СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ВРЕДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ФОНТАНИРУЮЩИХ ГОРЯЩИХ ГАЗОВЫХ СКВАЖИН НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
METHOD TO REDUCE HAZARDOUS EFFECT OF BURNING GAS GUSHER WELLS AT ENVIRONMENT

Изобретение относится к пожаротушению и может быть использовано для снижения вредного воздействия на окружающую среду, в том числе, в условиях жилой застройки, фонтанирующих горящих газовых скважин.
Известен способ тушения горящей струи фонтанирующего из скважины газа, включающий сближение и объединение половин кольцевого коллектора, соединение его с резервуаром и подачу из последнего за счет эжектирующих свойств фонтанирующей газовой струи пожаротушащей смеси [1].
Недостатками данного способа являются:
- использование дорогостоящих рабочих реагентов, запас которых ограничивается возможностью их доставки к месту пожара;
- вредное воздействие в процессе тушения пожара теплового излучения, которое может вызвать возгорание находящихся вблизи пожара объектов;
- вредное воздействие на окружающую среду используемых при тушении реагентов.
3
3
Прототипом является способ тушения пожара нефтяной или газовой скважины путем подачи в фонтанирующую струю атмосферного воздуха, который подают в основание струи в количестве не менее 20 м на 1 кг нефти или 1 м газа [2].
Недостатками прототипа являются:
- наличие возможности образования скоплений несгоревшего газа. Следует заметить, что прекращение горения газа может произойти не только от сильного разбавления его воздухом (бедная смесь), но и от недостаточного его разбавления (богатая смесь). Несгоревший газ опасен, так как при определенных обстоятельствах может вызвать взрыв или тяжелое отравление. Возникновение скоплений газа обуславливается еще и тем, что для хорошего его перемешивания с воздухом кожух с тангенциально расположенными патрубками необходимо установить рядом со скважиной так, чтобы газовая струя истекала вдоль стенки кожуха перпендикулярно плоскости, проходящей через патрубки (воздушные струи). В условиях пожара (огня и задымленности) выполнить такую установку кожуха очень сложно. Еще более непредсказуем процесс перемешивания в случае, когда газовая струя выходит не перпендикулярно поверхности земли, а под некоторым углом к ней;
- вредное воздействие при тушении пожара теплового излучения, которое может вызвать возгорание находящихся вблизи пожара объектов;
- громоздкость конструкции, реализующей способ. Кожух высотой 8-12 м обладает большой парусностью, затрудняющей его установку при сопутствующем пожару ветре и при наличии различных коммуникаций в населенном пункте;
- большой расход воздуха, требующий значительных затрат энергии для формирования мощных воздушных струй, которые, воздействуя на кожух, вызывают его вибрацию и создают шум (также, как и выходящие из кожуха газы), отрицательно воздействующий на находящихся неподалеку людей.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно снижение опасного и вредного воздействия пожара на окружающую среду и уменьшение затрат энергии при его тушении.
Задача решается тем, что в способе уменьшения вредного воздействия фонтанирующих горящих газовых скважин на окружающую среду, включающем подачу атмосферного воздуха в фонтанирующую струю, создают горючую смесь путем перемешивания газа и воздуха, который подают в количестве, необходимом для устойчивого горения смеси, при этом перемешивание производят с помощью горелки, которую размещают в огнеупорном защитном экране и устанавливают над струей, фонтанирующей из скважины.
Количество воздуха уменьшают до значения, являющегося минимально необходимым для устойчивого горения смеси. Воздух обогащают кислородом. Огнеупорный теплозащитный экран пропитывают солями никеля. Уменьшение количества воздуха до значения, являющегося минимально необходимым для устойчивого горения смеси, сопровождают эжектированием воздуха около скважины посредством струи. По ходу движения смеси производят расширение огораживаемой зоны горения.
Из уровня техники не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения и оказывающие такое же, как и они, влияние на технический результат, состоящий в снижении опасного и вредного воздействия на окружающую среду и уменьшении затрат энергии при тушении пожара.
Сущность изобретения отражают операции:
- создают горючую смесь путем перемешивания газа и воздуха, который подают в количестве, необходимом для устойчивого горения смеси, при этом перемешивание производят с помощью горелки, которую размещают в огнеупорном защитном экране и устанавливают над струей, фонтанирующей из скважины;
- количество воздуха уменьшают до значения, являющегося минимально необходимым для устойчивого горения смеси;
- воздух обогащают кислородом;
- огнеупорный теплозащитный экран пропитывают солями никеля;
- уменьшение количества воздуха до значения, являющегося минимально необходимым для устойчивого горения смеси, сопровождают эжектированием воздуха около скважины посредством струи;
- по ходу движения смеси производят расширение огораживаемой зоны горения.
3
3
3
3
3
Создание горючей смеси путем перемешивания газа и воздуха, который подают в количестве, необходимом для устойчивого горения смеси, дает возможность производить сжигание газа, затрачивая при этом меньше воздуха, чем в прототипе. Так, например, в прототипе для прекращения горения метана, пропана и бутана надо на 1 м газа соответственно подать 20, 41,7 и 52,6 м воздуха. Для сгорания указанных газов нужно соответственно 9,5, 23,8 и 30,9 м воздуха, что в 2,1, 1,75 и 1,7 раза меньше и, следовательно, меньше затраты энергии на нагнетание этого количество воздуха и слабее шум, связанный с подачей воздуха. Кроме того, в прототипе образуется 21, 42,7 и 53,6 м смеси воздуха с газом, а при сгорании - 10,5, 25,8 и 33,4 м продуктов сгорания, что соответственно в 2, 1,7 и 1,6 раза меньше. Это, в свою очередь, снижает шум, создаваемый истекающими газами.
Перемешивание газа и воздуха горелкой позволяет уменьшить длину факела, что приводит к снижению теплового излучения, испускаемого факелом. Кроме того, горение фонтанирующей струи переходит в управляемый процесс сжигания.
Огораживание зоны горения смеси огнеупорным теплозащитным экраном дает возможность практически полностью исключить вредное воздействие теплового факельного излучения на окружающие объекты и повысить температуру горения смеси, в результате чего возрастает скорость горения и уменьшается длина факела. При этом снижение тепловых потерь в окружающую среду за счет экрана позволяет сжигать смесь с уменьшенным количеством воздуха.
3
2
Сжигание газовоздушной смеси с очень небольшим количеством воздуха требует, чтобы выделяющегося при горении тепла было достаточно для покрытия потерь в окружающую среду и для нагрева газовоздушной смеси до температуры воспламенения. Минимальное количество воздуха, считая от теоретически необходимого для полного горения, при котором может быть обеспечено устойчивое горение, достаточно мало, например, для природного газа 60-65%, бутана 60% (Копытов В.Ф. Нагрев стали в печах. М.: Металлургиздат, 1955). Поэтому уменьшение количества воздуха до значения, являющегося минимально необходимым для устойчивого горения смеси, дает возможность еще меньше затрачивать энергии для нагнетания воздуха. Так, для сжигания бутана потребуется подать 20 м воздуха, что 2,6 раза меньше, чем у прототипа. Следует заметить, если сжигание газовоздушной смеси происходит с содержанием воздуха не ниже 70-80% от теоретически необходимого для полного горения, то в продуктах горения из горючих компонентов обнаруживается только окись углерода и водород (при меньшем количестве воздуха в продуктах неполного горения обнаруживается метан и тяжелые углеводороды). При горении теплоустойчивых газов (СО, Н) образуется несветящееся пламя бледно-синей окраски, благодаря чему излучательная способность факела падает, и снижается его опасное и вредное воздействие на окружающую среду.
3
3
3
2
Обогащение воздуха кислородом способствует сокращению подачи воздуха для горения смеси и уменьшению длины факела. Так, в атмосфере кислорода по сравнению с воздухом факел укорачивается более чем в 3 раза. Уменьшение длины факела снижает его излучательную способность. Кроме того, расширяются пределы воспламенения газа, что позволяет быстрее трансформировать пожар в процесс управляемого горения газа. Все это снижает опасное и вредное воздействие пожара на окружающую среду и уменьшает затраты энергии на его тушение. Кроме того, как уже указывалось, в случае снижения количества воздуха менее 70-80% в продуктах неполного горения обнаруживается метан и тяжелые углеводороды. Согласно известному механизму горения углеводородов в присутствии кислорода метан легко отдает один атом водорода с образованием радикала СН. Атомарный водород, реагируя с молекулой кислорода, образует гидроксил ОН, который, взаимодействуя с СН, создает неустойчивый метиловый спирт СНОН, окисляющийся с формированием нестойкого соединения формальдегида НСНО и воды. Полученный формальдегид разлагается с образованием H и СО, которые сгорают обычным образом с несветящимся пламенем, снижая излучательную способность факела.
Пропитывание огнеупора солями никеля (катализатора) ускоряет реакцию горения и способствует разложению СО на поверхности никеля (железа), что снижает вредное воздействие на окружающую среду.
Сопровождение уменьшения количества воздуха до значения, являющегося минимально необходимым для устойчивого горения смеси, эжектированием воздуха около скважины посредством струи, во-первых, позволяет еще больше уменьшить подачу воздуха для образования смеси, так как эжектируемый воздух будет принимать участие в горении. Во-вторых, этот воздух, двигаясь по поверхности огнеупорного теплозащитного экрана, охлаждает его и препятствует сильному нагреву, в результате чего он не становится вторичным источником мощного теплового излучения. Все это способствует снижению затрат энергии на тушение пожара и уменьшает его опасное и вредное воздействие на окружающую среду.
Расширение огораживаемой зоны горения по ходу движения смеси дает возможность повысить устойчивость горения с пониженным содержанием воздуха в смеси путем непрерывного поджигания горючей смеси (стабилизации воспламенения) и снизить шум, создаваемый выходящими продуктами горения. Это обеспечивается подсосом раскаленных продуктов сгорания к факелу, в результате чего происходит устойчивое и более полное горение смеси и уменьшение вредного и опасного воздействия на окружающую среду.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображено устройство для тушения пожара. На фиг.2 изображен вариант выполнения огнеупорного экрана устройства для тушения пожара.
Устройство содержит горелку 1 с патрубками 2, 3 для газа и воздуха, размещенную в огнеупорном теплозащитном экране 4 с зазором 5 для эжекции атмосферного воздуха 6 и установленную над струей 7, фонтанирующей из магистрали 8. Экран может быть выполнен из секций 9 с включениями 10 из солей никеля (железа), соприкасающимися с претерпевающей завихрения 11 смесью 12, сжигаемой факелом 13, который продуцирует продукты горения 14.
Способ реализуют следующим образом.
При воспламенении фонтанирующей из магистрали 8 газовой струи 7 создают горючую смесь путем перемешивания газа и воздуха, который подают в количестве, необходимом для устойчивого горения смеси. Над струей устанавливают горелку 1, подают в патрубок 3 воздух и перемешивают его с газом, поступающим в патрубок 2 (фиг.1). Для уменьшения теплового излучения факела 13 и повышения температуры смеси 12 зону горения огораживают огнеупорным теплозащитным (теплоизолирующим) экраном 4. Повышение температуры способствует интенсификации горения и уменьшению длины факела, находящегося в экране.
Для снижения затрат энергии на подачу воздуха и уменьшения создаваемого им и продуктами горения 14 шума уменьшают количество воздуха до значения, являющегося минимально необходимым для устойчивого горения смеси. В случае необходимости воздух обогащают кислородом.
Для более полного сгорания огнеупор пропитывают включениями 10 из солей никеля, соприкасающимися с горючей смесью (фиг.2).
При необходимости уменьшение количества воздуха до значения, являющегося минимально необходимым для устойчивого горения смеси, сопровождают эжектированием атмосферного воздуха 6, находящегося около скважины, струей в патрубок 2 и зазор 5. В результате разбавления воздухом газа появляется возможность уменьшить его приток через патрубок 3, а поступающий через зазор 5 воздух, омывая внутреннюю поверхность экрана 4, уменьшает его чрезмерный нагрев.
По ходу движения смеси производят расширение огораживаемой зоны горения путем увеличения диаметров секций 9, при этом завихрения 11 раскаленных продуктов смеси, взаимодействуя с ее свежими порциями, обеспечивают устойчивое горение (фиг.2). Кроме того, снижается шум, поскольку продукты горения постепенно расширяются, двигаясь к выходу.
Таким образом, осуществляют ликвидацию пожара, переводя его в стадию управляемого сжигания газа. После опустошения магистрали пламя затухает.
Внедрение изобретения позволит эффективно тушить пожар фонтанирующих газовых скважин, минимизируя вредное воздействие на окружающую среду.
1. Пат. РФ №2039213, МПК А62С 3/02, Е21В 35/00, 1995 - аналог.
2. Пат. РФ №2042790, МПК А62С 3/02, Е21В 35/00, 1995 - прототип.