Факельные технологии ч. 1

                (по материалам зарубежной печати)
       Факельная установка (далее факел), обычно состоящая из несущей кон-струкции и поднятого на определенную вы¬соту факельного оголовка, является весьма существенным элементом оборудования обеспечения безопасности в аварийных ситуациях. Сложившийся в прошлом подход к реализации таких устройств, сводившийся к сооружению факельных стволов со сжиганием возможно выше от земли или к зажиганию пламени в верхней части высоко поднятой трубы, претерпел серьезные изменения, и современная факельная технология от него резко отличается.            
       Высотный факельный ствол, обычный яркий признак нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов, является ныне лишь одним из четырех вариантов конструктивного выполнения факелов: поднятых, закрытых, горизонтальных и котлованных. Каждый вариант предназначен для выполнения определенных требований - экологических, заводских, технологических или же обусловленных правилами промышленной безопасности.
       Факел должен конструироваться таким образом, чтобы удовлетворить характерные требования в каждом конкретном случае, обеспечить эффективную работу и общую безопасность. Ассортимент сбрасываемых в факел газов довольно широк, от природного газа до олефинов, диолефинов и малокалорийных газов. В зависимости от ассортимента сбрасываемых в факел газов конструктивное исполнение факелов также может быть разным. Рассмотрим типовые конструкции факела для некоторых промышленных объектов.
                Аммиачные терминалы и химические заводы
       Аммиачные терминалы отличаются тем, что предусматриваемые на них факелы используются крайне редко. Единственными ситуациями, в которых требуется факел, это нарушение энергоснабжения или отказ холодильного оборудования. Обычно газ хранится в глубоко охлаждаемых резервуарах низкого давления и отпускается в железнодорожные или автомобильные цистерны, доставляющие его на предприятия по производству удобрений или металлургические заводы. В большинстве случаев никаких выбросов аммиачный терминал не дает. Однако, при нарушении энергоснабжения или отказе холодильного оборудования происходит постепенное нарастание давления в резервуаре. С повышением температуры жидкого аммиака возрастает давление и срабатывает реле, обеспечивающее зажигание дежурных горелок факела. Если давление достигнет установленного предела предохранительного клапана, то произойдет сброс давления из резервуара и газообразный аммиак пойдет в факел.
Кратковременное нарушение энергоснабжения или малозначительный отказ холодильного оборудования не ведет к задействованию факела, поскольку резервуар имеет хорошую теплоизоляцию и возникшее осложнение может быть быстро исправлено. Поэтому факел является крайним средством обеспечения безопасности. Система розжига снабжена резервным аккумулятором, который в состоянии зажечь дежурную горелку даже в случае отказа основного электропитания.
       Для аммиачных терминалов применяется типовой вариант факельного оголовка. Достигаемая им эффективность сгорания соответствует средней части 90-процентного диапазона, так что обеспечивается сжигание основной части аммиака и лишь небольшое его количество попадает в атмосферу несгоревшим.
       Факелы для химических производств обычно имеют гораздо более сложную конструкцию по сравнению с тем, что применяется для аммиачных установок. В них требуется подавать либо пар для бездымной работы, либо топливный газ для обеспечения полного сгорания. В конструкции самого факела зачастую требуется учет особых требований коррозионной стойкости, применение специальных материалов для изготовления трубы, а также затворов. Могут также устанавливаться предохранительные устройства, например, термопары для слежения за работой дежурной горелки и автоматического запуска повторного зажигания. Тем самым гарантируется постоянное горение дежурных горелок и готовность к зажиганию сбросного потока в любой момент его поступления.
       На некоторых химических заводах сжигание аммиака производится по технологии, аналогичной применяемой на аммиачных терминалах. Однако, при работе химических установок происходит постоянный малоинтенсивный сброс, который требуется ликвидировать, и по этой причине не представляется возможным пользоваться факельной системой того же типа, что и на аммиачном терминале, где задействование факела является крайне редким событием. На химических заводах необходимо поддержание высочайшей эффективности сгорания, свыше 99,99%, как при отводе слабых потоков, так и при работе с аварийными выбросами. Для повышения эффективности сгорания применяются пароинжекционные факелы. В случае поступления малокалорийных сбросных газов, для которых требуется подача вспомогательного газа, полнота сгорания достигается благодаря использованию газоинжекционного кольца, создающего огненный ореол в верхней части факельного оголовка.
                Газовые заводы
       Для газовых заводов применяются факелы от имеющих очень простую конструкцию до гораздо более сложных воздуходувных или бездымных систем и даже закрытых факелов, когда газовый завод размещен в плотно размещенном районе. Определяющими параметрами являются производительность и состав сбрасываемого газа. Выбор типа факела возможен лишь при знании этих параметров. В настоящее время предпочтение отдается бездымным факелам, за исключением случаев, когда завод находится в безлюдной местности или в районе, где слабо развито экологическое регулирование.
Когда обеспечить снабжение паром нелегко, следует обратиться к другим средствам обеспечения бездымности факела. Среди используемых в этом случае подходов следует отметить применение воздуходувок, высокоскоростных множественных наконечников (использующих кинетическую энергию для обеспечения бездымности) и даже распыление водных струй. Последнее решение во многом аналогично инжекции пара, но не дает тех же эксплуатационных характеристик, поскольку капли воды имеют меньшие скорости и моменты количества движения. Из-за меньших скоростей водяных капель в факельное пламя инжектируется меньше наружного воздуха, а низкий момент количества движения не способствует повышению ветровой устойчивости пламени. Даже слабый ветер может наклонить пламя в такой степени, что оно выходит из зоны распыления воды, и это ведет к появлению дыма.
Высокие скорости инжекции пара в факел ведут к захвату значительного количества периферического воздуха, что обеспечивает бездымную работу. Кроме того, достигается высокая турбулентность и эффективное перемешивание периферического воздуха с факельным газом. Высокий момент количества движения пара поддерживает факельное пламя в пределах пароинжекционного диапазона, что гарантирует бездымность. Водоинжекционные факелы требуют, чтобы отношение между массами подаваемой воды и углеводорода составляло 1:1, тогда как для пароинжекционных факелов аналогичный параметр отношения масс составляет 1:4.
       На многих небольших газовых заводах число технологических потоков довольно велико, и они на¬ходятся под давлением разных уровней. Производственные факелы, выполняемые в виде двойного факельного ствола, позволяют сбрасывать на факельное сжигание каждый из потоков без их комбинирования, которое могло бы осложнить обеспечение безопасности в случае забивания факельного оголовка, поскольку газ высокого давления пойдет в систему низкого давления, вызывая превышение допустимого давления и возможный разрыв. Два отдельных факела устанавливаются на общей факельной конструкции, что снижает общие расходы.
                Терминалы сжиженного природного газа
       Требования к факелам терминалов СПГ или бутан-пропановой смеси аналогичны требованиям, предъявляемым к факелам аммиачных терминалов. Газ на факельное сжигание поступает крайне редко, лишь в случаях, когда крупное нарушение технологического режима вынуждает направлять поток на факел. Бездымность работы и общая эффективность факела существенных проблем не создают, поскольку природный газ сгорает очень эффективно. Однако, на терминалах, осуществляющих отпуск бутан-пропановой смеси и более тяжелых газов, приходится учитывать необходимость обеспечения бездымной работы и эффективности сгорания. Как правило, пар на таких терминалах отсутствует и бездымность достигается благодаря использованию воздуходувки или же за счет применения многокаскадных, поднятых или закрытых факелов. На многих терминалах используются именно закрытые факелы, поскольку такие объекты расположены вблизи других объектов и районов жилой застройки.
При использовании закрытого факела следует предусмотреть, чтобы он находился на отдалении от зон, где могут скапливаться пары, или же факел может оказаться источником воспламенения. Это достигается путем устройства стен обвалования или других разделительных барьеров, отводящих факел от зон потенциального скопления паров.
                Применение на морских объектах
       На морских глубоководных основаниях факелы используются, главным образом, в качестве устройств для разгрузки давления в случаях, когда нарушается нормальная работа компрессоров, или во время аварийных выбросов при ведении буровых работ. Добываемый на промысле газ либо подвергают сжатию и транспортируют по трубопроводу на берег для продажи потребителям, либо повторно закачивают в скважины для использования в будущем. В случае каких-либо отказов всегда должен быть наготове факел, чтобы быстро и эффективно справиться со сбрасываемыми объемами, которые бывают очень значительными.
       В связи с тем, что все сооружения, оборудование и жилые отсеки на морских основаниях размещены очень плотно, важным фактором является тепловое излучение, создаваемое факелом. По этой причине, и из экологических соображений, в данной области применения выбираются бездымные или малоизлучающие факелы.
       Среди методов, имеющихся в распоряжении для ослабления излучения и выделения дыма, следует отметить применение воздуходувок, высокоскоростное струйное перемешивание или многочислен¬ные наконечники, обеспечивающие повышение ки¬нетической энергии. На некоторых объектах в Северном море использовали инжекцию морской воды. Однако, ее применение значительного распространения не получило, что вызвано малой эффективностью этого метода и коррозией окружающих сооружений и оборудования морского основания.
                Очистка и ремонт железнодорожных цистерн
       Факелы применяются при техническом обслуживании и ремонте железнодорожных цистерн, используемых для перевозки пропана и аммиака в районах сельскохозяйственного пояса США. Аммиак идет на удобрение, а пропан используется для сушки производимого зерна. Во время сезонного перехода от выращивания сельскохозяйственных культур к сушке продукции необходима очистка цистерн прежде, чем можно будет заполнять их другим продуктом. Для этого необходимо отправить на сжигание небольшое количество продукта, остающегося в цистерне.
Чаще всего используются комбинированные факелы, в которых применяется как инжекция пара для обеспечения бездымной работы, так и подача топливного газа для полноты сжигания аммиака. Как правило, факелы бывают небольшими, диаметром от 2 до 6 дюймов (51-152 мм). На сжигание поступает лишь небольшое количество газа, и без особых трудностей может быть составлен график выполнения работ, согласно которому определяется временной интервал, на протяжении которого продувается цистерна.
                Нефтеперерабатывающие заводы
       Одной из отраслей, в которых факела начали применяться раньше всего, является нефтеперерабатывающая промышленность, поскольку на ее предприятиях всегда существовала, и поныне остается потребность в безопасном удалении углеводородов, выделившихся во время нарушения технологического режима. Такие нарушения могут быть обусловлены отказами электроснабжения, неисправно¬стями оборудования или пожарами на заводе.
       В связи с тем, что нефтеперерабатывающие заводы довольно часто расположены недалеко от населенных пунктов, как правило применяются малошумные пароинжекционные факелы, обеспечивающие тихую работу, бездымное сжигание и высокую общую эффективность сгорания. Весьма существенным ограничением является возможность поступления чрезмерного количества пара. В таких случаях пульсации или излишний низкочастотный шум распространяется на многие мили. В типичной ситуации отношение между количеством подаваемого пара и углеводородами для факела НПЗ составляет 1:4 или 1:2, но, когда это отношение возрастает (относительно пара) свыше 1:1, усиливаются шум и пульсации. Если доля пара возрастает еще больше, то факельное пламя фактически будет зажигаться и срываться. Это ведет к эффекту удара в литавры, обусловленному волнами давления, создаваемыми зажигаемым и гаснущим пламенем, что ведет к дребезжанию оконных стекол и резонансным колебаниям в близлежащих зданиях.
       Для снижения вероятности подачи чрезмерного количества пара следует выбирать надлежащую систему регулирования инжекции пара. Такая система должна:
          • Точно определять расход поступающего в факел газа в весьма широком диапазоне (свыше 100:1);
          • Быстро реагировать на изменения расхода без чрезмерных задержек или перерегулирования;
          • Компенсировать колебания состава сбросного газа;
          • Иметь управляющие клапаны, которые работают плавно и линейно без каких-либо разрывов, скачков или ступенчатых переходов.
       На нефтеперерабатывающих заводах, которые находятся в плотно заселенных районах, применяются закрытые факелы, поскольку не всегда можно найти пространство, необходимое для рассеяния теплового излучения или ослабления шума.
Закрытый факел полностью локализует тепловое излучение, а его мягкая керамическая изолирующая футеровка поглощает и ослабляет шум до приемлемого уровня. Дополнительная акустическая камера на воздухозаборе позволяет понизить уровень шума в еще большей степени.
                Сталелитейные заводы
       На сталелитейных заводах факелы применяются для коксовых батарей и доменных печей, и предназначены для удаления низкокалорийного газа, когда он не используется в технологическом процессе. Этот газ состоит главным образом из водорода и окиси углерода с небольшими количествами двуокиси углерода и паров воды. Его теплотворная способность составляет около 80-90 БТЕ/куб. фут (3,0-3,4 МДж/мЗ), так что в обычных условиях эффективное сгорание этого газа в факеле не обеспечивается. Для того, чтобы газ горел эффективно, необходимо, чтобы содержание водорода превышало 20%, а содержание СО - превышало 10%. В тех случаях, когда необходимо факельное сжигание аммиака, для достижения полноты сгорания в факеле предусматривается кольцо горелок для вспомогательного газа.