Газовый факел , также известный как факельная стойка , 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 , на участках добычи нефти или газа, имеющих нефтяные скважины , газовые скважины , морские нефтяные и газовые вышки и свалки .
На промышленных предприятиях факельные трубы в основном используются для сжигания горючего газа, выделяемого предохранительными клапанами при незапланированном повышении давления в оборудовании предприятия. [1] [2] [3] [4] [5] Во время пусков и остановок предприятия или его частей 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, обслуживания, испытаний, обеспечения безопасности и аварийных ситуаций. [6] В практике, известной как сжигание в факелах , они также могут использоваться для утилизации больших объемов нежелательного попутного нефтяного газа , возможно, в течение всего срока службы нефтяной скважины. [7]
Когда элементы промышленного оборудования находятся под избыточным давлением, предохранительный клапан давления является важным предохранительным устройством, которое автоматически выпускает газы, а иногда и жидкости. Эти предохранительные клапаны давления требуются промышленными нормами и стандартами проектирования, а также законом.
Выделяющиеся газы и жидкости направляются через большие системы трубопроводов, называемые факельными коллекторами , в вертикальный приподнятый факел. Выделяющиеся газы сжигаются, когда они выходят из факельных стволов. Размер и яркость образующегося пламени зависят от расхода горючего материала в джоулях в час (или БТЕ в час). [4]
На большинстве промышленных предприятий факелы оснащены сепаратором пара и жидкости (также известным как сепаратор), установленным выше по потоку от факела для удаления больших объемов жидкости, которые могут сопровождать отводимые газы.
Пар очень часто впрыскивается в пламя, чтобы уменьшить образование черного дыма. Когда добавляется слишком много пара, может возникнуть состояние, известное как «перепаривание», что приводит к снижению эффективности сгорания и повышению выбросов. [8] Для поддержания работоспособности факельной системы небольшое количество газа непрерывно сжигается, как запальник , так что система всегда готова к своей основной цели как система безопасности избыточного давления.
На соседней схеме потока изображены типичные компоненты общей системы промышленных факельных установок: [1] [2] [3]
На схеме показана трубная раструбная головка. Раструбная головка может иметь несколько конфигураций:
Высота факельной трубы или досягаемость факельной стрелы определяется тепловым излучением , которое допустимо или терпимо для оборудования или персонала, подвергающихся воздействию. [11] Для постоянного воздействия на персонал, одетый в соответствующую промышленную одежду , рекомендуется максимальный уровень излучения 1,58 кВт/м 2 (500 БТЕ/час.фут²). Более высокие уровни излучения допустимы, но для сокращенного времени воздействия:
Наземные факелы предназначены для сокрытия пламени из виду и снижения теплового излучения и шума. [10] Они представляют собой стальной ящик или цилиндр, облицованный огнеупорным материалом. Они открыты сверху и имеют отверстия вокруг основания, чтобы обеспечить поступление воздуха для горения. Они могут иметь ряд из нескольких наконечников факела для обеспечения возможности поворота и распространения пламени по поперечному сечению факела. Они обычно используются на суше в экологически чувствительных районах и использовались в море на плавучих установках для добычи, хранения и отгрузки (FPSO). [10]
Когда сырая нефть добывается и производится из нефтяных скважин , сырой природный газ , связанный с нефтью, также выводится на поверхность. Особенно в регионах мира, где отсутствуют трубопроводы и другая инфраструктура транспортировки газа, огромные объемы такого попутного газа обычно сжигаются в качестве отходов или неиспользуемого газа. Сжигание попутного газа может происходить в верхней части вертикальной факельной трубы или в наземном факеле в земляной яме. Предпочтительно, чтобы попутный газ повторно закачивался в резервуар, что сохраняет его для будущего использования, поддерживая при этом более высокое давление в скважине и производительность сырой нефти. [12]
Достижения в области спутникового мониторинга, а также добровольная отчетность показали, что ежегодно, по крайней мере с середины 1990-х годов до 2020 года, во всем мире сжигалось около 150 × 10 9 кубических метров (5,3 × 10 12 кубических футов) попутного газа . [13] В 2011 году это было эквивалентно примерно 25 процентам годового потребления природного газа в Соединенных Штатах или около 30 процентам годового потребления газа в Европейском союзе . [7] На рынке это количество газа — по номинальной стоимости 5,62 доллара за 1000 кубических футов — стоило бы 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 образованию и сбору биогаза . В результате газовые факелы являются стандартным компонентом установки для контроля производства биогаза. [16] Они устанавливаются на свалках , очистных сооружениях и установках анаэробного сбраживания , которые используют органические отходы сельскохозяйственного или бытового производства для производства метана для использования в качестве топлива или для отопления.
Газовые факелы в системах сбора биогаза используются, если скорость производства газа недостаточна для использования в каком-либо промышленном процессе. Однако на заводе, где скорость производства газа достаточна для прямого использования в промышленном процессе, который можно классифицировать как часть круговой экономики , и который может включать в себя генерацию электроэнергии , производство биогаза природного газа для автомобильного топлива [17] или для отопления зданий, сушку топлива, полученного из отходов, или очистку фильтрата , газовые факелы используются в качестве резервной системы во время простоя для обслуживания или поломки генерирующего оборудования. В этом последнем случае генерация биогаза обычно не может быть прервана, и газовый факел используется для поддержания внутреннего давления на биологический процесс. [18]
Существует два типа газовых факелов, используемых для контроля биогаза, 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 сгорания и обычно поставляются в соответствии с определенным временем пребывания 0,3 с в дымоходе, чтобы гарантировать полное уничтожение токсичных элементов, содержащихся в биогазе. [ необходима цитата ] Спецификация факела обычно требует, чтобы закрытые факелы работали при >1000 °C и <1200 °C; это для того, чтобы обеспечить 98% эффективности уничтожения и избежать образования NOx . [19]
Природный газ, который не сжигается в факеле, выбрасывается в атмосферу в виде метана. Оценочный потенциал глобального потепления метана в 28-36 раз больше, чем у CO2 в течение столетия, и в 84-87 раз больше в течение двух десятилетий. [20] Сжигание природного газа в факеле производит CO2 и многие другие соединения, в зависимости от химического состава природного газа и от того, насколько хорошо природный газ сгорает в факеле. Таким образом, в той степени, в которой газовые факелы преобразуют метан в CO2 до того, как он будет выброшен в атмосферу, они уменьшают величину глобального потепления, которое в противном случае произошло бы. [21] [22]
Выбросы от сжигания газа в факелах привели к выбросам 270 Мт ( мегатонн ) CO2 в 2017 году, и сокращение выбросов от сжигания газа в факелах считается важным компонентом в сдерживании глобального потепления. [23] Все большее число правительств и отраслей промышленности берут на себя обязательство прекратить или сократить сжигание газа в факелах. [23] Глобальное обязательство по метану, подписанное на КС-26 , в котором 111 стран обязались сократить выбросы метана как минимум на 30 процентов от уровня 2020 года к 2030 году, также играет роль в повышении глобального внимания к метану.
Дополнительные вредные пары, выделяемые при сжигании, могут включать ароматические углеводороды ( бензол , толуол , ксилолы ) и бензо(а)пирен , которые, как известно, являются канцерогенами. Исследование 2013 года показало, что газовые факелы внесли более 40% черного углерода , отложенного в Арктике. [24] [25]
Сжигание может повлиять на дикую природу, привлекая птиц и насекомых к пламени. Около 7500 перелетных певчих птиц были привлечены и убиты факелом на терминале сжиженного природного газа в Сент-Джоне, Нью-Брансуик, Канада, 13 сентября 2013 года. [26] Аналогичные инциденты произошли на факелах на морских нефтегазовых установках. [27] Известно, что моль привлекает свет. В брошюре, опубликованной Секретариатом Конвенции о биологическом разнообразии , описывающей Глобальную таксономическую инициативу, описывается ситуация, когда «систематик, работающий в тропическом лесу, заметил, что газовый факел на нефтеперерабатывающем заводе привлекал и убивал сотни этих [бражников или сфинксов] молей. За месяцы и годы работы нефтеперерабатывающего завода должно было погибнуть огромное количество моли, что говорит о том, что растения не могли опыляться на большой площади леса». [28]
Факелы выбрасывают несколько различных химических веществ, включая: бензол , твердые частицы , оксиды азота , тяжелые металлы , черный углерод и оксид углерода . Некоторые из этих загрязняющих веществ коррелируют с преждевременными родами и снижением веса новорожденных при рождении . Согласно одному исследованию, проведенному в 2020 году, беременные женщины, живущие вблизи сжигаемых газовых и нефтяных скважин, как сообщается, столкнулись с 50% более высоким уровнем преждевременных родов. [29] Факелы могут выбрасывать метан и другие летучие органические соединения , а также диоксид серы и другие соединения серы , которые, как известно, усугубляют астму и другие респираторные заболевания . [30]
Исследование, проведенное в 2021 году, показало, что увеличение объемов сжигаемого природного газа на 1% увеличивает частоту госпитализаций по поводу респираторных заболеваний на 0,73% [31] .
