Газовый факел , также известный как факельная труба , факельная стрела , наземный факел или факельная яма , представляет собой устройство для сжигания газа , используемое в таких местах, как нефтеперерабатывающие заводы , химические заводы и заводы по переработке природного газа , места добычи нефти или газа, имеющие нефтяные скважины. , газовые скважины , морские нефтяные и газовые вышки и свалки .
На промышленных предприятиях факельные трубы в основном используются для сжигания горючих газов, выделяющихся предохранительными клапанами при незапланированном повышении давления на заводском оборудовании. [1] [2] [3] [4] [5] Во время или частичных запусков и остановок установок они также часто используются для планового сжигания газов в течение относительно коротких периодов времени.
На объектах добычи нефти и газа газовые факелы также используются для различных целей запуска, технического обслуживания, испытаний, обеспечения безопасности и чрезвычайных ситуаций. [6] В практике, известной как производственное факельное сжигание , они также могут использоваться для утилизации больших количеств нежелательного попутного нефтяного газа , возможно, на протяжении всего срока службы нефтяной скважины. [7]
Когда оборудование промышленного предприятия находится под избыточным давлением, предохранительный клапан является важным предохранительным устройством, которое автоматически выпускает газы, а иногда и жидкости. Наличие предохранительных клапанов требуется в соответствии с нормами и стандартами промышленного дизайна, а также законодательством.
Выбросы газов и жидкостей направляются через крупные системы трубопроводов , называемые факельными коллекторами , на вертикальный надземный факел. Выделившиеся газы сжигаются при выходе из факельных труб. Размер и яркость образующегося пламени зависит от скорости потока горючего материала в джоулях в час (или БТЕ в час). [4]
Большинство факелов промышленных предприятий имеют парожидкостный сепаратор (также известный как сепаратор) перед факелом для удаления больших количеств жидкости, которая может сопровождать сбрасываемые газы.
Очень часто в пламя впрыскивают пар , чтобы уменьшить образование черного дыма. При добавлении слишком большого количества пара может возникнуть состояние, известное как «перепаривание», приводящее к снижению эффективности сгорания и увеличению выбросов. [8] Для поддержания работоспособности факельной системы постоянно сжигается небольшое количество газа, как сигнальная лампа , так что система всегда готова к выполнению своей основной задачи в качестве системы безопасности при избыточном давлении.
На соседней блок-схеме показаны типичные компоненты всей системы промышленной факельной трубы: [1] [2] [3]
На схеме показан наконечник развальцовки трубы. Наконечник факела может иметь несколько конфигураций:
Высота факельной трубы или радиус действия факельной стрелы определяется тепловым излучением , которое допустимо или допустимо для оборудования или персонала, подвергающегося воздействию. [11] Для непрерывного облучения персонала, носящего соответствующую промышленную одежду, рекомендуется максимальный уровень излучения 1,58 кВт/м 2 (500 БТЕ/час.фут²). Допускаются более высокие уровни радиации, но при сокращении времени воздействия:
Наземные факелы предназначены для скрытия пламени от глаз и снижения теплового излучения и шума. [10] Они представляют собой стальную коробку или цилиндр, футерованный огнеупорным материалом. Они открыты сверху и имеют отверстия вокруг основания для доступа воздуха для горения. Они могут иметь множество факельных наконечников, обеспечивающих возможность регулирования яркости и распределения пламени по поперечному сечению факела. Они обычно используются на суше в экологически чувствительных районах, а также на море на плавучих установках для хранения и разгрузки продукции (FPSO). [10]
Когда сырая нефть добывается и добывается из нефтяных скважин , сырой природный газ , связанный с нефтью, также выводится на поверхность. Огромные количества такого попутного газа обычно сжигаются на факелах как отходы или непригодный для использования газ , особенно в регионах мира , где отсутствуют трубопроводы и другая газотранспортная инфраструктура . Сжигание попутного газа может происходить наверху вертикальной факельной трубы или на приземном факеле в земляном котловане (как на соседней фотографии). Предпочтительно попутный газ повторно закачивают в пласт, что сохраняет его для использования в будущем, сохраняя при этом более высокое давление в скважине и продуктивность сырой нефти. [12]
Достижения в области спутникового мониторинга, а также добровольная отчетность показали, что около 150 × 10 9 кубических метров (5,3 × 10 12 кубических футов) попутного газа сжигается по всему миру каждый год, по крайней мере, с середины 1990-х годов до 2020 года. [13] В 2011 году это было эквивалентно примерно 25 процентам годового потребления природного газа в США или примерно 30 процентам годового потребления газа в Европейском Союзе . [7] На рынке это количество газа — при номинальной стоимости 5,62 доллара за 1000 кубических футов — будет стоить 29,8 миллиарда долларов США. [14] Кроме того, отходы являются значительным источником выбросов углекислого газа (CO 2 ) и других парниковых газов .
Важным источником антропогенного метана является обработка и хранение органических отходов , включая сточные воды , отходы животноводства и свалки. [15] Газовые факелы используются в любом процессе, который приводит к производству и сбору биогаза . В результате газовые факелы являются стандартным компонентом установки для контроля производства биогаза. [16] Они устанавливаются на свалках , станциях очистки сточных вод и установках анаэробного сбраживания , которые используют органические отходы сельскохозяйственного или отечественного производства для производства метана для использования в качестве топлива или для отопления.
Газовые факелы в системах сбора биогаза используются, если объемы добычи газа недостаточны для использования в каком-либо промышленном процессе. Однако на заводе, где производительность газа достаточна для прямого использования в промышленном процессе, который можно классифицировать как часть экономики замкнутого цикла и который может включать выработку электроэнергии , производство биогаза качества природного газа для автомобильного топлива [ 17] или для отопления зданий, сушки топлива из отходов или очистки фильтрата газовые факелы используются в качестве резервной системы во время простоев для технического обслуживания или поломки генерирующего оборудования. В этом последнем случае производство биогаза обычно не может быть прервано, и для поддержания внутреннего давления биологического процесса используется газовый факел. [18]
Для контроля биогаза используются два типа газовых факелов: открытые и закрытые. Открытые факелы горят при более низкой температуре, менее 1000 °C, и, как правило, дешевле, чем закрытые факелы, которые горят при более высокой температуре горения и обычно поставляются с учетом определенного времени пребывания в дымовой трубе 0,3 секунды, чтобы гарантировать полное разрушение факела. токсичные элементы, содержащиеся в биогазе. [ нужна ссылка ] Спецификация факела обычно требует, чтобы закрытые факелы работали при температуре >1000 °C и <1200 °C; это необходимо для того, чтобы обеспечить эффективность уничтожения на 98% и избежать образования NOx . [19]
Природный газ, который не сгорает на факеле, выбрасывается в атмосферу в виде метана. Предполагаемый потенциал глобального потепления метана в 28-36 раз превышает потенциал CO 2 в течение столетия и в 84-87 раз выше в течение двух десятилетий. [20] Таким образом, поскольку газовые факелы преобразуют метан в CO 2 перед его выбросом в атмосферу, они уменьшают масштабы глобального потепления, которое в противном случае могло бы произойти. [21]
В 2017 году выбросы от сжигания на факелах составили 270 Мт ( мегатонн ) CO 2 , и сокращение выбросов от сжигания на факелах считается важным компонентом сдерживания глобального потепления. [22] Все большее число правительств и предприятий берут на себя обязательство прекратить или сократить сжигание на факелах. [22] Глобальное обязательство по метану, подписанное на COP26 , в котором 111 стран обязались сократить выбросы метана как минимум на 30 процентов по сравнению с уровнями 2020 года к 2030 году, также играет роль в повышении глобального внимания к метану.
Дополнительные вредные пары, выделяющиеся при сжигании на факелах, могут включать ароматические углеводороды ( бензол , толуол , ксилолы ) и бензо(а)пирен , которые, как известно, являются канцерогенными. Исследование 2013 года показало, что на газовые факелы приходится более 40% черного углерода , выпадающего в Арктике. [23] [24]
Сжигание факела может нанести вред дикой природе, привлекая к пламени птиц и насекомых. Около 7500 мигрирующих певчих птиц были привлечены и убиты факелом на терминале сжиженного природного газа в Сент-Джоне, Нью-Брансуик, Канада, 13 сентября 2013 года . [25] Подобные инциденты произошли на факелах на морских нефтегазовых установках. [26] Известно, что мотыльков привлекает свет. В брошюре, опубликованной Секретариатом Конвенции о биологическом разнообразии и описывающей Глобальную таксономическую инициативу, описывается ситуация, когда «систематик, работающий в тропическом лесу, заметил, что газовая вспышка на нефтеперерабатывающем заводе привлекала и убивала сотни таких [ястребов или сфинксов] В течение месяцев и лет работы нефтеперерабатывающего завода, должно быть, погибло огромное количество бабочек, что позволяет предположить, что растения не могут быть опылены на большой площади леса». [27]
Факелы выделяют несколько различных химикатов, в том числе: бензол , твердые частицы , оксиды азота , тяжелые металлы , черный углерод и окись углерода . Некоторые из этих загрязнителей коррелируют с преждевременными родами и снижением веса новорожденных . Согласно одному исследованию, проведенному в 2020 году, у беременных женщин, живущих вблизи сжигаемых газовых и нефтяных скважин, уровень преждевременных родов на 50% выше. [28] Факелы могут выделять метан и другие летучие органические соединения , а также диоксид серы и другие соединения серы , которые, как известно, усугубляют астму и другие респираторные заболевания . [29]
Исследование 2021 года показало, что увеличение сжигания природного газа на факелах на 1% увеличивает уровень госпитализаций по причине респираторных заболеваний на 0,73%. [30]
