Горение нефти и нефтепродуктов на поверхности раздела фаз жидкость - атмосфера

 

 

 

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

 

1. Основные  определения

Нефть - природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых других органических соединений.

Нефтепродукты – смеси углеводородов, а также индивидуальные химические соединения, получаемые из нефти и нефтяных газов. К нефтепродуктам относятся различные виды топлива (бензин, дизельное топливо, керосин и др.), смазочные материалы, электроизоляционные среды, растворители, нефтехимическое сырьё.

Зеркало горения – поверхность слоя горящего топлива.

Удельный выброс вредного вещества– масса выбрасываемого в атмосферу загрязняющего вещества при сгорании 1 кг нефтепродукта, кг/кг.

Нефтеемкость грунта – показатель, отражающий объем нефтепродукта, который может впитать в себя 1 м³ грунта, м³/м³.

Валовый выброс вредного вещества – масса вредного вещества, поступившего в атмосферу за полное время сгорания нефтепродукта.

Максимальный выброс вредного вещества при горении нефтепродуктов – выброс вредного вещества при максимальной площади горения

 

2. Общие положения

Нефть представляет собой вязкую маслянистую жидкость, имеющую темно-коричневый цвет и обладающую слабой флуорисценцией. Нефть состоит преимущественно из насыщенных алифтических и гидроароматических углеводородов. Основные компоненты нефти - углеводороды (до 98%) - подразделяются на 4 класса:

1. Парафины (алкены). . (до 90% от общего состава) - устойчивые вещества, молекулы которых выражены прямой и разветвлен-ной цепью атомов углерода. Легкие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде.

2. Циклопарафины. . ( 30 - 60% от общего состава) насыщенные циклические соединения с 5-6 атомами углерода в кольце. Кроме циклопентана и циклогексана в нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.

3. Ароматические углеводороды. . (20 - 40% от общего состава) - ненасыщенные  циклические соединения ряда  бензола, содержащие в кольце  на 6 атомов углерода меньше, чем циклопарафины. В нефти присутствуют летучие соединения с молекулой в виде одинарного кольца ( бензол, толуол, ксилол) , затем бициклические ( нафталин) , полуциклические ( пирен).

4. Олефины (алкены) - (до 10% от общего состава) - ненасыщенные нециклические соединения с одним или двумя атомами водорода у каждого атома углерода в молекуле, имеющей прямую или разветвленную цепь.

 Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане. К началу 80-ых годов в океан ежегодно поступало около 16 млн. т. нефти, что составляло 0, 23% мировой добычи.

 

 

 

Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балластных вод, - все это обуславливает присутствие постоянных полей загрязнения на трассах морских путей. В период за 1962-79 годы в результате аварий в морскую среду поступило около 2 млн. т. нефти. За последние 30 лет, начиная с 1964 года, пробурено около 2000 скважин в Мировом океане, из них только в Северном море 1000 и 350 промышленных скважин оборудовано. Из-за незначительных утечек ежегодно теряется 0,1 млн. т. нефти. Большие массы нефти поступают в моря по рекам, с бытовыми и ливневыми стоками. Объем загрязнений из этого источника составляет 2,0 млн. т. /год. Со стоками промышленности ежегодно попадает 0, 5 млн. т. нефти. Попадая в морскую среду, нефть сначала растекается в виде пленки, образуя слои различной мощности.

 Нефтяная пленка изменяет  состав спектра и интенсивность  проникновения в воду света.  Пропускание света тонкими пленками  сырой нефти составляет 11-10% (280 нм), 60-70% (400нм). Пленка толщиной 30-40 мкм 0полностью полностью поглощает инфракрас-ное излучение. Смешиваясь с водой, нефть образует эмульсию двух типов: прямую "нефть в воде" и обратную "вода в нефти". Прямые эмульсии, составленные капельками нефти диаметром до 0,5 мкм, менее устойчивы и характерны для нефтей, содержащих поверхно-стно-активные вещества. При удалении летучих фракций, нефть образует вязкие обратные эмульсии, которые могут сохраняться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться на берег и оседать на дно.

 

1.3. Задание для выполнения практической работы

 

В результате аварии на нефтебазе  произошла утечка нефтепродуктов (разрушение резервуара, разрыв нефтяной скважины) с последующим возгоранием. Рассчитать максимальный и валовый выброс вредных веществ, поступающих  в атмосферу при горении нефтепродуктов. Сделать вывод об объемах поступления загрязняющих веществ в атмосферный воздух. Необходимые данные для расчета представлены в таблице 3.4.

 

1.4 Порядок проведения расчета

 

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:

1. Свободное горение нефти и ее продуктов с поверхности раздела фаз;
2. 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 при разных стадиях горения с последующим суммированием полученных величин выбросов.

 

1.4.1. Горение 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).

Валовый выброс вредного вещества в атмосферу при рассматриваемом характере горения нефтепродукта рассчитывается по формуле (3.1):

 

П¹_i=К_i×m_j×S_ср;      (3.1)

 

где  П¹_i - количество конкретного (і) вредного вещества, выброшенного в атмосферу при сгорании конкретного (j) нефтепродукта в единицу времени, кг/час;

К_i ֊- удельный выброс конкретного ВВ (і) на единицу массы сгоревшего нефтепродукта, кг/кг;

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

S_ср - средняя поверхность зеркала жидкости, м².

Величина К_i является постоянной для данного нефтепродукта и вредного вещества, численное значение удельных выбросов вредных веществ в зависимости от типа нефтепродукта представлено в таблице 3.1.

 

Таблица 3.1. - Удельный выброс вредного вещества при горении нефти и нефтепродуктов на поверхности

 

Загрязняющий атмосферу  компонент	Химическая формула	Удельный выброс вредного вещества, кг/кг
		Нефть	Дизельное топливо	Бензин
Диоксид углерода	СО2	1.0000	1.0000	1.0000
Оксид углерода	СО	0.0840	0.0071	0.3110
Сажа	С	0.1700	0.0129	0.0015
Оксиды азота (в пер.на NO2)	NO2	0.0069	0.0261	0.0151
Сероводород	H2S	0.0010	0.0010	0.0010
Оксиды серы (в пер.на SO2)	SO2	0.0278	0.0047	0.0012
Синильная кислота	HCN	0.0010	0.0010	0.0010
Формальдегид	HCHO	0.0010	0.0011	0.0005
Органич.кислоты (в пер.на укс.к-ту)	CH3COOH	0.0150	0.0036	0.0005

 

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. Величины скорости выгорания нефти и нефтепродуктов представлены в таблице 3.2.

 

Таблица 3.2 - Величины скорости выгорания

 

Нефтепродукт	Скорость выгорания		Линейная скорость выгорания,   мм\мин
	кг\кв.м×сек	кг\кв.м×час
Нефть	0.03	108	2.04
Диз.топливо	0.055	198	4.18
Бензин	0.053	190.8	4.54

Средняя поверхность зеркала  горения (поверхность горения) "Sср" 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 Sср равна площади горизонтального  сечения резервуара или установки.

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

в) Для резервуаров (установок), получивших во время аварии сильные разрушения Sср определяется по формуле (3.2):

 

Scp =4,63×Vж, м²         (3.2)

где Vж - объем нефтепродукта в резервуаре (установке), м³.

 

г) Для фонтанирующих нефтяных скважин  средняя поверхность определяется по формуле (3.3):

Sср = 0,7       (3.3.)

    

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

ρ – плотность нефти, т/м³(допускается принять 0,9 т/м³);

l – линейная скорость выгорания нефти и нефтепродуктов, мм/мин (таблица 3.2.)

 

 

1.4.2. Горение пропитанных нефтью и нефтепродуктов инертных грунтов

 

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

Валовый выброс загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу при  сгорании нефти на инертном грунте рассчитывается по формуле (3.4):

 

П²_i = 0,6      (3.4)

 

   где   П²_i – количество конкретного (і) вредного вещества, выброшенного в атмосферу при сгорании конкретного нефтепродукта в единицу времени на инертном грунте, кг/час;

K_i - удельный выброс вредного вещества, кг/кг;

K_н - нефтеемкость грунта, м³/м³;

р - плотность разлитого вещества, кг/м³ т/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.

Величина нефтеемкости грунтов  определяется по таблице 3.3 в зависимости от вида грунта и его влажности.

 

Таблица 3.3. - Нефтеемкости грунтов, м³/м³

 

Наименование грунта	Влажность грунта, %
	0	20	40	60	80	100
Глинистый грунт	0.20	0.16	0.12	0.08	0.04	0.00
Пески	0.30	0.24	0.18	0.12	0.01	0.00
Суглинки	0.35	0.28	0.21	0.14	0.07	0.00
Гравий	0.48	0.39	0.29	0.19	0.09	0.00
Торфяной грунт	0.50	0.40	0.30	0.20	0.10	0.00

 

 

1.4.3. 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 вредных веществ определяется по формуле (3.5):