A hệ thống pháo sáng là thiết bị đốt và an toàn công nghiệp được sử dụng chủ yếu trong các ngành công nghiệp dầu khí, hóa dầu và lọc dầu để xử lý an toàn các khí hydrocarbon không mong muốn hoặc dư thừa bằng cách đốt chúng một cách có kiểm soát. Thay vì giải phóng khí độc hoặc dễ cháy trực tiếp vào khí quyển, hệ thống đốt sẽ đưa chúng đến điểm đốt - thường là đầu đốt trên cao hoặc trên mặt đất - nơi chúng được đốt cháy và chuyển thành các sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy ít độc hại hơn, chủ yếu là carbon dioxide (CO₂) và hơi nước.
Nói một cách đơn giản, hệ thống đốt lửa là tuyến phòng thủ cuối cùng chống lại sự thoát khí không kiểm soát được. Đây không phải là một quy trình vận hành thông thường mà là một cơ chế giảm áp và khẩn cấp quan trọng nhằm đảm bảo an toàn cho nhà máy, tuân thủ quy định và bảo vệ môi trường. Trên toàn cầu, hệ thống đốt lửa ước tính đốt cháy một lượng 140–150 tỷ mét khối khí đốt tự nhiên mỗi năm , theo Hiệp hội Đối tác Giảm thiểu Khí đốt Toàn cầu (GGFR) của Ngân hàng Thế giới.
Hệ thống đốt lửa phục vụ một số mục đích riêng biệt nhưng có liên quan đến nhau trong hoạt động công nghiệp:
Một hệ thống đốt lửa được thiết kế tốt sẽ đạt được hiệu suất đốt 98–99,9% , có nghĩa là gần như tất cả các hydrocacbon đều bị phá hủy thay vì thải ra dưới dạng các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi không cháy (VOC).
Một hệ thống đốt lửa công nghiệp hoàn chỉnh không chỉ là một ngọn đuốc đốt duy nhất - nó là một mạng lưới tích hợp các thiết bị hoạt động cùng nhau. Các thành phần chính bao gồm:
Đầu đốt là một mạng lưới các đường ống thu khí cứu trợ từ nhiều nguồn trong toàn bộ cơ sở — van giảm áp, van xả đáy và đường vòng van điều khiển — và dẫn chúng đến trống loại trung tâm rồi đến ống đốt. Kích thước đầu nối là rất quan trọng: đường ống có kích thước nhỏ tạo ra áp suất ngược nguy hiểm có thể ngăn van xả mở ở áp suất cài đặt chính xác.
Trước khi khí tới đầu ngọn lửa, nó đi qua một trống loại trực tiếp (còn gọi là bình đốt lửa hoặc trống bịt kín chất lỏng). Bình này tách chất lỏng bị cuốn theo khỏi dòng khí. Chất lỏng đi vào đầu đốt có thể gây ra "mưa lửa" nguy hiểm — những giọt chất lỏng cháy rơi từ ống khói — và có thể làm hỏng đầu đốt hoặc gây nổ. Trống loại là một tính năng an toàn không thể thay đổi được trong bất kỳ hệ thống đốt lửa nào được thiết kế phù hợp.
Ống loe là thành phần cấu trúc nâng đầu đuốc lên độ cao an toàn trên mặt bằng. Chiều cao ngăn xếp thường dao động từ 30 đến hơn 150 mét , tùy thuộc vào quy mô cơ sở, giới hạn bức xạ nhiệt được yêu cầu ở cấp lớp và các yêu cầu quy định của địa phương. Các giàn khoan ngoài khơi thường sử dụng các cần đốt lửa kéo dài theo chiều ngang thay vì các ống khói thẳng đứng để hướng ngọn lửa ra khỏi cấu trúc giàn khoan.
Đầu đốt là thiết bị đốt ở trên cùng của ống khói nơi khí được đốt cháy và đốt cháy. Đầu đốt hiện đại được thiết kế cho tốc độ dòng chảy và thành phần khí cụ thể, đồng thời bao gồm các tính năng như:
Đầu đốt thí điểm luôn duy trì ngọn lửa nhỏ liên tục ở đầu đốt, đảm bảo rằng mọi khí thoát ra - thậm chí bất ngờ vào lúc 3 giờ sáng - sẽ bốc cháy ngay lập tức. Hầu hết các hệ thống hiện đại đều sử dụng đánh lửa tia lửa năng lượng cao hoặc Hệ thống tạo ngọn lửa phía trước (FFG) để thắp sáng lại phi công từ xa nếu họ bị gió hoặc mưa dập tắt. Hệ thống pháo sáng không có đèn điều khiển là vi phạm an toàn nghiêm trọng.
Một dòng khí trơ hoặc nhiên liệu liên tục (nitơ hoặc khí tự nhiên) được bơm vào đầu đốt để ngăn không khí di chuyển trở lại hệ thống và tạo ra hỗn hợp khí-khí có khả năng gây nổ bên trong đường ống. Dòng "làm sạch khí" này là một trong những chi phí vận hành liên tục để duy trì hệ thống đốt lửa và thường chạy ở tốc độ 0,1 đến 1,0 m/s ở lối ra đầu ngọn lửa.
Được cài đặt ở đáy ngăn xếp hoặc trong tiêu đề, con dấu nước và con dấu phân tử đóng vai trò là rào cản thứ cấp chống lại sự xâm nhập của không khí và cũng có chức năng như van kiểm tra giảm áp. Trống bịt nước duy trì một cột nước (thường sâu 150–300 mm) mà khí phải sủi bọt xuyên qua, cung cấp cả vòng đệm và chỉ báo trực quan về tốc độ dòng khí trong quá trình vận hành.
Hệ thống đốt lửa được phân loại theo cấu hình vật lý và phương pháp được sử dụng để đạt được quá trình đốt cháy hiệu quả, không khói. Mỗi loại phù hợp với điều kiện hoạt động và môi trường khác nhau.
| Loại ngọn lửa | Cấu hình | Ứng dụng điển hình | Lợi thế chính |
|---|---|---|---|
| Ngọn lửa cao | Xếp chồng theo chiều dọc, đỉnh ở độ cao | Nhà máy lọc dầu, nhà máy hóa dầu | Phân tán nhiệt và tiếng ồn; xử lý dòng chảy lớn |
| Ngọn lửa mặt đất | Đầu đốt kín hoặc hở ở cấp độ | Trạm LNG, nhà máy khí | Tiếng ồn thấp, độ sáng thấp, không khói |
| Bùng nổ ngoài khơi | Cánh tay ngang kéo dài từ nền tảng | Nền tảng dầu khí ngoài khơi | Giữ ngọn lửa tránh xa cấu trúc |
| Ngọn lửa hỗ trợ bằng hơi nước | Hơi phun vào ở đầu | Cơ sở có sẵn hơi nước | Đốt cháy khí nặng không khói |
| Ngọn lửa hỗ trợ không khí | Máy thổi khí cưỡng bức ở chân đế | Các trang web từ xa không có hơi nước | Không khói không có cơ sở hạ tầng hơi nước |
| Ngọn nến | Ống thẳng đứng đơn giản không cần trợ giúp | Pháo sáng dòng chảy thấp hoặc dự phòng | Chi phí thấp, bảo trì tối thiểu |
Hiểu trình tự hoạt động của hệ thống đốt lửa sẽ làm rõ lý do tại sao mỗi thành phần tồn tại và quan trọng:
Hệ thống pháo sáng phải được thiết kế theo tiêu chuẩn được quốc tế công nhận. Hai tài liệu có thẩm quyền nhất chi phối việc thiết kế hệ thống đốt lửa là:
Tại Hoa Kỳ, 40 CFR Phần 60 và Phần 63 của EPA các quy định chi phối các yêu cầu về hiệu suất đốt cháy và nghĩa vụ giám sát. cáco các quy định này, ngọn lửa phải duy trì giá trị gia nhiệt thực (NHV) trong vùng cháy ít nhất 270 BTU/scf và vận tốc đầu đốt tối đa dưới ngưỡng xác định để đảm bảo quá trình đốt cháy ổn định, hiệu quả.
các Chỉ thị về Khí thải Công nghiệp của EU (IED 2010/75/EU) và các kết luận về Kỹ thuật tốt nhất hiện có (BAT) liên quan đều yêu cầu các cơ sở phải giảm thiểu đốt cháy và chứng minh việc giám sát hiệu suất đốt liên tục tại các cơ sở lắp đặt chính.
Mặc dù hệ thống đốt lửa an toàn hơn nhiều so với hệ thống thoát khí không được kiểm soát nhưng chúng không phải là không có tác động đến môi trường. Những mối quan tâm chính bao gồm:
Khi quá trình đốt cháy hoàn tất, quá trình đốt cháy sẽ tạo ra CO₂ - một loại khí nhà kính. Tuy nhiên, Đốt cháy không hoàn toàn tạo ra khí mê-tan (CH₄) , có tiềm năng làm nóng lên toàn cầu lớn hơn khoảng 84 lần so với CO₂ trong khoảng thời gian 20 năm. Với hiệu suất đốt cháy giả định là 98%, một ngọn lửa thoát ra 1.000 kg khí metan/giờ vẫn thải ra khoảng 20 kg/giờ khí metan chưa cháy — tác động khí hậu có ý nghĩa ở quy mô lớn.
Việc đốt cháy các khí hydrocarbon nặng mà không có đủ không khí hoặc hơi nước hỗ trợ sẽ tạo ra khói đen — các hạt bồ hóng (PM2.5 và PM10) vừa là vấn đề về chất lượng không khí vừa là vi phạm quy định. Đây là lý do tại sao các yêu cầu về đốt lửa không khói được thực thi ở hầu hết các cơ sở công nghiệp hiện đại, thường yêu cầu hoạt động không khói ít nhất là 50% tốc độ đốt thiết kế .
các "Không bùng phát thường xuyên vào năm 2030" của Ngân hàng Thế giới sáng kiến này được đưa ra vào năm 2015 và đã thu hút được sự tán thành từ hơn 90 chính phủ và công ty dầu mỏ. Sáng kiến này nhằm mục đích loại bỏ "sự đốt cháy thường xuyên" - sự đốt cháy liên tục của khí liên quan trong quá trình sản xuất dầu đơn giản vì không có cơ sở hạ tầng để xử lý nó. Theo báo cáo gần đây, khối lượng bùng phát toàn cầu vẫn ở mức cao, xấp xỉ 144 tỷ mét khối mỗi năm , nhấn mạnh sự khó khăn của quá trình chuyển đổi.
các most effective way to reduce flaring is not to improve the flare itself, but to avoid sending gas to the flare in the first place. Hệ thống thu hồi khí cháy (FGR) thu khí áp suất thấp từ đầu đốt trước khi nó đến trống đẩy và nén lại để sử dụng làm khí nhiên liệu hoặc đưa lại vào quy trình. Một hệ thống FGR được thiết kế tốt có thể giảm hiện tượng đốt lửa thông thường bằng cách 70–90% .
Các thành phần hệ thống FGR điển hình bao gồm:
Đối với các nhà máy lọc dầu lớn, lợi ích kinh tế của FGR rất mạnh: chỉ phục hồi 1 triệu feet khối tiêu chuẩn mỗi ngày (MMSCFD) lượng khí đốt nếu không sẽ có thể tiết kiệm hàng năm hơn 1 triệu USD với giá khí đốt tự nhiên là $3–4/MMBtu, đồng thời giảm lượng khí thải và trách nhiệm pháp lý.
Hệ thống đốt lửa hiện đại không phải là cơ sở hạ tầng thụ động - chúng được giám sát tích cực thông qua hệ thống thiết bị và điều khiển. Các yếu tố giám sát chính bao gồm:
Dưới Tiểu phần EPA Ja (đối với các nhà máy lọc dầu), các cơ sở phải lắp đặt hệ thống giám sát thông số liên tục (CPMS) và nộp báo cáo tuân thủ hàng quý chứng minh rằng các tiêu chuẩn về hiệu suất đốt cháy được duy trì trong suốt mỗi giai đoạn vận hành.
Ngay cả các hệ thống đốt lửa được thiết kế tốt cũng có thể gặp vấn đề về vận hành. Hiểu được các dạng lỗi phổ biến nhất giúp người vận hành và kỹ sư dự đoán và ngăn chặn chúng:
| vấn đề | Nguyên nhân gốc rễ | hậu quả | Giảm nhẹ |
|---|---|---|---|
| Dập tắt ngọn lửa thí điểm | Gió lớn, mưa hoặc áp suất khí thí điểm thấp | Đốt cháy không sáng - giải phóng khí thô | Hệ thống đánh lửa tự động, tấm chắn gió |
| Đốt cháy đầu ngọn lửa | Lưu lượng khí thấp, ngọn lửa bị hút vào đầu | Đầu bị hư hỏng hoặc bị phá hủy | Lưu lượng khí thanh lọc phù hợp, thiết kế đầu tip |
| Chuyển chất lỏng | Trống Knockout có kích thước nhỏ hơn hoặc bị lỗi | Mưa chất lỏng cháy, đầu nhọn hư hỏng | Kích thước trống KO chính xác, kiểm soát mức độ |
| Hút thuốc quá nhiều | Hỗ trợ hơi nước/không khí không đủ | Vi phạm quy định, phát thải PM | Tăng lưu lượng hỗ trợ, bảo trì mẹo |
| Tiêu đề quá áp | Dướisized piping or blocked path | Áp suất ngược ngăn cản việc mở PRV | Phân tích, kiểm tra thủy lực API 521 |
Mặc dù hệ thống đốt lửa có liên quan chặt chẽ nhất với ngành dầu khí nhưng chúng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp ở những nơi sản sinh ra khí dễ cháy hoặc nguy hiểm:
các industrial world is under growing pressure to minimize flaring through both technological innovation and regulatory tightening. Key trends shaping the future of flare systems include:
Đầu đốt ngọn lửa thế hệ tiếp theo với hình học trộn bên trong được cải thiện có thể đạt được Đốt cháy không khói ở lưu lượng lên tới 90% công suất thiết kế mà không cần hỗ trợ hơi nước , giảm chi phí vận hành và lượng khí thải phụ trợ. Các nhà sản xuất như John Zink Hamworthy và Zeeco cung cấp các thiết kế đầu đốt đã được cấp bằng sáng chế với hiệu suất đốt được cải thiện đáng kể và giảm tiếng ồn.
Các cảm biến vệ tinh VIIRS (Bộ đo bức xạ hình ảnh hồng ngoại có thể nhìn thấy), do NOAA và NASA vận hành, hiện phát hiện và định lượng các sự kiện bùng phát trên toàn cầu với ngưỡng phát hiện xấp xỉ 1 MW công suất bức xạ . Khả năng này có nghĩa là các cơ quan quản lý và nhà đầu tư có thể xác minh độc lập dữ liệu bùng phát ở cấp cơ sở, tăng cường trách nhiệm giải trình ngoài số liệu tự báo cáo.
Một số khu vực sản xuất dầu bao gồm Lưu vực Permian (Texas), Vaca Muerta (Argentina) và Biển Bắc đã đưa ra các giới hạn đốt dầu ngày càng chặt chẽ hơn hoặc cấm hoàn toàn việc đốt dầu thường xuyên đối với các dự án mới. Các công ty không đáp ứng các yêu cầu này sẽ phải đối mặt với việc cắt giảm sản xuất, phạt tài chính hoặc mất giấy phép hoạt động - tạo ra động lực kinh tế mạnh mẽ để đầu tư vào cơ sở hạ tầng thu khí khi tiếp tục đốt khí.
Các nhà sản xuất thiết bị nhiệt và đốt hiệu suất cao OEM/ODM
