Комплекс мероприятий по уменьшению выбросов в атмосферу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

По дисциплине: «Охрана труда»

На тему: «Комплекс мероприятий по уменьшению выбросов в атмосферу»

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение

1.1 Общие положения

1.2 Определения, обозначения и сокращения

2. Комплекс методики по уменьшению выбросов в атмосферу

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

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

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

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

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

2.6 Математическая модель и методика для расчета текущих выбросов поллютантов при горении нефтепродуктов, разлитых на растительном покро

3. Заключение

Введение

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.

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.

выброс вредный горение нефть

1.1 Общие положения

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.

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.

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.

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).

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.

1.2 Определения, обозначения и сокращения

В настоящей методике используются следующие термины с соответствующими определениями и обозначениями:

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.

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.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.

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.

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).

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

7.Удельным выбросом (коэффициентом эмиссии) -вещества называется отношение

К = М /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 К можно определить только опытным путем.

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.

9.Количество сгоревшего углеводородного топлива Мг можно определить, используя закон сохранения массы

Мг = М0 - Мн. (3.2)

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.

11 Поллютант - вещество, загрязняющее среду обитания. Русский синоним этого слова - загрязнитель. Масса выброса поллютанта -сорта возникающего при горении Н и НП, на основании (3.1) и (3.2) определяется по формуле:

М = К (М0 - Мн). (3.3)

Величина М 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)

2. Комплекс методики по уменьшению выбросов в атмосферу

2.1 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 = 0 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:

М = К К М0, = 1 ... N; Q = q K M0. (4.5)

Конкретные значения К приведены в таблице 4.1

Таблица 4.1. Коэффициенты эмиссии поллютантов при горении НиНП и ЛГМ

№ п/п	Поллютант	К для НиНП [кг/кг]	К 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

2.2 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 = W', 0 < < 1, 0 < W' < 1. (5.1)

Здесь - 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,i = Кi K,i M0,i, Qi = q Кi M0,i, = 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.

2.3 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:

, = 1...N, Q = Q + Qp, (6.4)

Здесь M, и Q - 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, М и Q - определяются по формуле (5.3).

2.4 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 = 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 M и Q необходимо использовать формулы:

M = (M0 - Mн) K 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 = h* kb S0 - масса недогоревшей нефти на болоте; - плотность нефти; h* - предельная высота слоя нефти, при которой нефть еще горит на водной поверхности болота.

2.5 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:

Mi = Мгi К, 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 i 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 K, получаем выражение для выброса -поллютанта из i-ой лунки в любой момент времени:

. (Б.10)

Суммируя выбросы -компонента по всем лункам, получаем:

. (Б.11)

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

2.6 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 -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 -полютанта при 0 < t < t1:

M = M1 + M2. (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 + 1 z F* (t - t1), (B.9)

M2г = M21 + 2 z 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:

M1 = M1г K1, Q1 = М1г q1. (В.12)

M2 = M2г K2, 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*.

Заключение

В данном реферате мы рассмотрели понятие расчета 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, что важно знать при изучении данной темы.

Проблема загрязнения остаётся актуальной и на сегодняшний день. Важно знать, как защитить природу от химических и других воздействий и не привести свою планету к экологической катастрофе.Также мы изучили как можно пользоваться данной методикой определения экологического ущерба в результате неконтролируемого горения нефти и нефтепродуктов, разлитых на различных типах подстилающих поверхностей.

Охрана своей природы очень важна на любом этапе жизни.

Размещено на Allbest.ru