ЭКОЛОГИЯ РГР расчет выбросов при сжигании ПНГ

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭКОЛОГИЯ»

РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ ПРИ СЖИГАНИИ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ
Цель работы
Определение объемов вредных выбросов и размера вреда, причиненного окружающей среде загрязнением атмосферного воздуха в результате сжигания попутных нефтяных газов.

Задачи работы:
Расчет мощности выбросов вредных веществ в атмосферу
Расчет максимальных и валовых выбросов вредных веществ
Расчет параметров факельной установки как потенциального источника загрязнения атмосферы

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 4м 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 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.

Исходные данные

4.1. Проектные характеристики факельной установки
d0 - диаметр выходного сопла, м;
hВ - высота факельной трубы (для высотных факельных установок), м;
hГ - расстояние от выходного сопла до уровня земли (для горизонтальных факельных установок), м;
(hГ > 0 для труб, проложенных выше уровня земли и hГ < 0 в противном случае);
lа - расстояние от выгодного сопла до противоположной стены амбара (для горизонтальных факельных установок), м.

4.2. Измеряемые характеристики
4.2.1. Объемный расход Wv (м3/с) сжигаемого на факельной установке ПНГ;
4.2.2. Плотность
·Г, кг/м3;
4.2.3. Состав сжигаемого ПНГ Vi (% об):
- метан СН4;
- этан С2Н6;
- пропан С3Н8;
- бутан С4Н10;
- пентан С5Н12;
- гексан С6Н14;
- гептан С7Н16;
- азот N2;
- диоксид углерода СО2;
- сероводород Н2S (и/или меркаптаны).

Исходные данные приведены в таблице 4.1.
Расчет производится для высотной факельной установки, газ сжигается постоянно, скорость истечения ПНГ U, м/с – рассчитываем по (5.1.2) и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Плотность газа и низшая теплота сгорания даны, соответственно их не надо рассчитывать, а берем из таблицы с исходными данными.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
для расчета выбросов вредных веществ в атмосферу при сжигании попутного нефтяного газа на факельных установках
Таблица 4.1
№ варианта

Месторождение


Высота ствола,  м
Диаметр  выходного сопла, мм
Температура воздуха, єС
Влажность воздуха

·, (%)
Атмосферное давление, мм рт.ст.
Компонентный состав ПНГ, Vi, ( % об.)
Плотность
·Г, кг/м3


Относительный удельный вес по воздуху


Qнизш, ккал/м3










Метан (CH4)
Этан (C2H6)
Пропан (C3H8)
Изо-бутан
н-бутан
Изо-пентан
н-пентан
Гексан
Сероводород (H2S)
Азот (N2)




1
2
Туймазинское РТ
(девонская нефть)
7
10
100
150
20
-5
60
70
760
750
50,73
16,78
9,22
1,08
2,41
0,51
0,42
036
0,00
18,29
1,0725
0,8900
9761

3
4
Туймазинское РТ
(угленосная нефть)
14
17
200
250
20
-5
60
70
760
750
47,95
9,23
5,19
0,68
1,23
0,28
0,16
0,20
0,13
34,35
1,0228
0,8537
6965

5
6
Туймазинское РБ
(девонская нефть)
21
24
300
350
20
-5
60
70
760
750
52,48
15,59
10,16
1,20
2,60
0,53
0,54
0,52
0,00
16,18
1,0798
0,8960
10122

7
8
Туймазинское РБ
(угленосная нефть)
27
34
400
500
20
-5
60
70
760
750
48,35
9,33
5,18
0,68
1,24
0,27
0,17
0,22
0,11
33,85
1,0229
0,8537
6965

9
10
Мустафинское
40
49
600
750
20
-5
60
70
760
750
47,17
3,07
2,45
0,58
0,74
0,28
0,11
0,19
1,20
43,21
1,0004
0,8302
5277

11
12
Калаевское
61
14
900
250
20
-5
60
70
760
750
14,77
0,94
0,59
0,18
0,22
0,08
0,02
0,04
1,50
80,66
1,1347
0,9416
1594

13
14
Ардатовское
40
17
600
300
20
-5
60
70
760
750
36,79
4,59
4,00
0,67
1,04
0,32
0,07
0,21
6,10
44,02
1,0901
0,9046
5100

15
16
Юбилейное
7
27
50
400
20
-5
60
70
760
750
30,34
3,04
2,34
0,36
0,59
0,18
0,05
0,19
0,78
61,13
1,0782
0,8947
3751



5. Оценка производительности факельной установки

5.1. Объемный расход Wv (м3/с) и скорость истечения U (м/с), сжигаемого на факельной установке попутного нефтяного газа измеряется экспериментально, либо, при отсутствии прямых измерений, Wv рассчитывается по формуле:
Wv=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" 1992г. равной
при постоянных сбросах:
U=0.2·UЗВ                                                      (5.1.2)
при периодических и аварийных сбросах:
U=0.5·UЗВ,                                                     (5.1.3)
где UЗВ - скорость распространения звука в ПНГ, рассчитываемая согласно [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].
5.2. Массовый расход Wg (кг/ч) сбрасываемого на факельной установке газа рассчитывается по формуле:
Wg=2826·U·d02·
·Г,                                                  (5.2)
где 
·Г - плотность ПНГ, кг/м3, дано в таблице с исходными данными, (измеряется экспериментально, либо рассчитывается по объемным долям Vi (% об) и плотностям 
·i (кг/м3) компонентов - см. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
5.3. Объемный расход продуктов сгорания, покидающих факельную установку, Wпp (м3/с):
,                                         (5.3)
где Wv – объемный расход (м3/с) сжигаемого на факельной установке ПНГ, рассчитываемой по формуле ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]);
Vпс - объем продуктов сгорания (м3/м3), рассчитываемый по [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
ТГ - температура горения, рассчитываемая согласно [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]

6. Расчет мощности выбросов вредных веществ в атмосферу.

6.1. Расчет физико-химических характеристик сжигаемого попутного нефтяного газа.
6.1.1. Расчет плотности 
·Г, кг/м3 ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
6.1.2. Расчет условной молекулярной массы 
·Г, кг/ноль ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
6.1.3. Расчет массового содержания химических элементов (% масс.) в ПНГ ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
6.1.4. Расчет числа атомов элементов в условной молекулярной формуле ПНГ ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).

6.2. Расчет физико-химических характеристик влажного воздуха.
Для заданных метеоусловий:
- температура t°, C;
- давление Р, мм.рт.ст.;
- относительная влажность 
· (в долях или %).
6.2.1. Определение кассового влагосодержания d (кг/кг) влажного воздуха по [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
6.2.2. Расчет массовых долей компонентов во влажном воздухе ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
6.2.3. Расчет количества атомов химических элементов в условной молекулярной формуле влажного воздуха ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
6.2.4. Расчет плотности влажного воздуха 
·В.В, кг/м3 ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
6.3. Расчет стехиометрической реакции горения попутного нефтяного газа в атмосфере влажного воздуха.
6.3.1. Расчет мольного стехиометрического коэффициента М ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
6.3.2. Определение теоретического количества влажного воздуха VВ.В (м3/м3), необходимого для полного сгорания 1 м3 ПНГ ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
6.3.3. Расчет количества продуктов сгорания Vпс (м3/м3), образующихся при стехиометрическом сгорании 1 м3 ПНГ в атмосфере влажного воздуха ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
6.4. Проварка выполнения условий бессажевого горения попутного нефтяного газа на факельной установке.
6.4.1. Расчет скорости распространения звука в сжигаемой газовой смеси UЗВ (м/с) ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] или графики 1-4 [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
6.4.2. Проверка выполнения условия бессажевого горения:
U  > 0.2UЗВ                                                                                                       (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
Удельные выбросы (кг/кг)
Бессажевое сжигание
Сжигание с выделением сажи

qсо
2·10-2
0.25

qNOX
3·10-3
2·10-3

qсажи
-
3·10-2

бенз(а)пирен
2·10-11
8·10-11

В случае сжигания серосодержащего попутного нефтяного газа удельный выброс диоксида серы рассчитывается по формуле:
,                                                    (6.2)
где 
·SO2 - молекулярная масса SO2. 
·Г - условная молекулярная масса горючего, S - количество атомов серы в условной молекулярной формуле попутного нефтяного газа (см.[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
При необходимости определения выбросов СО2, N2, О2, H2O следует руководствоваться формулами, приводимыми в [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].
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):
Ug1=0.278·q1·Wg,                                                  (7.1)
где q1 - удельный выброс i-го вредного вещества на единицу массы сжигаемого газа (кг/кг) ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]);
Wg - массовый расход сбрасываемого на факельной установке газа (кг/час) (см. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
7.2. Расчет валовых выбросов вредных веществ за год (т/год):
Wg1(t)=0.001·q1·Wg·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:
НВ=hВ + LФ,                                                       (8.1)
где hВ(M) - высота факельной трубы (устанавливается по проектным данным высотной факельной установки);
LФ(М) - длина факела (рассчитывается по [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], либо определяется по номограммам Приложения Ж.
8.1.2. Для горизонтальных факельных установок:
НГ=0.707(LФ - lа) ± hГ,                                           (8.2)
Где la(м) - расстояние от сопла трубы до противоположной стены амбара;
hГ(M) - 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 [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].
8.2. Расчет расхода и средней скорости поступления и атмосферу газовой смеси (продуктов сгорания)
8.2.1. Объемный расход продуктов сгорания, покидающих факельную установку, Wпp (м3/с) рассчитывается [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
8.2.2. Средняя скорость поступления в атмосферу продуктов сгорания попутного нефтяного газа рассчитывается по формуле:
Wпc=1.274 Wпр/Dф2 (м/с),                                   (8.3)
где Dф(м) - диаметр факела.
Dф рассчитывается по формуле:
Dф = 0.189 LФ,                                                    (8.4)
где LФ - длина факела ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
8.3. Расчет температуры выбрасываемой в атмосферу газовой смеси.
8.3.1. Расчет удельных выбросов H2O, N2 и O2 на единицу массы сжигаемого ПНГ (кг/кг) (Приложение Е).
8.3.2. Расчет низшей теплоты сгорания сжигаемого газа QНГ (ккал/м3) ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
8.3.3. Расчет доли энергии, теряемой за счет радиации факела 
·:

· = 0.048
·Г0.5 ,                                                   (8.5)
где 
·Г - условная молекулярная масса ПНГ ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
8.3.4. Расчет количества теплоты в продуктах сгорания попутного нефтяного газа для трех значений температуры горения Т°К (например, Т1=1500°К; T2=1900°K; Т3=2300°К) QПС(ккал):
,                                      (8.6)
где q1(кг) - масса i-го компонента продуктов сгорания 1 м3 ПНГ ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]);
Ср(Т) - средние массовые изобарные теплоемкости составляющих продуктов сгорания ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
8.3.5. Построение графика Qпс(T).
8.3.6. Определение величины Т по графику Qпс исходя из условия:
Qпс(Т) = qh·(1-
·)                                                      (8.7)
8.3.7. Определение температуры выбрасываемой в атмосферу газовой смеси:
ТГ=Т - 273, єС.

Приложение А
Расчет физико-химических характеристик попутного нефтяного газа (п. 6.1)

1. Расчет плотности 
·Г (кг/м3) ПНГ по объемным долям Vi (% об.) ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]) и плотности 
·i (кг/м3) ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]) компонентов:
.                                                        (1)
2. Расчет условной молекулярной массы ПНГ 
·Г, кг/моль ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]):
                                                         (2)
где 
·i - молекулярная масса i-го компонента ПНГ ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
3. Расчет массового содержания химических элементов в попутном газе ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]):
Массовое содержание j-го химического элемента в ПНГ бj (% масс.) рассчитывается по формуле:
,                                                                (3)
где бij - содержание (% масс.) химического элемента j в i-том компоненте ПНГ ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]);
бi - массовая доля i-го компонента в ПНГ; 6i рассчитывается по формуле:
бi=0.01 Vi·
·i/
·Г                                                   (4)
Примечание: если выбросы углеводородов определяются в пересчете на метан, вычисляется также массовая доля углеводородов, пересчитанных на метан:
б(
·СН4)i=
·бi·
·i/
·CH4
При этом суммирование осуществляется только по углеводородам, не содержащим серу.
4. Расчет числа атомов элементов в условной молекулярной формуле попутного газа ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]):
Количество атомов j-го элемента Kj рассчитывается по формуле:
.                                                          (5)
Условная молекулярная формула попутного нефтяного газа записывается в виде:
CCHhSSNnOO                                                                                                   (6)
где с=Кc, h=Кh, s= Ks, n= Кn, o=Кo, рассчитываются по формуле (5).

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
Химический элемент
Углерод С
Водород Н
Сера S
Азот N
Кислород O

Атомная масса
12.011
1.008
32.066
14.008
16.000


2. Молекулярные массы основных компонентов ПНГ и коэффициенты Гi пересчета углеводородов на метан
Таблица 2
Компонент
Метан СН4
Этан С2Н6
Пропан С3Н8
n-, i-бутан С4Н10
Пентан C5H12
Гексан C6H14
Гептан C7H16
Сероводород Н2S
Диоксид углерода СО
Азот N2

Молекулярная масса 
·i кг/моль
16.043
30.07
44.097
58.124
72.151
86.066
100.077
34.082
44.011
28.016

Гi 
·i/
·CH4
1.00
1.87
2.75
3.62
4.50
5.36
6.24
 


3. Плотность 
·i (кг/м3) основных компонентов ПНГ
Таблица 3
Компонент
Метан СН4
Этан С2Н6
Пропан С3Н8
n-, i-бутан С4Н10
Пентан c
Гексан C6H14
Гептан C7H16
Сероводород Н2S
Диоксид углерода СО2
Азот N2

Плотность 
·i, кг/м3
0.716
1.342
1.969
2.595
3.221
3.842
4.468
1.522
1.965
1.251

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

 
С
Н
S
O
N

СН4
74.87
25.13
-
-
-

С2Н6
79.89
20.11
-
-
-

С3Н8
81.71
18.29
-
-
-

С4Н10
82.66
17.34
-
-
-

C5H12
83.24
16.76
-
-
-

C6H14
83.73
16.27
-
-
-

C7H16
84.01
15.99
-
-
-

Н2S
-
5.92
94.08
-
-

СО2
27.29
-
-
72.71
-

n2
-
-
-
-
100









Приложение А2 Примеры расчетов физико-химических характеристик попутного нефтяного газа.

Попутный нефтяной газ Южно-Сургутского месторождения (бессернистый)
Компонентный состав Vi (% об):
Таблица 1.1
Компонент
СН4
С2Н6
С3Н8
iС4Н10
nC5H12
iC6H14
nC7H16
СО2
n2

Vi (% об)
88.47
1.78
2.50
0.77

·

Приложенные файлы

  • doc 3896679
    Размер файла: 608 kB Загрузок: 1

Добавить комментарий