БЕЗДЫМНОЕ СЖИГАНИЕ ГАЗА

На нефтяных месторождениях ОАО "Оренбургнефть" из-за отсутствия достаточного количества компрессоров в системе сбора скважинной продукции продолжается сжигание газа на факелах. Неполное сгорание газа на факелах приводит к существенному загрязнению воздуха продуктами горения и ухудшает экологическую обстановку на площадях месторождений.

Для уменьшения загрязнения окружающей среды в результате использования такого несовершенного способа утилизации газа в ОАО "Оренбургнефть" предложен способ бездымного сжигания газа и разработано оборудование для практической реализации способа.

Факельная установка предназначена для сжигания сбрасываемых газов, состав и расход которых нередко колеблется в широких пределах, и должна обеспечивать требуемую полноту сгорания газов, т.е. в продуктах сгорания должны отсутствовать токсичные компоненты (кислоты, альдегиды), а также сажа.

Особенно много сажи выделяется при сжигании "сбросных" газов, содержащих тяжелые и непредельные углеводороды. Чтобы предотвратить образование сажи, необходимо подвести к пламени достаточное количество кислорода. Чаще всего к пламени подводят смесь водяного пара и атмосферного воздуха.

Для обеспечения бездымного сжигания горючих газов необходимый воздух подмешивают к горючему газу у сопла горелки, используя для этого энергию движущейся струи. Для поддержания стабильного горения применяют автоматическую распределительную систему, которая включает в работу определенное число сопел (горелок) в зависимости от расхода сбрасываемого газа. Если скорость сбрасываемого газа будет небольшой, то количество засасываемого воздуха будет недостаточным, что приводит к неполному сгоранию газа.

Турбулентность газового потока можно увеличить, подавая в поток сбрасываемых газов, например, дополнительный газ или водяной пар под повышенным давлением. В этом случае достигается более быстрое смешение газа с подсасываемым воздухом. В табл. 12.5 приведена теоретическая потребность в водяном паре для некоторых углеводородов, содержащихся в попутном газе.

Для устранения дымообразования с помощью внешнего источника энергии используют воздуходувку, подающую необходимое количество воздуха в поток сжигаемого газа. В этом случае воздуходувка должна обеспечивать хорошее перемешивание воздуха с газом при любой скорости подачи последнего в факел. Предусмотрена также автоматическая система перепуска для предотвращения охлаждения пламени избыточным воздухом и образования дыма при снижении расхода газа.

Бездымное сгорание наиболее успешно получается при подаче пара или распыленной воды. Водяной пар вдувают через трубку, введенную концентрически в факельную горелку и заканчивающуюся примерно в 1,5 м под устьем горелки. При этом струя направляется под углом 30 и 45° к вертикали. Следует отметить, что при подаче пара через кольцевой коллектор обеспечивается сравнительно низкая температура корпуса горелки (не выше 300 °С), что увеличивает срок его службы.

В пламени, возникающем при истечении газа в атмосферу, процессы смешения и горения протекают одновременно. Поэтому скорость горения в этих условиях в большей степени определяется скоростью смешения, чем скоростью химической реакции.

При горении выделяются зоны горения, газификации, образования сажи, а также зона, в которой реакции отсутствуют. Зона газификации состоит частично из образовавшихся при сгорании СОг и Н₂О и частично из предварительно образовавшейся смеси горючего, воздуха

Таблица 12.5

Потребность в водяном паре для бездымного сжигания

		Молеку-	Соотношение	Отношение	Геплота	Степень возможного	Потреб-
Газ	Фор-	лярная	масс	вода/угл	сгорания,		ность в
	мула	масса	водорода/уг-певодорода	екислыйгаз	кДж/кг	зования, доли ед.	паре, кг/кг
Метан	СИ,	16	0,333	0,82	50047	0	0
Этан	С2Нб	30	0,250	0,615	47518	0,05	0,32
Пропан	С3Н«	44	0,222	0,545	46388	0,12	0,78
Бутан	С4Н10	58	0,208	0,513	45772	0,15	0,99
Пентан	С5Н12	72	0,200	0,490	45383	0,18	1,15
Гексан	СбНм	86	0,194	0,473	45136	0,20	1,34

и водяного пара. В зоне, следующей за зоной газификации, образуется сажа, что обусловлено внешним воздействием реакционной зоны (зоны горения).

Частицы, образующиеся при неполном сгорании, состоят из углерода, кислорода и водорода. Анализ показал, что они содержат (в % (по массе)) около 96,2 углерода, 0,8 водорода и остальное кислород.

Для ликвидации зоны образования сажи следует увеличить концентрацию окислителя до такого значения, при котором весь углерод переходит в связанное состояние. Важным фактором также является температура в зонах газификации и образования сажи, поскольку с ростом температуры возрастает степень термического разложения углеводородов и увеличивается количество частиц дыма.

Если в дымящийся факел подавать распыленную воду или водяной пар, то количество частиц дыма уменьшается. При добавлении воды или пара температура в зоне горения снижается, что обусловлено разбавлением и перемешиванием газовой смеси, увеличением подсоса воздуха и лучшим его распределением в потоке сжигаемого газа, а также протеканием эндотермической реакции между углеродом и водяным паром. При снижении температуры в зоне горения увеличивается продолжительность протекания реакций окисления и снижается степень термического разложения углеводородов (табл. 12.6).

При подаче пара в дымовых газах сажа не содержится, что обусловлено более равномерным перемешиванием горючих газов с воздухом, а также образованием окиси углерода и водорода из сажи и водяного пара:

С + Н₂О -» СО + Н₂.

При сгорании окиси углерода и водорода образуется почти бесцветное пламя (бледно-голубое).

Таблица 12.6

Зависимость степени термического разложения углеводородов от температуры

Углеводород	Температура, °С	Степень разложения, %
Н-бутан Н-пентан	423 647 423 600	15-10 57 24-10 30

 

Горелки могут быть разделены на снижающие дымообразование в результате охлаждения этой зоны. Независимо от способа снижения дымообразования горелки должны обеспечивать работу факельных устройств в широком диапазоне скоростей подачи газа на сжигание. Для расширения диапазона регулирования факельная горелка должна способствовать стабильности пламени и хорошему смешению газа с воздухом. Стабильность пламени достигается установкой запасных горелок вокруг факельной горелки (рис. 12.6) и стабилизирующего кольца над срезом факельной трубы. Для эффективного смешения

газа с воздухом требуется большая площадь контакта между ними. Это достигается использованием факельной горелки в виде сопла для повышения турбулентности или разделением газового потока на множество струй с помощью большого числа горелок или одной горелки с большим числом выходных отверстий.

Рис. 12.6. Устройство факельной трубы для бездымного сжигания факельных газов:

1 — паропровод; 2 — факельная труба; 3 — факельная горелка; 4 — дежурная горелка; 5 — электрозапал; 6 — устройство "бегущее" пламя; 7 — штуцер для подачи топливного газа; 8 — опора; 9 — стойка; 10 — штуцер для выхода конденсата; 11 —штуцер для ввода газа; 12 — штуцер для подачи пара

Чтобы бездымное горение
достигалось при минимальном
уровне шума, т.е. при наименьшем
расходе воздуха, размер

турбулентной зоны должен быть минимальным. Процесс горения должен происходить выше факельной горелки, так как в этом случае продолжительность ее работы возрастает.

Необходимость защиты окружающей среды от вредных выбросов требует использования факельных устройств с широким диапазоном

регулирования параметров процесса горения. С этой целью устанавливают большое число факельных горелок на одной трубе.

Капитальные и эксплуатационные затраты на конкретную факельную установку зависят от вида энергоснабжения (воздух, вода, пар или газ), типа производства, размеров самой факельной установки и частоты ее включения. Относительная стоимость оборудования (зажигающих устройств, дежурных горелок, вспомогательного оборудования, воздуходувок для принудительной подачи воздуха), используемого для бездымного сжигания газов, практически не зависит от диаметра факельных труб, за исключением системы с принудительной подачей воздуха.