炼厂酸性气火炬排空大气环境影响评估——基于单源高斯烟羽模型<br/>

炼厂酸性气火炬排空大气环境影响评估——基于单源高斯烟羽模型

2012-04-01甘光伟

化工技术与开发 2012年10期

甘光伟

（中国石油广西石化公司生产四部，广西钦州 535008）

大气估算模式 SCREEN3 是一个单源高斯烟羽模式，可计算点源、火炬源、面源和体源的最大地面浓度，以及下洗和岸边熏烟等特殊条件下的最大地面浓度。估算模式中嵌入了多种预设的气象组合条件，包括一些最不利的气象条件，在某个地区有可能发生，也有可能没有此种不利气象条件。所以经估算模式计算出的是某一污染源对环境空气质量的最大影响程度和影响范围的保守的计算结果。SCREEN3 是《环境影响评价技术导则大气环境》（HJ 2.2-2008）推荐的推荐模式。

1 背景介绍

本项目为位于西南沿海某石化公司1万t·a-1硫磺回收联合装置，装置分为硫磺回收、溶剂再生、非加氢型酸性水汽提与加氢型酸性水汽提等4个单元，承担着炼油厂脱硫尾气与废水处理任务，主要原料为炼厂酸性气、酸性水。产品为工业级固体硫磺及净化后的含硫污水供装置其他装置使用。当硫磺装置生产波动停工时，炼油厂酸性气体将通过酸性气火炬燃烧后排放，主要燃烧产物为SO2与NO2。本文就硫磺回收停工状态下酸性气全部排火炬对周边大气环境的影响，为装置生产运行管理提供理论依据。

2 高斯烟羽模型介绍

2.1 坐标系

高斯模型的坐标系如图1所示，原点为排放点（若为高架源，原点为排放在地面的投影），x轴正向为风速方向，y轴在水平面上垂直于x轴，正向在x轴的左侧，z轴垂直于水平面xoy，向上为正向。在此坐标系下烟流中心线或烟流中心线在xoy面的投影与x轴重合。

图1 高斯模式的坐标系

2.2 模型假设

（1）污染物的浓度在y、z轴上的分布是高斯分布（正态分布）的；

（2）污染源的源强是连续且均匀的，初始时刻云团内部的浓度、温度呈均匀分布；

（3）扩散过程中不考虑云团内部温度的变化，忽略热传递、热对流与热辐射；

（4）泄漏气体是理想气体，遵守理想气体状态方程；

（5）在水平方向，大气扩散系数呈各向同性；

（6）取x轴为平均风速方向，整个扩散过程中风速的大小、方向保持不变，不随地点、时间变化而变化；

（7）地面对泄漏气体起全反射作用，不发生吸收或吸附作用；

（8）整个过程中，泄漏气体不发生沉降、分解、不发生任何化学反应等。

2.3 模型公式

由正态分布假设可以导出下风向任意一点X（x,y,z）处泄漏气体浓度的函数：

源强的积分函数为：

带入得出无界空间连续点源扩散的高斯模型公式:

式中：ðy、ðz为泄漏气体在y、z方向分布的标准差，单位为m；X（x，y，z）为任一点处泄漏气体的浓度，单位为kg·m-3；u为平均风速，单位为m·s-1；Q为源强（即源释放速度），单位为kg·s-1。

考虑地面对气体的反射作用，实际浓度因为泄漏源气体浓度与地面反射气体浓度之和，考虑这个因素，得到高架连续点扩散的高斯烟羽模型公式为:

式中：X（x，y，z）为下风向 x米、横向 y米、地面上方z米处的扩散气体浓度，单位为kg·m-3；Q为源强（即源释放速度），单位为kg·s-1；u为平均风速，单位为m·s-1；为水平扩散参数，单位为m；为垂直扩散参数，单位为m；t为泄漏后的时间，单位为s；H为泄漏源有效高度，单位为m；y为横向距离，单位为m；z为垂直方向距离，单位为m。

式（4）中，令z=0，可得到地面气体浓度计算公式：

本文目的在于估算全气象组合条件下各污染物小时平均最大地面浓度及出现距离。最大地面浓度的预测结果反映泄漏源对周围环境及关心点的影响程度。

3 酸性气火炬燃烧排放大气影响分析

对该炼油厂1万t·a-1硫磺回收联合装置由于生产波动等原因导致停工时，含硫、含氨酸性气全部通过炼厂酸性气火炬燃烧排放后火炬周边SO2与NO2落地浓度进行预测，并根据《环境影响评价技术导则大气环境》（HJ 2.2-2008），对计算出的落地浓度进行符合性分析，并借此提出炼油厂硫磺回收联合装置生产运行管理建议。

3.1 计算工具选取

本次分析估算模式选择美国环保局推荐的SCREEN3模型进行估算。SCREEN3模型可以完成单源、短期估算，包括估算最大落地浓度和最大距离，估算最大落地浓度考虑建筑物的下洗，海岸熏烟模式，考虑烟羽抬升，考虑简单地形，估算复杂地形下24h平均浓度，计算任一点最大浓度，估算任何气象条件下（所有稳定度和风速）的最大影响等。

3.2 计算参数选择

3.2.1 气象参数

地面气象资料使用国家基本站钦州市气象站2008年全年8784h的逐时气象场（温度场，风场），主要包括风速、风向、总云量、低云量和干球温度等。

距离装置所在地最近的高空站点南宁约115km，因此本次模拟过程的高空数据采用中尺度数值模式MM5模拟生成，水平分辨率为15km×15km，模拟中心坐标为（108.62°E，21.95°N），距离项目约20km，符合导则要求。该模式采用的原始数据有地形高度、土地利用、陆地-水体标志、植被组成等数据，数据源主要为美国的USGS数据。原始气象数据采用美国国家大气研究中心（NCAR）发布的全球再分析气象资料（NCEP），通过3层嵌套网格MM5中尺度气象场模式模拟得到本地区的风温廓线。

3.2.2 地形参数

地理地形参数包括计算区的海拔高度，土地利用类型，海拔高度及土地利用类型由计算区域的卫星遥感影像图及数字高程DEM数据提取。

地形参数选取以 108°29′51″E，21°50′33″N 为左下坐标，向东20km，向北18km，总面积360km2，即网格设置为20km×18km，网格间距为1km。在炼油厂址区域中心划出一条纵剖面，得到地面高程见图2。

图2 评估区域地形示意

由图2可以看出，评价区地形虽处于海岸丘陵，但高差较小，相对于炼油工程的高排气筒来讲，区域地形可以定义为简单平坦地形。

3.2.3 污染源

3.2.3.1 硫磺回收停工

排放气体来自硫磺回收联合装置的清洁酸性气与含氨酸性气，排放源为炼油厂酸性气火炬。

假设硫磺回收装置停工原因为硫磺制硫炉紧急抢修2h。所需停工步骤为:

（1）制硫炉吹扫4h，含氨酸性气放火炬；

（2）制硫炉降温闷炉10h，酸性气全部放火炬；

（3）制硫炉检修2h，酸性气全部放火炬；

（4）检修完成制硫炉升温恢复生产，酸性气部分放火炬。

可见本次假象停工酸性气放火炬时间为19h。根据1万t·a-1硫磺回收联合装置处理能力计算，其间清洁酸性气排放总量为5550m3，含氨酸性气总量为9120m3。

3.2.3.2 火炬燃烧尾气

根据酸性气火炬设计功能，酸性火炬中，酸性气与燃料气流量比为85∶4，火炬点燃3min后，酸性气放空气无需混合燃料气即可完全燃烧，故可以认为，S全部转化成为SO2，N全部转化成NO2，燃烧化学式为：

本次评估建立在酸性气火炬燃料气配比充足，酸性气完全燃烧的前提下，评估对象为SO2与NO2的落地浓度。

3.2.4 平均排放速率与热释放率

酸性气配比的燃料气主要成分为甲烷，排放总重量见表1。

表1 燃料气排放总重量

火炬源每s热释放率见表2。

表2 火炬源热释放率

3.2.5 风速条件

厂区及周边地区春夏季节风向及风力的统计数据见表3。

表3 厂区域与气象站地面风对比统计表

选取最不利条件，春季风力最大东南风6.0m·s-1。

3.2.6 模型计算

估算最不利气象条件时1h平均最大地面浓度与出现距离，选取火炬源计算模式。

表4 火炬源源排放清单

3.3 使用SCREEN3模型估算

3.3.1 火炬源参数输入

火炬源落地浓度计算需要火炬高度（m）、总热释放率（cal·s-1）及距离厂区最近距离（m）共3个参数，操作步骤见图3。

图3 火炬源参数输入

3.3.2 污染物参数输入

输入最终排放物SO2与NO2的排放速率，根据《环境空气质量标准》GB 3095-2012要求，空气中SO2与NO2浓度阈值分别为0.5mg·m-3和0.24 mg·m-3，操作步骤见图 4。

图 4 污染物参数输入

3.3.3 计算结果

酸性气排放火炬大气污染物主要为SO2、NO2，依据《环境影响评价技术导则大气环境》（HJ 2.2-2008），利用SCREEN3估算模式估算单源在简单平坦地形、最不利条件下的每种污染物的最大地面质量浓度占标率Pi（第i个污染物），及第i个污染物的地面质量浓度达标准限值10%时所对应的最远距离D10%。扩散参数按城市考虑。估算结果见表5。