ارزیابی روش نوین تخمین میزان گاز ارسالی به مشعل و برآورد میزان انتشار ذرات معلق ناشی از مشعل‌سوزی در یک پالایشگاه‌ گاز

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و علوم دریایی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران/گروه محیط زیست، سازمان منطقه ویژه اقتصادی انرژی پارس، شرکت ملی نفت ایران، تهران، ایران

2 گروه محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و علوم دریایی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

3 شرکت مهندسین مشاور گسترش فرآیند شریف، تهران، ایران

10.22078/pr.2018.3371.2547

چکیده

ذرات معلق موجود در هوا نظیر کربن سیاه و دوده ناشی از سوختن ناقص کربن یکی از مهمترین و خطرناک‌ترین آلاینده‌های هوا بوده که می‌توانند عامل بیماری‌های خطرناکی باشند. منطقه ویژه اقتصادی انرژی پارس در جنوب ایران و مجاور پارک ملی دریایی نایبند در استان بوشهر قرار دارد. دوازده پالایشگاه گاز طبیعی و شانزده مجتمع عظیم پتروشیمی در این منطقه ساخته شده است و بیش از 70% از کل گاز طبیعی و 45% از کل محصولات پتروشیمی کشور را تولید می‌کنند. به‌دلیل پیچیدگی‌های فرآیندی و احتمالا عدم دسترسی به تکنولوژی‌های به روز، روزانه بیش از 11100 تن گاز توسط 60 مشعل فعال سوخته می‌شود که می‌تواند یکی از دلایل اصلی انتشار کربن سیاه و ذرات معلق باشد. با توجه به اهمیت میزان گاز ارسالی به مشعل در تخمین میزان ذرات منتشره، در این تحقیق بر اساس اطلاعات واقعی فرآیندی و سنجش‌های میدانی، دبی گازهای ارسالی به مشعل تعیین و صحت سنجی گردید. بدین منظور ابتدا تمامی شیرهای کنترل موجود بر سر راه شبکه مشعل شناسایی شده و سپس با استفاده از روابط سیالاتی حاکم بر شیرها، دبی و ترکیب ‌درصد مخلوط گازی ارسالی به مشعل محاسبه شد. سپس براساس مکانیسم احتراق و ترکیبات مختلف موجود در مخلوط گازی ارسالی به مشعل و ضرایب انتشار موجود، میزان انتشار ذرات معلق از مشعل محاسبه شد. صحت مقادیر دبی پیش‌بینی شده توسط مدل با استفاده از دستگاه دبی‌سنج اعتبار سنجی گردید. مربع ضریب همبستگی پیرسون داده‌های حاصل از مقایسه دبی جرمی تجمعی تخمینی توسط مدل با دبی واقعی اندازه‌گیری شده توسط دبی‌سنج 986/0 بود که نشان از تطابق بالا بین مقادیر اندازه‌گیری شده با مقادیر پیش‌بینی شده دارد. بررسی صحت مقادیر ترکیب‌ درصد پیش‌بینی شده توسط مدل، با استفاده از دستگاه کروماتوگرافی گازی، نشان‌دهنده انحراف کمتر از 13% بین مقادیر پیش‌بینی‌شده و مقادیر حقیقی اندازه‌گیری شده است. این نکته بیانگر دقت قابل قبول روش مورد استفاده در مقیاس صنعتی برای تخمین دبی و ترکیب ‌درصد گاز ارسالی به مشعل و در نتیجه تخمین میزان کل ذرات معلق منتشره از مشعل است.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluation of a New Approach for Estimating the Amount of Flared Gas and Emission Estimation of Particulate Matters from Flaring of a Gas Process Plant

نویسندگان [English]

  • Mahdi Tanha Ziyarati 1
  • Nader Bahramifar 2
  • Gholamreza Baghmisheh 3
  • Habibollah Younessi 2
1 Department of Environmental Science, Faculty of Natural Resources and Marine Science, Tarbiat Modares University, Tehran, IranDepartment of Environmental Protection, Pars Special Economic Energy Zone, Notional Iranian Oil Company (NIOC), Asalouyeh, Iran
2 Department of Environmental Science, Faculty of Natural Resources and Marine Science, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
3 Chairman of Board Director of Sharif Engineering Process Development Company, Tehran, Iran
چکیده [English]

Particulate matter such as black carbon and soot produced due to incomplete combustion of hydrocarbons is one of the most critical and hazardous sources of air pollution, which can cause fatal diseases. Pars Special Economic Energy Zone is located in southern Iran, close to Naiband National Marine Park in Bushehr Province. Twelve natural gas processing plants and 16 huge petrochemical complexes have been developed in this area. They produce more than 70% of Iranian domestic natural gas and 45% of the petrochemical products. Due to the complexity of the process and possibly the lack of access to the best available technologies, daily more than 11,100 tons of gas are combusted at 60 active flares, which could be one of the main reasons for the release of black carbon and soot.. Due to the importance of the flow and composition of flared gas in estimating particulate matter, in the present study, based on actual process data and field measurements, flow rate and composition were determined and verified. To achieve this purpose, first, all of the control valves on the flare network were recognized and then, the flow rate and composition of the flared gas was calculated based on the equations and correlations of the valves. Finally, the particulate matter emission from the flares was calculated based upon the flared gas flow, composition and existing emission factors. The accuracy of the predicted flow rate was validated using a flowmeter. The actual cumulative measured flaring rates were compared with cumulative model flaring rates. By comparing the calculated cumulative flaring rate against measured values as determined by flow meters, the square of the Pearson correlation coefficient (SPCC) was found to be 0.986, showing high correspondence between measured and predicted values. The accuracy of the predicted composition by the model using gas chromatography indicates a deviation of less than 13% between predicted values and actual values. This point shows the acceptable accuracy of the method on an industrial scale for estimating the total particulate matter emitted from flaring.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flare
  • Particulate Matter
  • Air Pollution
  • Gas Refinery
  • Petrochemical

[1]. Erfanmanesh M. and M. Afyuni., “Environmental pollution (water, soil and air),” Isfahan: Arkan Publication, 218-19, 2013. ##

[2]. Peavy H. S. R. and Tchobanoglous D. R., “Environmental engineering,” 1985. ##

[3]. Organization W. H., “Air Quality Guidelines for Europe,” 2000. ##

[4]. Dehghani M., “Guidelines of hospital environmental health,” Tehran: Nakhl, 233-240, 2000. ##

[5]. Tiwary A. and Williams I., “Air pollution: measurement, modelling and mitigation,” CRC Press, 2018. ##

[6]. Colls J., “Air pollution,” Taylor, Francis. Inc, Lamdon and New York, 2003. ##

[7]. Ghiasseddin M., “Air pollution sources, effects and control,” Vol. 1., Iran: University of Tehran 903, 2015.##

[8]. Jaecker Voirol A. and Pelt P., “PM10 emission inventory in Ile de France for transport and industrial sources: PM10 re-suspension, a key factor for air quality, Environmental Modelling & Software, Vol. 15, No. 6, p. 575-581, 2000. ##

[9]. Soltanieh, M., Zohrabian A., Gholipour M. J. and Kalnay E., “A review of global gas flaring and venting and impact on the environment: Case study of Iran,” International Journal of Greenhouse Gas Control, Vol. 49: pp. 488-509, 2016. ##

[10]. Fawole O. G., Cai X. M., and MacKenzie A., “Gas flaring and resultant air pollution: A review focusing on black carbon,” Environmental Pollution, Vol. 216, pp. 182-197, 2016. ##

[11]. “The World Bank report on Global Gas Flaring Reduction Partnership (GGFR),” http://www.worldbank.org/en/programs/gasflaringreduction.##

[12]. Wolf F. G., “Operationalizing and testing normal accident theory in petrochemical plants and refineries,” Production and Operations Management, Vol. 10, No. 3, pp. 292-305, 2001. ##

[13]. Kulkarni P., Chellam S. and Fraser M. P., “Tracking petroleum refinery emission events using lanthanum and lanthanides as elemental markers for PM2.5,” Environmental Science & Technology, Vol. 41, No. 19, p. 6748-6754, 2007. ##

[14]. Castiñeira D., Rawlings B. C. and Edgar T.  F., “Multivariate image analysis (MIA) for industrial flare combustion control,” Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 51, No. 39, pp. 12642-12652, 2012. ##

[15]. McCoy B. J., Fischbeck P. S. and Gerard D., “How big is big? How often is often? characterizing texas petroleum refining upset air emissions,” Atmospheric Environment, Vol. 44, No. 34, pp. 4230-4239, 2010. ##

[16]. Bond T.C., Doherty S. J., Fahey D. W., Forster P. M., Berntsen T., DeAngelo B. J., Flanner M. G., Ghan S. B., Kärcher D. Koch, Kinne S., Kondo Y., Quinn P. K., Sarofim M. C., Schultz M. G., Schulz M., Venkataraman C., Zhang H., Zhang S., Bellouin N., Guttikunda S. K., Hopke P. K., M. Z. Jacobson, Kaiser J. W., Klimont Z., Lohmann U., Schwarz J. P., Shindell D., Storelvmo T., Warren S. G. and Zender C. S., “Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment,” Journal of Geophysical Research: Atmospheres, Vol. 118, No. 11, pp. 5380-5552, 2013. ##

[17]. Huang K., Joshua S. Fu, Vitaly Y. Prikhodko, Storey J. M., Romanov A., Hodson E. L., Cresko J., Irina Morozova, Ignatieva Y. and Cabaniss J., “Russian anthropogenic black carbon: Emission reconstruction and Arctic black carbon simulation,” Journal of Geophysical Research: Atmospheres, Vol. 120, No.21, 2015. ##

[18]. Cuclis A. “Why emission factors don’t work at refineries and what to do about it,” in Workshop in Research Triangle Park hosted by EPA in., 2006. ##

[19]. Singh K. D., Dabade T., Vaid H., Gangadharan P., Chen D., Lou H. H., Li X., Li K. and Martin Ch. B., “Computational fluid dynamics modeling of industrial flares operated in stand-by mode,” Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 51, No. 39, pp. 12611-12620, 2012. ##

[20]. Shires T. and Loughran C J., “Compendium of greenhouse gas emissions methodologies for the oil and natural gas industry,” Prepared by URS Corporation for the American Petroleum Institute (API). API, Washington DC, 2009. ##

[21]. EPA U. S., “Emission estimation protocol for petroleum refineries,” O.o.A.Q.P.a. Standards, Editor. U.S. Environmental Protection Agency, pp 6-6, 2015. ##

[22]. CAPP, “Estimation of flaring and venting volumes from upstream ol and gas facilities,” C.A.o.P. Producers, Editor, CAPP, Canadian p. 59, 2002. ##

[23]. Khazaei M. and Pakizehseresht M., “A New practical way for calculating the amount of gas flared based on PVs in South Pars gas development projects of IRAN,” in SPE Middle East Oil and Gas Show and Conference. 2009. Society of Petroleum Engineers. ##

[24]. Ebuka, U., Chukwunonso A., Nnaemeka N. and Princewill I., “A Proposed simplified technique for accurate measurement and calculation of flared gas volume for nigerian oil fields,” in SPE Nigeria Annual International Conference and Exhibition, Society of Petroleum Engineers, 2015. ##

[25]. Fisher L., “Control valve handbook,” Fourth E-dition. Fisher LLC, Marshalltwn, 2005. ##

[26]. ANSI/ISA, “Industrial-process control valves - Part 2-1: Flow capacity - Sizing equations for fluid flow under installed conditions,” American National Standards Institute: USA. pp. 76-76, 2012.

[27]. ASTM, ASTM D1145, “Test method for sampling of natural gas,” ASTM International, West Conshohocken, PA, www.astm.org, 1986. ##

[28]. ASTM, ASTM D1265-11(2017) e1, “Standard Practice for Sampling Liquefied Petroleum (LP) Gases, Manual Method,” 2017, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2017, www.astm.org. ##

[29]. Standard G., “Analysis for natural gas and similar gaseous mixtures by gas chromatography,” Revised in. 2000. ##

[30]. Kubát, J., Macák J., Mizera J. and Zachoval J., “Analysis of natural gas by gas chromatography,” Journal of Chromatography A, Vol. 148, No.1, pp. 189-193, 1978. ##

[31]. ASTM, ASTM D1945-14, “Standard Test Method for Analysis of Natural Gas by Gas Chromatography,” , ASTM International West Conshohocken, PA. 2014. ##