какое загрязнение происходит при сжигании углеводородов на факельных установках
Воздействие нефтегазовых объектов на окружающую среду
Воздействие объектов нефтегазового комплекса на атмосферу
Вся техническая мощь современной цивилизации базируется на использовании энергии, которая основана на изъятии кислорода воздуха. Все технологии получения энергии путем окисления разрушают атмосферу Земли, необратимо связывают атмосферный кислород в воду. Сжигание 1 кг бензина поглощает из воздуха 3,5 кг кислорода, реакции окисления продуктов мировой неФтедобычи в течение года поглощают из атмосферы около 12 млрд т кислорода. Сжигание добытого за год природного газа поглощает из атмосферы более 11 млрд т кислорода. Не случайно в воздухе мегаполисов содержится всего 17% кислорода вместо естественных 21%.
Буровые установки, нефтяные и газовые промыслы являются технологическими объектами, выделяющими в атмосферу различные загрязняющие вещества.
Загрязнение атмосферы при испытании продуктивных горизонтов может быть достаточно интенсивным несмотря на их кратковременный характер. Количество сжигаемых на факеле нефти и попутного газа зависит от дебита флюидов и по массе может составлять сотни тонн. Сам процесс сжигания может занять несколько недель.
В период бурения скважин основными источниками выбросов в атмосферу являются дизельные установки (табл. 6.1). В период цементации обсадных колонн продолжительностью до 24 ч общая мощность передвижной техники достигает 3600 кВт. Здесь может быть задействовано одновременно 5-6 дизелей. При нормальной работе дизеля в период проходки ствола и спускоподъемных операций за сутки выбрасывается (кг) 
.
| Вещества | ПДК в воздухе населенных мест,  | ПДК в воздухе рабочей зоны, | Класс опасности | Выбросы, т/скв. |
| Оксид углерода | 5,0 | 20,0 | 4 | 30,05 |
| Диоксид азота | 0,085 | 5,0 | 2 | 14,92 |
| Сажа | 0,15 | 4,0 | 3 | 5,60 |
| Диоксид серы | 0,5 | 10,0 | 2 | 19,79 |
| Углеводороды | 5,0 | 100 | 4 | 10,23 |
При бурении скважин источниками загрязнений атмосферы являются залповые выбросы при нефте- и газопроявлениях, сжигание углеводородов на факельных установках при очистке призабойной зоны пласта, термическое обезвреживание буровых шламов. длительные испытания пробуренных скважин, дизельные приводы и котельные установки на буровых.
Ежегодно в России в районах добычи нефти и газа в год происходит один неуправляемый выброс на 1000 скважин. Например, открытый выброс газа и конденсата, который произошел на разведочной скважине Кумжа-9 в дельте реки Печоры, не удавалось заглушить в течение шести с половиной лет: скважина ежесуточно выбрасывала в атмосферу 2 млн 
газа и сотни тонн конденсата.
При аварийных разливах нефти происходит загрязнение атмосферы за счет испарения низкомолекулярных углеводородов. Цельная величина выбросов углеводородов с поверхности разлитой нефти плотностью 0,85-0,89 
при различных температурах и различной продолжительности испарения может быть определена с помощью табл. 6.2.
| Слой нефти, м | Продолжительность испарения, 24 ч | Продолжительность испарения, 120 ч | Продолжительность испарения, 240 ч | ||||||
 |  |  | | | | | | | |
| 0,01 | 0,3 | 0,9 | 5,7 | 1,0 | 4,9 | 6,5 | 1,3 | 6,2 | 6,6 |
| 0,05 | 0,8 | 2,4 | 9,4 | 2,7 | 8,0 | 10,9 | 3,8 | 10,4 | 11,1 |
| 0,1 | 1,1 | 3,6 | 15,4 | 4,0 | 12,8 | 18,3 | 6,0 | 17,4 | 18,8 |
| 0,5 | 2,7 | 9,3 | 29,3 | 10,4 | 23,6 | 36,3 | 16,4 | 34,0 | 37,4 |
| 1,0 | 3,8 | 13,7 | 47,6 | 15,5 | 37,3 | 60,8 | 25,0 | 56,3 | 63,0 |
) при различных температурах и продолжительности испарения На всех НПЗ происходят значительные выбросы УВ в атмосферу. Это испарение нефти и нефтепродуктов с открытых поверхностей очистных сооружений. Утечки жидкостей и паров происходят из насосов и компрессоров. Обычно предохранительные клапаны сбрасывают газы на факел, но при перегрузке факела газа сбрасывают в атмосферу. Оборотные воды при уносе и испарении с градирен также загрязняют атмосферу.
При первичной переработке нефти на установках АВТ попутный нефтяной газ попадает в атмосферу через неплотности аппаратуры и предохранительные клапаны ректификационных колонн и сепараторов. Большое количество легких УВ уходит в атмосферу через дыхательные клапаны, открытые люки, при наливе и сливе нефтепродуктов. Это так называемые неорганизованные выбросы.
Параметры процесса горения углеводородов
Нефтезаводские факелы служат для ликвидации вредных токсичных газов и паров, выделяющихся при нарушении технологии, аварийных ситуациях. Факельное хозяйство НПЗ необходимо проектировать с учетом полного улавливания и утилизации горючих газов и паров, сбрасываемых на факел, а также конденсата нефтепродуктов, образующихся в факельной системе.
Для сравнения по энергетической ценности различных видов топлива вводится понятие условное топливо. В качестве единицы условного топлива принимается 1 кг топлива с теплотой сгорания 29,33 МПа/кг.
Соединение компонентов углеводородного топлива с кислородом при горении происходит в результате стехиометрических реакций, в которых отношения количеств исходных веществ соответствует условию получения конечных продуктов горения.
Реакция полного сгорания углеводородов 
выражается следующим стехиометрическим уравнением:
где 
и 
— компоненты продуктов полного сгорания топлива.
Если в составе топлива имеется кислород, который участвует в процессе горения, то на величину его объема уменьшается расход окислителя, необходимого для полного сгорания топлива.
При сжигании углеводородного топлива в качестве окислителя в основном используется воздух. Для упрощения расчетов реакций горения топлива в воздухе принимается, что воздух состоит из 21% кислорода и 79% азота. При этом условии стехиометрическое уравнение реакции горения метана в воздухе имеет следующий вид:
где в объеме продуктов сгорания содержится: углекислого газа 9,51%, паров воды 19,01%, азота 71,48%. Из подобных стехиометрических уравнений определяется теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания углеводородного топлива.
Коэффициентом избытка окислителя (воздуха) 
называется отношение количества окислителя, подаваемое на горение, к его теоретически необходимому количеству. При 
горючая смесь называется богатой, поскольку горючее находится в избытке, при 
1″ style=»display: inline; «> смесь называется бедной, так как в избытке находится окислитель. В обоих случаях часть теплоты, выделяющаяся при горении, затрачивается на нагревание излишнего компонента.
Температура воспламенения газов не является физико-химической константой. Для стехиометрической смеси метана с воздухом температура воспламенения может изменяться в диапазоне от 545 до 
.
Нормальной скоростью распространения пламени называется скорость движения фронта пламени относительно свежей смеси в направлении, нормальном к его поверхности. Это движение обусловлено процессом передачи теплоты молекулярной теплопроводностью.
При горении газовоздушной смеси, вытекающей из трубки в условиях ламинарного режима, над ее устьем образуется конусообразное пламя ( рис. 6.2), которое имеет две зоны: внутренний конус 1 и наружный конус 2. Внутренний конус представляет собой поверхность остановленного фронта пламени, где происходит выгорание части горючего, обеспеченное первичным воздухом. На поверхности конуса имеет место равенство нормальной скорости распространения пламени 
и нормальной составляющей скорости потока в трубке 
газовоздушной смеси.
В промышленных горелочных устройствах сжигание углеводородных газов производится, как правило, в турбулентных потоках. При турбулизации потока фронт пламени искривляется, разбивается на отдельные островки, изогнутые участки пламени перемещаются нерегулярным образом, скорость горения увеличивается.
Сжиженные газы имеют большую концентрацию тепловой энергии в единице объема. При испарении 1 сжиженного пропана его объем в газообразном виде составляет 290 . Сжиженные газы легко перевозить в железнодорожных и автомобильных цистернах.
При горении углеводородов окисление их основных компонентов происходит с выделением тепла:
При недостатке кислорода происходит неполное окисление и образуется оксид углерода 
-угарный газ.
| Компоненты | Бензиновый двигатель | Дизельный двигатель |
| Азот | 74-77 | 76-78 |
| Кислород | 0,3-8,0 | 2-18 |
| Вода | 3,55 | 0,5-4,0 |
| Углекислый газ | 5-12 | 1-10 |
| Оксид углерода | 1-10 | до 0,5 |
| Оксиды азота | 0,1-0,5 | до 0,4 |
| Оксиды серы | до 0,002 | до 0,03 |
| Углеводороды | до 0,10 | до 0,50 |
| Альдегиды | до 0,2 | до 0,009 |
Сажа  | до 0,04 | до 1,10 |
| Бенз(а)пирен | до 0,00002 | до 0,00001 |
Содержащиеся в углеводородах серосодержащие примеси сгорают с образованием оксидов серы.
Для регулирования качества окружающей среды введен и строго контролируется предельно-допустимый выброс (ПДВ), который устанавливается для каждого источника выброса вредных веществ в атмосферу. ПДВ есть обоснованная техническая норма выброса вредных веществ из промышленных источников в атмосферу. На предприятиях нефтегазовых отраслей работы по нормированию выбросов начинают с инвентаризации вредных выбросов, проводимой предприятиями и специализированными организациями.
Наиболее эффективным методом обезвреживания шламов считается термический метод, когда шламы сжигаются в печах разных конструкций. Этот метод позволяет уничтожить токсичные примеси в шламах и получить полностью обезвреженную твердую фазу. Однако при сжигании шламов химические соединения, содержащие хлор, превращаются в токсичные диоксины, которые вместе с выбросами печей попадают в атмосферу.
Следствием выбросов в атмосферу диоксидов серы и азота являются кислотные дожди, основными составляющими которых являются слабые растворы азотистой, азотной и серной кислот. Кислотные дожди могут выпадать на больших расстояниях от источника выбросов оксидов серы и азота вследствие переноса их воздушными массами. Кислотные дожди оказывают разрушающее воздействие на конструкционные материалы и действуют на дыхательную систему человека.
При сжигании на факельных установках попутного газа и других углеводородов необходим избыток кислорода на 10-15% больше стехиометрического количества. Оборудование для сжигания в этом случае включает горелку, установленную на стальной трубе, по которой идет газ.
По способу расположения факельной горелки установки могут быть высотными и наземными. В высотных установках ( рис. 6.3) продукты сгорания непосредственно поступают в атмосферу. В наземных установках горелка расположена на небольшом расстоянии от земли, а продукты сгорания отводятся в атмосферу через дымовую трубу.
Загрязнение атмосферы объектами СПГ
Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от объектов СПГ включают выбросы от источников горения при производстве электроэнергии и тепла,
Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от объектов СПГ включают выбросы от источников горения при производстве электроэнергии и тепла, а также при использовании компрессоров, насосов и поршневых двигателей.
Как на заводах по сжижению СПГ, так и на регазификационных терминалах возможны вредные выбросы от факельного сжигания и выпуска углеводородов, равно как и неорганизованные выбросы.
Для оценки воздействия заводов СПГ с крупными источниками горения на качество воздуха следует использовать базовые оценки качества воздуха и модели рассеивания в атмосфере, которые позволят определить потенциальные значения концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы при проектировании и планировании эксплуатации этих объектов.
Необходимо принять все разумные меры для достижения максимальной энергетической эффективности и проектирования сооружений с минимальным потреблением энергии. Общая задача должна состоять в снижении выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и выборе экономически оправданных и технически осуществимых вариантов для снижения вредных выбросов.
Отходящие газы
Выброс в атмосферу отходящих газов, происходящий при сгорании газообразного или жидкого топлива в турбинах, котлах, компрессорах, насосах и других двигателях для производства электроэнергии и тепла, может быть самым существенным источником выбросов в атмосферу с объектов СПГ. При подборе и закупках оборудования следует во всех случаях учитывать его характеристики в части выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
Следует оценить целесообразность выбора для установки на регазификационных терминалах испарителей с погружной камерой сгорания, панельных испарителей открытого типа, кожухотрубных испарителей и воздушных испарителей, принимая во внимание исходное состояние окружающей среды и её чувствительность к внешним воздействиям. Если поблизости имеется иной источник тепловой энергии (например, нефтеперерабатывающий завод), можно рассмотреть возможность монтажа установки для утилизации отходящего тепла либо кожухотрубных испарителей.
Если для регазификации СПГ используются панельные испарители открытого типа, то при функционировании регазификационного терминала в обычном режиме выбросов загрязняющих веществ в атмосферу не ожидается, за исключением неорганизованных выбросов в атмосферу газа с высоким содержанием метана.
Выпуск и факельное сжигание газа
Факельное сжигание и выпуск газа служат важной мерой обеспечения безопасности, используемой на объектах СПГ для обеспечения безопасного сброса газа при аварийных ситуациях, отключении питания и отказе оборудования или возникновении других нештатных условий на установке. Сжигание на факельных установках и выпуск газа следует применять только при аварийных ситуациях или возникновении других нештатных условий на установке. Постоянный выпуск или факельное сжигание отпарного газа при эксплуатации установок СПГ в обычном режиме считаются неприемлемой практикой, которой следует избегать.
Отпарной газ (ОГ)
После сжижения природного газа, во время хранения и транспортировки СПГ, наблюдаются выбросы паров метана, известных под названием «отпарного газа» (ОГ), что связано с воздействием температуры окружающей среды и насосов резервуаров, а также с изменениями атмосферного давления. Отпарной газ следует собирать с помощью соответствующей системы рекуперации паров (например, компрессорной системы).
Неорганизованные выбросы в атмосферу
Экология газового факела
Дожимная насосная газостанция на Приобском нефтегазовом месторождении.
Фото РИА Новости
Факелы, в которых сгорает попутный нефтяной газ (ПНГ), являются привычным элементом природно-антропогенного ландшафта, формирующегося в местах добычи нефти. Только в Ханты-Мансийском автономном округе – Югре (ХМАО), где из недр извлекается почти 60% российской нефти, таких факелов насчитывается более тысячи. Из космоса же небо над ХМАО выглядит угрожающе красивым и имеющим красноватый оттенок. Именно угрожающе, поскольку последствия горения ПНГ для природной среды и населения весьма неблагоприятны.
Структура газовой «горелки»
При сжигании ПНГ на факеле, особенно при нарушении оптимальных режимов горения, происходит выброс в атмосферный воздух разнообразных загрязняющих веществ, среди которых – суперэкотоксиканты типа полихлорированных дибенздиоксинов, канцерогенные полиароматические соединения и соли различных металлов. Доминируют же в выбросах углеводороды, монооксид углерода, сажа, диоксид серы, оксиды азота. Расчеты показывают, что, например, ежегодное поступление оксидов азота при сгорании 15 куб. м ПНГ должно составлять около 20 тыс. тонн. Для диоксида серы этот показатель превышает 200 тонн.
В ПНГ, поступающем на факел, можно обнаружить практически все органические и неорганические соединения, которые присутствуют в сырой нефти и пластовых водах, и в результате в шлейфах, например, Самотлорского месторождения есть соли железа, марганца, магния, свинца, ртути, хрома, никеля, титана, алюминия, меди, бария и ряда других металлов.
Продукты сгорания ПНГ могут достигать высоты не менее 600 м, распространяясь в дальнейшем на большие расстояния. Такой компонент аэрозоля, как сульфаты, могут мигрировать в атмосфере в течение приблизительно 40 дней после выброса. При этом около 40% их выпадает вблизи факела, около 30% – на расстоянии нескольких сотен километров от источника и оставшиеся 20% – на расстоянии от тысяч до десятков тысяч километров.
Даже при относительно слабом ветре значимые концентрации углеводородов, аммиака и монооксида углерода обнаруживаются на расстоянии до 15 км от факела, сероводорода – до 10 км, оксидов азота – до 3 км.
В наибольшей степени влияние загрязняющих веществ ощущается, естественно, вблизи горящих факелов. Так, в результате поступления в атмосферу Нижневартовска оксидов азота над городом в теплое время на высоте около 400 м образуется «озоновая дыра». Зоны повышенного аэрозольного загрязнения (от 2 до 10 ПДК) формируются вблизи промышленных центров ХМАО, таких как, например, город Мегион и поселок Высокий.
Горение ПНГ вызывает также локальные изменения климата, например образование кучевых облаков в 1–2 балла высотой 200–300 м и ослабление инсоляции.
Снижение инсоляции и устойчиво высокие концентрации загрязняющих веществ в атмосфере неблагоприятно влияют на здоровье жителей населенных пунктов, расположенных в зоне влияния горящих факелов. Так, известно, что заболеваемость населения Среднего Приобья приблизительно на 40% выше, чем в среднем по России, а уровень онкологических заболеваний выше в три раза. Кстати, у мышевидных грызунов, обитающих вблизи факелов, злокачественные опухоли встречаются значительно чаще, чем у таких же животных, чьи места обитания находятся вдали от подобных объектов.
При горении ПНГ интенсивному тепловому и химическому воздействию подвергаются почвенный покров и растительность, причем результат этого воздействия ощущается по разным данным на расстоянии от нескольких сотен метров до нескольких километров. В зависимости от мощности факела на расстоянии от 50 до 150 м происходит выжигание органического вещества почвы и соответственно почвенной флоры и фауны, грунт прокаливается до превращения в пылящий бесструктурный песок или спекшийся суглинок. Дефолиация и значительное угнетение растительности в зависимости от местных условий наблюдается на расстоянии от 400 до 800 м.
В результате выбросов горящих фракций нефти, присутствующей в ПНГ, возникают лесные пожары, охватывающие площади в десятки гектаров, при которых погибают животные, птицы и насекомые. Выбросы «капельной» нефти и выпадение аэрозольных компонентов приводят к загрязнению прифакельной территории углеводородами, сульфатами, нитратами, сажей, полиароматическими углеводородами, 3,3-бензпиреном, диоксинами и тяжелыми металлами. При этом концентрации полиароматических углеводородов и 3,4-бензпирена могут составлять от 10 до 20 ПДК, а содержание нитратов и сульфатов в десятки раз превышать фоновые концентрации даже на расстоянии 600–800 м от факела.
Весьма приблизительная оценка площади нарушенных земель и пострадавших в той или иной степени древесных насаждений в результате функционирования факельных устройств на всех нефтяных месторождениях России дает величину порядка 100 тыс. га. При этом можно процитировать главного научного сотрудника Института леса им. В.Н.Сукачева СО РАН В.Н.Седыха: «Сейчас никто не может сказать, какое количество нарушенных земель в действительности присутствует в районах нефтегазодобычи. Информация подобного рода в нефтегазодобывающих компаниях (если она имеется) является закрытой, а государственные учреждения до сих пор не пытались и не пытаются получить подобные сведения».
Отдавая себе отчет в большой неточности эколого-экономических оценок последствий сжигания ПНГ на факелах, попробуем получить хотя бы приблизительные цифры, характеризующие эту проблему. В соответствии с нормативами платежей за воздействие на окружающую среду, введенными постановлениями правительства Российской Федерации № 344 от 12 июня 2003 года и № 410 от 1 июля 2005 года, и исходя из того, что на факелах сгорает 15 млрд. куб. м ПНГ, в котором содержится около 80% метана, в целом нефтедобывающие предприятия должны платить за факельные выбросы загрязняющих веществ приблизительно 0,7 млрд. руб.
По коммерческим данным нефтедобывающих компаний затраты на реабилитацию земель, загрязненных нефтепродуктами и другими химическими веществами, в зависимости от характера почвы, степени и вида загрязнений и вида применяемых технологий, составляют от 0,3 до 1,3 млн. руб. за гектар. Отсюда следует, что затраты на реабилитацию территорий общей площадью 100 тыс. га должны варьировать в интервале от 30 до 130 млрд. руб.
Оценка ущерба лесному хозяйству в предположении, что безвозвратные потери древесины уже составили около 2,5 млн. куб. м, а аукционная цена обезличенного кубометра древесины варьирует в интервале от 100 до 200 руб., приводит к величине потерь около 0,4 млрд. руб. Дополнительно ежегодно теряется от 25 до 100 тыс. куб. м обезличенной древесины, стоимость которой составляет от 2,5 до 20 млн. руб.
Можно оценить, наконец, условные потери от неиспользования механизмов гибкости Киотского протокола. При объемах выбросов парниковых газов, сопровождающих горение ПНГ, 80–100 млн. тонн в СО2-эквиваленте и рыночной стоимости тонны – 10 евро – реализация мероприятий по предотвращению этих выбросов могли бы привлечь иностранные инвестиции в размере до 50 млрд. руб. в год.
К сожалению, практически нет данных, которые позволили бы оценить, даже приблизительно, ущерб поверхностным и подземным водам, животному миру и здоровью населения, объектам промышленной и жилой инфраструктуры, негативный вклад в изменение климата. Но даже при их отсутствии можно утверждать, что общий счет идет на сотни миллиардов рублей, что, кстати, никак не компенсируется потенциальными платежами за негативное воздействие в размере 0,7 млрд. руб.