Методы расчета выбросов углеводородов в атмосферу

На основании анализа комплекса экспериментальных исследований проведенных в ТюмГНГУ предложены аналитические зависимости и номограммы, позволяющие определить величину выбросов углеводородов в атмосферу в процессе испарения при различных аварийных ситуациях.

Например, для условий массоотдачи с небольшой высотой взлива h (например при растечении по воде) рекомендована формула, представленная в следующем виде

, (8.13)

где М_u – потери нефтепродукта от испарения, кг; t – продолжительность испарения, час; υ_в – скорость ветра на поверхности испарения, м/с; t_ср – средняя за t температура продукта, °С; М_H – количество нефтепродукта, находящегося на водной поверхности, кг; Ф – содержание в продукте углеводородов, выкипающих до 200°С, % вес.

Рис. 8.8. Номограмма для определения выбросов нефти при испарении из тонкого слоя или при растечении по водной поверхности

С точностью, достаточной для практических расчетов, высоту слоя нефтепродукта можно определять экспериментально или по величине утечки и площади нефтяного пятна S_Д

h= V_у / S_Д, (8.20)

где V_у – утечка нефтепродукта, м³.

При оперативных расчетах можно воспользоваться номограммами, например, приведенной на рис. 8.8.

Изучению процесса растечения нефти по поверхности земли при аварии посвящены обширные теоретические и экспериментальные исследования.

В ТюмГНГУ установлены основные закономерности распространения нефтяного загрязнения в зависимости от рельефа местности, физико-химических свойств нефти и почвы, времени года, состояния подстилающей поверхности, объема утечки и других факторов. Например, если высота h не превышает 0,25 м, то массу испарившейся нефти М_ИД можно определить по номограмме (см. рис. 8.8) или используя формулу

. (8.14)

многообразие земляных котлованов, используемых для временного хранения нефтепродуктов во время аварии, вызвано различными способами их сооружения, свойствами грунтов, характеристиками землеройной и строительной техники. Поэтому, прогнозировать их размеры и форму представляется нецелесообразным. для расчета выбросов при испарении жидких углеводородов достаточно знать свободную поверхность нефти в амбаре S_a и среднюю высоту взлива h_a.

Площадь испарения в котловане, имеющем трапециидальную форму, можно определить также по формуле:

S_a=b∙l+2∙h_а∙ctgα(b+l+2h_a∙ctgα), или S_a=b₀∙l₀ , (8.15)

где l₀,, l и b₀, ,b – длина и ширина емкости, замеренные по свободной поверхности нефти и по основанию, соответственно, м; α – угол наклона боковых стенок котлована, град.

Тогда среднюю высоту взлива можно определять по формуле

Количество испарившейся нефти M_uaпри хранении ее в аварийном котловане рекомендуется определять по формуле (8.16), которую для данного случая можно представить следующим образом

. (8.16)

Средства измерения для гидрогеологических исследований при определении выбросов целесообразно выбирать в соответствии с ГОСТ 25893-83. Для определения контура нефтяного пятна необходимо пользоваться дальномерами по ГОСТ 19223-82 или измерительными приборами по ГОСТ 502-80. При определении температуры воздуха, почвы, воды и нефти достаточно использовать термометры в соответствии с ГОСТ 112-78Е и ГОСТ 2045-71, а скорость ветра рекомендуется определять термоанемометром или анемометром согласно ГОСТ 7193-74.

Для упрощения расчета выбросов углеводородов при испарении с открытой поверхности в ТюмГНГУ составлены и апробированы программы расчета для ПЭВМ. Для экспресс расчетов также могут быть использованы номограммы, например, представленные на рис. 8.9.

Изучение кинетики массоотдачи нефтяных фракций на примере стабильного конденсата Уренгойского месторождения свидетельствует об имеющихся отличительных особенностях процесса. Отмечается существенный разброс экспериментальных данных, особенно в первые 4÷6 часов испарения. Воспроизводимость опытов удовлетворительна только для проб конденсата с одинаковым углеводородным составом.

на стадии предварительных экспериментов было отмечено, что влияние h_ВЗ конденсата менее значимо, чем для нефтей. Тем не менее, установлено, что при непродолжительном испарении (до 96 часов) за основу можно взять фракции, выкипающие до 220°С, или массовую долю углеводородов до октана включительно, т.е.

, (8.17)

где G₀ – доля углеводородов С_8+В, % масс.

Рис. 8.9. Номограмма для определения выбросов при испарении

с поверхности нефтяного пятна

Хотя испарение конденсата, вследствие значительного содержания в нем легких углеводородов, характеризуется рядом особенностей, величину выбросов можно также рассчитать по формулам (8.12÷8.17). Полученные аналитические зависимости различного вида (логарифмические, степенные и др.) оказались равноточными с приведенными выше и согласуются с экспериментальными данными в пределах 20÷25%. Следует отметить высокое значение коэффициента множественной корреляции R = 0,98, который статистически значим с доверительной вероятностью Pα = 0,99.

Скорость испарения нефти и нефтепродуктов определяется их углеводородным составом. Чем больше смесь содержит низкокипящих углеводородов, тем выше скорость ее испарения. На практике анализ фракционного состава различных видов топлив и нефтей проведен рядом исследователей. На основе исследований динамической и статической испаряемости нефтепродуктов установлено, что в испарении участвуют лишь фракции с температурой кипения до 230°С (при температуре воздуха 100°С). При повышении t_B до 130°С в динамическом испарении участвуют фракции, выкипающие до 240°С.

По своему фракционному составу неиспарившийся остаток относится к лигроиновой фракции, т. е. выкипающей после 200°С. Бударов И. П. установил, что если выбросы от испарения бензина, например А-66, принять за единицу, то в тех же термодинамических условиях выбросы авиационного бензина Б-150 будут в 1,8 раза, дизельного топлива в 65 раз, а топлива Т-1 уже в 92 раза меньше. потери от испарения изопентана в 100 раз больше, чем лигроина и в 1500 раз мазута. Ивановым Н. Д. также отмечается, что наибольшая скорость испарения наблюдается у бензинов, потери которых в 50÷100 раз выше, чем у керосинов и дизельных топлив.

В исследованиях, проведенных ТюмГНГУ, установлено, что предельные значения потерь от испарения нефтей различных месторождений Тюменской области из тонкого слоя соответствуют содержанию фракций, выкипающих до температур 180÷220°С, что также можно использовать для экспертных оценок выбросов.

В заключение заметим, что описанная проблема решена еще далеко не полностью, здесь необходимы дополнительные исследования и, вероятно, предпочтение будет отдано методам расчета выбросов конденсатов сравнением их углеводородного состава до и после испарения или методам моделирования фазовых переходов в условиях динамического испарения. попадание каких-либо примесей, оказывающих отрицательное влияние на биосферу, квалифицируется как нарушение Закона «Об охране атмосферного воздуха», Закона «Об охране окружающей природной среды», международных соглашений, подзаконных актов (например, ГОСТ 17.2.1.04-77 и др.) и влечёт ответственность вплоть до уголовной.