Приложение N 2. Методика расчета выбросов вредных веществ в атмосферу при сжигании попутного нефтяного газа на факельных установках

Приложение N 2

к приказу Госкомэкологии РФ

от 8 апреля 1998 г. N 199

ГАРАНТ:

Настоящая Методика должна быть переработана и унифицирована в 2008-2010 гг. 

Методика расчета
выбросов вредных веществ в атмосферу при сжигании попутного нефтяного газа на факельных установках
(утв. приказом Госкомэкологии РФ от 8 апреля 1998 г. N 199)

Введен в действие с 1 января 1998 г.

Сведения о документе

Разработан: Научно-исследовательским институтом охраны атмосферного воздуха.

Утвержден: приказом Государственного комитета Российской Федерации по охране окружающей среды (от 8 апреля 1998 г. N 199).

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

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 4 м 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

d_0 - 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 выходного 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 V_i (% об):

- метан СН4;

- этан С2Н6;

- пропан С3Н8;

- бутан С4H10;

- пентан C5H12;

- гексан C6H14

- гептан С7Н16

- азот N2;

- диоксид углерода СO2;

- сероводород H2S (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:

                                2

              W  = 0.785 x U x d  ,                               (5.1.1)

               v                0

где U  - скорость истечения ПНГ из выходного сопла  факельной  установки,

         м/с (по результатам измерений);

    d  - диаметр  выходного  сопла, м   (по  проектным  данным  факельной

     0   установки).

При отсутствии прямых измерений скорость истечения U принимается в соответствии с "Правилами устройства и безопасной эксплуатации факельных систем" 1992 г. равной

при достоянных сбросах:

           U = 0.2 x U                                            (5.1.2)

                      зв

при периодических и аварийных сбросах:

           U = 0.5 х U  ,                                         (5.1.3)

                      зв

где U   - скорость распространения звука в ПНГ,  рассчитываемая  согласно

     зв   Приложению Г.

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

                     2

    W  = 2826 х U х d   х ро ,                                     (5.2)

     g               0      г

где ро  - плотность  ПНГ,  кг/м3,  (измеряется  экспериментально,    либо

      г   рассчитывается по объемным долям V_i (% об) и   плотностям ро_i

         (кг/м3) компонентов - см. Приложение А).

5.3. Объемный расход продуктов сгорания, покидающих факельную установку, W_пр (м3/с):

                             273 + Т

                                    г

         W   = W x  V   x (-----------) ,                              (5.3)

          пр    v    пс        273

где W  - объемный расход (м3/с) сжигаемого на  факельной  установке  ПНГ,

     v   рассчитываемый по формуле (5.1.1);

    V  - объем продуктов  сгорания (м3/м3),  рассчитываемый по  формуле 3

     пс  Приложения В;

    Т  - температура горения, рассчитываемая согласно п. 8.3

     г

6. Расчет мощности выбросов вредных веществ в атмосферу

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

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

6.1.2. Расчет условной молекулярной массы мю_г, кг/моль (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°,С;

- давление Р, мм.рт.ст.;

- относительная влажность фи (в долях или %).

6.2.1. Определение массового 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 ро_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. Проверка 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    >= 0.2 U                                           (6.1)

             ист         зв

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
q_СО q_NOx q_сажи бенз(а)пирен	2 x 10(-2) 3 x 10(-3) - 2 x 10(-11)	0.25 2 x 10(-3) 3 x 10(-2) 8 x 10(-11)

В случае сжигания серосодержащего попутного нефтяного газа удельный выброс диоксида серы рассчитывается по формуле:

                        s

         q    = мю    ------,                                       (6.2)

          SO2     SO2  мю

                         г

где мю_SO2 - молекулярная масса SО2, мю_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, O2, Н2O 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 x (коэф. недожога) x (массовая доля в %)         (6.3)

7. Расчет максимальных и валовых выбросов вредных веществ

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

           W   = 0.278 x q  x W ,                                   (7.1)

            gi            i    g

где q  - удельный   выброс   i-го   вредного вещества на единицу   массы

     i   сжигаемого газа (кг/кг) (Приложение Д);

    W  - массовый   расход   сбрасываемого  на факельной установке  газа

     g   (кг/час)(см. формулу 5.2).

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

            W  (t) = 0.001 x q  x W  x t,                           (7.2)

             gi               i    g

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  = h  + L  ,                                      (8.1)

                в    в    ф

где h  (м) - высота  факельной трубы (устанавливается по проектным данным

     в       высотной факельной установки);

    L  (м) - длина   факела (рассчитывается  по формуле (1) Приложения Ж,

     ф       либо определяется по номограммам Приложения Ж.

8.1.2. Для горизонтальный# факельных установок:

          Н  = 0.707(L  - l ) +- h ,                                (8.2)

           г          ф    a      г

где l (м) - расстояние от сопла трубы до противоположной стены амбара;

     a

    h (м) - расстояние выходного сопла от уровня земли (со знаком "плюс",

     г      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 в атмосферу газовой смеси (продуктов сгорания)

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

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

                              2

             W   = 1.274 W  /D   (м/с),                              (8.3)

              пс          пр  ф

где D (м) - диаметр факела.

     ф

D_ф рассчитывается по формуле:

    D  = 0.189 L ,                                                  (8.4)

     ф          ф

где L  - длина факела (Приложение Ж).

     ф

8.3. Расчет температуры выбрасываемой в атмосферу газовой смеси

8.3.1. Расчет удельных выбросов Н2О, N2 и О2 на единицу массы сжигаемого ПНГ (кг/кг) (Приложение Е).

8.3.2. Расчет низшей теплоты сгорания сжигаемого газа Q_нг (ккал/м3) (Приложение 3).

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

                               0.5

              Дельта = 0.048 мю    ,                                (8.5)

                               г

где мю  - условная молекулярная масса ПНГ (Приложение А).

      г

8.3.4. Расчет количества теплоты в продуктах сгорания попутного нефтяного газа для трех значений температуры горения Т°К (например, T_1 = 1500°К; Т_2 = 1900°К; Т_3 = 2300°К) Q_пс (ккал):

     Q   = Сумма q  x С (Т) x (Т - 293) ,                           (8.6)

      пс     i    i    р

где q (кг) - масса i-го    компонента    продуктов   сгорания 1 м3    ПНГ

     i       (Приложение Е);

    С (Т)  - средние   массовые   изобарные    теплоемкости  составляющих

     p      продуктов сгорания (таблица 3 Приложения В1).

8.3.5. Построение графика Q_пс (T).

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

      Q  (Т)  = Q  х (1 - Дельта).                                  (8.7)

       пс        н

8.3.7. Определение температуры выбрасываемой в атмосферу газовой смеси:

        Т  = Т - 273, °С.

         г

Список литературы

1. А.М. Левин. Принципы рационального сжигания газа. Л., Недра, 1977.

2. Ф.А. Вильямс. Теория горения. М., Наука, 1971.

3. Д.М. Хзмалян, Я.А. Каган. Теория горения и топочные устройства. М., Энергия, 1976.

4. С.Л. Беренблюм, Э.М. Ривин. Методы расчета вредных выбросов в атмосферу из нефтехимического оборудования. Обзорная информация серии: охрана окружающей среды. ЦНИИТЭнефтехим, М., 1991.

5. Временные ведомственные нормы технологического проектирования по определению выбросов вредных веществ в атмосферу при проектировании и реконструкции нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий, ВНТП 30.81. - М., ВПО Союзнефтеоргсинтез, 1981.

6. Т.Т. Стрижевский, А.И. Эльнатанов. Факельные установки. М., Химия, 1979.

7. Сборник методик по расчету выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами. М., Гидрометеоиздат, 1986.

8. И.Т. Гороновский, Ю.П. Назаренко, Е.Ф. Некряч. Краткий справочник по химии. Киев, Наукова думка, 1987.

9. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Под ред. акад. В.П. Глушко. Изд. АН СССР, 1962.

10. С.Л. Ривкин. Термодинамические свойства газов. М., Энергия, 1973.