Выбросы ЗВ от горения нефти => Государственный комитет российской федерации по охране окружающей среды. Расчета выбросов от источников горения при...

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 М_a, и измеряется в единицах массы (г, кг, моль).

3.7. Удельным выбросом (коэффициентом эмиссии) a-вещества называется отношение

К_a = М_a /М_г. (3.1)

где M_г - 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 К_a можно определить только опытным путем.

3.8. Недожогом Н и НП называется масса несгоревшего в условиях неконтролируемого горения топлива М_н. Величина М_н 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 М_г можно определить, используя закон сохранения массы

М_г = М₀ - М_н. (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:

М_a = К_a (М₀ - М_н). (3.3)

Величина М_a измеряется в кг.

3.12 Выбросом тепла в атмосферу называется количество теплоты Q, выделяющееся при горении массы М_г, Н и НП. Выброс тепла в атмосферу определяется по формуле

Q = q (M₀ - M_н) (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 = V_п/V, V_п - объем пор в единице объема пористой среды; V - объем пористой среды);

3.21 М_н - масса несгоревшего в результате пожара нефтепродукта или нефти, кг;

3.22 M_г - 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 = М_г / 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 К_в - 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 V_е - скорость ветра, м/с;

3.33 w_n - 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 w_А - скорость распространения фронта пожара по направлению ветра, м/с;

3.36 w_В - скорость распространения фронта пожара против скорости ветра, м/с;

3.37 w_С - скорость распространения фронта пожара перпендикулярно скорости ветра, м/с;

3.38 w_Z - линейная скорость послойного сгорания нефти, м/с;

3.39 w_Z0; w_Z¥ - 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 М_г* - полная масса нефти, выгоревшая к моменту времени t_*, кг;

3.45 M_a* - 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 М_н в этом случае следует использовать формулу:

M_н = r₀ S₀ h_*. (4.1)

Введем коэффициент недожога:

. (4.2)

Тогда коэффициент полноты сгорания равен:

. (4.3)

Очевидно, что по определению 0 < К_н < 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:

М_a = К К_a М₀, a = 1 ... N; Q = q K M₀. (4.5)

Конкретные значения К_a 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 W_ф = 0.000065 м/с, а для глинистой W_ф = 0.00001 м/с.

Для инертной почвы для определения величины К_н предлагается следующая формула:

К_н = 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:

M_a,i = К_i K_a,i M_0,i, Q_i = q К_i M_0,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 К_i определяются эмпирически в результате обследования местности после пожара. Следует отметить что для песчаной почвы значения К_i 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.