МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ ИЗ РЕЗЕРВУАРОВ

1997

08.04.98                                               ПРИКАЗ                                        № 199

г. москва

Об утверждении методик расчета выбросов
загрязняющих веществ в атмосферу

С целью обеспечения единого подхода к расчету выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух. ПРИКАЗЫВАЮ:

1. Утвердить Методические указания по определению выбросов загрязняющих веществ из резервуаров (приложение 1), Методику расчета выбросов вредных веществ в атмосферу при сжигании попутного нефтяного газа на факельных установках (приложение 2).

2. Управлению государственного экологического контроля и безопасности окружающей среды (Куценко) и территориальным органам Госкомэкологии России принять к руководству методики расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу из резервуаров и при сжигании попутного нефтяного газа на факельных установках.

3. Контроль за выполнением настоящего приказа оставляю за собой.

Председатель                     (роспись)                                          В.И. Данилов-Данильян

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПО ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

г. Тверь

" ____ " ___________ 199__ г.                                                                   № ______

12 мая 1998 года

ПРИКАЗ №42-п

В целях обеспечения единого подхода к расчету выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух приказываю:

Ввести в действие с 1 июня 1998 года методики расчета выбросов загрязняющих веществ из резервуаров и при сжигании попутного нефтяного газа на факельных установках.

Председатель комитета                   (роспись)                                        В.М. Поздняков

Приложение № 2 к приказу Госкомэкологии России от 08.04.98 № 199

Научно-исследовательский институт охраны атмосферного воздуха

Государственный комитет Российской Федерации по охране
окружающей среды

МЕТОДИКА

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

Санкт-Петербург

1998

Сведения о документе

РАЗРАБОТАН:         Научно-исследовательским институтом охраны атмосферного воздуха.

УТВЕРЖДЕН:     приказом Государственного комитета Российской Федерации по охране окружающей среды (от "__" __________ 1998г. № _____ ).

ВВЕДЕН:              в действие с 01.01.98г. сроком на пять лет для практического применения при учете и оценке выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Настоящий документ не может быть тиражирован и распространен в качестве официального издания без письменного разрешения разработчика.

1. Введение

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. Ссылки на нормативные документы.

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

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. 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 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 h_Г < 0 в противном случае);

l_а - расстояние от выгодного 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 V₁ (% 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).

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" 1992г. равной

при постоянных сбросах:

U=0.2·U_зВ                                                      (5.1.2)

при периодических и аварийных сбросах:

U=0.5·U_ЗВ,                                                     (5.1.3)

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

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

W_g=2826·U·d₀²·r_Г,                                                  (5.2)

где r_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 (м³/с) сжигаемого на факельной установке ПНГ, рассчитываемой по формуле (5.1.1);

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

Т_Г - температура горения, рассчитываемая согласно п. 3.3

6. Расчет мощности выбросов вредных веществ в атмосферу.

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

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

6.1.2. Расчет условной молекулярной массы m_Г, кг/ноль (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°, C;

- давление Р, мм.рт.ст.;

- относительная влажность j (в долях или %).

6.2.1. Определение кассового 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 r_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_пс (м³/м³), образующихся при стехиометрическом сгорании 1 м³ ПНГ в атмосфере влажного воздуха (формула 3 Приложения В).

6.4. Проварка 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_ист > 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 m_SO2 - молекулярная масса SO₂. m_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, О₂, H₂O 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):

U_g1=0.278·q₁·W_g,                                                  (7.1)

где q₁ - удельный выброс i-го 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_g1(t)=0.001·q₁·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_В(M) - 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 горизонтальный факельных установок:

Н_Г=0.707(L_Ф - l_а) ± h_Г,                                           (8.2)

Где l_a(м) - расстояние от сопла трубы до противоположной стены амбара;

h_Г(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 Приложению Ж.

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

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

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

W_пc=1.274 W_пр/D_ф² (м/с),                                   (8.3)

где D_ф(м) - диаметр факела.

D_ф рассчитывается по формуле:

D_ф = 0.189 L_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 H₂O, N₂ и O₂ на единицу массы сжигаемого ПНГ (кг/кг) (Приложение Е).

8.3.2. Расчет низшей теплоты сгорания сжигаемого газа Q_нг (ккал/м³) (Приложение З).

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

D = 0.048m_Г^0.5 ,                                                   (8.5)

где m_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; T₂=1900°K; Т₃=2300°К) Q_пс(ккал):

,                                      (8.6)

где q₁(кг) - масса i-го компонента продуктов сгорания 1 м³ ПНГ (Приложение Е);

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

8.3.5. Построение графика Q_пс(T).

8.3.6. Определение величины Т по графику Q_пс исходя из условия:

Q_пс(Т) = q_h·(1-D)                                                      (8.7)

8.3.7. Определение температуры выбрасываемой в атмосферу газовой смеси:

Т_Г=Т - 273, ºС.

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

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

.                                                        (1)

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

                                                         (2)

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

,                                                                (3)

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

б_i - массовая доля i-го компонента в ПНГ; 6_i рассчитывается по формуле:

б_i=0.01 V_i·r_i/r_Г                                                   (4)

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

б(S_сН4)_i=Sб_i·m_i/m_cH4

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 K_j рассчитывается по формуле:

.                                                          (5)

Условная молекулярная формула попутного нефтяного газа записывается в виде:

C_CH_hS_SN_nO_O                                                                                                   (6)

где с=К_c, h=К_h, s= K_s, n= К_n, o=К_o, 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.

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

Таблица 2.

3. Плотность r_i (кг/м³) 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 r_Г (кг/м³)

Таблица 1.2.

 кг/м³.

Расчет условной молекулярной массы m_Г (кг/моль)

Таблица 1.3.

 кг/моль.

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_4.378 N_0.0219O_0.0027

Уточним условную молекулярную массу:

m_Г=S K_j·m_j=19.260

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

m_С.В.=28.96 кг/моль

и плотность

r_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 (H₂O)                                                                                              (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:

О_Ко·n_Kn·Н_Kh                                                                                                            (4)

5. Плотность влажного воздуха в зависимости от метеоусловий. При заданной температуре влажного воздуха t, °C, 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 капельножидкой 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=7б0 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:

0.421 > l.607d

;

;

.

Условная молекулярная формула влажного воздуха для заданных метеоусловий:

O_0.431N_1.572H_0.028

Плотность влажного воздуха:

кг/м³.

Рис. 1. Диаграмма характеристик влажного воздуха при нормальном атмосферной 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:

   (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_ПС (м³/м³), образующихся при стехиометрическом сгорании 1 м³ ПНГ в атмосфере влажного воздуха:

V_ПС=с + s + 0.5[h + n + М(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 ⁰К (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_1.207H_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_0.0219O_0.0027+MO_0.431N_1.572H_0.028=nCO2+n_H2OH₂O+n_N2N₂                    (1.1)

Расчет мольного стехиометрического коэффициента М:

                            (1.2)

Теоретическое количество влажного воздуха, необходимое для полного сгорания 1м³ ПНГ Южно-Сургугского месторождения, составляет 11.03 м³.

n_CO2 = с = 1.207;

n_H2O = 0.5(h + Mk_h) = 2.344;

n_N2 = 0.5(n + Mk_n) = 8.681.

Объем продуктов сгорания при стехиометрическом горении равен:

V_ПС=c+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_0.0110О_0.0160 сгорает в атмосфере влажного воздуха О_0.431N_1.572H_0.028 (t=20°C, j=60%) в соответствии со стехиометрической реакцией:

C_1.489H_4.943S_0.0110О_0.0160 + MО_0.431N_1.572H_0.028 = n_CO2CO₂ + n_H2OH₂O + n_N2N₂        (2.1)

Расчет мольного стехиометрического коэффициента М:

                        (2.2)

n_CO2 = c = 1.489;

n_H2O = 0.5(h + Мk_h) = 2.660;

n_SO2 = s = 0.011.

n_N2 = 0.5(n + Mk_n) = 10.576.

Теоретическое количество влажного воздуха, необходимое для полного сгорания 1м³ ПНГ Бугурусланского месторождения, составляет 13.056 м³.

Объем продуктов сгорания при стехиометрическом горении равен:

V_ПС = 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 снеси U_ЗВ (м/с) (п. 6.4)

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

,                                                (1)

где Т_о,°С - температура ПНГ;

m_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 Т_о,°С (0°С; 10°С; 20°C и 30°С).

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

,                                                       (2)

где V_i (% o6.) - объемная доля i-го компонента ПНГ.

Приложение Г1.
Пример расчета скорости распространения звука в сжигаемой газовой смеси U_ЗВ (м/с)

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

Скорость распространения звука при Т_o = 20°C:

 м/с

(m_Г = 19.210, см. таблицу 1.3. Приложения А2.)

Такое же значение U_ЗВ дает график Приложения Г для Т_o = 20°C.

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

Приложение Д.
Примеры расчета выбросов вредных веществ при сжигания 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) r_Г = 0.863 кг/м³. Массовый расход равен (5.2):

W_g = 3600 r_Г·W_v = 15534 (кг/час).

В соответствие с формулой (7.1) 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 6·10⁴. Т.о. 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 C_1.489H_4.943S_0.011О_0.016. Объемный расход газа W_v = 432000 м/сутки = 5 м/с. Факельное устройство не обеспечивает бессажевого горения. Плотность газа (см. приложение А) r_Г = 1.062 кг/м³. Массовый расход равен (5.2):

W_g = 3600·r_Г·W_v = 19116 (кг/час).

В соответствие с формулой (7.1) 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, m_Г = 23.455, m_SO2 = 64. Отсюда

M_SO2 = 0.278·0.03·19116 = 159.5 г/с

В данном случае недожог равен 0.035. Массовое содержание сероводорода 1.6%. Отсюда

M_H2S = 0.278·0.035·0.01·1.6·19116 = 2.975 г/с

Выбросы углеводородов определяются аналогично примеру 1.

Приложение Е.
Расчет удельных выбросов CO₂, H₂O, N₂ и О₂ на единицу массы сжигаемого попутного нефтяного газа (кг/кг)

1. Удельный выброс диоксида углерода рассчитывается по формуле:

                                               (1)

где m_СО2, m_СН4, m_СО - молекулярные массы соответствующих газов (Приложение А1);

m_Г - условная молекулярная масса ПНГ (Приложение А1);

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

2. Удельный выброс водяного пара H₂O:

,                                     (2)

где m_Н2О и m_СН4 - молекулярные массы Н₂О и СН₄;

m_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);

К_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. q_CO2, q_н2о q_so2, q_со, q_NO – см. Приложение Д и формулу (1) настоящего Приложения.

Приложение E1.
Примеры расчетов

Расчет удельных выбросов СО₂, H₂O, N₂ и O₂ на единицу массы сжигаемого попутного нефтяного газа (кг/кг)

Пример 1.

Попутный нефтяной газ Южно-Сургутского месторождения с условной молекулярной формулой C_1.207H_4.378N_0.0219O_0.027 (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 H₂O:

Удельный выброс азота N₂:

Удельный выброс кислорода O₂:

Пример 2.

Попутный нефтяной газ Бугурусланского месторождения с условной молекулярной формулой C_1.489H_4.943S_0.011O_0.016.

Условия сжигания газа те же, что и в примере 1. Удельный выброс диоксида углерода (формула (2) Приложения Е).

Удельный выброс водяного пара H₂O:

Удельный выброс азота N₂:

Удельный выброс кислорода O₂:

Приложение Ж.
Расчет длины факела

Длина факела (L_ф) рассчитывается по формуле:

,                                (1)

где d_о - диаметр устья факельной установки, м;

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

Т_о - - температура сжигаемого ПНГ, °К;

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

r_В.В. r_г - плотность влажного воздуха (Приложение Б) и ПНГ (Приложение А);

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

где [H₂S]_о, [C_xH_y]_o, [O₂]_o - 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/Т_о, V_ВВ и r_ВВ/r_Г для четырех фиксированных значений T_Г/Т_о при диапазонах варьирования V_ВВ от 8 до 16 и r_ВВ/Р_г от 0.5 до 1.0.

Приложение Ж1.
Припер расчета длины факела для Южно-Сургутского месторождения.

Температура горения (см. Приложение И) = 1913 К⁰;

Температура сжигаемого газа = 293 К°;

V_ВВ (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:

L_ф / d_o = 190

Относительная длина факела L_ф/d_o.

Т_г - температура горения, °К.

Т_о - температура газа в устье, °К.

Рис. 4.

Относительная длина факела L_ф/d.

Т_г - температура горения, °К.

Т_о - температура газа в устье, °К.

Рис. 5.

Приложение З.
Расчет низшей теплоты сгорания попутного нефтяного газа q_h (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-го горючего компонента (% об.) в ПНГ;

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

Q_H=85.5[CH₄]_o + 152[C₂H₆]_o + 218[C₃H₈]_o + 283[C₄H₁₀]_o + 349[C₅H₁₂]_o + 56[H₂S]_o            (2)

Величины Q_Hi приведены в таблице 2 Приложения B1.

Приложение З1.
Пример расчета низшей теплоты сгорания попутного нефтяного газа

Попутный нефтяной газ Южно-Сургутского месторождения.

Компонентный состав V_i (% o6.) - см. Приложение А2.

Таблица 1.

 ккал/м³

Приложение И.
Пример расчета температуры выбрасываемое в атмосферу газовой смеси

Попутный нефтяной газ Южно-Сургутского месторождения. Низшая теплота сгорания Q_H = 9843 ккал/м³ (Приложение В1). Доля энергии, теряемой за счет радиации факела

D = 0,048m_Г^0.5 = 0,21 (m_Г = 19,260).

Расчет количества теплоты в продуктах сгорания для трех значений температуры:

Т = l500 °K         Q_ПС = 5576 ккал,

Т = 1900 °К        Q_ПС = 7708 ккал,

Т = 2300 °К        Q_ПС = 9873 ккал.

График Q_ПС (Т) представлен на рис. 6.

Величина q_h(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/.