شعلة غاز

إن شعلة الغاز ، والمعروفة أيضًا باسم مدخنة الشعلة ، أو ذراع الشعلة ، أو الشعلة الأرضية ، أو حفرة الشعلة ، هي جهاز احتراق الغاز المستخدم في أماكن مثل مصافي البترول ، ومصانع المواد الكيميائية ، ومصانع معالجة الغاز الطبيعي ، ومواقع استخراج النفط أو الغاز التي تحتوي على آبار نفط ، وآبار غاز ، ومنصات النفط والغاز البحرية، ومدافن النفايات .

في المصانع الصناعية، تُستخدم مداخن الحرق بشكل أساسي لحرق الغازات القابلة للاشتعال المنبعثة من صمامات الأمان أثناء حالات الضغط الزائد غير المخطط لها في معدات المصنع. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} كما تُستخدم أيضًا، أثناء بدء تشغيل المصنع أو إيقاف تشغيله جزئيًا، للاحتراق المخطط للغازات لفترات قصيرة نسبيًا.

في مواقع استخراج النفط والغاز، تُستخدم مشاعل الغاز لأغراض متنوعة تشمل بدء التشغيل والصيانة والاختبار والسلامة والطوارئ. ^{[ 6 ]} وفي ممارسة تُعرف باسم حرق الإنتاج ، قد تُستخدم أيضًا للتخلص من كميات كبيرة من الغاز البترولي المصاحب غير المرغوب فيه ، وربما طوال عمر بئر النفط. ^{[ 7 ]}

عندما تتعرض معدات المصانع الصناعية لضغط زائد، يُعد صمام تخفيف الضغط جهاز أمان أساسيًا يقوم تلقائيًا بتصريف الغازات، وأحيانًا السوائل. وتُلزم قوانين ومعايير التصميم الصناعي، فضلًا عن القانون، بتركيب هذه الصمامات.

تُوجَّه الغازات والسوائل المنبعثة عبر أنظمة أنابيب كبيرة تُسمى رؤوس الاحتراق إلى شعلة احتراق رأسية مرتفعة. تُحرق الغازات المنبعثة عند خروجها من أبراج الاحتراق. يعتمد حجم اللهب الناتج وسطوعه على معدل تدفق المادة القابلة للاشتعال بالجول في الساعة (أو وحدة حرارية بريطانية في الساعة). ^{[ 4 ]}

تحتوي معظم مشاعل المصانع الصناعية على فاصل بخار-سائل (يُعرف أيضًا باسم برميل الفصل) في اتجاه مجرى الشعلة لإزالة أي كميات كبيرة من السائل التي قد تصاحب الغازات المنبعثة.

يُضخ البخار غالبًا في اللهب للحد من تكوّن الدخان الأسود. عند إضافة كمية كبيرة من البخار، قد تحدث حالة تُعرف باسم "التبخير الزائد"، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الاحتراق وزيادة الانبعاثات. ^{[ 8 ]} وللحفاظ على نظام الشعلة فعالًا، تُحرق كمية صغيرة من الغاز باستمرار، كشعلة تجريبية ، بحيث يكون النظام دائمًا جاهزًا لغرضه الأساسي كنظام أمان ضد الضغط الزائد.

يوضح مخطط التدفق المجاور المكونات النموذجية لنظام مدخنة الاحتراق الصناعية بشكل عام: ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

• خزان فصل لإزالة أي زيت أو ماء من الغازات المنبعثة. قد يوجد عدة خزانات فصل: خزانات الضغط العالي وخزانات الضغط المنخفض، تستقبل تدفق التنفيس من معدات الضغط العالي ومعدات الضغط المنخفض. خزان تنفيس بارد معزول عن نظام التنفيس الرطب بسبب خطر التجمد.
• أسطوانة مانعة لتسرب الماء لمنع أي ارتداد للهب من أعلى مدخنة الاحتراق.
• نظام بديل لاستعادة الغاز يُستخدم أثناء بدء التشغيل الجزئي للمصنع وإيقافه، وكذلك في أوقات أخرى عند الحاجة. يُعاد توجيه الغاز المستعاد إلى نظام غاز الوقود الخاص بالمصنع الصناعي ككل.
• نظام حقن البخار لتوفير قوة زخم خارجية تستخدم لخلط الهواء بكفاءة مع الغاز المنطلق، مما يعزز الاحتراق بدون دخان.
• شعلة تجريبية (مع نظام الإشعال الخاص بها ) تحترق باستمرار بحيث تكون متاحة لإشعال الغازات المنبعثة عند الحاجة. ^{[ 9 ]}
• مجموعة الشعلات، بما في ذلك قسم منع الارتداد اللهبي في الجزء العلوي من المجموعة.

يُظهر الرسم التخطيطي طرف أنبوب متوهج. يمكن أن يكون لطرف الأنبوب المتوهج عدة أشكال:

• شعلة أنبوب بسيطة
• طرف صوتي – ضغط المنبع > 5 بار
• طرف متعدد الفوهات، صوتي أو دون صوتي
• طرف كواندا - طرف ذو شكل مميز يستخدم تأثير كواندا لسحب الهواء إلى الغاز لتحسين الاحتراق. ^{[ 10 ]}

صُممت مشاعل الاحتراق الأرضية لإخفاء اللهب عن الأنظار وتقليل الإشعاع الحراري والضوضاء. ^{[ 10 ]} وهي تتكون من صندوق أو أسطوانة فولاذية مبطنة بمادة حرارية . وهي مفتوحة من الأعلى وبها فتحات حول القاعدة للسماح بدخول هواء الاحتراق. وقد تحتوي على مجموعة من رؤوس الاحتراق المتعددة لتوفير إمكانية التحكم في شدة اللهب وتوزيعه على كامل مساحة المشعل. وتُستخدم هذه المشاعل عادةً في المناطق البرية الحساسة بيئيًا، كما استُخدمت في المنصات البحرية على منشآت الإنتاج والتخزين والتفريغ العائمة (FPSOs). ^{[ 10 ]}

عند استخراج النفط الخام من الآبار ، يُستخرج معه الغاز الطبيعي الخام المصاحب له إلى السطح. وخاصةً في المناطق التي تفتقر إلى خطوط الأنابيب وغيرها من البنى التحتية لنقل الغاز، تُحرق كميات هائلة من هذا الغاز المصاحب عادةً كنفايات أو غاز غير قابل للاستخدام. وقد يتم حرق الغاز المصاحب في أعلى مدخنة حرق رأسية، أو في مشعل أرضي داخل حفرة ترابية. ويُفضل إعادة حقن الغاز المصاحب في المكمن، مما يحفظه للاستخدام المستقبلي مع الحفاظ على ضغط البئر مرتفعًا وزيادة إنتاجية النفط الخام. ^{[ 12 ]}

كشفت التطورات في مجال الرصد عبر الأقمار الصناعية، إلى جانب الإبلاغ الطوعي، عن حرق ما يقارب 150 × 10⁹ متر مكعب (5.3 × 10¹² قدم مكعب) من الغاز المصاحب للغاز الطبيعي على مستوى العالم سنويًا منذ منتصف التسعينيات على الأقل وحتى عام 2020. ^[ 13 ^{] في عام 2011} ، كان هذا يعادل حوالي 25% من الاستهلاك السنوي للغاز الطبيعي في الولايات المتحدة، أو حوالي 30% من الاستهلاك السنوي للغاز في الاتحاد الأوروبي . ^{[ 7 ]} وبسعر السوق، تبلغ قيمة هذه الكمية من الغاز - بقيمة اسمية قدرها 5.62 دولار لكل 1000 قدم مكعب - 29.8  مليار دولار أمريكي. ^{[ 14 ]} إضافةً إلى ذلك، يُعد هذا الغاز المحترق مصدرًا هامًا لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ وغيرها من غازات الاحتباس الحراري .

يُعدّ معالجة وتخزين النفايات العضوية ، بما في ذلك مياه الصرف الصحي ومخلفات الحيوانات ومدافن النفايات، مصدراً هاماً للميثان الناتج عن الأنشطة البشرية. ^{[ 15 ]} تُستخدم مشاعل الغاز في أي عملية تُنتج الغاز الحيوي وتجمعه . ونتيجةً لذلك، تُعتبر مشاعل الغاز عنصراً أساسياً في أي منشأة للتحكم في إنتاج الغاز الحيوي. ^{[ 16 ]} تُركّب هذه المشاعل في مواقع مدافن النفايات ، ومحطات معالجة مياه الصرف الصحي ، ومحطات الهضم اللاهوائي التي تستخدم النفايات العضوية الزراعية أو المنزلية لإنتاج الميثان لاستخدامه كوقود أو للتدفئة.

تُستخدم مشاعل الغاز في أنظمة تجميع الغاز الحيوي إذا لم تكن معدلات إنتاج الغاز كافية لتبرير استخدامه في أي عملية صناعية. مع ذلك، في المصانع التي يكون فيها معدل إنتاج الغاز كافيًا للاستخدام المباشر في عملية صناعية تُصنّف ضمن الاقتصاد الدائري ، والتي قد تشمل توليد الكهرباء ، أو إنتاج غاز حيوي بجودة الغاز الطبيعي لاستخدامه كوقود للمركبات ^{[ 17 ]} أو للتدفئة في المباني، أو تجفيف الوقود المُستخلص من النفايات، أو معالجة عصارة النفايات ، تُستخدم مشاعل الغاز كنظام احتياطي أثناء فترات التوقف للصيانة أو أعطال معدات التوليد. في هذه الحالة الأخيرة، لا يمكن إيقاف توليد الغاز الحيوي عادةً، وتُستخدم مشاعل الغاز للحفاظ على الضغط الداخلي اللازم للعملية البيولوجية. ^{[ 18 ]}

يُستخدم نوعان من مشاعل الغاز للتحكم في الغاز الحيوي: المفتوحة والمغلقة. تحترق المشاعل المفتوحة عند درجة حرارة منخفضة، أقل من 1000  درجة مئوية، وهي عمومًا أرخص من المشاعل المغلقة التي تحترق عند درجة حرارة احتراق أعلى ، وعادةً ما تُصنع لتتوافق مع زمن بقاء محدد يبلغ 0.3 ثانية داخل المدخنة لضمان التدمير الكامل لأي جزيئات سامة موجودة في الغاز الحيوي. تتطلب مواصفات المشاعل عادةً أن تعمل المشاعل المغلقة عند درجة حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية وأقل من 1200 درجة مئوية؛ وذلك لضمان كفاءة تدمير بنسبة 98% وتجنب تكوّن أكاسيد النيتروجين . ^{[ 19 ]}  

يُطلق الغاز الطبيعي غير المحترق في الشعلة إلى الغلاف الجوي على شكل غاز الميثان. ويُقدّر أن قدرة الميثان على إحداث الاحتباس الحراري أكبر بـ 28 إلى 36 مرة من قدرة _ثاني أكسيد الكربون على مدار قرن، وأكبر بـ 84 إلى 87 مرة على مدار عقدين. ^{[ 20 ]} ينتج عن حرق الغاز الطبيعي ثاني أكسيد الكربون _{والعديد} من المركبات الأخرى، وذلك تبعًا للتركيب الكيميائي للغاز الطبيعي وكفاءة احتراقه في الشعلة. لذا، وبقدر ما تُحوّل شعلات الغاز الميثان إلى ثاني أكسيد الكربون _قبل إطلاقه في الغلاف الجوي، فإنها تُقلل من الاحتباس الحراري الذي كان سيحدث لولا ذلك. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

ساهمت انبعاثات حرق الغاز في انبعاث 270 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون _عام 2017، ويُعتقد أن خفض هذه الانبعاثات عنصرٌ هامٌ في الحد من ظاهرة الاحتباس الحراري. ^{[ 23 ]} وقد تعهد عددٌ متزايدٌ من الحكومات والقطاعات الصناعية بالقضاء على حرق الغاز أو الحد منه. ^{[ 23 ]} كما أن التعهد العالمي بشأن الميثان ، الذي وُقِّع في مؤتمر الأطراف السادس والعشرين (COP26) ، والذي التزمت فيه 111 دولة بخفض انبعاثات الميثان بنسبة 30% على الأقل عن مستويات عام 2020 بحلول عام 2030، يُسهم أيضاً في زيادة الاهتمام العالمي بقضية الميثان.

قد تشمل الأبخرة الضارة الإضافية المنبعثة من حرق الغازات الهيدروكربونات العطرية ( البنزين ، والتولوين ، والزيلين ) والبنزوبيرين ، وهي مواد معروفة بتأثيرها المسرطن. وقد وجدت دراسة أجريت عام 2013 أن حرق الغازات ساهم بأكثر من 40% من الكربون الأسود المترسب في القطب الشمالي. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

يمكن أن يؤثر حرق الغاز على الحياة البرية بجذب الطيور والحشرات إلى اللهب. ففي 13 سبتمبر/أيلول 2013، انجذب ما يقارب 7500 طائر مغرد مهاجر إلى اللهب في محطة الغاز الطبيعي المسال في سانت جون، نيو برونزويك، كندا، مما أدى إلى نفوقها. ^{[ 26 ]} وقد وقعت حوادث مماثلة في مواقع حرق الغاز في منشآت النفط والغاز البحرية. ^{[ 27 ]} ومن المعروف أن العث ينجذب إلى الأضواء. ويصف كتيب صادر عن أمانة اتفاقية التنوع البيولوجي، والذي يشرح مبادرة التصنيف العالمية، حالةً لاحظ فيها عالم تصنيف يعمل في غابة استوائية أن شعلة غاز في مصفاة نفط كانت تجذب وتقتل المئات من هذه العث (عث أبو الهول). وعلى مدار الأشهر والسنوات التي كانت فيها المصفاة تعمل، لا بد أن عددًا هائلاً من العث قد نفق، مما يشير إلى عدم إمكانية تلقيح النباتات في مساحة واسعة من الغابة. ^{[ 28 ]}

• مدخنة التفريغ
• مدخنة غازات الاحتراق
• تهوية الغاز

• أنظمة التخلص من الشعلات والتهوية على موقع بترو ويكي