Система сбрасывания и ликвидации взрывоопасных и токсичных газов.

При многих технологических процессах происходят сбросы из аппаратуры горючих и горюче-токсичных газов. Сбросы могут быть постоянными (поступают непрерывно), эпизодическими (периодическими)— в период пуска, останова или расстройства режима и сбросы от контрольных или рабочих предохранительных клапанов.

Потери в виде газа на нефтеперерабатывающих предприятиях составляют в среднем 0,2—0,3% от объема перерабатываемой нефти и 10-20% от общих безвозвратных потерь. При аварийных ситуациях на современных нефтеперерабатывающих и нефтехимических установках выбросы только от предохранительных клапанов могут достигать 100—150 тыс. м³. Если учесть, что для большинства углеводородных газов нижний концентрационный предел воспламенения составляет около 2% (об.) и что их плотность больше плотности воздуха, то можно подсчитать, что в течение очень короткого срока при смешении газов с окружающим воздухом на территории предприятия образуется довольно значительное взрывоопасное облако. Весьма вероятно, что на такой площади окажется какой-либо импульс воспламенения и произойдет мощный взрыв. Однако и помимо таких аварийных ситуаций мелкие выделения газов могут создать локальные очаги вспышек, загораний, взрывов. Поэтому, чтобы исключить аварийные ситуации, необходимо предотвратить выход газов наружу. Для безопасного сбора, утилизации или организованного сжигания постоянных и периодических сбросов горючих взрывоопасных газов предназначены факельные системы.

Вынужденное сжигание газов, являющихся топливом или химическим сырьем, противоречит здравому смыслу. Отсюда вытекает инженерная задача — создать такую систему сброса газов, которая позволяла бы максимально возвращать их в производство и в то же время надежно гарантировала бы, что в случаях аварийных выбросов, с которыми система утилизации не может справиться, весь излишний газ сжигался бы на факеле. Основной задачей, от решения которой зависит жизнеспособность системы, является создание регулирующего устройства, которое автоматически и надежно обеспечило бы равновесие между объемами выделяющихся, используемых и сжигаемых на факеле газов. Другая задача — обеспечение безопасной эксплуатации самой факельной системы, потенциально опасной в связи с содержанием в ней огневзрывоопасных газов и наличия огня на факельной трубе. Нельзя считать, что обе задачи полностью решены.

Факельная система состоит из магистральных газопроводов (коллекторов), передающих газовые выбросы к факельной трубе (стволу), на которой сжигается газ. В магистральные коллекторы включаются газопроводы сброса газа от цехов, установок и резервуарных парков сжиженных углеводородных газов.

В зависимости от количества и состава газов факельные системы могут иметь развитие (не иметь сбора и утилизации газов и обходиться без газгольдеров и компрессоров и т.п.) вплоть до устройства единичных факельных труб вблизи отдельных аппаратов.

Факельная труба предназначена для открытого сжигания газа. Высота факельной трубы (ствола) выбирается из условия максимального рассеивания в атмосфере продуктов сгорания; на современных предприятиях факельные трубы высотой до 120 м

На рис.() показана схема устройства факельной трубы. Весьма важным является способ поджигания факельного газа. На ряде предприятий это раньше делалось посредством, так называемого «бегущего» пламени. По расположенному рядом с факельной трубой газопроводу 6 с открытыми штуцерами («рожками») подавался топливный газ. Зажигали газ, выходящий из нижнего рожка, пламя последовательно пришлось на следующий рожок и пламя верхнего рожка зажигало дежурную свечу 4, от которой загорался основной поток факельного газа. Ввиду малой надежности, особенно прри ветре способ «бегущего» пламени заменен электрозапалом типа ПКФ-1, УЗФ или другого типа, размещаемым в трубе 5.

В факельную трубу по штуцеру 7 подается топливный газ для питания дежурной свечи 4, электрозапала и устройства «бегущего» пламени 6, сохраняемого в качестве дублирующего зажигательного устройства.

Для бездымного сжигания газа используется водяной пар, подаваемый по паропроводу. Факельная труба имеет вверху головку 3, представляющую собой перфорированную трубу диаметром около 600 мм из жаропрочной стали. Подача пара вызывает в результате эжекции усиленный приток атмосферного воздуха через кольцевую щель между факельным стволом 2 и головкой 3, отчего происходит интенсивное перемешивание воздуха со сжигаемым газом и более полное сгорание газа без сажеобразования. Попавший в факел конденсат дренируется через штуцер 10. Во время ремонта факельный ствол 2 опускают на землю, поворачивая его вокруг оси 8.

 

Рис. Схема устройства факельной трубы:

1-паропровод для подачи пара для бездымного сжигания газа; 2-факельный ствол; 3-головка факельного ствола; 4-дежурная свеча; 5-труба с размещенным в ней электрозапалом; 6-устройство «бегущее пламя»; 7-штуцер для подачи топливного газа; 8- ось опоры; 9- опора; 10- штуцер для выхода конденсата; 11- штуцер для входа газа; 12- входной штуцер паропровода; 13- штуцер для подачи пара на пропарку.

 

Несмотря на сильные колебании количества и состава сбрасываемых газов, факельная система должна по конструкции и условиям эксплуатации обеспечивать устойчивое горение факела, взрывобезопасность системы и минимальное воздействие факела на окружающие здания и сооружения и, конечно, на обслуживающий персонал.

Устойчивое горение устанавливается при равенстве скорости истечения газа ω со скоростью распространения пламени в данной смеси υ. Если ω > υ, то пламя может оторваться от головки факельной трубы и погаснуть, после чего газовая струя будет загазовывать окружающую атмосферу до тех пор, пока струю не зажгут вновь, что опасно из-за возможности объемного взрыва. Если ω < υ, то пламя может проскочить внутрь (факельной трубы, затем в факельные газопроводы и даже достичь технологических установок, что имело место на практике.

Как показали некоторые теоретические исследования и опытные работы, отрыв пламени от факельной горелки возможен, если скорость истечения газов будет превышать 20 - 30% от скорости звука (от 330 м/с). Обычно на факельных установках такие скорости достигаются редко. Для поджигания газа после отрыва пламени имеются дежурные постоянно-горящие свечи.

При недостаточном объеме или давлении газов, поступающих к факелу, в начало факельной системы непрерывно подают сухой топливный газ. Это позволяет поддерживать необходимую скорость газового потока и предотвратить проскок пламени от факела в систему. Независимо от этого для предупреждения проскока пламени перед факельной трубой ставят огнепреградители и гидравлические затворы.

Значительную опасность представляет проникновение воздуха в факельную систему. Помимо описанного выше пути проникновения воздуха через факельный ствол, нарушение герметичности системы возможно при нарушении целостности стенок газопроводов вследствие коррозии, неисправности арматуры, при проведении ремонтных работ на участке, не отключенном от общей сети. Кроме общего наблюдения за состоянием герметичности факельной системы и тщательного отключения от нее ремонтируемых участков газопроводов, необходим постоянный контроль газа на содержание кислорода автоматическими газоанализаторами.

Весьма ответственной операцией является заполнение факельной системы газом после ее остановки. В зависимости от производственных условий целесообразно, а иногда необходимо, последовательное продувание системы сначала инертным газом, а затем сухим топливным газом, анализ среды на содержание кислорода и только после этого подключение обслуживаемых объектов.

Факельные газопроводы прокладываются на опорах, их подземная прокладка не практикуется, так как создает затруднения в эксплуатации, в частности - трудность определения мест повреждения или забивки газопровода. Отбойники и сборники конденсата также устанавливаются на поверхности земли.

Во многих технологических процессах имеются небольшие по объему и относительно редко повторяющиеся сбросы, например отдувки после конденсаторов, холодильников, дефлегматоров и др. В связи с тем, что содержание в них горючих газов сравнительно невелико, источники выделения разбросаны по территории предприятия и обвязка их трубопроводами затруднительна, эти сбросы не направляют в факельную систему, а выбрасывают через воздушки (продувочные свечи). Нормативами предусматривается, что они должны быть снабжены огнепреградителями, установленными в местах, доступных для осмотра и ремонта и снабженных защитой от замерзания. Противопожарными нормами проектирования определено, что выброс газа производится выше конька крыши прилегающих зданий и сооружений на 2-3 м, но не менее чем на высоте 30 м. Регламентируется размещение воздушек по отношению к воздухозаборным шахтам приточной вентиляции, молниеприемникам, дверным проемам, автодорогам и т. п. Воздушки для однородных и сочетаемых веществ должны по возможности группироваться.

В заключение следует отметить, что наиболее правильным и перспективным решением задачи устранения выделений газов является их сбор, разделение, очистка с последующим использованием в производстве. По этому пути теперь и идут при проектировании новых технологических процессов.

 

ГОРЕНИЕ ВЕЩЕСТВ.

Горением называется быстро протекающая химическая реакция, сопровождающаяся выделением значительного количества тепла и излучением света. Обычно под горением понимают быстро протекающий окислительный процесс, т.е. реакцию соединения горючего материала с кислородом воздуха или другим окислителем.

Пожар - это горение, не вызванное потребностями общества и наносящееему материальный ущерб.

Для ликвидации пожара весьма важно знать температуру, развивающуюся при горении веществ. Чем выше эта температура, тем больше тепла излучается в окружающую среду, тем больше опасность развития пожара.

Теоретическую температуру горения Т при условии, что все тепло расходуется на нагрев продуктов сгорания, определяют по формуле:

⁰С

где Q—теплота сгорания горючего вещества, ккал/моль;

m—число молей продуктов горения, образующихся при сгорании 1 кг вещества;

с—средняя мольная теплоемкость продуктов горения, ккал/(моль- град);

t—начальная температура воздуха, °С.

Одной из основных характеристик горючих веществ является теплота сгорания этих веществ.

Теплоту сгорания нефти, каменного угля и торфа вычисляют по формуле Д. И. Менделеева:

Q = 81С + 300Н + 26 (S_л — О) ккал/кг

где С, Н, S_л—соответственно содержание С, Н, S. (летучей),

О—суммарное содержание О и N. %.

Для возникновения и протекания процессов горения необходимы горючий материал, кислород воздуха в количестве, достаточном для поддержания горения, и источник воспламенения. При содержании в воздухе кислорода от 14 до 16% горение прекращается и наступает тление. Тление прекращается при 8-10% содержании кислорода в воздухе.

Температура при пожаре внутри помещения зависит от свойств горючих веществ, размеров очага пожара, отношения площади отверстий. через которые поступает воздух, к площади горения. Максимальная температура при горении бумаги-510⁰С, древесины-1000⁰С, горючих жидкостей-1100⁰-1300⁰С, горючих газов- 1200-1300⁰С.

Горючие вещества могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Наиболее пожароопасные такие твердые горючие вещества, как древесина, пластмассы и др. Горение деревянных строений и складов древесины характеризуется большой скоростью распространения огня и высокой температурой. Горючие газы и пары способны гореть только в смеси с воздухом. Эти смеси имеют определенные пределы воспламенения (верхний и нижний), за которыми они не воспламеняются и не взрываются. Горение жидких веществ отличается быстротой процесса. Над горючей жидкостью всегда находятся пары. Если температура жидкости выше температуры вспышки ее паров, то при поднесении источника огня пары жидкости вспыхнут и будут гореть по всей ее поверхности.

Различают следующие виды горения веществ: воспламенение, вспышку, самовоспламенение и самовозгорание.

Воспламенение, или возгорание, характеризуется возникновением стойкого горения от внешнего источника зажигания. Температура воспламенения - это та низшая температура, до которой надо нагреть вещество, чтобы оно загорелось от открытого источника огня и устойчиво горело после его удаления.

Жидкие горючие вещества (нефтепродукты, нитроэмали, лаки и др.) характеризуются температурой вспышки паров и температурными пределами воспламенения.

Температура вспышки паров.

Температурой вспышки называется минимальная температура жидкости, при которой ее пары образуют с воздухом смесь, способную воспламениться при воздействии на нее импульса воспламенения.

Нагрев жидкости до температуры вспышки не является достаточным для ее горения, а лишь характеризует подготовленность жидкости к воспламенению. Для ее воспламенения необходимо ввести в паровую фазу над жидкостью импульс воспламенения, температура которого выше температуры воспламенения смеси паров этой жидкости с воздухом.

Температура вспышки—один из важнейших показателей, по которому в основном определяют категорию производств пожарной опасности.

Температуру вспышки определяют в закрытом тигле (прибор Мартенс-Пенского) по ГОСТ 6356—52, в приборе ПВН – по ГОСТ 1421—53, в открытом тигле—по ГОСТ 4333 - 48, в аппарате по ГОСТ 1369—42. При температуре вспышки в открытом тигле получают менее точные данные, отличающиеся в отдельных случаях при высоких температурах на несколько десятков градусов.

Все огнеопасные жидкости по температуре вспышки делят на две основные группы: легковоспламеняющиеся и горючие.

Технологические операции, связанные с нагревом жидкостей выше температуры вспышки, относятся к числу взрывоопасных.

В случае отсутствия данных о температуре вспышки ее можно рассчитать по приближенным эмпирическим формулам.

1. По правилу Орманди и Грэвена температура вспышки может быть подсчитана по формуле:

где Т_всп—температура вспышки, °К;

Т_кип— температура кипения, °К;

К—коэффициент, равный 0,736.

Например, для бензола, температура кипения которого около 353 °К, температура вспышки равна:

Т_всп = 353 - 0,736 = 260 °К или -13 °С

Это значение близко к справочному, равному -14 °С.

2. Температуру вспышки можно подсчитать по формуле Торнтона:

где Р_всп—давление насыщенных паров, соответствующее температуре вспышки, мм рт. ст;

Р_АТМ—атмосферное давление, мм рт. ст.;

N—число атомов кислорода, необходимое для сгорания 1 моль жидкости.

Например, при сгорании 1 моль бензола по уравнению:

С₆Н₆+ 7,50₂ = 6С0₂ + ЗН₂0

N=15. Отсюда Р_АТМ = 750 мм рт.ст.

мм рт.ст

Этому давлению соответствует температура -12⁰С

Вспышкой называется быстрое кратковременное сгорание смеси горючих паров или паров с воздухом, происходящее при поднесении пламени. Температура, при которой из жидкости выделяются пары в количестве, достаточном для получения вспышки, называется температурой вспышки. Чем ниже температура вспышки, тем опаснее горючая жидкость.

В зависимости от температуры вспышки паров пожароопасные жидкости делятся на легковоспламеняющиеся (ЛВЖ) с температурой вспышки паров 61⁰С и ниже и горючие жидкости (ГЖ) с температурой вспышки выше 61⁰С. Бензины (автомобильные, авиационные или растворители) - очень опасные ЛВЖ с температурой вспышки паров от-17 до +44⁰С; нитроэмали и большинство лаков также легковоспламеняющиеся жидкости. Эти жидкости нельзя хранить на складах, в кладовых и цехах вместе с другими горючими материалами.

Вязкие нефтепродукты с температурой кипения выше 100⁰С и при наличии в них влаги в виде эмульсии способны к вскипанию, что нередко при пожаре приводит к выливанию кипящей и горящей жидкости из емкости. К таким вскипаниям склонны в основном темные нефтепродукты (нефть, мазут, масло). В некоторых случаях при горении в резервуарах происходит выброс горящей жидкости в результате образования водяной подушки под слоем нефтепродукта в резервуаре. Признаком приближающегося выброса служит появление и нарастание шума в резервуаре и увеличение пламени. При подозрении на выброс горящих нефтепродуктов из резервуара необходимо вовремя удалить людей и технику от горящего резервуара на безопасное расстояние.