная

0,46

-

19

Некондиционный углеводородный газоконденсат

1,8

1520

Наземная

19

37

20

Природный

газ

Тазовское

-4,5

4330

Высотная

0,74

-

21

Газоконденсатная смесь бессернистая

Газлинское

-U

6080

Горизонтальная

0,75

22

Природный

газ

Уренгойское

-4,6

5540

Высотная

0,38

-

№ варианта

Сведения о сжигаемой НУС

Сведения

о факельной установке

Тип

Геометрические

параметры

Наименование

Месторождение

Температура,

°С

Продолжительность

работы,

ч/год

диаметр

(ширина),

м

длина,

м

23

Некондиционный углеводородный газоконденсат

0,6

2000

Наземная

12

29

24

Природный

газ

Комсомольское

-2,2

6010

Высотная

0,4

-

25

Газоконденсатная смесь сернистая

Березнян-

ское

1,4

7750

Горизонтальная

1,2

  • [1] Методика расчета параметров выбросов и валовых выбросов вредных веществот факельных установок сжигания углеводородных смесей. М.: РАО «Газпром», 1996.
  • [2] Следовое содержание компонента можно приравнять к его отсутствию.
  • [3] Следовое содержание компонента можно приравнять к его отсутствию.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >