НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ИНСТИТУТ ОХРАНЫ АТМОСФЕРНОГО
ВОЗДУХА МИНПРИРОДЫ РФ

 

МЕТОДИКА
РАСЧЕТА ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ
В АТМОСФЕРУ ПРИ СЖИГАНИИ
ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА
НА ФАКЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ

 

 

 

Санкт-Петербург

1997

 

Сведения о документе

РАЗРАБОТАН: Научно-исследовательским институтом охраны атмосферного воздуха.

ВНЕСЕН: Департаментом государственного экологического контроля Минприроды РФ

УТВЕРЖДЕН: Приказом Госкомэкологии России № 199 от 08.04.98 г.

ВКЛЮЧЕН: в «Перечень методических документов по расчету выделений (выбросов) загрязняющих веществ в атмосферу»

ВВЕДЕН: в действие с 01.01.98 г. для практического применения при учете и нормировании выбросов в атмосферу при сжигании попутного нефтяного газа на факельных установках.

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1. Настоящий документ:

- разработан в соответствии с Законом Российской Федерации «Об охране окружающей природной среды» с целью получения данных о выбросах загрязняющих веществ при сжигании попутного нефтяного газа на факельных установках;

- устанавливает методику расчета параметров выбросов загрязняющих веществ от факельных установок разного типа;

- распространяется на факельные установки, эксплуатируемые в соответствии с действующими проектными нормами;

1.2. Разработчики документа: канд. физ.-мат. наук Миляев В.Б., канд. геогр. наук Буренин Н.С., канд. физ.-мат. наук Елисеев B.C. канд. физ.-мат. наук Зив А.Д., канд. техн. наук Гизитдинова М.Р., канд. техн. наук Турбин А.С.

2. ССЫЛКИ НА НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ.

2.1. Правила устройства и безопасной эксплуатации факельных систем, утвержденные Госгортехнадзором России от 21.04.92.

2.2. ГОСТ 17.2.1.07-77. Охрана природы. Атмосфера. Метеорологические аспекты загрязнения и промышленные выбросы. Основные термины и определения.

2.3. ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий.

3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ.

3.1. Факельная установка - устройство для сжигания в атмосфере, непригодного для использования в народном хозяйстве, попутного нефтяного газа (ПНГ); является одиночным источником загрязнения атмосферы.

3.1.1. Высотная факельная установка - установка в которой подача ПНГ под давлением в зону горения производится по вертикальному факельному стволу (трубе), высотой 4 м и более.

3.1.2. Горизонтальная факельная установка - открытый амбар с подачей попутного нефтяного газа под давлением в зону горения по горизонтальному факельному стволу (трубе); конструкция амбара обеспечивает выход горящего факела в атмосферу под углом 45°.

3.2. Продукты сгорания попутного нефтяного газа, покидающие факельную установку, а также несгоревшие компоненты, являются потенциальным источником загрязнения окружающей атмосферы вредными веществами.

Качественная и количественная характеристики выбросов вредных веществ определяется типом и параметрами факельной установки и составом сжигаемого ПНГ.

3.3. Конструкции высотных и горизонтальных факельных установок обеспечивают бессажевое горение попутного нефтяного газа при выполнении установленного «Правилами устройства и безопасной эксплуатации факельных систем», утв. Госгортехнадзором РФ от 21.04.92 следующего условия: скорость истечения сжигаемого газа должна превышать 0,2 от скорости распространения звука в газе.

3.4. Для оценки максимальных приземных концентраций загрязняющих веществ в атмосфере, источником которых являются факельные установки, настоящая методика предусматривает выполнение расчетов следующих параметров:

- мощности выброса вредных веществ;

- расхода выбрасываемой в атмосферу газовой смеси;

- высоты источника выброса над уровнем земли;

- средней скорости поступления в атмосферу газовой смеси;

- температуры выбрасываемой в атмосферу газовой смеси.

4. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

4.1. Проектные характеристики факельной установки

d₀ - диаметр выходного сопла, м;

h_в - высота факельной трубы (для высотных факельных установок), м;

h_г - расстояние от выходного сопла до уровня земли (для горизонтальных факельных установок), м;

(h_г > 0 для труб, проложенных выше уровня земли и пг < 0 в противном случае);

l_а - расстояние от выходного сопла до противоположной стены амбара (для горизонтальных факельных установок), м.

4.2. Измеряемые характеристики

4.2.1. Объемный расход W_v (м³/с) сжигаемого на факельной установке ПНГ;

4.2.2. Скорость истечения ПНГ U, м/с.

4.2.3. Состав сжигаемого ПНГ V_i (% об):

- метан СН₄;

- этан С₂Н₆;

- пропан С₃Н₈;

- бутан С₄Н₁₀;

- пентан С₅Н₁₂;

- гексан С₆Н₁₄;

- гептан C₇H₁₆;

- азот N₂;

- диоксид углерода СО₂;

- сероводород H₂S (и/или меркаптаны).

5. ОЦЕНКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ФАКЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

5.1. Объемный расход W_v (м³/с) и скорость истечения U (м/с), сжигаемого на факельной установке попутного нефтяного газа измеряется экспериментально, либо, при отсутствии прямых измерений, W_v рассчитывается по формуле:

W_v = 0,785 ∙ U · d₀²                                                   (5.1.1)

где U - скорость истечения ПНГ из выходного сопла факельной установки, м/с (по результатам измерений); d₀ - диаметр выходного сопла, м (по проектным данным факельной установки).

При отсутствии прямых измерений скорость истечения U принимается в соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации факельных систем» 1992 г. равной при постоянных сбросах:

U = 0,2U_зв,                                                      (5.1.2)

при периодических и аварийных сбросах:

U = 0,5U_зв,                                                      (5.1.3)

где U_зв - скорость распространения звука в ПНГ, рассчитываемая согласно Приложению Г.

5.2. Массовый расход W_g (кг/м) сбрасываемого на факельной установке газа рассчитывается по формуле:

W_g = 2826U · d₀² ∙ p_г,                                                (5.2)

где р_г - плотность ПНГ, кг/м³, (измеряется экспериментально, либо рассчитывается по объемным долям V_i (% об) и плотностям p_i (кг/м³) компонентов - см. Приложение А.

5.3. Объемный расход продуктов сгорания, покидающих факельную установку, W_пp (м³/с):

                                         (5.3)

где W_V - объемный расход (м/с) сжигаемого на факельной установке ПНГ, рассчитываемый по формуле (5.1.1);

W_ПС - объем продуктов сгорания (м³/м³), рассчитываемый по формуле 3 Приложения В;

Т_г - температура горения, рассчитываемая согласно п.8.3.

6. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ

6.1. Расчет физико-химических характеристик сжигаемого попутного нефтяного газа.

6.1.1. Расчет плотности ρ_Г, кг/м³ (формула 1 Приложения А).

6.1.2. Расчет условной молекулярной массы μ_г, кг/моль (формула 2 Приложения А).

6.1.3. Расчет массового содержания химических элементов (% масс.) в ПНГ (формулы 3 и 4 Приложения А).

6.1.4. Расчет числа атомов элементов в условной молекулярной формуле ПНГ (формулы 5 и 6 Приложения А).

6.2. Расчет физико-химических характеристик влажного воздуха.

Для заданных метеоусловий:

- температура t°, С;

- давление Р, мм. рт. ст.;

- относительная влажность j (в долях или %).

6.2.1. Определение массового влагосодержания d (кг/кг) влажного воздуха по номограмме (Приложение Б1).

6.2.2. Расчет массовых долей компонентов во влажном воздухе (формулы 2 и 3 Приложения Б).

6.2.3. Расчет количества атомов химических элементов в условной молекулярной формуле влажного воздуха (табл. 3. Приложения Б).

6.2.4. Расчет плотности влажного воздуха ρ_в.в., кг/м³ (формула 5 Приложения Б).

6.3. Расчет стехиометрической реакции горения попутного нефтяного газа в атмосфере влажного воздуха.

6.3.1. Расчет мольного стехиометрического коэффициента М (формула 2 Приложения В).

6.3.2. Определение теоретического количества влажного воздуха V_в.в. (м³/м³), необходимого для полного сгорания 1 м³ ПНГ (п. 3 Приложения В).

6.3.3. Расчет количества продуктов сгорания V_п.п. (м³/м³), образующихся при стехиометрическом сгорании 1 м³ ПНГ в атмосфере влажного воздуха (формула 3 Приложения В).

6.4. Проверка выполнения условий бессажевого горения попутного нефтяного газа на факельной установке.

6.4.1. Расчет скорости распространения звука в сжигаемой газовой смеси U_зв (м/с) (формула 1 Приложения Г или графики 1 - 4 Приложения Г).

6.4.2. Проверка выполнения условия бессажевого горения:

U_ucm ³ 0,2U_зв                                                          (6.1)

6.5. Определение удельных выбросов вредных веществ на единицу массы сжигаемого попутного нефтяного газа (кг/кг).

6.5.1. Для оценок мощности выбросов, оксида углерода, оксидов азота (в пересчете на диоксид азота), а также сажи в случае невыполнения условия бессажевого сжигания используются опытные значения удельных выбросов на единицу массы сжигаемого газа [4], представленные в нижеследующей таблице:

Таблица 6.1

В случае сжигания серосодержащего попутного нефтяного газа удельный выброс диоксида серы рассчитывается по формуле:

                                                          (6.2)

где  - молекулярная масса SO₂, μ_г - условная молекулярная масса горючего, S - количество атомов серы в условной молекулярной формуле попутного нефтяного газа (см. Приложения А, А1).

При необходимости определения выбросов СО₂, N₂, O₂, Н₂O следует руководствоваться формулами, приводимыми в приложении Е.

Вредные вещества при сжигании попутного нефтяного газа попадают в атмосферу также за счет недожога газа. Коэффициент недожога определяется или экспериментально для факельных установок определенной конструкции, или полагается равным 0,0006 при бессажевом сжигании и 0,035 в противном случае.

Удельные выбросы углеводородов (в пересчете на метан), а также содержащихся в газе сернистых соединений, таких как сероводород и меркаптаны, определяются по общей формуле:

(Уд. выброс) - 0,01 · (коэф. недожога) · (массовая доля в %)                 (6.3)

7. РАСЧЕТ МАКСИМАЛЬНЫХ И ВАЛОВЫХ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ

7.1. Расчет максимальных выбросов вредных веществ в (г/сек):

w_gi = 0,278 ∙ q_i ∙ w_g,                                                     (7.1)

где q_i - удельный выброс i-гo вредного вещества на единицу массы сжигаемого газа (кг/кг) (Приложение Д);

W_g - массовый расход сбрасываемого на факельной установке газа (кг/час) (см. формулу 5.2).

7.2. Расчет валовых выбросов вредных веществ за год (т/год):

W_gi(t) = 0,001 ∙ q_i ∙ w_g · t                                                (7.2)

где обозначения те же, что и в п. 7.1, a t - продолжительность работы факельной установки в течение года в часах.

8. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ФАКЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ КАК ПОТЕНЦИАЛЬНОГО ИСТОЧНИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

8.1. Расчет высоты источника выброса загрязняющих веществ в атмосферу над уровнем земли, Н (м).

8.1.1. Для высотных факельных установок:

Н_в = h_в + L_ф,                                                        (8.1)

где h_B (м) - высота факельной трубы (устанавливается по проектным данным высотной факельной установки);

L_ф (м) - длина факела (рассчитывается по формуле (1) Приложения Ж, либо определяется по номограммам Приложения Ж).

8.1.2. Для горизонтальных факельных установок:

Н_г = 0,707(L_Ф - l_a) ± h_г,                                                (8.2)

где l_а (м) - расстояние от сопла трубы до противоположной стены амбара;

h_Г (м) - расстояние выходного сопла от уровня земли (со знаком «плюс», если труба выше уровня земли, и со знаком «минус» в противном случае);

0,707 - коэффициент, учитывающий угол отклонения факела от вертикали.

8.1.3. Длина факела рассчитывается согласно Приложению Ж.

8.2. Расчет расхода и средней скорости поступления в атмосферу газовой смеси (продуктов сгорания)

Объемный расход продуктов сгорания, покидающих факельную установку, W_ПР (м³/с) рассчитывается по формуле (5.3).

Средняя скорость поступления в атмосферу продуктов сгорания попутного нефтяного газа рассчитывается по формуле:

                                                    (8.3)

где D_ф (м) - диаметр факела.

D_ф рассчитывается по формуле:

D_ф = 0,189L_Ф,                                                         (8.4)

где L_Ф - длина факела (Приложение Ж).

8.3. Расчет температуры выбрасываемой в атмосферу газовой смеси.

8.3.1. Расчет удельных выбросов Н₂О, N₂ и О₂ на единицу массы сжигаемого ПНГ (кг/кг) (Приложение Е).

8.3.2. Расчет низшей теплоты сгорания сжигаемого газа Q_HГ (Ккал/м³) (Приложение 3).

8.3.3. Расчет доли энергии, теряемой за счет радиации факела D:

D = 0,048 ∙ μ_Г^0,5,                                                         (8.5)

где μ_г - условная молекулярная масса ПНГ (Приложение А).

8.3.4. Расчет количества теплоты в продуктах сгорания попутного нефтяного газа для трех значений температуры горения Т °К (например, Т₁ = 1500 °К; Т₂ = 1900 °К; Т₃ = 2300 °К) Q_Пc (Ккал):

                                             (8.6)

где q_i (кг) - масса 1-го компонента продуктов сгорания 1 м³ ПНГ (Приложение Е);

C_р - средние массовые изобарные теплоемкости составляющих продуктов сгорания (таблица 3 Приложения В1).

8.3.5. Построение графика Q_Пc (T).

8.3.6. Определение величины Т по графику Q_ПС (Е), исходя из условия:

Q_ПС(T) = Q_H · (1 - D).                                                  (8.7)

8.3.7. Определение температуры выбрасываемой в атмосферу газовой смеси:

Т_г = Т - 273, °С.

Приложение А

РАСЧЕТ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА (П. 6.1)

1. Расчет плотности ρ_г (кг/м³) ПНГ по объемным долям V_i (% об.) (п. 6.1.1) и плотности ρ_i (кг/м³) (таблица 3 Приложения А1) компонентов:

                                                        (1)

2. Расчет условной молекулярной массы ПНГ μ_Г, кг/моль (п. 6.1.2):

                                                         (2)

где μ_i - молекулярная масса i-го компонента ПНГ (таблица 2 Приложения А1).

3. Расчет массового содержания химических элементов в попутном газе (п. 6.1.3):

Массовое содержание j-гo химического элемента в ПНГ δ_j (% масс.) рассчитывается по формуле:

                                                            (3)

где δ_ij - содержание (% масс.) химического элемента j в i-том компоненте ПНГ (таблица 4 Приложения А1);

δ_i - массовая доля i-гo компонента в ПНГ; δ_i - рассчитывается по формуле:

                                                       (4)

Примечание: если выбросы углеводородов определяются в пересчете на метан, вычисляется также массовая доля углеводородов, пересчитанных на метан:

                                                                       (5)

При этом суммирование осуществляется только по углеводородам, не содержащим серу.

4. Расчет числа атомов элементов в условной молекулярной формуле попутного газа (п. 6.1.4):

Количество атомов j-гo элемента K_j рассчитывается по формуле:

                                                         (6)

Условная молекулярная формула попутного нефтяного газа записывается в виде:

C_cH_hS_sN_nO_о,                                                            (7)

где с = К_с, h = K_h, s = K_s, n = K_n, о = К_о, рассчитываются по формуле (6).

Приложение А1

Справочные данные, необходимые для расчетов физико-химических характеристик попутного нефтяного газа

1. Атомные массы химических элементов, входящих в состав попутного газа.

Таблица 1

2. Молекулярные массы основных компонентов ПНГ и коэффициенты r_i пересчета углеводородов на метан

Таблица 2

3. Плотность ρ_i (кг/м) основных компонентов ПНГ

Таблица 3

4. Содержание (% масс.) химических элементов в основных компонентах ПНГ.

Таблица 4

Приложение А2

Примеры расчетов физико-химических характеристик попутного нефтяного газа.

Попутный нефтяной газ Южно-Сургутского месторождения (бессернистый)

Компонентный состав V_i (% об):

Таблица 1.1

Расчет плотности ρ_г (кг/м³)

Таблица 1.2.

Расчет условной молекулярной массы μ_Г (кг/моль)

Таблица 1.3

Расчет массового содержания химических элементов в ПНГ.

Таблица 1.4

Таблица 1.5

Расчет числа атомов элементов в условной молекулярной формуле попутного нефтяного газа Южно-Сургутского месторождения.

Таблица 1.6

Условная молекулярная формула ПНГ Южно-Сургутского месторождения:

C_1,207H_4,378N_0,0219O_0,0027

Уточним условную молекулярную массу:

Приложение Б

Расчет физико-химических характеристик влажного воздуха для заданных метеоусловий (п. 6.2)

1. Условная молекулярная формула для сухого воздуха

O_0,421N_1,586,                                                                      (1)

чему соответствует условная молекулярная масса

μ_с.в. = 28,96 кг/моль

и плотность

ρ_с.в. = 1,293 кг/м³.

2. Массовое влагосодержание влажного воздуха d (кг/кг) для заданной относительной влажности j и температуры t, °C при нормальном атмосферном давлении определяется по номограмме Приложения Б1 (п. 6.2.1).

3. Массовые доли компонентов во влажном воздухе (п. 6.2.2):

 - сухого воздуха                                                          (2)

 - влаги (Н₂O)                                                            (3)

4. Содержание (% масс.) химических элементов в компонентах влажного воздуха.

Таблица 1

5. Массовое содержание (% масс.) химических элементов во влажном воздухе с влагосодержанием d

Таблица 2

6. Количество атомов химических элементов в условной молекулярной формуле влажного воздуха (п. 6.2.3)

Таблица 3

Условная молекулярная формула влажного воздуха:

O_KoN_KnH_Kh                                                                    (4)

7. Плотность влажного воздуха в зависимости от метеоусловий. При заданной температуре влажного воздуха t, °С, барометрическим давлении Р, мм. рт. ст. и относительной влажности j плотность влажного воздуха рассчитывается по формуле:

                       (5)

где Р_п - парциальное давление паров воды в воздухе, зависящее от t и j; определяется по номограмме Приложения Б1.

Приложение Б1

Диаграммы «i-d» для влажного воздуха.

На диаграмму, на рис. 1 нанесены изолинии энтальпий i, температур t, °C и относительной влажности j, а также зависимости парциального давления водяного пара Р_П от влагосодержания d.

Диаграмма построена для давлений 745 ÷ 760 мм. рт. ст.

Точки диаграммы, лежащие на кривой j = 1 (100 %), определяют состояние насыщенного воздуха. Точки, лежащие под кривой j = 1, соответствуют состоянию насыщенного воздуха, содержащего, кроме насыщенного пара, частицы капельно-жидкой воды или льда. Точки, лежащие над кривой j = 1, характеризуют состояние насыщенного воздуха.

Под кривой j = 1 и над изотермой t = 0 °С находится область тумана; по другую сторону изотермы t = 0 °С, ниже ее, расположена область ледяного тумана.

Приложение Б2

Пример расчета физико-химических характеристик влажного воздуха для заданных метеоусловий.

Заданы температура t = 20 °С, относительная влажность j = 0,60 (60 %) воздуха и давление Р = 760 мм. рт. ст.

По номограмме (Приложение Б1) определяется влагосодержание d = 0,0087 кг/кг и парциальное давление водяного пара Р_П = 11 мм. рт. ст.

Расчет количества атомов химических элементов в условной молекулярной формуле влажного воздуха:

Условная молекулярная формула влажного воздуха для заданных метеоусловий:

О_0,431N_1,572H_0,028

Плотность влажного воздуха:

Рис. 1. Диаграмма характеристик влажного воздуха при нормальном атмосферном давлении.

t, °C - температура,

j - относительная влажность,

i - энтальпия, Ккал/кг,

d - влагосодержание кг/кг,

Р_п - парциальное давление водяного пара, мм. рт. ст.

Приложение В

Расчет стехиометрической реакции горения попутного нефтяного газа в атмосфере влажного воздуха (п. 6.3).

1. Стехиометрическая реакция горения записывается в виде:

C_cH_hS_sN_nO_o + MO_KoN_KnH_Kh = n_co2CO₂ + n_H2OH₂O + n_so2SO₂ + n_N2N₂                   (1)

2. Расчет мольного стехиометрического коэффициента М по условию полного насыщения валентности (полностью завершенной реакции окисления):

                                                             (2)

где v_j' и v_j - валентности элементов j и j', входящих в состав влажного воздуха и ПНГ;

k_j' и k_j - количества атомов элементов в условных молекулярных формулах влажного воздуха и газа (Приложения А и Б).

3. Определение теоретического количества влажного воздуха V_B.B. (м³/м³), необходимого для полного сгорания 1 м³ ПНГ.

В уравнении стехиометрической реакции горения мольный стехиометрический коэффициент М является и коэффициентом объемных соотношений между горючим (попутный нефтяной газ) и окислителем (влажный воздух); для полного сгорания 1 м³ ПНГ требуется М м³ влажного воздуха.

4. Расчет количества продуктов сгорания V_ПC (м³/м³), образующихся при стехиометрическом сгорании 1 м³ ПНГ в атмосфере влажного воздуха:

V_ПС = c + s + 0,5[h + n + M(k_h + k_n)],                                             (3)

где с, s, h, n и k_h, k_n соответствуют условным молекулярным формулам ПНГ и влажного воздуха соответственно.

Приложение В1

Справочные данные, необходимые для расчетов теплофизических характеристик попутного нефтяного газа.

1. Показатель адиабаты К для компонентов ПНГ.

Таблица 1

2. Низшая теплота сгорания горючих компонентов ПНГ Q_Hi, Ккал/м³

Таблица 2

3. Средние массовые изобарные теплоемкости составляющих продуктов сгорания, определяемые в интервале от 293 °К до Т °К (Ккал/кг · град).

Таблица 3

Приложение В2

Примеры расчетов

Расчет стехиометрической реакции горения попутного нефтяного газа в атмосфере влажного воздуха

Пример 1.

Попутный нефтяной газ Южно-Сургутского месторождения

С_1,207HH_4,378N_0,0219O_0,0027

сгорает в атмосфере влажного воздуха

O_0,431N_1,572H_0,028 (t = 20 °C, j = 60 %)

в соответствии со стехиометрической реакцией:

C_1,207H_4,378N_0,219O_0,0027 + MO_0,431N_1,572H_0,028 = n_CO2CO₂ + n_H2OH₂O + n_N2N₂                   (1.1)

Расчет мольного стехиометрического коэффициента М:

                                         (1.2)

Теоретическое количество влажного воздуха, необходимое для полного сгорания 1 м³ ПНГ Южно-Сургутского месторождения, составляет 11,03 м³.

п_со2 = с = 1,207;

п_Н2O = 0,5 · (h + Mk_h) = 2,344;

n_N2 = 0,5 · (n + Mk_n) = 8,681.

Объем продуктов сгорания при стехиометрическом горении равен:

V_Пc = с + s + 0,5[h + n + M(k_h + k_n)] = 1,207 + 0,5[4,378 + 0,0219 + 11,03 · (0,028 + 1,572)] = 12,23 м³/м³.

Пример 2.

Попутный нефтяной газ Бугурусланского месторождения (серосодержащий) C_1,489H_4,943S_0,0110O_0,0160 сгорает в атмосфере влажного воздуха O_0,431N_1,572H_0,028 (t = 20 °С, j = 60 %) в соответствии со стехиометрической реакцией:

C_1,489H_4,943S_0,0110O_0,0160 + MO_0,431N_1,572H_0,028 = n_CO2CO₂ + n_H2OH₂O + n_N2N₂                  (2.1)

Расчет мольного стехиометрического коэффициента М:

                           (2.2)

п_со2 = с = 1,489;

п_Н2O = 0,5(h + Mk_h) = 2,660;

n_Sо2 = s = 0,011;

n_N2 = 0,5(n + Mk_n) = 10,576.

Теоретическое количество влажного воздуха, необходимое для полного сгорания 1 м³ ПНГ Бугурусланского месторождения, составляет 13,056 м³.

Объем продуктов сгорания при стехиометрическом горении равен:

V_Пc = 1,489 + 0,0110 + 0,5[4,943 + 13,056(0,028 + 1,572)] = 14,74 м³/м³.

Приложение Г

Расчет скорости распространения звука в сжигаемой газовой смеси U_зв (м/с) (п. 6.4)

Скорость распространения звука в сжигаемой газовой смеси U_зв (м/с) рассчитывается по формуле:

                                                     (1)

где Т₀, °С - температура ПНГ;

μ_Г - условная молекулярная масса сжигаемой газовой смеси;

К - показатель адиабаты для сжигаемой газовой смеси или определяется по графикам на рис. 2 - 3 Приложения Г, где расчеты произведены для четырех значений Т₀,°С (0 °С; 10 °С; 20 °С и 30 °С).

Показатель адиабаты К для ПНГ рассчитывается по значениям показателя адиабаты К_i для компонентов (таблица 1 Приложения В1) как средневзвешенное

                                                            (2)

где V_i (% об.) - объемная доля i-гo компонента ПНГ.

Приложение Г1

Пример расчета скорости распространения звука в сжигаемой газовой смеси изв (м/с)

Попутный нефтяной газ Южно-Сургутского месторождения. Компонентный состав V_j (% об.) - см. таблицу 1.1 Приложения А2. Показатель адиабаты

Скорость распространения звука при Т₀ = 20 °С:

(μ_г = 19,210, см. таблицу 1.3 Приложения А2)

Такое же значение U_зв дает график Приложения Г для Т₀ = 20 °С.

Рис. 2. Скорость звука в сжигаемой смеси.

Рис. 3. Скорость звука в сжигаемой смеси.

Приложение Д

Примеры расчета выбросов вредных веществ при сжигании попутного нефтяного газа

1. Попутный нефтяной газ Южно-Сургутского месторождения. Объемный расход газа W_v = 432000 м³/сутки = 5 м³/с. Сжигание бессажевое. Плотность газа (см. приложение А) ρ_г = 0,863 кг/м³. Массовый расход равен (5.2.1):

W_g = 3600 · ρ_г · W_v = 15534 (кг/час).

В соответствие с формулой (7.1.1) и таблицей 6.1 выбросы вредных веществ в г/с составляют:

СО - 86,2 г/с; NO_x - 12,96 г/с;

бенз(а)пирен - 0,1 · 10^-6 г/с.

Для вычисления выбросов углеводородов в пересчете на метан определяется массовая их доля, исходя из таблиц А.2 и А.1.6. Она равна 120 %. Недожог равен 6 · 10^-4. Таким образом выброс метана составляет:

0,01 · 6 · 10^-4 · 120 · 15534 = 11,2 г/с;

Сера в ПНГ отсутствует.

2. Попутный нефтяной газ Бугурусланского месторождения с условной молекулярной формулой С_1,489H_4,943S_0,011О_0,016. Объемный расход газа W_v = 432000 м³/сутки = 5 м/с. Факельное устройство не обеспечивает бессажевого горения. Плотность газа (см. приложение А) ρ_г = 1,062 кг/м³. Массовый расход равен (5.2.1):

W_g = 3600 · ρ_г · W_v = 19116 (кг/час).

В соответствие с формулой (7.1.1) и таблицей 6.1 выбросы вредных веществ в г/с составляют:

СО - 1328 г/с; NO_x - 10,62 г/с; бенз(а)пирен - 0,3 · 10^-6 г/с.

Выбросы сернистого ангидрида определяются по формуле (6.2), в которой s = 0,011, μ_г = 23,455, μ_so2 = 64. Отсюда

M_SО2 = 0,278 · 0,03 · 19116 = 159,5 г/c.

В данном случае недожог равен 0,035. Массовое содержание сероводорода 1,6 %. Отсюда

М_Н2S = 0,278 · 0,035 · 0,01 · 1,6 · 19116 = 2,975 г/с.

Выбросы углеводородов определяются аналогично примеру 1.

Приложение Е

Расчет удельных выбросов СО₂ , Н₂О, N₂ и О₂ на единицу массы сжигаемого попутного нефтяного газа (кг/кг)

1. Удельный выброс диоксида углерода рассчитывается по формуле:

                                                   (1)

где  - молекулярные массы соответствующих газов (Приложение А1);

μ_Г - условная молекулярная масса ПНГ (Приложение А1);

с - количество атомов углерода в условной молекулярной формуле ПНГ (Приложение А).

2. Удельный выброс водяного пара Н₂О:

                                 (2)

где  - молекулярные массы Н₂O и СН₄;

μ_г - условная молекулярная масса ПНГ;

h - количество атомов водорода в условной молекулярной формуле ПНГ;

a - коэффициент избытка влажного воздуха;

М - мольный стехиометрический коэффициент (Приложение В);

K_h - количество атомов водорода в условной молекулярной формуле влажного воздуха (Приложение Б).

3. Удельный выброс азота N₂:

                                         (3)

4. Удельный выброс кислорода O₂:

                    (4)

Примечания:

1. Обозначения, принятые в (2) и (3) аналогичны обозначениям, принятым в (1).

2.  - см. приложение Д и формулу (1) настоящего Приложения.

Приложение Е1

Примеры расчетов

Расчет удельных выбросов СO₂, Н₂O, N₂ и O₂ на единицу массы сжигаемого попутного нефтяного газа (кг/кг)

Пример 1.

Попутный нефтяной газ Южно-Сургутского месторождения с условной молекулярной формулой С_1,207H_4,378N_0,0219O_0,0027 (Приложение А2) сжигается в атмосфере влажного воздуха с условной молекулярной формулой O_0,431N_1,572H_0,028 (Приложение Б2) при a = 1,0.

Мольный стехиометрический коэффициент М = 11,03 (Приложение В2).

Удельный выброс диоксида углерода (формула (2) Приложения Е):

Удельный выброс водяного пара Н₂O:

Удельный выброс азота N₂:

Удельный выброс кислорода О₂.

Пример 2.

Попутный нефтяной газ Бугурусланского месторождения с условной молекулярной формулой С_1,489H_4,943S_0,011О_0,016. Условия сжигания газа те же, что и в примере 1. Удельный выброс диоксида углерода (формула (2) Приложения Д).

Удельный выброс водяного пара Н₂O:

Удельный выброс азота N₂:

Удельный выброс кислорода О₂:

Приложение Ж

Расчет длины факела

Длина факела (L_ф) рассчитывается по формуле:

                                          (1)

где d₀ - диаметр устья факельной установки, м;

Т_г - температура горения, °К (п. 8.3)

Т₀ - температура сжигаемого ПНГ, °К;

V_b.b - теоретическое количество влажного воздуха, необходимое для полного сгорания 1 м³ ПНГ (Приложение В), м³/м³;

ρ_в.в и ρ_г - плотность влажного воздуха (Приложение Б) и ПНГ (Приложение А);

V₀ - стехиометрическое количество сухого воздуха для сжигания 1 м³ ПНГ, м³/м³:

где [H₂S]₀, [С_xH_y]₀, [о₂]₀ - содержание сероводорода, углеводородов, кислорода, соответственно, в сжигаемой углеводородной смеси, % об.

На рис. 4 - 5 изображены номограммы для определения длины факела (L_ф), отнесенной к диаметру устья факельной установки (d), в зависимости от Т_г/Т₀, V_B.b и . Для четырех фиксированных значений Т_г/Т₀ при диапазонах варьирования V_b.b от 8 до 16 и  от 0,5 до 1,0.

Приложение Ж1

Пример расчета длины факела для Южно-Сургутского месторождения.

Температура горения (см. Приложение И) = 1913 К°;

Температура сжигаемого газа = 293 К°;

V_b.b (см. Приложение В2) = 11,03 м³/м³;

Плотность ПНГ (Приложение А2) = 0,863 (кг/м³);

Плотность влажного воздуха (Приложение Б2) = 1,20 (кг/м³).

На основании формулы (1) отношение длины факела к диаметру устья факельной установки:

Относительная длина факела L_ф/d₀

Рис. 4

Относительная длина факела L_ф/d₀

Рис. 5

Приложение З

Расчет низшей теплоты сгорания попутного нефтяного газа Q_н (Ккал/м³)

Низшая теплота сгорания ПНГ Q_н (Ккал/м³) рассчитывается как средневзвешенная сумма низших теплот сгорания горючих газов, входящих в его состав:

                                                              (1)

где V_i - содержание i-гo горючего компонента (% об.) в ПНГ;

Q_Hi - низшая теплота сгорания i-го горючего компонента или по формуле:

Q_H = 85,5[СH₄]₀ + 152[С₂H₆]₀ + 218[с₃H₈]₀ + 283[С₄H₁₀]₀ + 349[С₅H₁₂]₀ + 56[H₂S]₀       (2)

Величины Q_Hi приведены в таблице 2 Приложения В1.

Приложение З.1

Пример расчета низшей теплоты сгорания попутного нефтяного газа

Попутный нефтяной газ Южно-Сургутского месторождения. Компонентный состав V_i (% об.) - см. Приложение А2.

Таблица 1

Приложение И

Пример расчета температуры выбрасываемой в атмосферу газовой смеси

Попутный нефтяной газ Южно-Сургутского месторождения. Низшая теплота сгорания Q_H = 9843 Ккал/м³. (Приложение 3.1). Доля энергии, теряемой за счет радиации факела:

D = 0,048 · μ_Г^0,5 = 0,21  μ_г = 19,260.

Расчет количества теплоты в продуктах сгорания для трех значений температуры:

График Q_ПС(T) представлен на рис. 6.

Величина Q_н(1 - D) = 7776 Ккал.

По графику рис. 6 этому значению отвечает температура Т = 1913 °К. В итоге, температура продуктов сгорания ПНГ Южно-Сургутского месторождения составляет Т_г = 1640 °С.

Рис. 6 Пример графического определения температуры продуктов сгорания (попутный нефтяной газ Южно-Сургутского месторождения).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. A.M. Левин. Принципы рационального сжигания газа. Л., Недра, 1977.

2. Ф.А. Вильяме. Теория горения. М., Наука, 1971.

3. Д.М. Хзмалян, Я.А. Каган. Теория горения и топочные устройства. М., Энергия, 1976.

4. С.П. Беренблюм, Э.М. Ривин. Методы расчета вредных выбросов в атмосферу из нефтехимического оборудования. Обзорная информация серии: охрана окружающей среды. ЦНИИТЭ-нефтехим, М., 1991.

5. Временные ведомственные нормы технологического проектирования по определению выбросов вредных веществ в атмосферу при проектировании и реконструкции нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий, ВНТП 30.81. - М., ВПО Союзнефтеоргсинтез, 1981.

6. Т.Т. Стрижевский, А.И. Эльнатанов. Факельные установки. М., Химия, 1979.

7. Сборник методик по расчету выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами. М., Гидрометеоиздат, 1986.

8. И.Т. Гороновский, Ю.П. Назаренко, Е.Ф. Некряч. Краткий справочник по химии. Киев, Наукова думка, 1987.

9. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Под ред. акад. В.П. Глушко. Изд. АН СССР, 1962.

10. С.Л. Ривкин. Термодинамические свойства газов. М., Энергия, 1973.

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ПО РАСЧЕТУ, НОРМИРОВАНИЮ И КОНТРОЛЮ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ, СПБ, НИИ АТМОСФЕРА, 2002 Г.
(извлечение)

1.2.4. Сжигание попутного нефтяного газа.

При проведении расчетов выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от факельных установок [43] в зависимости от состава попутного нефтяного газа (ПНГ) необходимо учитывать физико-химические характеристики С₆₊, если они присутствуют в заметных количествах, а следовательно, оказывают ощутимое влияние на величину рассчитываемых параметров (объем теоретически необходимого количества воздуха для полного сжигания ПНГ, теплоты сгорания ПНГ, температуры и габаритов факела и т.п.)

1. Общая формула низших предельных углеводородов (алканов) С_nН_2n+2 (где n - количество атомов углеродов в молекуле) и таблица 1 Приложения А1 позволяют рассчитать молекулярную массу любого члена гомологического ряда. Например, при n = 6:

М_С6 = 6 · 12,011 + (2 · 6 + 2) · 1,008 = 86,178

где 12,011 - масса углерода;

1,008 - масса водорода.

М_С7 = 7 · 12,011 + (2 · 7 + 2) · 1,008 = 100,205 и т.д.

Плотность насыщенных паров углеводородов С₆₊ при нормальных условиях можно приближенно оценить по формуле:

                                                               (1.11)

где 22,4 - объем 1 кг-моля i-го углеводорода, т.е.

p_Cv = 86,178/22,4 = 3,847 кг/м³

p_Cv = 100,205/22,4 = 4,473 кг/м³ и т.д.

Низшая теплота сгорания углеводородных конденсатов Q_нк (Ккал/кг) находится из выражения:

Qhk = 81[с]_m + 300[H]_m - 26{O}_m - [s]_m} - 6{[w]_m + 9[H]_m}                            (1.12)

где содержание углерода [С]_m , водорода [Н]_m , кислорода [O]_m, серы [S]_m и воды [W]_m (влажность), в % мас., определяется расчетом по результатам лабораторного анализа.

2. Проверка условия бессажевого горения ПНГ проводится при сопоставлении U_зв с линейной скоростью истечения ПНГ из устья сопла факела, U_ист, определяемой по формуле:

                                                    (1.13)

где W_v - объемный расход ПНГ, м³/сек;

d₀ - диаметр выходного сопла факельной установки, м;

U_зв - линейная скорость распространения звука в сжигаемом ПНГ.