Метан, выделяющийся при добыче нефти, представляет серьезную угрозу для климата, превосходя углекислый газ по воздействию на глобальное потепление в десятки раз. На нефтяных месторождениях этот газ обычно сжигают с помощью факелов, однако такие установки часто оказываются неэффективными. Боковой ветер нарушает процесс горения, позволяя значительной части метана — до 40% — попадать в атмосферу. Для решения этой проблемы долгое время велся поиск новых решений для утилизации метана, то есть одной из приоритетных задач в борьбе с парниковым эффектом.
Команда ученых из Юго-Западного исследовательского института (SwRI) и Мичиганского университета (U-M) представила революционную разработку — усовершенствованную горелку, способную уничтожать до 98% метана, образующегося при добыче нефти. Этот прорыв стал возможен благодаря сочетанию передовых технологий: 3D-печати и методов машинного обучения. Новая горелка значительно превосходит традиционные установки, обеспечивая стабильное сжигание газа даже в сложных погодных условиях.
Результаты их работы подробно описаны в научной статье "Экспериментальное исследование влияния состава отходящего газа и бокового ветра на бессажевые факелы с использованием нового метода тестирования в помещении", опубликованной в авторитетном журнале Industrial & Chemical Engineering Research.
Как мы уже ранее выяснили, на нефтедобывающих предприятиях выделяется так называемый нефтяной газ, содержащий метан, который традиционно сжигается на факельных установках. Однако, как выяснилось, стандартные горелки открытого типа крайне уязвимы к воздействию ветра. Боковой ветер существенно снижает эффективность сжигания, приводя к тому, что до 40% и более метана беспрепятственно попадает в атмосферу. И это серьезная проблема, учитывая, что метан – гораздо более мощный парниковый газ, чем углекислый газ. Если взять для примера промежуток времени в 100 лет, то он в 28 раз сильнее способствует глобальному потеплению, а в краткосрочной 20-летней перспективе – и вовсе в 84 раза. Факельное сжигание, задуманное как способ минимизировать вредное воздействие, в случае неэффективных горелок теряет значительную часть своего смысла.
Чтобы решить эту проблему, SwRI и U-M объединили усилия, задействовав передовые методы: машинное обучение для оптимизации конструкции, компьютерное моделирование гидродинамических процессов для понимания потоков газа и воздуха, и аддитивные технологии (3D-печать) для точного воплощения сложных форм. Результатом стал прототип горелки, продемонстрировавший высокую эффективность сжигания метана и стабильное горение даже в условиях, приближенных к реальным полевым условиям, включая воздействие ветра.
"Уникальность нашего подхода заключалась в проведении испытаний в крытой лаборатории SwRI, где мы могли точно контролировать параметры бокового ветра и измерять эффективность горелки в самых разных условиях," – поясняет ведущий инженер SwRI Алекс Шлунекер, один из авторов исследования. "Мы убедились, что даже незначительный ветер критически снижает производительность большинства обычных горелок. Ключевым фактором для сохранения высокой эффективности оказалась внутренняя структура горелки, в частности, форма и расположение лопастей. Команда из Мичиганского университета смогла спроектировать конструкцию, которая радикально улучшила показатели".
Секрет эффективности новой горелки кроется в ее сложном сопле, которое разделяет поток метана на три направления. Импеллер, или рабочее колесо, особой конструкции направляет газ непосредственно в зону горения. Такое решение обеспечивает максимально равномерное смешивание метана с кислородом из воздуха и предоставляет достаточно времени для полного сгорания до того, как ветер успеет помешать процессу. Именно эта инновационная конструкция является залогом высокой эффективности горелки.
"Для качественного сгорания крайне важно поддерживать оптимальное соотношение кислорода и метана," – подчеркивает Джастин Лонг, старший научный сотрудник SwRI. "Необходимо эффективно захватывать окружающий воздух и смешивать его с метаном, но при этом важно не допустить избытка воздуха, который может разбавить горючую смесь. Исследователи из U-M провели колоссальную работу по компьютерному моделированию, чтобы найти идеальную геометрию, обеспечивающую баланс воздуха и метана даже при сильном боковом ветре."
Важно отметит, что на этом испытания не закончились. Команды SwRI и U-M продолжают совместную работу над разработкой и тестированием новых, еще более совершенных конструкций горелок. Их цель – представить в 2025 году прототип, который будет не только еще эффективнее, но и более экономически выгодным в производстве и эксплуатации.
