Керченский государственный морской технологический

УНИВЕРСИТЕТ

Технологический факультет

Кафедра «Экология моря»

Методические указания и задания к выполнению семестровых работ по дисциплине «Техноэкология» для студентов направления 05.03.06 «Экология и природопользование»

Тема 2.

РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В

АТМОСФЕРУ ПРИ СВОБОДНОМ ГОРЕНИИ НЕФТИ И

НЕФТЕПРОДУКТОВ

Керчь 2014

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 сырьѐ.

Нижний предел взрывоопасной концентрации – концентрация паров нефтепродукта с воздухом, ниже которой смесь взрываться не будет.

Верхний предел взрывоопасной концентрации – концентрация паров нефтепродукта с воздухом, выше которой смесь взрываться не будет.

Зона взрываемости (предел воспламенения) – зона, лежащая в границах нижнего и верхнего пределов взрывоопасных концентраций смеси паров нефтепродуктов с воздухом.

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 атмо-сферу за полное время сгорания нефтепродукта.

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

3

1. Общие положения

Нефть - это смесь различных углеводородов: предельных - парафиновых (алканы), нафтеновых - циклопарафиновых (цикланы), ароматических (арены). Содержание углеводородов в нефти колеблется в пределах 82 - 87%, водорода 11 - 14%, остальное примеси.

Парафиновые (С_nН_2n+2) . В обычных условиях парафины до С₄Н₁₀ -газы, от С₅Н₁₂ до С₁₅Н₃₂ - жидкости, входящие в состав моторных топлив, С₁₆Н₃₄ и выше - твердые вещества, называемые парафинами.

Нафтеновые - циклопарафиновые (цикланы) С_nН_2n .

Ароматические (арены) С_nН_2n-6 - ценное сырое для нефтехимической промышленности и получения высокооктановых бензинов.

Непредельные (олефиновы) С_nН_2n в нефтях не содержатся, а образуются при переработке и являются ценным сырьем для получения полиэтилена и полипропилена др.

По содержанию парафина нефти подразделяются на малопарафинистые (≤1,5%); парафинистые (от 1,5 до 6%) и высокопарафинистые (>6%).

Иногда встречаются нефти с содержанием парафина до 30% (Узень, Жетыбай). Нефти северных месторождений Тюменской области содержат до 20% парафина.

Вредными примесями нефти являются сернистые соединения до 8% (сероводород, сульфиды, меркаптаны, элементарная сера и пирофорные производные). Кислород (до 2% ) присутствует в виде нафтеновых и жирных кислот, фенолов и асфальтенов. Кроме этого в нефти содержатся углекислый газ, хлор, йод, фосфор, мышьяк, калий, натрий, азот и многие другие элементы таблицы Д.И. Менделеева, а также пластовая вода.

Азот в виде аминов и пиридиновых оснований.

Плотность различных сортов нефти 750 - 950 кг/м³. Нефти плотностью до 900 кг/м³ называют легкими, а более 900 кг/м³ - тяжелыми. Плотность бензина 720-780 кг/м³, керосина 800 - 900 кг/м³, ДТ - 840 - 900, масел - 890 - 940.

Под плотностью понимают отношение массы вещества при температуре 20^оС к занимаемому объему.

В процессе переработки нефти получают широкий ассортимент фракций нефтепродуктов, использующихся в промышленности:

- углеводородный газ (пропан-бутановая фракция);

- бензины (бензиновая фракция);

- керосины (керосиновая фракция);

- дизельные фракции;

- мазут;

- масляные фракции;

- углеводородные растворители.

Нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая промышленность оказывает существенное воздействие на окружающую среду. Добычу нефти осуществляют в основном путем бурения нефтяных скважин. В случае если месторождение расположено в зонах тектонических разломов и сдвигов, то воздействие на породу может привести к оседанию земной поверхности и даже к землетрясениям. В случае если скважина организуется на морском шельфе, то возможно попадание нефти в толщу водного объекта.

В процессе освоения нефтяных месторождений оказывается активное воздействие на окружающую среду в пределах территорий самих месторождений, трасс линейных сооружений (промысловых и магистральных трубопроводов), а также в ближайших населенных пунктах (городах, поселках). При этом в местах загрязнения происходит долговременное разрушение растительного и почвенного покровов.

В результате несовершенства технологий и внешних факторов на всех этапах операций с нефтью и нефтепродуктами могут произойти аварии, приводящие к разливам нефти и нефтепродуктов и загрязнению атмосферы, открытых водоемов, почвы, подземных вод.

Отдельное внимание стоит уделить пожарам, возникающим при возгорании нефтепродуктов. Загорание нефтепродуктов всегда начинается со вспышки или взрыва паров с воздухом. Первоначальная вспышка паров переходит в воспламенение нефтепродуктов и создает условия для полного сгорания.

Основными причинами взрыва и возгорания нефтепродуктов могут быть следующие:

1. Открытый огонь – зажженная спичка, лампа, брошенный окурок, проведение ремонтных работ с источником открытого огня;

2. Искра – выполнение работ стальным инструментом, искрообразование из выхлопных труб машин, эксплуатация неисправного электрооборудования;

3. Разряды статического электричества:

• нарушение системы защиты от статического электричества;

• плавающие поверхности нефтепродуктов предметы могут накопить заряды статического электричества и, приблизившись к стенке резервуара, вызвать искровой разряд, который будет ис-точником воспламенения;

• грозовые разряды, молния.

4. Самовоспламенение – при проведении операций наполнения и опорожнения резервуаров для хранения нефтепродуктов всегда существует вероятность образования в газовом пространстве над поверхностью жидкости смеси паров топлива с воздухом в области предела воспламенения.

5. Человеческий фактор – несоблюдение правил пожарной безопасности на территории предприятия, эксплуатация неисправного оборудования, отсутствие соответствующей квалификации у обслуживающего персонала.

6. Природные катаклизмы.

Даже при наличии исправной системы защиты от статического электричества и нормальной эксплуатации технически исправного оборудования не исключена вероятность аварии в резервуарах для хранения нефтепродуктов. Например, в связи с тем, что бензин и дизельное топливо относятся к диэлектрикам со слабой проводимостью тока, при определенных условиях налива нефтепродуктов в ѐмкости (при увеличении скорости налива) заряды статического электричества могут быстрее накапливаться, чем отводиться через заземление. В таком случае с увеличением уровня налива топлива в ѐмкости напряжение статического электричества будет возрастать и может достигнуть такого значения, при котором в момент приближения свободной поверхности топлива к стенкам заливной горловины вследствие разности потенциалов может произойти искровой разряд, который способен вызвать воспламенение или взрыв смеси паров с воздухом и пожар. Так как давление в момент взрыва достигает 1470кПа, а температура взрыва составляет около 1500-18000С, может произойти разгерметизация сосуда. Это, в свою очередь, обусловит доступ кислорода в разгерметизированный сосуд, что поспособствует дальнейшему развитию аварии. Скорость распространения взрывной волны при этом может достигать 1500 м/с.

Примеры аварий, связанных с возгоранием нефтепродуктов.

• 03.08.2007 г. около 600 ч. на нефтебазу «Галнефтегаз» в г. Львов заехал локомотив с тремя платформами щебня. Локомотив на скорости въехал в цистерны с бензином А-95, которые стояли на тупиковой колее (12 единиц) и ожидали разгрузки. В результате столкновения цистерны деформировались и произошло возгорание трех из них.

• 16.06.2005 г. в 540 ч. произошло возгорание на нефтебазе ОАО «Нефтосервис» в г. Ногинск. Первый взрыв произошел в здании лаборатории, которая занимается исследованием качества бензина. Пожар перекинулся на близлежащие постройки, насосную станцию и резервуары с нефтепродуктами. Примерно в 6 утра произошли еще взрывы, гораздо более мощные. Сразу же были разрушены несколько нефтеналивных резервуаров (два резервуара с топливом – объемом 5000 и 1000 м3) и две цистерны на подъездных путях.

• 27.03.2008 г. в 1810 ч. по московскому времени на нефтебазе ОАО "Дагнефтепродукт" г. Махачкала произошло возгорание нефти. На момент возгорания в резервуаре находилось 6000 м3 нефти. Причина возгорания – образование искры при плановом осмотре заполнения емкости из танкера.

Процесс горения нефти и нефтепродуктов может возникать при авариях, а также при сжигании некондиционных продуктов или аварийных разливов Процесс горения нефти сопровождается образованием различных продуктов горения. Состав продуктов сгорания зависит от состава нефти и коэффициента избытка воздуха.

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, бенз(а)пирен и др., сажа (С).

В процессе горения участвует азот, входящий в состав воздуха. При высоких температурах он способен окисляться с образованием оксидов азота (NO, NO₂ и др.).

Если в состав нефти входят соединения серы (сероводород, меркаптаны, сульфиды и др.) то в процессе горения образуются оксиды серы (SO₂ и SO₃).

Предлагаемый метод расчета применяется для определения массы вредных веществ, выделяющихся в атмосферу при горении нефти 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).