Факельные выбросы сажи в атмосферу: количественная оценка как основа

4-й Международный форум Глобального партнерства по борьбе с факельным сжиганием
газа (ГПБФС) Технические решения по сокращению факельного сжигания газа
г. Ханты-Мансийск (Российская Федерация), 9-10 сентября 2015 г.
Факельные выбросы сажи в атмосферу: количественная оценка
как основа для противодействия
Факельное сжигание газа и климатические изменения
Мэтью Р. Джонсон (Matthew R. Johnson), доктор наук, дипломир. инженер
кафедра по изучению
выбросов загрязняющих веществ в результате сжигания источников энергии,
профессор машино-, авиа- и ракетостроения
Карлтонский университет (г. Оттава, провинция Онтарио, Канада)
2
Масштаб факельного сжигания остается критически
важной проблемой
• Как сопоставить факельные выбросы с многообразием конструкций
факелов, величинами расхода и составом газов, а также условиями
окружающей среды?
• Каковы последствия для климата и качества воздуха на планете?
• Чем страшны последствия для уязвимых районов вроде Арктики?
• Как определить наилучшие меры минимизации воздействия и
измерить сокращение выбросов парниковых газов и сажи?
50 млрд. куб.м/г
12 млрд.
куб.м/г
40 млрд.
куб.м/г
22 млрд.
куб.м/г
Регионы с
приоритетом
для
ГПБФС
3
Негативные последствия факельного сжигания газа по всему миру
• Выбросы парниковых газов:
• доля, превышающая 400 млн. т CO2/г.
• Внешнее воздействие на климат, вероятнее, еще выше,
учитывая выбросы в атмосферу метана и сажи
• Выбросы сажи:
• 2-й по важности климатообразующий атмосферный фактор (н-р,
Bond et al., 2013; Jacobson, 2010)
• На долю факельного сжигания приходится 42% сажистых
отложений на поверхности в Арктике и 66% объема загрязнения
сажей к северу от Полярного круга (Stohl et al., Atmos. Chem. Phys.,
2013)
• Качество воздуха и состояние здоровья:
• PM2.5 классифицировано как отравляющее вещество (U.S.
EPA, 2011)
• Сажа может быть ключевым фактором в токсичности PM2.5
(Grahame et al., 2014)
• Особое беспокойство по поводу факельного сжигания при
гидроразрыве пласта?
4
Негативные последствия факельного сжигания газа по всему миру
Показатель частоты (логарифм. шкала)
• Выбросы парниковых газов:
Mostofsky et al., 2012 as quoted by Grahame et al., JAWMA, 2014
• доля, превышающая 400 млн. т CO2/г.
• Внешнее воздействие на климат, вероятнее, еще выше,
учитывая выбросы в атмосферу метана и сажи
• Выбросы сажи:
• 2-й по важности климатообразующий атмосферный фактор (н-р,
Bond et al., 2013; Jacobson, 2010)
• На долю факельного сжигания приходится 42% сажистых
отложений на поверхности в Арктике и 66% объема загрязнения
сажей к северу от Полярного круга (Stohl et al., Atmos. Химия Phys.,
2013)
• Качество воздуха и состояние здоровья:
• PM2.5 классифицировано как отравляющее вещество (U.S.
EPA, 2011)
• Сажа может быть ключевым фактором в токсичности PM2.5
(Grahame et al., 2014)
• Особое беспокойство по поводу факельного сжигания Субъект
газов при гидроразрыве пласта?
5
Осложняющие факторы в отношении факельных выбросов сажи
• Факелы невозможно охарактеризовать единым образом
• Многообразие конструкций факелов
• Факелы-свечи, шурфы для сжигания, со специально сконструированнными оголовками, с обработкой
паром, воздухом и т.п.
• Многообразие режимов потока
• Плавучесть в сопоставлении с преобладающей силой импульса и поперечного течения
• Факельное сжигание в рамках технол. процесса и производства в сопоставлении с испытаниями
скважин, обратным притоком и аварийным сжиганием в факеле
• Многообразие химического состава топлива
• Возможный захват жидкостей/конденсирующихся веществ еще более усложняет дело
• Экспериментирование в условиях большой неопределенности - непростое занятие
6
Осложняющие факторы в отношении факельных выбросов сажи
•
Серьезная нехватка количественных данных
• Нынешние коэффициенты загрязнения атмосферы выбросами (н-р, US EPA AP-42) рассчитаны на основе скудных данных
• Основной коэффициент вычислен на трех испытаниях одного факела, сжигающего горючее одноообразного состава
(неочищенный пропилен)
• Другие коэффициенты рассчитаны на испытаниях, проведенных на факелах закрытых полигонов для отходов
• Коэффициенты слепо расширены на основе лишь величины теплоты сгорания
• Во внимание не принятые режимы потока, конструкция факелов
• Отсутствие единообразия в характеризации выбросов, проделанной различными организациями
•
Нехватка методик для количественной оценки выбросов из факелов в полевых условиях
• Нынешний норматив Управления по охране окружающей среды США, используемый в оценке выбросов сажи - Метод
испытаний № 9.
• Это лишь эстетический норматив: оценка "непрозрачности" струи факела подготовленными наблюдателями
•
Недостаток достоверных данных о выбросах и методов измерения затрудняет выработку мер противодействия.
• Борьба с факельными выбросами зачастую ограничена необходимостью количественных данных для выработки
эффективной хозяйственной модели
7
Натурные замеры выбросов сажи на месте с применением метода Sky-LOSA
• Sky-LOSA = ослабление свечения неба по линии прямой видимости
• оптическая количественная оценка интенсивности выбросов сажи На местности, определяемая по столбу факела
• Методика основана на теории режимов рассеяния полидисперсных фрактальных агрегатов Релея-Дебая-Ганса
• Разработана и апробирована в сотрудничестве со Всемирным банком, ГПБФС, Коалицией за сохранение климата и
чистоты воздуха ЮНЕП, Министерством природных ресурсов Канады, компаниями Petroamazonas и Pemex
8
Математическая основа принципа Sky-LOSA
• Математическая основа:
• Измеренный удельный коэффициент пропускания с поправкой на эффект
рассеивания света определяет концентрацию сажистых веществ в столбе факела
• Методика велосиметрии с синхронной корреляцией изображений позволяет
обеспечить интеграцию с контрольной поверхностью в масштабе времени
• Учет свойств сажи осуществляется посредством метода Монте-Карло с
допущением количественно установленной неопределенности измерений.
9
Натурные измерения в Эквадоре
Промысел Auca компании Petroamazonas: 2-4 июня 2014 г.
Цель работ: вычисление интенсивности выбросов сажи в отношении массы горючего на факелах
месторождения
Гондурас
Никарагуа
Коста-Рика
Панама
Венесуэла
Колумбия
Эквадор
Эквадор
Бразилия
Перу
Боливия
10
Натурные измерения в Эквадоре
Site 4)
1) Auca Sur
2)
3)
Central
27
1*
*интенсивность выбросов сажи на объекте Auca Sur 1 не измерялась ввиду сбоя
компьютера
11
Регистрация данных методом Sky-LOSA
• Получено 30 000 полутоновых изображений с частотой 50 Гц, что соответствует 10-минутной
продолжительности
• 16-битная камера с измерительной матрицей типа sCMOS и теромоэлектрическим охлаждением
• Геометрическая расстановка приборов в зависимости от геометрии площадки
и доступности объектов площадки
• 40-нм полосный фильтр, установленный на 531 нм (середина видимой части спектра)
оптическая
ось
камера
12
Измерение расхода
Врезной термометр
Врезной оптический прибор
Крыльчатый анемометр
Изотопный раствор (C2H2)
13
Анализ состава факельного газа
• Внутрипромысловая сборка проб газа в 1-литровые мешки Tedlar®
• Пробы помещались в стальные баллон для отправки в техасскую лабораторию
• Задержка на таможне ухудшила состояние проб, что потребовало хронологические данные о
составе газа
14
Сбор натурных данных на объекте Auca Central
• Наименьший по размеру столб факела, измеренный на сегодня
методом sky-LOSA
• Частичное предварительное смешивание на базе складирования, в расчете
на снижение образования сажи
• Чистое небо на фоне позволило сделать расчеты в краткие сроки
15
Расчет интенсивности выбросов сажи в атмосферу
Изображение, полученное
матрицей sCMOS
Petroamazonas ЕР
Блок 61
Auca Central
02 июня 2014 г.
Местн. время: 17:30:00
Коэффициент загрязнения
сажей [г/с]
Коэффициент загрязнения мгнов.
выбросам сажи:
0,0267 г/с [-25,1 % / +35,1 %]
Изображение потребит. качества
16
Сбор полевых данных на объекте Auca 27
• Крупный факел на участке добычи, сжигающий обогащенный газ
• Факел питают две линии диам. 4”и две диаметром 6”
• Тяжелый факельный газ объемом свыше 2,3 млн. станд. куб. футов в сутки
• Неблагоприятные условия сбора данных
17
Задача: определение фона неба
• Разработан новый алгоритм,
обеспечивавший точность измерений в
неблагоприятных визуальных условиях
• Раздельное наблюдение за движением
неба/облаков и столба факела
• Определение интенсивности свечения неба
путем скалярного переноса интенсивности
позади факела
• Требуется целая масса вычислений, однако
результаты убедительны
B.M. Conrad & M.R. Johnson, AWMA ACE (2015)
18
Расчет интенсивности выбросов сажи в атмосферу
Изображение, полученное
матрицей sCMOS
Опытный коэффициент пропускания
Petroamazonas EP
Блок 61
Auca 27
04 июня 2014 г.
Местн. время: 8:20:17
Коэффициент загрязнения
мгнов. выбросом сажи [г/с]
Коэффициент загрязнения мгнов.
выбросом сажи:
3,3700 г/с [-25,0% I +35,8%]
Положение на контрольной поверхности
19
Результаты расчета интенсивности выбросов сажи
полученных методом sky-LOSA
• Узбекистан (Env. Sci. & Tech., 2011): 2.00 g/s
• Поса-Рика (Aerosol Sci. & Tech., 2013): 0.067 g/s
• Помещение результатов в контекст
• Технический отчет EPA420-F-08-026 Управления охраны
окружающей среды США
• Коэффициент загрязнения выбросами PM10 (показатель
содержания взвешенных частиц) городских автобусов,
работающих на дизеле - 0,297 грамм на милю (г/миля)
• 40 CFR 86.1215-85: Таблица динамометрических
показателей для большегрузных автомобилей
• Средняя скорость движения 18,86 миль/ч (30,35 км/ч)
• Отражает коэффициент загрязнения выбросами
эквивалентный 643 дизельным автобусам в расчете на
г/с показателя PM10
Коэффициент загрязнения выбросами сажи (лог. шкала) [г/с]
• Результаты расширяют диапазон величин, ранее
Суммарный объем выбросов
сажи эквивалентен ≈1520
городских автобусов на
дизеле
20
Результаты расчета выхода сажи
• Серая полоса - эмпирический прогноз величины выхода
• Расчет на основе параметров вертикального пламени,
измеряемых в лабораторных условиях Карлтонского
университета
• Промысловые условия приводят к получению завышенных
значений содержания сажи
• Эффект бокового ветра
• Растворение либо насыщение кислородом факельного газа
• Требуется еще множество натурных замеров
• чтобы разработать статистически значимые коэффициентов
загрязнения
• чтобы сделать привязку коэффициентов загрязнения выбросами
к различным параметрам факела:
• химический состав и расход факельного газа
• конструкция факела
• условия окружающей среды
Выход сажи (лог. шкала) [г сажи/кг топливн. газа]
сажи
21
• Экономическая ценность факельного газа, в
сопоставлении с объемом дизельного топлива для
выработки электроэнергии
• 2 долл. США/галл. - стоимость доставки дизеля на
месторождение Auca
• Нынешняя проивзодительность генераторов ~12 МВт.ч на
галлон дизельного топлива
• При установке газотурбинной установки простого
цикла с электрическим КПД ~35%
• 31,67 МВт, выработанных на факельном газе
• 46,23 млн. долл. США эквивалентной годовой стоимости
дизельного топлива
• Предполагаемый срок окупаемости - порядка 7 месяцев
Ежегодная экономическая стоимость [млн. долл. США/год]
Экономическая оценка потенциала борьбы с факельными
выбросами
Итого
22
Сажа как показатель экономических возможностей
противодействия
• Установка рекуперации паров в Ливии, разработанная Hy-Bon Engineering Inc.
• Установка рекуперации паров
• Срок окупаемости - 3 месяца исходя только лишь из стоимости жидкого конденсата
23
Выводы
• Сотрудничество с компанией Petroamazonas и ГПБФС Всемирного Банка стало
стало ключевым в разработке нового метода и продвижении науки и техники
• Осуществление первых в мире количественных замеров выбросов сажи посредством методики
sky-LOSA 3-го поколения
• Из всех скудных показателей, полученных в мире, данные об интенсивности выбросов сажи из
факелов Auca Central и Auca 27 отражают измеренные показатели самого малого и самого
крупного объекта
• Сделаны критически важные шаги в разработке количественных моделей загрязнения
факельными выбросами, однако многообразие конструкций и назначения факелов означает
необходимость дальнейшего масштабного проведения замеров для получения статистически
значимых данных
• С введением новой методики расчетов (sky-LOSA) наконец-то начинают появляться
необходимые инструменты для принятия мер по снижению неблагоприятных факторов.
24
Выводы
• Исходя из результатов всех натурных измерений к настоящему времени, отдельные факелы
действительно могут быть крупными источниками выбросов сажистых веществ.
• Глобальное загрязнение выбросами может быть вызвано и факелами с аномальными показателями
• Заметно растущий потенциал для принятия мер
• Во многих случаях выбросов сажи можно избегать экономическими методами, не демонтируя факелы
• Имеется потенциал значительного сокращения сжигаемых объемов посредством контроля куда
меньшего числа источников, сопутствующих иным источникам сажи.
• Практически достижимый потенциал в отношении контроля факелов может отражать значительную долю
в глобальном загрязении атмосферы их выбросами.
• Эквадор и компания Petroamazonas стали мировыми лидерами, способными осуществить первый
в мире проект по измеряемому сокращению факельных выбросов сажи
25
Выражаем признательность в адрес:
Francisco Sucre
Bjorn Hamso
David Neira
Berend Van Den Berg
Michael Layer
Joseph Odhiambo
Bradley Conrad
Darcy Corbin
26
Расчетный потенциал выработки электроэнергии
Объект(
s)
Пр-во
э/энергии
(МВт)
Капитальные
затраты1
(млн. долл.
США)
Auca 27
16,13
Все
объекты
31,67
Исходя только из средн. стоимости
э/энергии в Эквадоре
Исходя из эквивалентного объема
выработки э/энергии на основе
дизеля
Годовой доход
(млн. долл.
США)
Срок
упрощенной
окупаемости
(мес.)
Годовой доход
(млн. долл.
США)
Срок
упрощенной
окупаемости
(мес.)
15,12
4,95
~36,7
23,55
~7,7
27,60
9,71
~34,1
46,23
~7,2
• Капитальные затраты определяются предполагаемым чистым объемом выработки э/энергии на основе средней
цены за один кВт
• Стоимость э/энергии здесь принимается на основе цен в Эквадоре на уровне 35 долл. США за произведенный Мвт.ч
• В эквивалентной стоимости дизеля принимается местная цена производства на уровне 2 долл. США/галлон и
12 МВт.ч/галлон
1
D. Pauschert, “Study of Equipment Prices in the Power Sector,” Energy Sector Management Assistance Program, Washington, DC, Rep: 122/09, 2009.
2 G. Salazar and H. Rudnick, “Hydro Power Plants in Ecuador: A Technical and Economical analysis,” IEEE Power Energy Soc. 2008 Gen. Meet. Convers. Deliv. Electr. Energy 21st Century, PES, 2008.
27
Избранные источники
• D.R. Tyner, M.R. Johnson (2014) Emission Factors for Hydraulically Fractured Gas Wells Derived Using Well- and
•
•
•
•
•
•
Battery-level Reported Data for Alberta, Canada, Environmental Science & Technology, 48(24):14772-14781.
(doi: 10.1021/es502815b)
D.J. Corbin, M.R. Johnson (2014) Detailed Expressions and Methodologies for Measuring Flare Combustion Efficiency,
Species Emission Rates, and Associated Uncertainties,Industrial & Engineering Chemistry Research, 53(49):1935919369 (doi: 10.1021/ie502914k).
M.R. Johnson, R.W. Devillers, K.A. Thomson (2013) A Generalized Sky-LOSA Method to Quantify Soot / Black Carbon
Emission Rates in Atmospheric Plumes of Gas Flares, Aerosol Science & Technology, 47(9):1017-1029.
(doi: 10.1080/02786826.2013.809401)
M.R. Johnson, A.R. Coderre (2012) Opportunities for CO2 Equivalent Emissions Reductions via Flare and Vent
Mitigation: A Case Study for Alberta, Canada, International Journal of Greenhouse Gas Control, 8:121-131.
(doi: 10.1016/j.ijggc.2012.02.004)
J.D.N. McEwen, M.R. Johnson (2012) Black Carbon Particulate Matter Emission Factors for Buoyancy Driven
Associated Gas Flares, Journal of the Air & Waste Management Association, 62(3):307-321.
(doi: 10.1080/10473289.2011.650040)
M.R. Johnson, A.R. Coderre (2012) Compositions and Greenhouse Gas Emissions Factors for Flared and Vented Gas in
the Western Canadian Sedimentary Basin, Journal of the Air & Waste Management Association, 62(9):992-1002.
(doi: 10.1080/10962247.2012.676954)
M.R. Johnson, R.W. Devillers, K.A. Thomson (2011) Quantitative Field Measurement of Soot Emission from a Large
Gas Flare using Sky-LOSA, Environmental Science & Technology, 45(1):345-350. (doi: 10.1021/es102230y)