Методика расчета выбросов вредных веществ в атмосферу при сжигании попутного нефтяного газа на факельных установках

1.1. Настоящий документ:

(1)  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;

(2) устанавливает методику расчета параметров выбросов загрязняющих веществ от факельных установок разного типа;

(3) 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 В.С., канд. физ.-мат. наук Зив А.Д., канд. техн. наук Гизитдинова М.Р., канд. техн. наук Турбин А.С.

2.1. Правила устройства и безопасной эксплуатации факельных систем, утвержденных Госгортехнадзором России от 21.04.92 *1).

______________

* На территории Российской Федерации действуют "Правила безопасной эксплуатации факельных систем", утв. постановлением Федерального горного и промышленного надзора России от 10.06.03 N 83.

2.2. ГОСТ 17.2.1.04-77. Охрана природы. Атмосфера. Источники и метеорологические факторы загрязнения, промышленные выбросы. Термины и определения.

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

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

3.2. 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 определяются 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.

4.1. Проектные характеристики факельной установки

- диаметр выходного сопла, м;

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

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

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

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

4.2. Измеряемые характеристики

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

,                  (5.1.1)

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

- 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:

,                  (5.1.2)

при периодических и аварийных сбросах:

,                  (5.1.3)

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

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

,               (5.2)

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

5.3. Объемный расход продуктов сгорания, покидающих факельную установку, (м/c):

 
,            (5.3)

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

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

 - температура горения, рассчитываемая согласно п.8.3.

     6.1. Расчет физико-химических характеристик сжигаемого попутного нефтяного газа

     6.2. Расчет физико-химических характеристик влажного воздуха

Для заданных метеоусловий:

-  температура t, °С;

- давление Р, мм.рт.ст.;

- относительная влажность (в долях или %).

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

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

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

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

,                        (7.1)

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

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

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

,                 (7.2)

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

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

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

     8.3. Расчет температуры выбрасываемой в атмосферу газовой смеси

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

.                  (1)

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

     
,                  (2)

где - 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-го химического элемента в ПНГ (% масс.) рассчитывается по формуле:

,                     (3)

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

- массовая доля i-го компонента в ПНГ; 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-го элемента рассчитывается по формуле:

.              (5)

Условная молекулярная формула попутного нефтяного газа записывается в виде:

,                        (6)

где ,  , , , рассчитываются по формуле (5).

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

Таблица 1

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

     
Таблица 2

3. Плотность (кг/м) основных компонентов ПНГ

     
Таблица 3

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

Таблица 4

1. Условная молекулярная формула для сухого воздуха

,                (1)

чему соответствует условная молекулярная масса

и плотность

кг/м.

2. Массовое влагосодержание влажного воздуха d (кг/кг) для заданной относительной влажности и температуры t, °С 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 ()                               .             (3)

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

Таблица 1

5. Массовое содержание (% масс.) химических элементов во влажном воздуха с влагосодержаием 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:

                (4)

Рис.1

Диаграмма характеристик влажного воздуха при нормальном атмосферном давлении

t,°С - температура,

- относительная влажность,

i - энтальпия, ккал/кг,

d - влагосодержание кг/кг,

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

1. Стехиометрическая реакция горения записывается в виде:

                   (1)

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

,                                (2)

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

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

3. Определение теоретического количества влажного воздуха (м/м), необходимого для полного сгорания 1 м 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 м ПНГ требуется М м влажного воздуха

.

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

,                   (3)

где c, s, h, n и , соответствуют условным молекулярным формулам ПНГ и влажного воздуха соответственно.

1. Показатель адиабаты К для компонентов ПНГ

Таблица 1

2. Низшая теплота сгорания горючих компонентов ПНГ , ккал/м

Таблица 2

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

Таблица 3

Температура 0°С

Температура 10°С

Рис.2. Скорость звука в сжигаемой смеси

Температура 20°С

Температура 30°С

Рис.3. Скорость звука в сжигаемой смеси

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

(кг/час).

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

CO - 86,2 г/c; - 12,96 г/с;

бенз(а)пирен - 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 .  Т.о. выброс метана составляет

г/с

Сера в ПНГ отсутствует.

2. Попутный нефтяной газ Бугурусланского месторождения с условной молекулярной формулой . Объемный  расход газа =432000 м/сутки = 5 м/с. Факельное устройство не обеспечивает бессажевое горение. Плотность газа (см. приложение А) =1,062 кг/м. Массовый расход равен (5.2.1):

(кг/час).

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

CO - 1328 г/с; - 10,62 г/с;

бенз(а)пирен - г/с.

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

Отсюда

г/с.

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

г/с.

Выбросы углеводородов определяются аналогично примеру 1.

1. Удельный выброс диоксида углерода рассчитывается по формуле:

,                        (1)

где ,, - молекулярные массы соответствующих газов (Приложение А1);

- условная молекулярная масса ПНГ (Приложение А1);

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

2. Удельный выброс водяного пара :

,         (2)

где и - молекулярные массы и ;

- условная молекулярная масса ПНГ;

h - количество атомов водорода в условной молекулярной формуле ПНГ;

- коэффициент избытка влажного  воздуха;

М - мольный стехиометрический коэффициент (Приложение В);

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

.

3. Удельный выброс азота :

,                (3)

4. Удельный выброс кислорода :

              (4)

Примечания.

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

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

Относительная длина факела .

- температура горения, °К

- температура газа в устье, °К

Рис. 4

Относительная длина факела .

- температура горения, °К

      - температура газа в устье, °К

Рис. 5

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

     Текст документа сверен по:
     официальное издание
     Санкт-Петербург, 1998