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

Основным продуктом сгорания углеводородов является диоксид углерода (СО₂), но так как горение диффузионное и воздуха недостаточно, то образуются оксид углерода (СО), продукты неполного сгорания – углеводороды различного строения (формальдегид, органические кислоты, бензапирен, сажа (С) и др..

Предлагаемый метод расчета применяется для определения массы вредных веществ, выделяющихся в атмосферу при горении нефти в амбарах, резервуарах, обваловках на водной поверхности и так далее. Основная расчетная формула:

М = К × К_пн × v × Sср × t, кг (1)

 

где М - масса загрязняющего вещества, выброшенного в атмосферу, кг; (выброс загрязняющего вещества);

К - удельный выброс загрязняющего вещества на единицу массы

сгоревшего нефтепродукта, кг (вещества)/ кг (нефтепродукта);

К_пн – коэффициент полноты сгорания;

v - скорость выгорания нефтепродукта, кг/(м² сек);

Sсp - средняя поверхность зеркала жидкости, м²,

t – время выгорания, сек.

Величина К определяется при температуре горения меньше либо равной 1300 °С и избытке воздуха α=0,93, что соответствует реальным условиям свободному горению нефти (таблица 3).

Таблица 3

Удельный выброс вредного вещества при горении нефти и

нефтепродуктов на поверхности, кг/кг

 

Состав продуктов горения	Удельный выброс загрязняющего вещества на единицу массы сгоревшего нефтепродукта, кг/кг
нефть	диз. топливо	бензин
Оксид углерода
Оксид азота				0,06
Оксиды серы				0,05
Сероводород )				0,008
Сажа				0,05
Синильная кислота				0,01
Формальдегид				0,003
Органические кислоты				0,04
Пятиоксид Ванадия				0,002
Бензапирен

 

Коэффициент полноты сгорания нефтепродуктов К_пн зависит от типа подстилающей поверхности в зоне горения:

- для водной поверхности К = 0,9 (так как пленка толщиной 2 мм не сгорает);

- для инертной почвы К = 1 - φW, где: φ - пористость грунта, W - влагосодержание грунта;

- для горения в резервуаре и на почве, покрытой растительностью, К = 1 (при этом поступление в атмосферный воздух продуктов сгорания растительных и лесных горючих материалов не учитывается).

Скорость выгорания v является практически постоянной величиной, для нефти определяется как средняя массовая скорость горения с единицы поверхности зеркала в единицу времени. Скорость выгорания нефти и нефтепродуктов, определяют по табл. 4.

Таблица 4

Величина скорости выгорания нефти и нефтепродуктов

 

Нефтепродукт	Скорость выгорания, v	Линейная скорость выгорания, L
кг / (м^2 ⋅ сек)	мм/ мин
Нефть Мазут Дизельное топливо Керосин Бензин	0,030 0,020 0,055 0,048 0,053	2,04 1,18 4,18 3,84 4,54

 

Среднюю поверхность зеркала горения определяют путем измерения, но в аварийных случаях можно определить Sсp расчетным путем.

1. При горении нефти в резервуаре без его разрушения Scp равна площади горизонтального сечения резервуара.

Sср = πR², м², (2)

где R – радиус резервуара, м (табл. 5).

Таблица 5

Основные характеристики вертикального резервуара.

 

№	Тип резервуара	Высота, м	Радиус, м	Масса, кг
	РВС-100		2,45
	РВС-200		3,3
	РВС-300	7,5	3,75
	РВС-400	7,5	4,25
	РВС-700		5,25
	РВС-1000		5,25
	РВС-2000		7,6
	РВС-3000		9,5
	РВС-5000		11,4

 

2. При горении нефти с разрушением резервуара и вытеканием нефти в обваловку Scp равна площади обваловки.

3. Для резервуаров, получивших во время аварии сильные разрушения площадь разлива считается по формуле:

Scp= 20,01V, м², (3)

где V - объем разлитой нефти.

4. Для фонтанирующих скважин

Scp= 0,7 Q10^-3/(ρ × L), м², (4)

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

ρ - плотность нефти, кг/м³;

L - линейная скорость выгорания нефти, мм/мин.

При малых и средних разливах нефти на почву, когда не образуется явное зеркало раздела фаз и нефть полностью впитывается в почву, при выжигании происходит горение, пропитанного нефтью инертного грунта.

При этом не учитываются выбросы вредных веществ, образующихся при горении не нефтяных компонентов (флоры, фауны, почв, минералов и других компонентов почвы). Для расчета выбросов вредных веществ, образующихся при сгорании нефти на открытом грунте используется следующая формула (кг):

М = 0,6 (k × kн × ρ × b × S) (5)

где k - удельный выброс, кг/кг;

kн - коэффициент нефтеемкости грунта (табл. 3);

ρ - плотность нефти, кг/м³;

b - толщина пропитанного нефтепродуктом слоя почвы, м;

S - площадь нефтяного пятна на почве, м²

0,6 - принятый коэффициент полноты сгорания нефтепродукта.

Обычно при разливе нефти часть впитывается в грунт, а остальная часть остается на поверхности и образует горизонтальное зеркало раздела фаз жидкость - вода. В этом случае горение протекает в 2 стадии:

1) Свободное горение с поверхности раздела фаз;

2) Выгорание остатков нефти из пропитанного грунта вплоть до затухания.

Упрощенный расчет выброса предусматривает раздельное определение поступающих в атмосферу вредных веществ с последующим суммированием полученных величин. При этом:

Если h / Dэкв < 0,01, то Sсp=Sr.

(h - максимальная толщина слоя нефти над грунтом, Dэкв. - эквивалентный диаметр пятна). При h / Dэкв > 0,01 Sсp и Sr рассчитывается отдельно.