Факельные технологии ч. 2

                (по материалам зарубежной печати)
               Надежная запальная система
       При проектировании безопасной факельной системы приходится учитывать широкое множество факторов, среди которых наиболее важными являются зажигание, устойчивость пламени и полнота сгорания.
       Если невозможно обеспечить надежное зажигание факела, поддерживать все время устойчивое пламя и сгорание всего поступающего газа, то факела, по существу, нет. Есть только вентиляционная труба, из которой сбрасываемые тяжелые углеводороды и другие горючие среды могут спускаться до уровня земли, где они могут воспламениться, что ведет к обратному проскоку пламени, вспышке и даже взрыву.
       Наиболее общераспространенной запальной системой является генератор фронта пламени, в который через отверстия поступают дозированные сжатый воздух и топливный газ, образующие горючую смесь, которая направляется на дежурную горелку факела. В тех случаях, когда имеется множество дежурных факельных горелок, предусматриваются либо клапаны, направляющие смесь на каждую дежурную горелку, либо коллектор, который обеспечивает поступление этой смеси ко всем дежурным горелкам одновременно.
       По прошествии достаточного времени (приблизительно 5 с), необходимого для того, чтобы газовоздушная смесь достигла верхней части факельной трубы, на дистанционно расположенной запальной панели создается искра, благодаря которой в смеси возникает огненный шар, который проходит про трубе с совокупной скоростью газовоздушной смеси [приблизительно 88 фут/с (27 м/с)] при скорости движения фронта пламени около 7 фут/с (2 м /с) в случае природного газа. Фронт пламени достигает верха факельной трубы, обеспечивая за несколько секунд зажигание дежурных горелок. Такая система довольно успешно используется в течение многих лет.
       В ряде конструкций генераторов фронта пламени используется сжатый воздух или воздуходувка для подачи воздуха в сочетании с управляющими устройствами для слежения за дежурными горелками и даже для повторного автоматического зажигания.
Один из недостатков такой системы заключается в том, что в трубопроводах запального устройства может накапливаться влага и конденсат, так что в конечном счете они загрязняются или забиваются. Подземные трубопроводы для этих целей применяться не должны, поскольку они неизбежно становятся местом для скопления воды и образования пробок. В тех случаях, когда такой подземный трубопровод должен проходить под дорогой или иным препятствием, необходимо обеспечить необходимый его наклон со сливом в низкой точке, допускающей доступ для очистки.
       Во все большей степени применяется электронное зажигание. Разработаны специальные зажигаемые искрой дежурные горелки, в которых использовано высокоэнергетическое возбуждающее устройство на основе системы зажигания, применяемой в двигателях реактивных самолетов. Благодаря высокоэнергетическому возбуждающему устройству влага или грязь, скопившиеся в области наконечника буквально срываются искрой.
       Попытки применить прямую искру в верхней части факела предпринимались много раз и в конце 40-х годов от такого подхода отказались. Такой способ оказался просто ненадежным. Были использованы новейшие высокоэнергетические устройства искрового зажигания в верхней части факела. Однако, опыт показал, что воздействие теплового излучения и удар пламени в конечном счете ведет к их отказу. Искровая запальная система дежурной горелки должна быть отведена от верха пламени в более контролируемое окружение, чтобы избежать удара пламени или прогорания системы.
       Зажигание факела является важной первой операцией, которая может быть безопасно реализована благодаря использованию надлежащей запальной системы. Существенным является постоянно горящее пламя дежурной горелки факела, поскольку в этом случае будет зажигаться любой газ, сброшенный через верхнюю часть факела. В некоторых областях применения используется прямое зажигание факела запальной системой без использования дежурной горелки.
Это допустимо только в тех случаях, когда мгновенное задействование факела не является столь важным, а газ не токсичен. Например, возможно безопасное рассеяние с выпуском природного газа (который много легче воздуха), используемого при работе с системами полигонов захоронения твердых отходов, метан-тенков или газовых установок, которые не дают значительных загрязнителей, таких как сероводород. Воз¬можно прямое искровое зажигание, поскольку мгновенное срабатывание факела не является критическим фактором. Кроме того, в случае отказа системы искрового зажигания вероятность опускания газа до уровня земли весьма мала и единственной серьезной проблемой может быть лишь запах.
       Для гарантированного эффективного зажигания потока газа должны применяться постоянно горящие дежурные горелки с зажигаемым пламенем. Типичные дежурные горелки дают пламя длиной около 18 дюймов (457 мм). Они довольно ветроустойчивы, за исключением случаев чрезвычайно сильного ветра, который загибает пламя, делая его более коротким. Для обеспечения оптимальной стабильности и надежности пламени дежурной горелки факела применяются газовые горелки подсасывающего действия или типа трубки Вентури.
Для улучшения общих показателей энергопотребления в ныне используемых дежурных горелках расходуется меньше газа. В последнее время разработаны специальные энергосберегающие дежурные горелки, выполняемые в виде уменьшенного варианта ранее применявшихся дежурных факельных горелок. Простое сокращение подачи газа в дежурные горелки, снабженные простым ветрозащитным экраном, проблему не решает.
На одном из крупных НПЗ западного побережья США на пяти факелах энергоэффективные дежурные горелки (15 шт.) оказались задутыми в сильный ливень со штормовым ветром. Естественно, поданные в факел газы при сорванном пламени пошли бы несгоревшими в атмосферу, что скорее всего создало бы потенциально опасную ситуацию. Энергосберегающие дежурные горелки должны обеспечивать приемлемую устойчивость дежурного пламени при ветрах скоростью до 250 миль/час (403 км/час) и сильных ливнях.
       Как правило, дежурные горелки становятся неустойчивыми и задуваются в тех случаях, когда они забиваются посторонним материалом или грязью, попавшими в поток подаваемого на них газа. Опыт показывает, что при вводе нового факела или дежурной горелки в эксплуатацию все трубопроводы должны быть продуты. Желательно применять сеточные фильтры в трубопроводах топливного газа для обеспечения его чистоты, а также жидкостные ловушки или капле¬отбойники для удаления жидкости из газа. Такой фильтр не следует ставить в трубопроводе запального устройства (генератора фронта пламени), поскольку фильтр будет препятствовать распространению пламени к дежурным горелкам.
       В тех случаях, когда приходится иметь дело со сбрасываемыми в факел токсичными газами, к струйному узлу и трубке Вентури дежурной горелки должен быть обеспечен доступ на уровне земли. В системе следует использовать множество дежурных горелок, каждая из которых должна иметь отсечной клапан, чтобы одну из них можно было вывести из эксплуатации, проверить, прочистить и вновь ввести в работу на протяжении периода времени, когда другие горелки находятся в состоянии полной готовности к аварийной ситуации или удалению сбросного газа. Дистанционно зажигаемые дежурные горелки отличаются определенными достоинствами, поскольку простота доступа к ним позволяет выполнять их периодическую очистку и регулировку. Воздухозабор для дистанционно зажигаемой дежурной горелки должен быть в таком месте, в котором маловероятно, что пары будут затягиваться и действовать как источник воспламенения.
       Когда это невозможно, следует обратиться к варианту использования огнепреградителей или сжатого воздуха. Применение термопар в дежурной горелке обеспечивает контроль за ее состоянием. Чтобы избежать серьезных проблем, необходимо учитывать характер и особенности установки термопары, которые весьма существенны. В противном случае будут выдаваться сигналы ложной тревоги, обусловленные влагой, воздействием сернистых соединений и неправильной установкой. Термопарный чехол в факельной дежурной горелке защищает термопару от влаги и воздействия сернистых соединений. Термопарный чехол должен быть выполнен таким образом, чтобы термопара входила в него до упора, автоматически устанавливаясь в нужном положении. При установке термопары снаружи могут подаваться сигналы ложной тревоги при изменении направления ветра или в сильный ливень.
Устанавливаемые в чехлах термопары на дистанционно зажигаемых дежурных горелках типа трубки Вентури могут быть легко продлены до уровня земли.
При установке термопар с длинными концами необходимо специальное приспособление, чтобы избежать из перегибов или повреждения.
                Устойчивость пламени
       Факел полезен только в случае, если он обеспечивает устойчивое пламя в разнообразных условиях расхода сбрасываемого газа и ветровой нагрузки. С точки зрения поддержания устойчивого пламени очень важным элементом является пламеудерживатель, предусматриваемый в верхней части факельной горелки. Без него пламя будет подниматься над факельным наконечником и может быть сорвано ветром. Максимальная скорость на выходе составляет в случае природного газа приблизительно 0,2 М или 220 фут/с (67 м/с).
       При использовании пламеудерживателей других типов, например в виде плохо обтекаемого тела, выходная скорость может быть повышена до О,5 М (168 м/с). Однако, некоторые конструкции приспособлений для удерживания пламени оказываются не столь эффективными. В случае лопаточного устройства «Vortuswirl» приблизительно 30% всего газа закручивается в виде вихря, а 70 % вдет напрямую. Вихревое закручивание создает рециркуляцию и небольшое пламя у основания основного факельного пламени, так что независимо от расхода сбрасываемого газа пламя остается устойчивым. Лопаточное устройство «Vortuswirl» позволяет работать со скоростями до 0,8 М; на сравнительно небольших аппаратах устойчивое пламя поддерживается при скоростях, близких к звуковым. В настоящее время на крупных аппаратах ведутся испытания по повышению скорости до уровня скорости звука. Проблем при этом вроде бы быть не должно, поскольку чем выше скорость на выходе, тем сильнее вихревое закручивание и лучше устойчивость пламени.
Эффективное пламеудерживающее устройство допускает повышенную выходную скорость и позволяет уменьшить размеры факельного оголовка. Благодаря этому пламя становится стоячим, устойчивым и остается вертикальным даже при боковом ветре. Это способствует снижению теплового излучения на уровне земли и большей долговечности факельного оголовка благодаря меньшему его разогреву, поскольку ослабляется лизание пламенем боковых поверхностей факела. Пламеудерживатель весьма важен также для поддержания высокой эффективности сгорания. Конструктивное исполнение, создающее вихревые потоки, для которых характерен эффект рециркуляции, обеспечивает более длительное время пребывания и повышенные температуры, что гарантирует высокую эффективность.
                Полнота сгорания
       При сжигании таких углеводородов, как природный газ, этан, пропан и бутан типичная эффективность сгорания в факеле превышает 99%. Аналогичных показателей можно добиться для таких углеводородов, как этилен и пропилен, если бездымность работы обеспечивается за счет использования пара, воздушного дутья или конструкций на основе множественных наконечников. Эффективность сгорания ниже для тех газов, теплотворная способность которых сравнительно низка из-за высокого содержания азота, двуокиси углерода, паров воды или других инертных сред.
Если теплотворная способность ниже 115 БТЕ/ст. куб. фут (4,3 МДж/м3), то приходится подавать некоторое вспомогательное топливо, например природный газ или пропан, чтобы повысить калорийность до минимально приемлемого уровня. В отдельных областях применения, особенно если присутствует сероводород, теплотворную способность необходимо поднимать еще выше. Величина требуемого повышения зависит от конструктивного исполнения факельного оголовка и выходной скорости. В тех случаях, когда газ содержит значительные количества водорода и окиси углерода (например газ коксовых батарей), которые горят очень быстро, минимальная теплотворная способность, при которой обеспечивается полное сгорание, может быть снижена до 80-90 БТЕ/ст. куб. фут (3,4 МДж/м3).
       Если для сжигания требуется вспомогательный газ, то следует подумать об использовании закрытого факела, который позволяет добиться полного сгорания при пониженной теплотворной способности, без применения вспомогательного газа. Закрытый факел представляет собой гибридное устройство, в котором сочетаются признаки факела и печи для сжигания. Поскольку факел обычно открыт в окружающую среду, не представляется возможным регулировать количество избыточного воздуха, время контактирования и температуру пламени. Хотя время пребывания и темпера-туру пламени до какой-то степени можно регулировать созданием вихревых потоков и подачей вспомогательного газа в пламя, более контролируемого горе¬ния можно добиться заключением системы в оболочку.
С помощью наземного закрытого факела можно сжигать газы, теплотворная способность которых составляет всего 60 БТЕ/ст. куб. фут (2,2 МДж/м3). Однако, если для газа характерно повышенное содержание сероводорода или двуокиси углерода, то теплотворная способность должна быть выше. При возрастании содержания СО2 необходимо подавать вспомогательный газ для поддержания средней теплотворной способности на уровне 90-100 БТЕ/ст. куб. фут (3,7 МДж/м3). Вместе с тем, при использовании наземного закрытого факела для сжигания газов, содержащих сероводород, возможно возникновение опасных условий, если пламя время от времени вырывается. Факельное сжигание газов с повышенным содержанием сероводорода должно осуществляться с использованием поднятого факела. Для поддержания высокой эффективности сгорания весьма важным фактором является способ инжекции вспомогательного газа. Если его медленно вводят в газовый поток, идущий по основному трубопроводу, то используется только химическая энергия вспомогательного газа, без полезного применения энергии смешивания или кинетической энергии. Использование газового кольца в верхней части факела позволяет утилизировать энергию смешивания. Появляется возможность, по существу, контролировать эффект, вносимый ветром снаружи, и добиться формирования плотного факельного пламени, что способствует повышению эффективности сгорания.
       Времена, когда факел выполнялся в виде уходящей в небеса трубы, давно ушли в прошлое. Правильное конструктивное исполнение крайне важно не только для обеспечения общей безопасности, но и для достижения высокой эффективности сгорания. Естественно, можно подать в факельную трубу вспомогательный газ и добиться при этом высокой эффективности сгорания, но потребуются большие количества топливного газа. Если же вспомогательные топливные газы использовать оптимальным образом в правильно сконструированном факеле, то потребность во вспомогательном газе снизится и возрастет общая эффективность факела.
                Вынос жидкости
       Факелы применяются главным образом для сжигания газов. Если в поступающем на факел потоке присутствуют большие количества жидкости, то вынос горящих капель или жидкости может приводить к опасным ситуациям. Из факельной трубы жидкость выделяется в виде мелких капель или аэрозоля и зажигается основным пламенем. Эти капли могут спускаться до уровня земли, что огнеопасно для людей и оборудования на участке непосредственного прилегания. Ветром капли могут переноситься на расстояние нескольких сотен футов.
Необходимо пользоваться правильно сконструированными каплеотбойниками, устанавливаемыми в факельном коллекторе или у основания факе¬ла, чтобы собирать и удалять жидкость, поступающую в факел. Конструкция каплеотбойника долж¬на обеспечивать отделение жидкости от газа, причем для минимизации повторного захвата жидкости должна быть достаточной удерживающая способность такого устройства. Очень мелкие капли будут уноситься, но если их размер не превышает 50 мкм, то это явление проблем не создает. В случае капель несколько крупнее 50 мкм в основном пламени будут наблюдаться вспышки. При дальнейшем увеличении размеров частиц попадающие в пламя капли будут выноситься из основного газового пламени и падать на зем¬лю.
                Попадание воздуха
       В факельных стволах воздуха обычно нет; по этой причине проскок пламени, как правило, не происходит. Однако, воздух может поступать в факельный ствол из верхней части факела через факельный оголовок, или же снизу через неплотности у люков, фланцев или сливов. Кроме того, воздух может присутствовать в технологическом потоке, что ведет к опасным ситуациям.
      При малых скоростях течения воздух может мигрировать в факельную горелку и трубу, особенно при больших диаметрах аппаратов. Для минимизации этих явлений устанавливается, как правило, затвор.
       В настоящее время применяются факельные затворы двух основных типов. В затворе более старого типа, который известен под названием лабиринтного, используется двойное U -образное колено, аналогичное сифону умывальника или унитаза. Однако, в качестве среды в таком сифоне используется не вода, а факельный газ. Воздух может спускаться и смешиваться с бо¬лее легким газом. Если это происходит, то горение будет протекать внутри затвора, что в конечном счете ведет к его прогоранию. В лабиринтном затворе может также собираться дождевая вода, а также куски огнеупора, которые могут падать из факела.
Более современным устройством для этих целей является так называемый кинетический затвор типа Fluidic. В 70 годы был разработан многосопловый затвор, в котором использована последовательность усеченных концентрических конусов, рас¬полагаемых в самой верхней части факельного оголовка и предназначенных для блокирования прохождения воздуха. Для увеличения срока службы и снижения объема технического обслуживания такой затвор изготавливают из нержавеющей стали и располагают в той части факельного наконечника, которая также выполнена из такой стали.
Лабиринтный затвор, установленный у основания факельной трубы, является довольно опасным. Хотя благодаря его применению снижается общая стоимость факельной системы, никакой защиты для факельной трубы не создается, поскольку он до¬ пускает смешивание с газом большого объема воздуха. Это может приводить к мощному проскоку пламени и взрыву. Чтобы обеспечить надлежащую защиту, затвор должен находиться возможно ближе концу факела.
Серьезной проблемой может быть поступление воздуха через нижнюю часть факельного ствола. В большинстве факелов осуществляется продувка природным газом, который легче воздуха, что создает небольшое отрицательное давление у основания факела. Если в этом месте имеются какие-либо отверстия, например подтекающий фланец, крышка люка или слив, то бу¬дет затягиваться воздух, образующий газовоздушную смесь. При движении к верхней части факельной трубы газовоздушная смесь будет зажигаться дежурными горелками или основным факельным пламенем, в ре-зультате чего будет происходить проскок.
      Проскок пламени может быть опасным для людей, находящихся вблизи подтекающего таким образом отверстия, поскольку пламя может вырваться и причинить ожог. Если же вблизи такой неплотности имеются пары углеводородов, то возникает источник воспламенения. Иногда проскок пламени сопровождается хлопком и из верхней части факельной трубы вырывается облако дыма. Если это происходит, то утечку необходимо устранить возможно скорее.
       Утечка воздуха из нижней части может возникать во время технического обслуживания факельного ствола. Поэтому после окончания цикла эксплуатации или при остановке факела ствол должен быть полностью продут для удаления всего газа прежде, чем можно будет подойти к крышкам люков или иным отверстиям. Если люк открыть в то время, когда в стволе находится природный газ, отрицательная тяга обеспечит резкое поступление воздуха, что может привести к образованию большого количества газовоздушной смеси, которая может воспламениться от дежурных горелок и даже от остаточного пламени в верхней части факела. Это может привести к проскоку пламени, которое может причинить ожог, увечье и гибель персонала, находящегося около отверстия. Факельный ствол должен быть заглушен и полностью продут с удалением всего газа, а дежурные горелки и пламя в верхней части факела должны быть погашены прежде, чем факел можно будет даже открыть. После заглушения факела и дежурных горелок горение может происходить еще в течение значительного периода времени, что обусловлено остающимся в трубе газом. Следует подождать в течение времени, достаточного для выгорания всего остаточного газа для дежурных горелок и факельного газа в стволе и коллекторе прежде, чем можно будет отсоединить фланцы от факельного ствола или открыть какой-либо люк.
       В тех случаях, если в факел фактически поступает газовоздушная смесь, обусловленная дыханием резервуара или периодическим характером технологических операций, и аппараты не были первоначально продуты, то результирующая газовоздушная смесь может быть весьма опасной. Когда она поднимается к верхней части факела, происходит ее зажигание дежурными горелками или основным факельным пламенем.
       Если скорости в факельном коллекторе в десятки раз ниже скорости горения факельного газа, то произойдет проскок пламени. Десятикратный теоретический коэффициент запаса оказывается недостаточным, если в факельном стволе возникает турбулентное течение.
       Нами разработана специальная горелочная головка, для которой в верхней части факела предусматривается огнепреградитель для предотвращения проскока пламени. Кроме того, ниже по линии необходимо установить еще один огнепреградитель в качестве второго элемента защиты.
                Тепловое излучение
       Создаваемое факелом тепловое излучение может быть весьма опасным, особенно если факельный ствол является невысоким и находится на ограниченном участке. Для регулирования тепловыделения факелы обычно поднимают на высоту или закрывают. Были проведены обширные испытания для определения особенностей теплового излучения факелов и методов его ослабления инжекцией пара, подачей воздуха и даже применением конструкций на основе множества наконечников со струйным перемешиванием. Наибольшее беспокойство в связи с тепловым излучением вызывает наличие у персонала достаточного времени, что¬ бы покинуть участок местонахождения факела, и его воздействие на оборудование.
       Обычно тепловое излучение не создает крупных осложнений, если этому обстоятельству уделено внимание во время начального проектирования факельной трубы или закрытого агрегата. Эксплуатационный персонал не должен заходить в зоны безопасности, если агрегат полностью не заглушен.
Указанные зоны создаются только в расчете на обеспечение безопасности оборудования и не дают до¬статочного времени персоналу, чтобы покинуть участок при работающем факеле.
                Шум
       Шум является серьезной проблемой применения факелов, особенно при высоких расходах и при использовании пара или другой среды для обеспечения бездымной работы. Существуют специальные малошумные конструкции поднятого или закрытого факела, в которых предусматривается акустическая защита для ослабления шума.
С точки зрения безопасности шум не является проблемой, если не считать таких применений, как морские платформы, где из-за шума эксплуатационный персонал может не расслышать предупредительные сигналы или другие распоряжения.
       Таким образом, факелы являются эффективными средствами обеспечения безопасности и охраны окружающей среды, если всесторонне учитываются особенности их конструктивного исполнения, монтажа и проводится постоянное техническое обслуживание. В противном случае факелы дополнительно создают свои характерные проблемы.