Выбросы ЗВ от горения нефти. 
Методика расчета выбросов от источников горения при разливе нефти и нефтепродуктов. 1997 Выбросы ЗВ от горения нефти. 
Методика расчета выбросов от источников горения при разливе нефти и нефтепродуктов. 1997

Выбросы ЗВ от горения нефти. Методика расчета выбросов от источников горения при разливе нефти и нефтепродуктов. 1997

 
Пожарная безопасность - главная
Написать нам
ГОСТы, документы

 

Пожарная безопасность ->  Методики ->  Выбросы ЗВ от горения нефти -> текст целиком
 

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)

 

Математическая модель для расчета текущих выбросов поллютантов при горении нефти на поверхности воды

 

Известно, что при крупных авариях (горение нефти при аварии танкеров, горение нефти при ее разливе в результате разрыва нефтепровода, горение нефти на нефтепромыслах) возникает необходимость определения выбросов вредных веществ в текущий момент времени. При организации тушения очага пожара это необходимо и для прогноза масштабов экологического бедствия и оценки времени горения. В данном разделе для тех же типов подстилающих поверхностей даются формулы для изменения массы выбросов поллютантов при изменении времени. Весь процесс горения и выбросов поллютантов разбивается на стадию формирования очага пожара и стадию догорания нефти и нефтепродуктов. В данном разделе приводятся формулы для расчета выбросов поллютантов типичных динамических режимов горения нефти и нефтепродуктов на поверхности воды.

При разливе нефти на водной поверхности образуется нефтяное пятно по форме, напоминающее эллипс, большая полуось которого ориентирована в направлении ветра. Поэтому площадь горения представляет собой площадь эллипса:

, S = p a b. (A.1)

Здесь х и у - координаты контура (см. рис); направление оси х совпадает с направлением ветра Vе; а = 1/2 (wа + wB) t, b = wC t - большая и малая полуоси эллипса; х0 = 1/2 (wA - wB) t, y = 0 - координаты центра эллипса: wА - скорость распространения фронта горения по направлению ветра; wВ - скорость распространения фронта пожара против скорости ветра; wС - скорость распространения горения перпендикулярно скорости ветра.

Вид эллипса, отграничивающего площадь горения представлен на рис.А.1, где 0 - точка, где произошло зажигание нефти или нефтепродуктов, x, h - подвижная система координат, связанная с центром эллипса (х,0); М - любая точка контура; А, В, С, D - характерные точки контура нефтяного пожара.

В табл.А.1 дана зависимость wn от скорости ветра. Эти данные для нефти можно аппроксимировать формулой:

wn = w0 + (w¥ - w0)[1 - ехр(- b Ve cos q)], (А.2)

где w0 = 0.025 м/с,

w¥ = 0.61 м/с,

b = 0.045 - эмпирические постоянные.

В общем случае величины w0, w¥, b зависят от сорта нефти и вида нефтепродукта, от влагосодержания W горючего и от угла q между скоростью распространения пламени по нормали к контуру и вектором скорости ветра Vе. Следуя аналогии между распространением нефтяного пожара и лесного пожара, будем считать, что при q = p/2 и 3 p/2 величина wn = w0.

 

Рис. А.1. Вид контура, отграничивающего площадь горения нефти или нефтепродуктов, разлитых на водной поверхности

 

Наряду с распространением пламени по площади пятна разлитой нефти имеет место ее послойное вертикальное сгорание. Линейную скорость послойного сгорания можно рассчитать по формуле:

wz = wz0 +(wz¥ - wz0)[l - exp(- bz Ve)], (A.3)

где wz0 и wz¥ - линейные скорости послойного сгорания нефти и нефтепродуктов при нулевой и предельно большой скорости ветра, а b - эмпирическая постоянная.

В табл. А.1 даны значения упомянутых выше эмпирических постоянных.


Таблица А.1. Влияние скорости ветра на линейную скорость послойного выгорания нефти и нефтепродуктов

 

Вид горючего

bz, сек/м

wz0, м/с

wz¥, м/с

Дизельное топливо

0.1

0.000047

5

0.0001762

Тракторный керосин

0.1

0.000033

3

0.0001299

Автомобильный бензин

0.1

0.000065

0

0.0002925

 

Для мазута линейная скорость выгорания не меняется при изменении скорости ветра от 0 до 2.8 м/с и составляет 0.0000166 м/с.

Скорость послойного горения сильно зависит от влажности нефти или нефтепродукта. В частности, согласно, мазут сгорает только тогда, когда его влажность не превышает 0.7%, а нефть - при влажности не превышающей 10%.

Следует отметить, что скорость распространения нефтяного пожара wn значительно превышает скорость послойного сгорания wz. Например, при скорости ветра 2 м/с для нефти w/wz = 9. Скорость распространения омега известна только для нефти. Однако, известно, что линейная скорость горения нефтепродуктов растет с убыванием массы нефтепродукта. Поэтому можно для определения w0 и w¥ в формуле (A.2) использовать простые соотношения:

, , (А.4)

где индексы н и i соответствуют нефти и рассматриваемому нефтепродукту.

Для определения w0z и w¥z имеем аналогичные формулы:

, . (А.5)

Зная площадь горения и скорость послойного сгорания, легко определяем массовую скорость сгорания нефти или нефтепродукта:

, , (A.6)

где rs - плотность нефти или нефтепродукта, а М0 - величина выброса нефти или нефтепродукта на подстилающую водную поверхность (количество разлитой нефти или нефтепродукта).

Уравнение (А.6) представляет собой закон, сохранения массы разлитой нефти или нефтепродукта при их горении на водной подстилающей поверхности. Решая это уравнение, найдем массу Мг сгоревшей к моменту времени t нефти или нефтепродукта:

(A.7)

Зная текущие значения Мг и коэффициенты эмиссии Кa различных поллютантов при горении нефти и нефтепродуктов, легко находим текущий выброс каждого поллютанта в отдельности и выброс тепла Q в атмосферу:

Ma = Mг · Ka, Q = q Mг, (А.8)

где q - тепловой эффект горения нефти или нефтепродукта.

Надо сказать, что площадь горения не может превысить площади нефтяного пятна. Совокупность формул (А.1) - (А.8) является упрощенной математической моделью для расчета выбросов поллютантов и тепловой энергии в атмосферу.

Поскольку rs, wА, wВ, wС, wz можно с удовлетворительной степенью точности считать постоянными величинами, то величина Мг легко определяется в результате интегрирования правой части (А.6)

. (A.9)

С помощью формулы (А.9) и таблиц значений Кa находят выбросы для любых поллютантов и теплоты в любой момент времени:

, (A.10)

Легко видеть, что Мг, Мa, и Q растут с ростом wА, wВ, wС, wz по линейному закону, а с ростом времени - по степенному (кубическому) закону.

Следует отметить, что кубический закон горения реализуется только для первых моментов времени (t < t1), когда имеет место распространение пламени по поверхности разлитой нефти. Значение времени t1, при котором пламя охватывает всю площадь разлитой нефти, легко получается, если известна площадь нефтяного пятна F*:

. (A.11)

При выводе этой формулы, также как и при выводе формул (А.9) - (А.10), считалось, что wА, wВ, wС не зависят от времени.

Подставляя (А.11) в (А.9), (А.10), получим значения

, (А.12)

, (А.13)

. (A.14)

При (t > t1) распространение фронта нефтяного пожара прекращается и имеет место вторая стадия процесса - режим догорания нефтяной пленки с послойной скоростью сгорания wz.

Известно, что нефть и нефтепродукты не сгорают полностью и на водной поверхности остается пленка толщиной h = h* = 2 мм. Пусть площадь пятна в момент окончания горения известна и равна F*, тогда масса несгоревшего горючего М* равна:

M* = rs h* F*. (A.15)

Полная масса топлива, сгоревшая к моменту t = t* прекращения горения, равна

Mг (t*) = M0 - М*. (А.16)

Интегрируя (А.6) с учетом того, что при t > t1 величина пи ab = F* = const, получаем, используя (А.12) в качестве начального условия:

Мг = М1г + rs wz F* (t - t1), t ³ t1, (A.17)

Выражения для выбросов поллютантов и тепла при t > t1 имеют вид:

М1a = [М1г + rs wz F* (t - t1)] Ka, (A.18)

Qa = [М1г + rs wz F* (t - t1)] q. (А.19)

Величина времени, в течение которого длится второй период горения, легко определяется по формуле:

. (А.20)

Полное время горения определяется по формуле:

t* = t1 + t2. (A.21)

Подставляя (А.11) и (А.20) в формулу (А.21), получаем полное время горения:

. (А.22)

По определению Мг*, имеем следующее выражение для полной массы нефти, выгоревшей к моменту t*:

M1* = M0 - M* = M0 - rs h* F*. (A.23)

Зная М1*, легко находим полное значение выбросов поллютантов и теплоты к моменту прекращения горения:

Мa* = (М0 - М*) Кa = (М0 - rs h* F*) Кa, (А.24)

Q* = (M0 - rs h* F*)q (A.25)

При подсчете Q* необходимо знать величину q. Для ее определения следует использовать формулу Д.И. Менделеева:

q = 4.19 [81 Cp - 246 Hp - 26 (Op - Sp ) - 6 Wp], (A.26)

где q - низшая теплота сгорания в кДж/кг;

величины Cр, Hр, Oр, Sр, Wр характеризуют элементарное содержание в % углерода, водорода, кислорода, серы и влаги;

верхний индекс р означает, что проценты берутся к рабочей массе горючего.

Таким образом, аналитические формулы (А.10), (А.18) - (А.19) позволяют получить конкретные текущие значения выбросов поллютантов и теплоты в приземный слой атмосферы, если известны M0, h*, F*, rs, Ka.

 

 

Приложение Б

(обязательное)

 

Математическая модель и алгоритм расчета текущих выбросов при горении нефти и нефтепродуктов на инертной почве

 

При горении нефти и нефтепродуктов, разлитых на инертной почве, необходимо учитывать впадины и возвышенности. Очевидно, что нефть и нефтепродукты сосредотачиваются во впадинах. Пусть количество впадин равно N, а количество горючего в любой из них Мгi. Тогда для любого отдельного очага горения имеем следующее выражение для выбросов поллютантов и тепла:

Mai = Мгi Кa, Qi = q Mгi. (Б.1)

Общее количество поллютантов и теплоты, выброшенных в атмосферу:

, . (Б.2)

Разлитая на почве нефть скапливается в отдельных лужах (впадинах) и при зажигании горит в них так же, как и на водной подстилающей поверхности (см. п. 4.2). Лунка имеет форму конуса с высотой hi, радиусом ri и полураствором угла ai при вершине. Кроме того, поскольку почва смачивается нефтепродуктами, то горение слоя нефти в лунке происходит до самого конца. Рассмотрим горение нефтепродуктов в i-ой лунке.

Скорость их сгорания определяется решением дифференциального уравнения сохранения массы нефтепродукта:

. (Б.3)

С начальным условием:

Мi (0) = Мi0. (Б.4)

Величину Мi можно определить по формуле:

. (Б.5)

Из (Б.5) находим:

. (Б.6)

Подставляя (Б.6) в (Б.3) и интегрируя по t, получим величину текущей массы нефтепродукта в i-ой лунке:

. (Б.7)

Очевидно, что время горения в i-ой лунке равно:

. (Б.8)

Величина массы топлива, сгоревшего к моменту времени t, равна:

. (Б.9)

Зная коэффициенты эмиссии Ka, получаем выражение для выброса a-поллютанта из i-ой лунки в любой момент времени:

. (Б.10)

Суммируя выбросы a-компонента по всем лункам, получаем:

. (Б.11)

Подставляя в (Б.11) выражение (Б.8), находим суммарный выброс a-компонента:

. (Б.12)

Выброс тепла от горения нефтепродуктов во всех лунках определяется по формуле:

. (Б.13)

К моменту прекращения горения нефтепродуктов в атмосферу выбрасывается следующее количество тепла:

. (Б.14)

Таким образом, с помощью формул (Б.11) - (Б.14) удается получить как выбросы поллютантов, так и выбросы тепла.

 

 

Приложение В

(обязательное)

 

В. Математическая модель и методика для расчета текущих выбросов поллютантов при горении нефтепродуктов, разлитых на растительном покрове

 

Если почва покрыта растительностью (трава, лишайник Cladonia, мох, кустарник) или отмершими частями растений (опад хвойных и лиственных деревьев), то выбросы поллютантов будут обусловлены не только горением нефти, но и сгоранием растительного напочвенного покрова. Поэтому для определения выбросов поллютантов и тепла имеют место формулы:

, Q = Qг + Qр (B.1)

Здесь , Qp - выбросы a-поллютанта и тепловой энергии, обусловленные горением растительных горючих материалов.

Следует считать, что распространение сложного пожара осуществляется с линейной скоростью, присущей распространению пламени по разлитому нефтепродукту. Тогда форма контура горения определяется с использованием формул (A.1), (А.2). Допускается, что скорости распространения фронта пожара и выгорания напочвенного покрова, смоченного нефтью или нефтепродуктами, определяются линейной скоростью распространения и линейной скоростью выгорания нефтепродукта. Тогда законы сохранения массы нефтепродукта и лесного горючего материала (ЛГМ) принимают вид:

, М2 (0) = М02. (В.1)

, М1 (0) = М01. (В.2)

Здесь М1 - текущая масса нефти на подстилающей поверхности, М2 - текущая масса растительности.

Интегрируя (В.1) получают выражение для масс нефтепродуктов и ЛГМ, сгоревших к моменту времени t на стадии распространения пожара:

, 0 < t < t1, (В.3)

, 0 < t < t1, (В.4)

Выбросы поллютантов для 0 < t < t1 при горении нефтепродуктов и ЛГМ определяются по формулам:

, 0 < t < t1, (В.5)

, 0 < t < t1, (В.6)

Общая масса a -полютанта при 0 < t < t1:

Ma = Ma1 + Ma2. (B.7)

Общее количество тепла, выбрасываемого в атмосферу при 0 < t < t1 равно:

. (В.8)

Следует отметить, что также как и при горении нефти, разлитой по водной поверхности, при t > t1 имеет место режим догорания. Однако, в отличие от упомянутого выше случая, будем предполагать, что имеет место полное сгорание ЛГМ, смоченных нефтепродуктами.

Время t1 легко определить по формуле (А.11), а для определения масс нефтепродукта и ЛГМ, сгоревших к моменту времени t, где t1 < t < t*, имеем следующие формулы:

M1г = M11 + r1 wz F* (t - t1), (B.9)

M2г = M21 + r2 wz F* (t - t1). (B.10)

Здесь M11 = M1г (t1), M21 = M2г (t1) - массы нефтепродуктов и ЛГМ, сгоревших к моменту времени t1.

Величина времени, в течение которого длится второй период (период догорания), определяется выражением:

. (В.11)

Выражение для выбросов поллютантов и теплоты для момента времени во втором периоде горения имеет вид:

M1a = M1г K1a, Q1 = М1г q1. (В.12)

M2a = M2г K2a, Q2 = М2г q2. (В.13)

Полное время горения определяется по формуле:

t* = t1 + t2, (В.14)

где t1, t2 определяются по формулам (А.11) и (В.11).

С учетом допущения о полном сгорании масс нефтепродуктов и ЛГМ за время t*, имеем:

М1* = М10, М2* = М20. (В.15)

Таким образом, с помощью формул (В.6) - (В.15) полностью решается вопрос о расчете выбросов в любой момент времени на временном интервале 0 < t < t*.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Область применения

1. Нормативные ссылки

2. Общие положения

3. Определения, обозначения и сокращения

4. Описание методики расчета итоговых выбросов вредных веществ и тепла в атмосферу при горении топлива на водной поверхности

5. Описание методики расчета итоговых выбросов вредных веществ при горении топлива на инертной почве

6. Описание методики расчета итоговых выбросов вредных веществ при горении топлива на почве, покрытой растительностью

7. Описание методики расчета выбросов поллютантов при горении нефти и нефтепродуктов, разлитых на болоте

Приложение А. Математическая модель для расчета текущих выбросов поллютантов при горении нефти на поверхности воды (обязательное)

Приложение Б. Математическая модель и алгоритм расчета текущих выбросов при горении нефти и нефтепродуктов на инертной почве (обязательное)

Приложение В. Математическая модель и методика для расчета текущих выбросов поллютантов при горении нефтепродуктов, разлитых на растительном покрове (обязательное)

 

Краткое содержание:

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

РАСЧЕТА ВЫБРОСОВ ОТ ИСТОЧНИКОВ ГОРЕНИЯ ПРИ РАЗЛИВЕ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

2 Общие положения

4 Описание методики расчета итоговых выбросов вредных веществ и тепла в атмосферу при горении топлива на водной поверхности

6 Описание методики расчета итоговых выбросов вредных веществ при горении топлива на почве, покрытой растительностью

Математическая модель для расчета текущих выбросов поллютантов при горении нефти на поверхности воды

Математическая модель и алгоритм расчета текущих выбросов при горении нефти и нефтепродуктов на инертной почве

В. Математическая модель и методика для расчета текущих выбросов поллютантов при горении нефтепродуктов, разлитых на растительном покрове

СОДЕРЖАНИЕ

Рейтинг@Mail.ru