مخاطر مقنعة

كلايتون أ. فرانسيس, Zeeco، الولايات المتحدة الأمريكية، لماذا يمكن أن تبدو أكبر الآثار البيئية الناجمة عن معدات الحرق غير ضارة في كثير من الأحيان.

في بعض الأحيان يمكن أن تكون الأشياء التي تبدو غير ضارة ضارة. وفقا لمنظمة الصحة العالمية ، فإن المزيد من شباب اليوم معرضون لخطر فقدان السمع بسبب أجهزتهم الصوتية الشخصية أكثر من حجم الحفلات الموسيقية وأماكن الموسيقى. ⁽¹ ) إن التعرض الشائع، الذي يبدو ضئيلا، هو الأكثر تأثيرا، وليس الانفجار النادر كما هو متوقع. هذه الظاهرة صحيحة في جوانب أخرى من الحياة اليومية ، بما في ذلك تأثير بعض معدات العملية.

وقد تساءل أعضاء المجتمع والخبراء التنظيميون في بعض الأحيان عما إذا كانت التوهجات فعالة في عملهم المتمثل في التخلص من الغاز بشكل موثوق وآمن ومسؤول بيئيا. وقد أكدت الاختبارات المكثفة، التي امتدت على مدى أربعة عقود، أن التوهجات التي يتم تشغيلها بشكل صحيح تحمي البيئة بشكل موثوق وكذلك المعدات والموظفين داخل منشأة التشغيل. تم إجراء الاختبار في المقام الأول في ظل سيناريوهات التشغيل المثالي لطرف التوهج وتدفقات المرافق الخاصة به. ومع ذلك ، فإن عوامل متنوعة مثل عدم كفاية التدريب ، أو عدم قياس العملية ، أو غيرها من العقبات التشغيلية يمكن أن تؤدي بسهولة إلى التشغيل غير الكفء وغير الفعال لاشتعال العملية.

عند النظر في التعقيد الإضافي لتقنيات الحرق بدون دخان ، هناك عامل تشغيلي آخر هو العلاقة الحاسمة بين معدلات تدفق غاز التوهج ووسائط الحقن التي لا تدخن. عندما يتم تطبيق الكثير من البخار أو الهواء - وهما أكثر وسائط الحقن عديمة الدخان شيوعا - ، يمكن تخفيف منطقة الاحتراق حتى يتم تقليل كفاءة الاحتراق أو حتى إيقافها تماما. بالإضافة إلى التأكد من أن تصميم التوهج الأولي يتوافق مع القانون البيئي ، من الضروري أن يوفر تصميم التوهج الحماية ضد إطلاق الهيدروكربونات غير المحترقة حتى عند معدل التدفق / التطهير المنخفض العادي للتوهج.

تتمثل إحدى الصعوبات المتأصلة في تقنيات التوهج عديم الدخان في أن الحد الأدنى من تدفقات المنفعة لوسائط الحقن التي لا تدخن مطلوب لحماية معدات الاحتراق من التلف الحراري. هذه التدفقات الدنيا، سواء كانت تدفقا محددا من الشركة المصنعة للمعدات أو قيدا عمليا على ترتيب الأسرة في المعدات، مرتفعة إلى حد ما عند مقارنتها بالحد الأدنى من غاز التطهير القابل للاحتراق المتدفق إلى التوهج. هذا الاختلال في التوازن بين الحد الأدنى لمعدل التوهج وتدفق الوسائط الخاملة عديم الدخان الكبير نسبيا يمكن أن يكون مدمرا لكفاءة الاحتراق. وبما أن التوهجات نادرا ما تتدفق بمعدلات اضطراب كبيرة، فإن عدم كفاءة الاحتراق المزعجة هذه بمعدلات التطهير يشكل التشغيل الطبيعي ساعة بساعة. وبهذه الطريقة ، فإن ما يبدو غير ضار يشمل أكبر تأثير بيئي من معدات الحرق.

تمت دراسة وتحديد مخاطر عدم التوازن بين وسائط الحقن عديمة الدخان والغاز المشتعل من قبل الباحثين والهيئات التنظيمية ، مما أدى إلى لوائح في الولايات المتحدة تراقب هذه النسبة وتتحكم فيها عن كثب لضمان الاحتراق السليم حتى عند ترتيب الأسرة. ^2,3 بالنسبة لتكنولوجيات طرف التوهج التقليدي الذي لا يدخن، يلزم زيادة معدلات التطهير القابلة للاحتراق من أجل تلبية اللوائح الخاصة بكفاءة الاحتراق في التشغيل العادي غير المضطرب، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك غاز الوقود والتحديات التي تواجه تصاريح التشغيل الحالية. مع الكشف عن أن الكثير من التأثير السلبي محتمل في ظل التشغيل العادي ، يجب تخفيف عدم التوازن بين الحد الأدنى من حقن البخار ومعدلات تطهير غاز التوهج.

تقليل استهلاك البخار

يتم جعل المشاعل عديمة الدخان من خلال ضمان توفر كمية كافية من الهواء والأكسجين المضغوط وخلطها مع التدفق الهيدروكربوني بحيث يتم أكسدة جميع الروابط بين الكربون والكربون. مع تقنيات التوهج البخاري ، ليس البخار نفسه هو الذي يجعل اللهب عديم الدخان ، ولكن في المقام الأول الهواء المدفوع والمقيد بتدفق البخار. تبدأ التطورات في تقنية التوهج البخاري، سواء كانت تستهدف تقليل استهلاك البخار أو تحسين أداء منطقة الاحتراق عند ترتيب الأسرة، بزيادة الكفاءة التي يتم بها نقل الهواء بواسطة البخار.

Zeeco طور المهندسون SteamForce تقنية HC مضيئة لحل المشكلات البيئية من خلال آلية حقن بخار فعالة. إن تقليل استهلاك البخار له العديد من الآثار الإيجابية على تكاليف التشغيل والآثار البيئية والامتثال التشغيلي. في التصميم الجديد ، يتم توزيع رافع واحد من غاز التوهج بين عدة فوهات بخارية. تتكون مجموعات الفوهة من فنتوري يثقف الهواء محاطا بشكل مركز بحلقة غاز مضيئة (الشكل 1). تستخدم كل فوهة حقن البخار كقوة دافعة في قاعدتها ، وتحيط بها في المحيط حلقة نفاثة لضمان الخلط الكامل والتفاعل بين غاز التوهج وهواء الاحتراق الذي يقلل من الدخان.

تقنية حقن البخار

في تقنيات حقن البخار المبكرة ، يدفع الحاقن الهواء المحيط إلى منطقة الاحتراق ، وغالبا ما يكون ذلك باستخدام مجموعة متنوعة من الحقن حول محيط الطرف. يزيد استخدام أنابيب البخار / الهواء (S / A) من كفاءة حقن الهواء إلى البخار عن طريق جمع الهواء باستخدام جرس مدخل ، ثم نقل حجم الهواء هذا عبر أنبوب إلى قلب منطقة الاحتراق. كانت زيادة حجم الهواء ونشره في المناطق التي يصعب الوصول إليها من غاز التوهج الأساس وراء معظم أطراف التوهج البخاري عالية السعة لعقود. ومع ذلك، استمر هناك نوعان من أوجه القصور في النظام: تتطلب أنابيب S/A وجود ميتر أو انحناء لتوجيه التدفق بشكل صحيح، مما ينتقص من الكفاءة، والأنبوب ذو قطر ثابت عبر طوله (الشكل 2، إلى اليسار).

تؤدي السرعات العالية في أنبوب S / A عند تشغيله بسعة عالية إلى حدوث خسائر في السحب والضغط ، مما يحد من توصيل الهواء الكلي لكل أنبوب. تقوم العديد من التقنيات الحديثة بدمج أنابيب مستقيمة للحصول على أداء أفضل. ومع ذلك ، لا يزال التدفق مقيدا والكفاءة محدودة في تكوين القطر المتسق (الشكل 2 ، يمين). Venturis هي أجهزة معروفة وقد استخدمت في المعدات في جميع أنحاء محطات المعالجة لضغط أو دفع أو مضاعفة التدفقات.

تم دمج Venturis الحقيقي مؤخرا فقط في نصائح توهج البخار لدفع الهواء. يتجنب المخروط المتمدد في اتجاه مجرى النهر لقسم الضغط في الفنتوري سحب وتقييد تصميم الأنبوب ذي القطر المستقيم (الشكل 3).

بشكل عام ، يسحب الزخم من البخار المنبعث من فوهة البخار (على كلا الجهازين) الهواء المحيط إلى جرس المدخل. ثم يتدفق خليط الهواء والبخار عبر القسم المستقيم مع تطور التدفق. في تصميم فينتوري ، يتحرك التدفق بعد ذلك عبر جرس المخرج الذي يزداد تدريجيا في مساحة المخرج ، مما يقلل الضغط ، مما يسمح لمزيد من التدفق بالتحرك عبر النظام. من خلال الاختبارات التجريبية ، أظهر تصميم الأنبوب هذا زيادة تصل إلى 80٪ في حجم الهواء لنفس تدفق البخار لأنبوب S / A مماثل الحجم (الشكل 4). يؤدي هذا الدفع الهوائي المتزايد إلى توفير كبير في البخار بسعات عديمة الدخان (المزعجة) ، ولكن الأهم من ذلك ، أن الاستهلاك المنخفض للبخار ينطبق على معدلات التطهير اليومية العادية أيضا.

الشكل 4. للحصول على معدل تدفق بخار يبلغ 3427 رطل / ساعة ، يمكن لتصميم فنتوري بدون خلط مسبق سحب 49 572 رطلا / ساعة من الهواء مقارنة ب 27 468 رطلا / ساعة من الهواء لجهاز أنبوب مستقيم مع خلط مسبق لغاز التوهج والبخار والهواء. علاوة على ذلك ، حقق جهاز فينتوري نسبة كتلة تبلغ 14.47 رطل هواء لكل 1 رطل بخار مقارنة ب 8.06 رطل هواء لكل 1 رطل بخار لجهاز الأنبوب المستقيم.

يعد تحسين الوصول إلى إمدادات الهواء المحيط في تكوينات التوهج مفهوما ثبت أنه يعمل في التوهجات الأرضية متعددة النقاط ، والتقنيات الصوتية متعددة التسليح ، وغيرها. مع نقاط الحقن الإضافية ، تزداد حدود التفاعل بين غاز التوهج والأكسجين المتاح ، لذلك يتم سحب المزيد من الأكسجين إلى منطقة الاحتراق. في الآونة الأخيرة فقط تم تطبيق هذا المفهوم على مشاعل البخار ، لأنها كانت تقليديا برميلا واحدا كبيرا. يؤدي تقسيم التدفق الهيدروكربوني بين مجموعات الفوهات المتعددة إلى مضاعفة نسبة الهواء المحيط الملامس لتدفقات الهيدروكربونات في التوهج. يخلق هذا التكوين تدفقا حلقا لغاز التوهج (الشكل 1) ، أي أنه محاط بالهواء على كل من محيطه الداخلي والخارجي. يضمن تغليف الغاز بهذه الطريقة تفاعلا فائقا بين البخار والهواء ، مما يزيد من تعزيز القدرة الخالية من الدخان. في نهاية المطاف، تتم مقارنة تقنيات التوهج بالبخار بنسبة حقن الكتلة الهيدروكربونية (S/HC) اللازمة لجعل تركيبات الغاز الفردية عديمة الدخان. عند استخدام البروبيلين كوسائط غاز اختبار ، تكون معدلات S / HC المتوقعة 0.55 لتكوين توهج البخار التقليدي للحقن العلوي فقط و 0.38 لتصميمات أنابيب S / A المنحنية. على النقيض من ذلك ، يتطلب التصميم الحلقي معدل 0.25 كجم من البخار لكل 1 كجم من البروبيلين المحروق بدون دخان (الشكل 5).

الشكل 5. يوضح ما سبق التوفير في استهلاك البخار باستخدام SteamForce توهج HC مقارنة باستخدام أنبوب S / A المنحني التقليدي أو طرف توهج البخار العلوي.

عادة ما يتم تحسين أداء التوهج للحصول على تدفقات أعلى من الحد الأدنى ، باستخدام سرعات واضطرابات عالية بما يكفي للتغلب على التأثيرات الخارجية مثل الرياح المتقاطعة. على SteamForce طرف HC ، يتم تثبيت حلقة نفاثة حول محيط الفوهة لضمان التفاعل السليم بين هواء الاحتراق وغاز التوهج عند الحد الأدنى من التدفقات. يحدد بعض البائعين ضغوط توهج تشغيلية عالية نسبيا ، مثل 2 - 5 رطل لكل بوصة مربعة ، لتحقيق معلمات الأداء الموعودة. تعتمد هذه التقنيات على الطاقة الحركية للغازات في حالات الطوارئ أو الاضطراب لتحسين الأداء. ومع ذلك ، تعمل العديد من مشاعل البخار عند ضغوط قصوى أقل ، وعادة ما يعاني أداء هذه النصائح بشكل كبير عند انخفاض معدل الدوران. وعلى النقيض من ذلك، ترعى الحلقة النفاثة شكل تدفق التوهج، مما يضمن تفاعلها بشكل صحيح مع قلب الهواء المتعلم، وتحافظ على أداء الطرف في جميع أنحاء نطاقها التشغيلي، وعلى الأخص عند ترتيب الأسرة بالكامل.

اعتبارات التكلفة والتشغيل

وبما أن أحداث الاشتعال نادرة وعادة ما تكون قصيرة المدة، فإن تدفقات البخار ذات التبريد المستمر تشكل معظم البخار الذي يستهلكه طرف التوهج على أساس سنوي. يحمي تدفق التبريد للبخار سلامة الحقن عن طريق التخفيف من آثار حرارة منطقة الاحتراق ؛ ويتفاقم هذا التدفق وآثاره السلبية في المناخات الباردة. مع SteamForce تصميم HC ، يحدث بشكل أساسي كل تحريض الهواء عديم الدخان في قاعدة الطرف. ونتيجة لذلك ، فإن الحقن ليست عرضة للضرر الحراري. والأهم من ذلك، أن الحجم الأكبر من الهواء المدفوع بواسطة أنابيب فينتوري يقلل من الحد الأدنى من تدفق البخار المطلوب لحماية المعدات. هناك حاجة إلى عدد قليل جدا من فوهات فينتوري لتحقيق قدرات مماثلة عديمة الدخان ، مما يقلل مرة أخرى من متطلبات بخار التطهير (الجدول 1).

كتقدير عام للوقت الذي يقضيه التوهج في تدفق التطهير مقابل حمل الإغاثة الكبير ، تم استخدام نسبة 95٪ إلى 5٪ بشكل معقول في الصناعة. يمتلك المستخدمون النهائيون سجلا لأقصى معدل حقن للبخار والحد الأدنى لتدفق البخار لمعدات التوهج ، وبالتالي فإن التحليل الأساسي بين التقنيات المختلفة يوضح كيف يمكن السيطرة على تكلفة تشغيل أطراف التوهج من خلال الحالة العادية الدنيا. إن استخدام قيمة عامة قدرها 12/1000 رطل دولار أمريكي لتوليد البخار يسلط الضوء على قدرة تقنية التوهج البخاري الجديدة على توفير التكاليف (الجدول 2).

الطريقة الموضحة في الجدول 2 لحساب تكلفة التشغيل مبسطة ولا تلتقط سوى وفورات إمدادات البخار.⁴ عندما ينظر المنظمون والمستخدمون بالإضافة إلى ذلك في متانة منطقة الاحتراق ، والتي يتم التعبير عنها أحيانا باسم قيمة التسخين الصافية لمنطقة الاحتراق (NHVcz) ، يجب إضافة تدفق وقود غني بأقل معدلات تطهير لضمان الاحتراق الصحي. ترتبط كمية حقن غاز الوقود المطلوبة ارتباطا مباشرا بالحد الأدنى لمعدل البخار ، لذلك يمكن تضخيم الوفورات التشغيلية لتكنولوجيا إحراق الشركة بناء على تكاليف الوقود واللوائح المحلية. على وجه الخصوص ، لا يمزج هذا التصميم عن قصد بين الهواء المستحث وغاز التوهج قبل خروج طرف التوهج وموقع الطيار. عدم الخلط المسبق يعني عدم وجود شرط لتضمين الهواء المستحث في حسابات NHVcz كما هو موضح في مدونة اللوائح الفيدرالية لوكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) ، الفصل 1 ، الفصل الفرعي C ، الجزء 63 ، الجزء الفرعي CC.3 عندما يتم خلط هواء الاحتراق مسبقا مع غاز التوهج قبل الخروج ، يكون له تأثير على تخفيف أداء منطقة الاحتراق أكثر من البخار نفسه. من خلال عدم إدخال هواء الاحتراق حتى خروج طرف التوهج ، يجب إثراء تدفق البخار فقط ، مما يوفر على المشغل تكلفة كبيرة لغاز وقود التخصيب.

يمكن أيضا تعزيز طول عمر طرف التوهج. ناقلات حقن البخار والهواء عمودية ، مما يخفف من إمكانية تغطية اللهب. كان لتقنيات حقن البخار السابقة ميل أفقي إلى مسار البخار. عندما تكون تدفقات غاز التوهج عند الحد الأدنى من المعدلات ، فإن تدفق البخار يضفي ضغطا وسرعة وزخما أكثر من التدفق القابل للاحتراق. يؤدي عدم التوازن في التدفق إلى "غطاء" فعال فوق مخرج طرف التوهج ، وغالبا ما يدفع هذا الغطاء الاحتراق لأسفل داخل برميل طرف التوهج. هذا التفاعل الكيميائي المرتفع في درجة الحرارة وتقليل التفاعل الكيميائي داخل الطرف يسبب ضررا لا يمكن إصلاحه بمرور الوقت وهو وضع فشل شائع للنصائح بمساعدة البخار. يمكن أن تؤدي مصادر حقن البخار المتعددة التي تتطلب صمامات تحكم متعددة إلى تفاقم هذا الضرر لأنه من الممكن تطبيق حقن البخار العلوي بقوة كبيرة مقارنة بالمستوى المطبق من خلال أنابيب S / A. ومع ذلك ، عند استخدام مصدر بخار واحد فقط والتحكم ، فإن الجمع بين ناقلات الحقن التصاعدية والتحكم أحادي النقطة يزيل الحرق الداخلي لطرف التوهج ويوفر عمرا أطول وقيمة أكبر للمنشأة بمرور الوقت.

الاستنتاجات

يرى الجمهور إلى حد كبير أن اللهب الطويل والساطع القادم من أكوام التوهج هو أكبر خطر صحي وبيئي. ومن المفارقات أن هذه النيران تشير إلى كفاءة تدمير عالية وأن التوهج يكسر الهيدروكربونات بشكل صحيح وصولا إلى تركيبات آمنة. ما أسيء فهمه هو أن التدفقات الدقيقة التي لم يلاحظها أحد تقريبا هي الأكثر عرضة للإفراط في تطبيق البخار والهواء. التهوية الزائدة مسؤولة عن أضرار بيئية أكبر ، ويؤدي تصحيحها إلى تحسينات كبيرة في تكاليف رأس المال والتشغيل. من خلال إنشاء آلية حقن بخار أكثر فعالية، يتم تعزيز منطقة الاحتراق خلال حالة الاستخدام السائدة للتدفق المنخفض مع استخدام بخار أقل في نفس الوقت في ظل ظروف التدفق العالي أو الاضطراب.

مراجع

1. "اجعل الاستماع آمنا" ، منظمة الصحة العالمية ، https://www. who.int/pbd/deafness/activities/MLS_Brochure_English_lowres_ for_web.pdf، (تم الاطلاع في 14 يناير/كانون الثاني 2019).
2. "معلمات المشاعل المصممة والمشغلة بشكل صحيح" ، مكتب وكالة حماية البيئة الأمريكية لتخطيط ومعايير جودة الهواء ، https://www3. epa.gov/airtoxics/flare/2012flaretechreport.pdf, (تم الاطلاع في 14 يناير/كانون الثاني 2019).
3. وكالة حماية البيئة 40CFR 63.671.
4. "Benchmark the Fuel Cost of Steam Generation"، وزارة الطاقة الأمريكية، https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/05/f16/ steam15_benchmark.pdf، (تم الاطلاع في 14 يناير/كانون الثاني 2019).