МИНИСТЕРСТВО ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Самарский областной комитет охраны окружающей среды и природных ресурсов Российской Федерации

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ ПРИ СВОБОДНОМ ГОРЕНИИ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

Самара

1996

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение.

1.1. Настоящий документ:

(1) Разработан в соответствии с Законом Российской Федерации "Об охране окружающей природной среды" с целью получения данных о выбросах загрязняющих веществ при свободной горении нефти и нефтепродуктов;

(2) устанавливает методику расчета параметров выбросов загрязняющих веществ при горении нефти и нефтепродуктов в воздушной среде;

(3) распространяется на случай свободного горения нефти и нефтепродуктов.

2. Ссылка на нормативные документы.

2.1. РД 39-1-159-79 Унифицированные технологические схемы комплексов сбора и подготовки нефти, газа и воды нефтедобывающих районов.

2.2. ГОСТ 17.2.1.07-77 Охрана природы. Атмосфера. Метеорологические аспекты загрязнения и промышленные выбросы. Основные термины и определения.

3. Основные понятия и определения:

Соответствуют ГОСТу 17.2.1.07-77.

4. Общие положения.

4.1. Данная методика:

(1) Содержит основные положения и процедуру расчета количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, при горении нефти и нефтепродуктов в воздушной среде;

(2) позволяет рассчитать максимальный выброс вредного веществам его среднюю величину;

(3) обеспечивает расчет выбросов при следующих ситуациях:

- горении нефти и нефтепродуктов на поверхности раздела фаз - жидкость-атмосфера;

- горении пропитанного нефтью и нефтепродуктом инертного грунта;

- комбинированный случай горения нефти и нефтепродуктов.

4.2. Базовый алгоритм расчета по данной методике предполагает наличие экспериментально определенных величин скорости выгорания нефти и конкретного нефтепродукта с единицы поверхности (кг/м²·с) и удельного выброса конкретного вредного компонента при сгорании единицы массы нефтепродукта.

Другие данные для расчета выбросов определяются прямыми метрическими замерами, выполняемыми производственными или контрольными службами на месте аварийной ситуации или планово-технологическом сжигании нефти и нефтепродукта.

4.3. Предлагаемая методика будет уточняться по мере накопления статистического материала по величинам скорости выгорания и удельного выброса для наполняющейся номенклатуры нефтепродуктов.

5. Расчет выбросов вредных веществ в атмосферу при свободном горении нефти и нефтепродуктов.

При необходимости определения количества вредных выбросов при плановом или аварийном сжигании нефтепродуктов в зависимости от ситуационных характеристик из описанных ниже методов расчета выбирается наиболее подходящий (или комбинированный). При недостатке исходных данных или отсутствии эксперементально-определенных величин "К₁" и "m" производится приближенный расчет по родственному нефтепродукту с обоснованием принятых данных.

5.1. Горении нефти и нефтепродуктов на поверхности раздела фаз жидкость-атмосфера.

Этот метод расчета применяется для определения количества вредных веществ, выделяющихся в атмосферу при горении нефтепродукта в амбарах, резервуарах, обваловках, на водной поверхности и во всех остальных случаях, когда имеется достаточный слой нефтепродукта, чтобы образовалось ровное горизонтальное зеркало раздела фаз (поверхность).

Основная формула расчета выброса вредного вещества (ВВ) в атмосферу при рассматриваемом характере горения нефтепродукта имеет вид:

П₁=К₁·m_j·S_ср, кг₁/час                                                             (5.1)

где:

П₁ - количество конкретного (і) ВВ, выброшенного в атмосферу при сгорании конкретного (j) нефтепродукта в единицу времени, кг₁/час;

К₁ ֊- удельный выброс конкретного ВВ (і) на единицу массы сгоревшего

нефтепродукта, кг₁/кг_j;

m_j - скорость выгорания нефтепродукта, кг_j/м²·час;

S_ср - средняя поверхность зеркала жидкости, м².

Величина К₁ - является постоянной для данного нефтепродукта и ВВ. Она определяется инструментальными методами в лабораторных и натурных условиях, после чего применяется как константа. В таблице 5.1 приводится значение этой характеристики для нефти и некоторых нефтепродуктов, которые к настоящему времени достаточно изучены [14-18, 42-48]. В связи с тем, что нефти, добываемые на территории России, имеют элементарный состав практически постоянный [21, 22], данные таблицы 5.1 можно использовать для любой нефти за исключением высокосернистых нефтей, выбросы двуокиси серы при горении последних можно рассчитать по стехиометрии, исходя из содержания общей серы в составе нефти. Величины К₁ определялись при температуре горения менее 1300°С и избытке воздуха, равном 0.93, что в большинстве случаев соответствует реальным условиям свободного горения нефтепродуктов.

Таблица 5.1

Удельный выброс вредного вещества при горении нефти и нефтепродуктов на поверхности К_i

Расчет выброса диоксида серы возможно проводить по стехиометрии химической реакции общей серы в нефтепродукте с кислородом воздуха, используя формулу:

П_SO2=0,02·m_j·S_ср·C_s, кг₁/час                                             (5.2)

где:

C_s - массовый процент общей серы в нефтепродукте, %.

Скорость выгорания "m_j" является практически постоянной величиной для нефти и конкретных нефтепродуктов и определяется как средняя массовая скорость горения нефтепродукта с единицы поверхности зеркала фаз в единицу времени. Эта величина определяется экспериментально и применяется как константа. В таблице 5.2 приводятся имеющиеся в настоящее время экспериментально-проверенные [23] величины m_j для некоторых нефтепродуктов.

Таблица 5.2

Величины скорости выгорания нефти и нефтепродуктов

Средняя поверхность зеркала горения (поверхность горения) "S_ср" определяется метрически путем измерения поверхности разлива нефтепродукта (поверхности нефти в резервуаре, площади амбара и др.). Ниже приводятся способы определения поверхности горения для различных аварийных случаев:

а) При горении жидкости в резервуаре (установке) без его разрушения S_ср равна площади горизонтального сечения резервуара или установки.

б) При горении жидкости с разрушением резервуара и вытекании жидкости в обваловку S_cp равна площади обваловки.

в) Для резервуаров (установок), получивших во время аварии сильные разрушения

S_cp =4,63·V_ж, м²                                                                     (5.3)

где :

V_ж - объем нефтепродукта в резервуаре (установке), м³.

г) Для фонтанирующих нефтяных скважин средняя поверхность определяется по уравнению: Q

                                                                     (5.4)

где:

Q - дебит скважины (производительность скважины по нефти), т/сут.

р - плотность нефти, т/м³.

1 - линейная скорость выгорания нефти и нефтепродуктов, мм/мин (табл.5.2).

5.2. Горение пропитанных нефтью и нефтепродуктов инертных грунтов.

В данном разделе приводится методика расчета количества вредных выбросов в атмосферу при горении инертного грунта (или других пористых поверхностей) пропитанных нефтью и нефтепродуктом, этот случай имеет место при возгорании малых и средних проливов нефти и нефтепродукта на почву, когда не образуется явное зеркало раздела фаз и нефтепродукт полностью впитывается этой почвой.

Физико-химический механизм горения пропитанного нефтью и ее производных грунта сложен и зависит от множества факторов: от вида нефтепродукта, типа грунта, его минерального состава и так далее.

В данной методике приняты следующие упрощающие расчет допущения:

а) Применяется поверхностная модель горения аналогичная рассмотренной в разделе 5.1., с учетом характеристик грунтов и почв.

б) Не учитываются выбросы вредных веществ в атмосферу, образующихся при горении не нефтяных компонентов (флоры и фауны почв, минералов и других компонентов присущих этим почвам).

Для расчета количества вредных выбросов, образующихся при сгорании нефти и продуктов ее переработки на инертном грунте используется следующая формула:

, кг₁/час                                   (5.5)

где:

K_j - удельный выброс ВВ, кг_j/кг;

K_п - нефтеемкость грунта, м³/м³;

р - плотность разлитого вещества, кг/м³

b - толщина пропитанного нефтепродуктом слоя почвы, м;

S_r - площадь пятна нефти и нефтепродукта на почве, м;

t_r - время горения нефти и нефтепродукта от начала до затухания, час;

0.6 - принятый коэффициент полноты сгорания нефтепродукта.

Удельный выброс ВВ находится по табл. 5.1.

Величина нефтеемкости грунтов определяется по таблице 5.3 в зависимости от вида грунта и его влажности.

Таблица 5.3

Нефтеемкости грунтов, м³/м³

Влажность грунта определяется инструментально по разнице весов навески грунта до и после выпаривания воды при 100°С.

Величины S_r и b определяются метрически на месте аварии.

Время выгорания нефтепродуктов из грунта определяется непосредственно его, замером от воспламенения до затухания.

5.3. Комбинированный случай горения нефти и нефтепродуктов.

При массовом проливе нефти и нефтепродукта на грунт (или другую пористую подложку) часть их впитывается в грунт, а остальная часть остается на поверхности и образует горизонтальное зеркало раздела фаз жидкость-воздух. В этом случае горение протекает в две стадии:

а) Свободное горение нефти и ее продуктов с поверхности раздела фаз.

б) Выгорание остатков нефти и нефтепродукта из пропитанного им грунта вплоть до затухания.

Упрощенный расчет выброса для рассматриваемого случая предусматривает раздельное определение поступающих в атмосферу вредных веществ согласно разделам 5.1 и 5.2 настоящей методики с последующим суммированием полученных величин выбросов. При этом поверхность зеркала S_ср и поверхность грунта, пропитанного нефтью и ее производными, S_r, следует считать равными при отношении максимальной толщины слоя нефтепродукта над грунтом к эквивалентному диаметру "пятна" не более 0.01 ?(К=h/D_экв < 0.01). При К > 0.01 величины S_ср и S_r рассчитываются для каждого конкретного случая отдельно.

6. Расчет максимального и валового выброса загрязняющих веществ в атмосферу.

Максимальный выброс по времени соответствует раннему периоду устойчивого горения нефтепродукта, когда поверхность зеркала максимальна. В этом случае выброс ВВ составит

П₁=К_j·m_j·S_max, кг/час                                                             (6.1)

Валовый выброс вредного вещества в атмосферу рассчитывается по формуле:

w₁=П₁₃·t₃+П_1r·t_r, кг                                                                (6.2)

где:

П₁₃ - выброс ВВ при средней площади зеркала S_ср, кг/час;

П_1r - выброс ВВ при выгорании нефтепродукта из грунта, рассчитанный по формуле (5.5), кг/час;

t₃ - время существования зеркала горения над грунтом, рассчитываемое по формуле:

, час                                                             (6.3)

где:

h_ср - средняя величина толщины слоя нефтепродукта над грунтом, м;

1 - линейная скорость выгорания мм/мин., определяется по табл. 5.2.

t_r - время выгорания нефтепродукта из грунта, час.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. Гейдон, Х. Вольфгард. Пламя, его структура, излучение и температура. М. Металургиздат, 1969 г.

2. П.Г. Демидов. Основы горения веществ. М. Минкомхоз РСФСР, 1951 г.

3. Б.Ф. Гордиец, Л.Н. Шелепин, и др. Физика горения и взрыва, 18 N 2, с 71-76.

4. И.А. Шепелев. Турбулентная конвективная струя над источником тепла. Изв. Академии наук СССР, Машиностроение, 4, 1961 г.

5. Е.С. Щетинков. Физика горения газов. Наука, М., 1965.

6. Основы горения углеводородных топлив. Перев. с англ. под редакцией Л.Н. Хитрина и В.Л. Попова, ИЛ, М., 1960 г.

7. А.Н.Васильев, Н.И.Храмов. Влияние метастабильности на горение жидких веществ, сб. Физика горения и взрыва, N1, 18, 1982.

8. К.С. Каспарьянц. Промысловая подготовка нефти и газа, Н., Недра. ???

9. А.Н. Баратов и др. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленностей, М., Химия, 1979.

10. Е.И. Шипов. Пожарная защита открытых технологических установок, М., Химия, 1975.

11. О.М. Волков, Г.А. Проскуряков. Пожарная безопасность на предприятиях транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов, Н., Недра, 1981.

12. Б.Е. Грушевский, А.С. Измайлов. Термические и геометрические характеристики пламени при горении нефтепродуктов в резервуарах, НТРС "Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья", № 10, 1976.

13. М.В. Казаков, И.И. Петров. Средства и способы тушения пламя горящих жидкостей, М., Стройиздат, 1977.

14. Нефти CCCP. Справочник, т.І, Нефти северных районов Европейской части СССР и Урала, Химия, М., 1971.

15. Нефти СССР. Справочник, т.II, Нефти Среднего и Нижнего Поволжья, Химия, М-, 1972.

16. Нефти СССР. Справочник, т.III, Нефти Кавказа и Западных районов Европейской части СССР, Химия, Н., 1972.

17. Нефти СССР. Справочник, т.IV, Нефти Средней Азии, Казахстана, Сибири и О. Сахалин, Химия, М., 1974.

18. Новые нефти восточных районов СССР. Справочник, Химия, М-, 1967.

19. Е.Г. Ивченко и др. Сернистые и высокосернистые нефти Башкирской АССР, Гостехиэдат, 1963-67 гг.

20. Р.Д. 39-1-159-79. Унифицированные технологические схемы комплексов сбора и подготовки нефти, газа и воды нефтедобывающих районов. Гипровостокнефть, 1979.

21. Оценка характеристик заражения атмосферы, местности и гидросферы при разрушении объектов нефтяной промышленности. Проект "Последствие", Гипровостокнефть, СС-1089-ГО, 1984г., Раздел П-5.

22. Исследование образования аэрозолей при массовых пожарах. Оценка изменения газового состава и оптических свойств атмосферы. Проект "Последствие", Гипровостокнефть, СС-1079-ГО, 1984г., Раздел 3.3.

23. Оценка загазованности и задымления территорий городов и промышленных предприятий продуктами горения при массовых пожарах, (рекомендации), ВНИИПО, методика, 1982.

24. Защита сооружения гражданской обороны, СНиП II-11-77, пост. N 158 1977г.

25. Ван-Дер-Хельд. Образование и газификация углерода в атмосфере продуктов сгорания, Сб. "Материалы YI и YII международных симпозиумов по продуктам сгорания. Перевод с англ. М., 1963г., с. 190-197.

26. Van-der-Hold E.F.H. 7-th Simposium (intern) on combustion Ltd, 1958, 554-558 p.

27. Ю.В. Лыков, В.Б. Наливайко, В.В. Романов. Сравнительная оценка дымообразования (при сгорании) материалов. Сб. "Пожароопасность веществ и материалов, М., 1981 г. 131-141.

28. И.В. Самойлов, В.П. Богословский. 0 некоторых особенностях выгорания гомогенных смесей в турбулентном потоке. Сб. "Физика горения и взрыва, N 1, 18, 1982. с. 42-45.

29. Ф.Г. Бакиров, Н.Х. Баширов, В.М. Захаров и др. Разработка

нетолики экспериментальных исследований сажеобразования в процессе горения гомогенной смеси при давлении до 2 МПа, Сб."Физика горения и взрыва, N2-3, 18, 1982. с.143-145.

30. П.А.Теспер. Образование сажи при разложении и крекинге углеводородов. Газовая промышленность, N 5, 1961.

31. В.Ф. Коков, В.В. Гришин, Г.Г. Шевяков. Моделирование открытых пожаров. М., Стройиздат, 1969.

32. Материалы б-го Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву, Алма-Ата, 23-26 сентября 1980 г. под ред. Л.И. Стесик. Химия и физика горения газов и натуральных топлив.

33. Я.Р. Рабинович, П.А. Теспер. Исследование процесса сажеобразования в диффузионном пламени природного газа. Тр.ВНИИГаз, .ВЫП. 1 (9), 1957.

34. М.М. Полякова, П.А. Теспер.. Состав газообразных продуктов горения в диффузионном факеле природного газа. ТР. ВНИИГаз, ВЫП. 6 (14) 1959.

35. И.Л. Гурвич. Технология переработки нефти и газа, ч.1, М., Химия, 1972.

36. D.S. Haynes, H.G. Wagner. Soot formation. Prog. Energy Combust, vol. 7, 1981.

37. Ahtishan A.NiEami, Soot in flame, with special reference to aromatics. Oornal of.scientific and Industrial Research, vol. 40, august 1981.

38. Owen О. Smisth, fundamenal of soot formation in flames with application to diesel enegine particulate emission, Prog. Energy Combust, vol. 7, 1981.

39. В.Ф. Комов, В.В. Гришин, Г.Г. Шевяков. Моделирование открытых пожаров. М., Стройиздат, Сборник обзорных работ, 1969.

40. Сборник методик по расчету выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами. Госконгидромет, Я.. 1986.

41. И.Л. Гурвич. Технология переработки нефти и газа, ч.1, М., ХИМИЯ, 1972.

42. Browing К.А. et'.öl. Enviroment effects from burning oil Nature. 1991.

43. А.В.Андронова, Е.М. Костина, А.С. Кутов и др. Оптические и микрофизические свойства аэрозолей, полученных при горении различных материалов. Изв. АНСССР, т.24, 3, 1983.

44. А.М. Гришин. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск, Наука, 1992.

45. М.М. Гамадеев. Атмосфера и человек. Казань, Татарское кн. из-во, 1978.

46. С.В. Белов. Защита окружающей среды. Труды МВТЧ. М., 1978.

47. Crutzen Р.Э., and oth Tropospheric composition measurements in brasie during the dry season j. Atnos. chem., 1985,2.

48. Greenberg j. p., Zimmerman, Heidt L. Pollock W: Hygro-carolbn emmisions from biomass burning in Brasil J.gep-luis. Res., 1984, 1984,89.