Выбросы ЗВ от горения нефти. Методика расчета выбросов от источников горения при разливе нефти и нефтепродуктов. 1997
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Приказ
от 5 марта 1997 г. № 90
Об утверждении методик расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу
С целью обеспечения единого подхода выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух приказываю
Утвердить Методику расчета выбросов от источников горения при разливе нефти и нефтепродуктов.
Председатель
В.И. Данилов-Данильян
МЕТОДИКА
РАСЧЕТА ВЫБРОСОВ ОТ ИСТОЧНИКОВ ГОРЕНИЯ ПРИ РАЗЛИВЕ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ
Область применения
Настоящая методика устанавливает общие требования к расчету выбросов вредных газообразных и дисперсных веществ в атмосферу при горении нефти и нефтепродуктов, разлитых на различных типах подстилающих поверхностей (вода; инертная почва с буграми и впадинами; почва, покрытая растительностью, в том числе и лесной; болото).
Настоящая методика может использоваться для определения экологического ущерба в результате неконтролируемого горения нефти и нефтепродуктов, разлитых на различных типах подстилающих поверхностей.
1 Нормативные ссылки
В настоящем документе использованы ссылки на следующие официальные издания:
ГОСТ 8.310-78 ГСИ Государственная служба стандартных справочных данных. Основные положения.
ГОСТ 8.417-81 ГСИ Единицы физических величин.
ГОСТ 2.321-84 ЕСКД Обозначения буквенные.
2 Общие положения
2.1 Цель методики - расчет итоговых и текущих значений масс выбросов загрязняющих веществ и тепла в атмосферу при неконтролируемом горении нефти и нефтепродуктов в открытом пространстве на различных типах подстилающей поверхности.
2.2 При создании настоящего документа использовались численные значения коэффициентов генерации поллютантов, полученных различными авторами на основе лабораторных экспериментов и анализа последствий реальных пожаров. В том случае, если экспериментальные данные отсутствовали, использовались экспертные оценки.
2.3. Горение представляет собой быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением теплоты, света и вредных веществ в атмосферу. Различают организованное (контролируемое) горение в топках паровых котлов и различных двигателях и неконтролируемое горение. При организованном горении соединяется расчетное количество Н и НП и кислорода. Неконтролируемое горение имеет место при пожарах в открытом пространстве, возникающих в результате аварий на нефтебазах и нефтехимических производствах или на трубопроводах. Оно представляет собой сложный физико-химический процесс, на скорость которого влияет не только химическая реакция, но и неконтролируемый приток окислителя из окружающей среды.
В результате неконтролируемого горения разлитой нефти и нефтепродуктов возникает конвективная колонка - струя нагретых продуктов полного и неполного сгорания топлива, которые выбрасываются благодаря этой колонке в приземный слой атмосферы. Высота конвективной колонки тем больше, чем большее количество тепла выделяется при горении, т.к. основная движущая сила продуктов сгорания - сила Архимеда. Очаг пожара имеет сложную структуру и включает в себя зону пиролиза углеводородного топлива, зону догорания газообразных и конденсированных продуктов пиролиза. Горение нефти и нефтепродуктов происходит при постоянном давлении и имеет диффузионный характер, т.е. лимитируется поступлением кислорода благодаря подсосу воздуха из окружающей среды. Любой пожар имеет начало, стадию квазистационарного горения и стадию потухания, когда горение прекращается из-за сгорания разлитой нефти, в результате чего устанавливается новое термодинамическое равновесие.
2.4. Исходными данными для методики называют описание предварительного обследования зоны аварии, которое включает:
1) карту-схему района аварии;
2) краткое природно-климатическое описание района, в котором расположен очаг пожара;
3) метеорологические характеристики окружающей среды (температура, скорость ветра, наличие осадков);
4) тип подстилающей поверхности;
5) запас техногенных и природных горючих материалов;
6) экологическое состояние окружающей среды (фоновые концентрации загрязняющих веществ).
2.5. При расчете выбросов загрязняющих веществ в атмосферу необходимо использовать следующий общий алгоритм:
а) обследование места аварии и получение исходных данных (экологического паспорта зоны аварии), в том числе, оценка массы М нефти и нефтепродуктов разлитых на поверхности;
б) выбор типа подстилающей поверхности;
в) выбор математической модели для расчета выбросов вредных веществ в атмосферу;
г) численное решение задачи об определении итоговых выбросов загрязняющих веществ;
д) численное решение задачи об определении текущих выбросов загрязняющих веществ, если это необходимо;
е) оценка экологического ущерба от выбросов загрязняющих веществ.
3 Определения, обозначения и сокращения
В настоящей методике используются следующие термины с соответствующими определениями и обозначениями:
3.1. Методика расчета выбросов представляет собой совокупность определений, физических и математических моделей и алгоритмов, позволяющих найти массу выбросов вредных веществ в атмосферу в результате горения нефти и нефтепродуктов для различных исходных данных.
3.2. Физической моделью явления или среды называется описание основных причинно-следственных связей, объясняющих исследуемое явление или структуру среды. Она создается на основе наблюдений, экспериментальных исследований и известных в естественных науках законов природы. С использованием физической модели строится математическая модель выбросов вредных продуктов горения в атмосферу.
3.3. Математической моделью явления или среды называется совокупность математических уравнений, адекватно отражающих физическую модель явления или структуру среды, которые получены на основе законов природы в результате удержания существенных (родовых) и отбрасывания несущественных признаков исследуемого явления или среды, что позволяет понимать сущность явления или структуру среды и достаточно точно прогнозировать основные характеристики исследуемого явления.
3.4. Масштаб экологической катастрофы при разливе нефти (Н) и нефтепродуктов (НП) характеризуется начальной массой М0 нефти или нефтепродуктов, оказавшейся выброшенной в результате аварии в окружающую среду и площадью территории, покрытой ими - S0. Эти величины получают эксперты в результате обследования территории на которой произошла экологическая катастрофа.
3.5. Растительными горючими материалами (РГМ) называются природные углеводородные топлива, к которым относятся тонкие веточки, хвоинки или листья в кронах деревьев и опавшие на землю, а также напочвенный покров (трава, кустарники, мох, лишайник).
3.6. Выбросом загрязняющих веществ в атмосферу называется поступление за определенное время в воздух или образование в нем физико-химических агентов и веществ, неблагоприятно воздействующих на людей и окружающую среду. Выброс любого вредного вещества a обозначается Мa, и измеряется в единицах массы (г, кг, моль).
3.7. Удельным выбросом (коэффициентом эмиссии) a-вещества называется отношение
Кa = Мa /Мг. (3.1)
где Mг - масса сгоревшем нефти или нефтепродукта. Если известна химическая формула Н и НП, то при организованном горении можно определить коэффициенты эмиссии с помощью стехиометрии - науки о количественных соотношениях в которых различные вещества вступают друг с другом в химическую реакцию. Для неконтролируемого горения Кa можно определить только опытным путем.
3.8. Недожогом Н и НП называется масса несгоревшего в условиях неконтролируемого горения топлива Мн. Величина Мн измеряется в кг. Известно, например, что если неконтролируемое горение имеет место на водной подстилающей поверхности, то на поверхности воды остается слой нефти толщиной 2 мм.
3.9. Количество сгоревшего углеводородного топлива Мг можно определить, используя закон сохранения массы
Мг = М0 - Мн. (3.2)
3.10. При аварии трубопровода, фонтане нефти на нефтепромыслах, аварии танкера или поезда с железнодорожными цистернами Н и НП топливо разливается по поверхности, называемой подстилающей. Существуют четыре типа подстилающей поверхности:
1) водная поверхность;
2) инертная почва с известной пористостью и проницаемостью;
3) почва, покрытая растительностью, которая, впитывая Н и НП, сгорает вместе с углеводородным топливом;
4) болота, которые представляют совокупность живых болотных растений, отмерших растений, а также свободной и связанной в растениях воды.
3.11 Поллютант - вещество, загрязняющее среду обитания. Русский синоним этого слова - загрязнитель. Масса выброса поллютанта a-сорта возникающего при горении Н и НП, на основании (3.1) и (3.2) определяется по формуле:
Мa = Кa (М0 - Мн). (3.3)
Величина Мa измеряется в кг.
3.12 Выбросом тепла в атмосферу называется количество теплоты Q, выделяющееся при горении массы Мг, Н и НП. Выброс тепла в атмосферу определяется по формуле
Q = q (M0 - Mн) (3.4)
3.13 M0 - масса нефти или нефтепродукта, разлитые на поверхности в результате аварии, т;
3.14 Q - количество тепла, выброшенного в атмосферу в результате горения нефти или нефтепродуктов, кДж;
3.15 q - тепловой эффект горения нефти или нефтепродукта кДж/кг;
3.16 S0 - площадь территории, покрытая разлитыми нефтью или нефтепродуктами, м2;
3.17 r0 - плотность нефти или нефтепродукта, кг/м3;
3.18 h - толщина слоя нефти или нефтепродукта, разлитых на поверхности, мм;
3.19 h* - величина критической толщины слоя нефти или нефтепродукта, ниже которой горение прекращается, мм;
3.20 j - пористость почвы (j = Vп/V, Vп - объем пор в единице объема пористой среды; V - объем пористой среды);
3.21 Мн - масса несгоревшего в результате пожара нефтепродукта или нефти, кг;
3.22 Mг - масса сгоревшего в результате пожара нефтепродукта или нефти, кг;
3.23 К - коэффициент полноты сгорания нефти или нефтепродукта, определяющий какая часть исходной массы топлива сгорела при пожаре:
К = Мг / М0; (3.5)
3.24 m - запас лесных горючих материалов, кг/м2;
3.25 W - влагосодержание лесных горючих материалов в процентах;
3.26 W* - предельное значение влагосодержания, выше которого ЛГМ не горит, в процентах;
3.27 Кв - доля площади болота, занятая водой;
3.28 W' - влагосодержание грунта;
3.29 х, у - координаты контура нефтяного пожара - кривой на подстилающей поверхности, которая охватывает зону горения и отделяет ее от остальной части подстилающей поверхности;
3.30 a, b - большая и малая полуоси элипса, соответствующего контуру пожара;
3.31 х0, у0 - координаты центра эллипса;
3.32 Vе - скорость ветра, м/с;
3.33 wn - скорость распространения пламени по нормали к контуру нефтяного пожара, м/с;
3.34 q - угол между скоростью распространения пламени по нормали к контуру и направлением ветра;
3.35 wА - скорость распространения фронта пожара по направлению ветра, м/с;
3.36 wВ - скорость распространения фронта пожара против скорости ветра, м/с;
3.37 wС - скорость распространения фронта пожара перпендикулярно скорости ветра, м/с;
3.38 wZ - линейная скорость послойного сгорания нефти, м/с;
3.39 wZ0; wZ¥ - линейная скорость послойного сгорания нефти при нулевой и предельно большой скорости ветра, м/с;
3.40 t - текущее время горения, с;
3.41 F* - площадь нефтяного пятна, м2;
3.42 М* - масса несгоревших нефтепродуктов в момент времени окончания горения t*, кг;
3.43 t* - полное время горения нефти или нефтепродуктов, с;
3.44 Мг* - полная масса нефти, выгоревшая к моменту времени t*, кг;
3.45 Ma* - полное значение выбросов поллютантов к моменту времени t*, кг;
3.46 Q* - полное значение выбросов тепла к моменту времени t*, кДж;
3.47 h1 - глубина лунки, м;
3.48 r1 - радиус основания лунки, м;
3.49 a1 - полураствор угла при вершине лунки, град.;
4 Описание методики расчета итоговых выбросов вредных веществ и тепла в атмосферу при горении топлива на водной поверхности
Известно, что Н и НП обладают меньшей плотностью чем вода, они не растворяются в воде и при аварии растекаются на водной поверхности. Особенностью горения нефти на водной поверхности является то, что на ней остается слой топлива h*, который не сгорает. Величина h*, зависит от сорта Н и НП.
Для массы недожога Мн в этом случае следует использовать формулу:
Mн = r0 S0 h*. (4.1)
Введем коэффициент недожога:
. (4.2)
Тогда коэффициент полноты сгорания равен:
. (4.3)
Очевидно, что по определению 0 < Кн < 1 и 0 < К < 1. Для водной поверхности:
. (4.4)
Зная К, получим расчетные формулы для выброса поллютантов и тепла при горении топлива на водной подстилающей поверхности:
Мa = К Кa М0, a = 1 ... N; Q = q K M0. (4.5)
Конкретные значения Кa приведены в таблице 4.1
Таблица 4.1. Коэффициенты эмиссии поллютантов при горении НиНП и ЛГМ
|
№ п/п |
Поллютант |
Кa для НиНП [кг/кг] |
Кa для ЛГМ [кг/кг] |
||
|
нефть |
диз. топливо |
бензин |
|||
|
1. |
Оксид углерода СО |
8,40·10-2 |
7,06·10-3 |
3,11·10-1 |
1,35·10-1 |
|
2. |
Диоксид углерода СО2 |
1,00 |
1,00 |
1,00 |
1,35·10-1 |
|
3. |
Оксиды азота NOx |
6,9·10-3 |
2,61·10-2 |
1,51·10-2 |
4,05·10-4 |
|
4. |
Оксиды серы (в пересчете на SO2) |
2,78·10-2 |
4,71·10-3 |
1,20·10-3 |
1,00·10-6 |
|
5. |
Сероводород (H2S) |
1,00·10-3 |
1,00·10-3 |
1,00·10-3 |
1,00·10-6 |
|
6. |
Сажа (С) |
1,70·10-1 |
1,29·10-2 |
1,47·10-3 |
1,10·10-2 |
|
7. |
Синильная кислота (HCN) |
1,00·10-3 |
1,00·10-3 |
1,00·10-3 |
1,00·10-6 |
|
8. |
Дым (ультрадисперсные частицы SiO2) |
1,00·10-6 |
1,00·10-6 |
1,00·10-6 |
5,50·10-2 |
|
9. |
Формальдегид (НСНО) |
1,00·10-3 |
1,18·10-3 |
5,33·10-4 |
1,00·10-6 |
|
10. |
Органические кислоты (в пересчете на СН3СООН) |
1,50·10-2 |
3,65·10-3 |
5,33·10-4 |
1,00·10-6 |
5 Описание методики расчета итоговых выбросов вредных веществ при горении топлива на инертной почве
Инертная почва характеризуется количеством микровпадин и впитыванием Н и НП в почву в результате фильтрации. Например, скорость фильтрации для песчанной почвы Wф = 0.000065 м/с, а для глинистой Wф = 0.00001 м/с.
Для инертной почвы для определения величины Кн предлагается следующая формула:
Кн = j W', 0 < j < 1, 0 < W' < 1. (5.1)
Здесь j - пористость грунта, W - влагосодержание грунта.
При разливе нефти на инертной почве горение сосредотачивается в микровпадинах. Пусть на обследованной местности обнаружено n микровпадин. Тогда для каждой отдельной впадины i имеем следующие формулы для определения выбросов вредных веществ и тепла:
Ma,i = Кi Ka,i M0,i, Qi = q Кi M0,i, a = 1...N, i = 1...n, (5.2)
где индекс i приписывается характеристикам i-ой впадины.
В целом, для всей территории имеем следующие формулы:
,
. (5.3)
Здесь и выше коэффициенты полноты сгорания Кi определяются эмпирически в результате обследования местности после пожара. Следует отметить что для песчаной почвы значения Кi при прочих равных условиях меньше, чем для глинистой, т.к. песчаная почва имеет большую пористость и проницаемость. Поэтому для нее более значительная часть нефти впитывается в почву и не сгорает, а для глинистой и каменистой почвы имеет место обратный эффект.
6 Описание методики расчета итоговых выбросов вредных веществ при горении топлива на почве, покрытой растительностью
Если почва покрыта растительностью (трава, лишайник Cladonia, мох, кустарник) или отмершими частями растений (опад хвойных и лиственных деревьев, подстилка торф), то наряду с нефтепродуктами сгорают и растительные материалы.
Для сухой почвы, покрытой напочвенным покровом (трава, опад хвои, опад листьев и др.) считается, что имеет место полное сгорание и нефти и растительности. Тогда:
Кн = 0 (6.1)
Лесные горючие материалы можно рассматривать как своеобразное углеводородное топливо с известными коэффициентами эмиссии, элементарным составом, химической формулой и тепловым эффектом.
Слой растительности характеризуется типом, запасом растительных горючих материалов (РГМ) m (кг/м2) и влагосодержанием W в %. В обычных условиях при влагосодержании W > W*, где W* - предельное значение влагосодержания, выше которого ЛГМ не горит. Однако РГМ смоченный нефтью, бензином или керосином, сгорает даже при W > W*. Поэтому, для расчета выбросов поллютантов и тепла при горении ЛГМ необходимо использовать формулы, аналогичные выражениям 5.2:
,
. (6.2)
Здесь S0,i - площади, занятые растительностью в м2; mi - запас ЛГМ на i-ой площади в кг/м2; n1 - общее количество участков лесной (степной) растительности на обследуемой территории: 
- значения тепловых эффектов для разных типов ЛГМ в кДж/кг.
Если слой растительности сплошным образом покрывает обследуемую территорию, где имеет место разлив нефти, то формулы (6.2) можно упростить:
; 
, (6.3)
где Кр,
, qp - средние значения, упомянутых выше коэффициентов, S0 - общая площадь леса в м2, m - средний запас ЛГМ в кг/м2.
При совместном горении нефтепродуктов и ЛГМ выражения для выбросов вредных веществ и тепла принимают вид:
, a = 1...N, QS = Q
+ Qp, (6.4)
Здесь Ma,S и QS - суммарные итоговые выбросы вредных веществ и теплоты, а N = N0 + Nр - полное количество поллютантов, соответствующее одновременному горению нефтепродуктов и ЛГМ, N0, Nр количество поллютантов от горения нефти и растительности соответственно, Мa и Q - определяются по формуле (5.3).
7 Описание методики расчета выбросов поллютантов при горении нефти и нефтепродуктов, разлитых на болоте
Для болота коэффициент недожога определяется по формуле
(7.1)
Здесь kb - коэффициент водности болота, т.е. доля его поверхности, занятая водой, Кнв = r h* S0/М0 - коэффициент недожога для водной поверхности, определяемый по формуле (4.4), В - область болота, покрытая водой.
Расчеты выбросов вредных веществ и тепла, согласно физико-математической модели выбросов при неконтролируемом горении нефти и нефтепродуктов, на болоте предполагают априорное знание величин удельных выбросов (коэффициентов эмиссии) вредных веществ и удельных теплот сгорания НиНП (нефть, бензин, дизельное топливо) и растительных горючих материалов (РГМ).
В продуктах горения НиНП, помимо безопасных соединений таких как вода и углекислый газ, присутствуют значительные концентрации вредных веществ. К ним относятся сернистый и серный ангидриды, сероводород, окислы азота и углерода, сажа, синильная и органические кислоты, предельные и циклические углеводороды, формальдегид и 3,4бенз(а)пирен.
Поскольку предлагаемая методика предназначена для расчета выбросов при горении НиНП, разлитых на болоте, то необходимо знать величину удельных выбросов при горении РГМ. В результате частичного или полного сгорания РГМ происходит дополнительный вклад массы поллютантов в сумму выбросов при горении НиНП. Продукты горения растительных материалов (мох, торф, трава, кустарники, а также деревья хвойных и лиственных пород) включают в себя, помимо продуктов горения, присущих НиНП, дым - дисперсные частицы зольного остатка, состоящего в основном, из окиси кремния.
Запас РГМ может быть значительным и, соответственно, выбросы поллютантов при его горении вносят большой вклад в общие выбросы загрязняющих веществ в результате горения НиНП. Поэтому, игнорирование вклада продуктов горения РГМ в общую массу выбросов при горении нефти и нефтепродуктов приведет к значительному занижению величины экологического ущерба.
Значения удельных выбросов при горении НиНП и ЛГМ приведены в таблице 4.1.
Будем считать для определенности, что kb - доля территории болота, покрытая водой, a (1 - kb) - кочками, на которых произрастает мох сфагнум и другая болотная растительность. Тогда для расчета выбросов вредных веществ и тепла Ma и Q необходимо использовать формулы:
Ma = (M0 - Mн) Ka kb S0, Q = q (M0 - Mн)kb S0, (7.2)
а для определения 
, Qp - выражения:
, Qp
= qp Kp S0 (1 - kb), (7.3)
Здесь и выше S0 - площадь, на которой разлита нефть на болоте; kb - доля этой площади, соответствующая водной поверхности; Кр - коэффициент полноты сгорания растительности на болоте; m - запас растительности в кочках на болоте - кг/м2; - удельные выбросы вредных веществ при горении растительности; М0 - масса нефти разлитой на болоте; Mн = r h* kb S0 - масса недогоревшей нефти на болоте; r - плотность нефти; h* - предельная высота слоя нефти, при которой нефть еще горит на водной поверхности болота.
Приложение А
(обязательное)