天然氣地面火炬尾氣擴散濃度計算

王欣

中石化江漢石油工程設計有限公司

火炬放空氣體燃燒時會產生一些有害物質的廢氣，如氮氧化物、大量的二氧化碳、少量的二氧化硫和顆粒物等，這些有害物質會直接傷害人體健康和污染環境[1-3]。火炬放空的可燃氣體有可能與空氣混合后濃度達到其爆炸下限，引燃后形成爆炸。特別是火炬放空尾氣地面濃度對周圍環境和設施的要求嚴格[4-5]，需要評估、計算地面火炬排放有害氣體擴散濃度水平對環境的影響。計算火炬有害氣體擴散濃度的方法很多[2，5-6]，結合某海外油田地面工程火炬系統設計及應用經驗，采用高斯大氣擴散模型法計算封閉式地面火炬不同高度水平層的有害物質的濃度分布，評估分析火炬放空產生的有害物質濃度能否控制在標準或規范要求的設計排放限值之內[2]，可燃氣體直接放空是否會形成爆炸性混合氣體，從而確保地面火炬放空時周邊環境和設施的安全。

1 設計條件

（1）地面火炬設計情況。表1 為某海外油田中心處理站地面火炬放空氣組成，表2 為該地面火炬的設計參數和所在地的氣象條件。

表1 中心處理站場地面火炬氣組分Tab.1 CPF ground flare gas composition %

表2 中心處理站場地面火炬設計參數表和氣象條件Tab.2 CPF ground flare design parameters and local meteorological condition

（2）有害氣體排放限值要求。氮氧化物NOx允許排放量限值為460 mg/m3[7]；二氧化碳濃度不超過786 mg/m3，該指標是國際上認可中間值。火炬氣不含硫化氫，無二氧化硫排放。火炬氣在放空點周圍地面以上25 m 空間范圍內必須低于爆炸下限。

2 火炬氣燃燒產物的質量流量計算

放空的火炬氣主要由烴類氣體、N2、CO2和水氣等組成，其燃燒產物主要由NOx、CO2和H2O 等組成。由于火炬氣的組分及其比例已知，火炬氣的燃盡率通常也是確定的[5]，可通過下列化學反應式（1）和（2）計算出火炬氣燃燒產物中各組分的質量流量。

（1）當火炬氣完全燃燒時，流量為4.916 m3/s的火炬氣（標態下密度1.912 kg/m3）產生的CO2最大質量流量為=CO2摩爾分數比值×火炬氣體積流量×CO2標態密度=2.428×4.916×1.912×1 000=19 451 g/s。

（2）假設只有火炬氣中的氮氣在燃燒過程中轉化為NOx（標態下密度1.854 kg/m3，主要是NO2），則有害氣體氮氧化物NOx最大排放流量為：=0.000 4×4.916×1.854×1 000=3.65 g/s。

（3）在火炬事故熄滅的情況下，則放空的火炬氣直接排放到空氣中，易燃易爆氣體（標態下密度1.807 kg/m3）排放流量為：Qg=4.916×1.807×1 000=8 883 g/s。

3 混合氣體在空氣中爆炸限值計算

根據火炬氣組分和組成百分比，可計算出火炬混合氣體的爆炸上、下限值，單組分爆炸上、下限值由NFPA 325M 給出[8]。易燃、易爆氣體混合物爆炸限值按公式（3）計算：

式中：Cn為易燃氣體組分在空氣中的爆炸濃度，%（體積分數）；yn為易燃氣體組分在混合物中所占的摩爾分數，%。

由式（3）可以計算得出，中心處理站場火炬放空氣在空氣中的爆炸極限值：爆炸下限值CL=2.694%，爆炸上限值CH=11.54%。

4 氣體擴散濃度計算

4.1 計算模型

結合項目油氣站場所在地地形、氣候等環境要素以及污染源情況，建立Gaussian 大氣污染物擴散模型來計算、分析氣體在擴散范圍內不同位置的擴散濃度[6，9-14]，大氣擴散計算模型坐標系如圖1 所示。該大氣擴散模型屬于高架點源的煙羽大氣擴散模式，是計算大氣排放中氣載污染物下風向濃度應用最廣的方法[15-16]。地面火炬氣排放考慮為高架連續點源時，任意一點濃度可按簡化計算公式（4）計算[9，12]：

圖1 Gaussian 大氣擴散模型坐標系Fig.1 Gaussian air dispersion model coordinates system

式中：C為擴散范圍內任一點位置排放物濃度，g/m3；x為排放源下風向的點距排放源的長度，m；y為排放煙羽中心線側向距離長度，m；z為距地面高度，m；Q為污染源排放點的質量流率，g/s；u為沿煙羽中心線方向的水平風速，m/s，本站場設計取最大風速16.8 m/s；δy為水平方向擴散參數（是下風向距離x及大氣穩定度的函數），m；δz為垂直方向擴散參數（是下風向距離x及大氣穩定度的函數），m；ΔH為擴散范圍內任一點到煙羽中心線的高度，m。

4.2 氣體擴散類型判斷

根據火炬氣尾氣排放速率大小，氣體擴散類型可分為噴射式和氣流式兩類。在噴射擴散情況下，釋放出的尾氣與空氣混合、擴散的速度非常快，很快就被稀釋到低于爆炸下限，如果尾氣排放的速率很小，則氣體擴散類型就是氣流式，大氣擴散速度將決定稀釋的程度[6，9，11]。

如果雷諾數滿足以下判別式（5）、式（6），則氣體擴散類型就是噴射式：

式中：v為火炬氣在排放出口的速度，計算火炬氣事故排放時最小速度取0.16 m/s；ρj為火炬氣體密度，取1.807 kg/m3；ρ∝為常壓空氣密度，1.06 kg/m3（60 ℃），0.56 kg/m3（350 ℃）；μ為火炬氣體黏度，取9.0×10-6Pa·s（60 ℃）；d為火炬排放口內徑，7 m。

代入數據計算Re=224 871＞1.54×104×1.705=26 257，由判斷式（5）可知，火炬放空擴散類型是噴射式擴散類型。

4.3 任一點氣體擴散濃度計算

為保證任何環境條件下，氣體排放下風向25 m高度范圍內任一點濃度均滿足排放濃度限值，在進行模擬計算時選取最苛刻環境條件。

（1）擴散參數δy和δz的求值方程。水平方向擴散參數δy和垂直方向擴散參數δz，分別采用Pasquill-Gifford 水平方向擴散參數方程和垂直方向擴散參數方程計算[6，9-10]。因油田中心處理站場所在地區白天日光輻射強度很強，夜晚云層覆蓋率低于50%，人煙稀少和夜晚溫度低，只考慮白天日光輻射強度很強的工況，則根據風速和輻射強度，Pasquill 大氣穩定性級別判定為C 級。用于計算水平方向擴散參數δy和垂直方向擴散參數δz的常數分別見表3、表4。水平方向擴散參數方程中常數c、d由表3 查得：c=12.50，d=1.085 7；垂直方向參數方程中常數a、b由表4 查得：a=61.141，b=0.914 65，則擴散參數方程[6]可寫為式（7）、式（8）、式（9）：

表4 用于計算Pasquill-Gifford 垂直方向擴散參數常數a 和bTab.4 Constants a and b used to calculate the Pasquill-Gifford vertical diffusion parameters

表3 用于計算Pasquill-Gifford 水平方向擴散參數常數c 和dTab.3 Constants c and d used to calculate the Pasquill-Gifford lateral diffusion parameter

（2）地面火炬放空高度值的修正。考慮到下降氣流的影響，地面火炬放空筒的有效高度值需按下列公式（10）、（11）進行修正[10]。如果放空氣流速度v＜1.5u，已知風速u=16.8 m/s，則：

如果放空氣流速度v＞1.5u，則：

因地面火炬為全封閉式燃燒設防風墻，不受外部氣流的影響，火炬高度不需要考慮修正，即火炬修正后的有效高度=hs=28 m。

（3）煙羽抬升高度Δh的計算。采用BRIGGs方程計算漂浮煙羽抬升高度Δh[6，9]，漂浮煙羽抬升的高度求值邏輯如圖2 所示。

圖2 計算漂浮煙羽抬升高度Briggs 方程邏輯圖Fig.2 Logic diagram for Briggs's equations to calculate the rising height of floating flume

上述邏輯圖中：F為漂浮系數（m4/s3），按式（12）計算：

式中：x為排放點下風向任意一點距排放點的距離，m；xf為排放點下風向最大煙羽抬升高度點距排放點的距離，m；u為排放出口高度處最大風速，m/s；s為穩定參數，m/s2；v為火炬尾氣排放速度，m/s；d為火炬內徑，m；Ts為火炬尾氣排放溫度，K；ΔT為火炬尾氣排放溫度和環境溫度差，K。

（4）任一點到煙羽中心線的高度ΔH計算。擴散范圍內任一點到煙羽中心線的高度ΔH按式（13）計算[17]：

式中：H為擴散氣體煙羽中心線高出地面的高度，m；z為地面以上計算點的高度，m；Δh為煙羽抬升的高度，m；為放空管修正后的高度，28 m。

根據前面分步計算求值的推導結果，得出火炬氣在完全燃燒和火焰熄滅工況[18-23]時ΔH求值關系式方程（表5）。

表5 ΔH 求值方程關系式結果Tab.5 ΔH evaluation equation results

4.4 計算模型分析和結果

如圖1 所示以地面火炬中心點為坐標系原點，火炬放空氣體下風向為x軸，間隔分為0、25、50、100、200、300、400、500、600、700、800、900 和1 000 m，沿側向y軸間隔分為0、25 和50 m，沿高度方向z軸間隔分為0、5、10、15、20、25和30 m，共選取了144 個連續長方體（其余y軸鏡像）來計算放空區域空間氣體濃度。采用Excel 表格編輯公式分別計算任一點高度ΔH、參數TH、擴散參數δy和δz值，代入公式（4）計算氣體擴散濃度，CO2、NOx和火炬氣等有害氣體擴散濃度部分計算結果見表6、表7 和表8。

表6 CO2擴散濃度部分計算結果（ y=0,沿煙羽中心線）Tab.6 Partial calculation results of diffusion concentration of CO2 ( y=0，along the flume center line)

表7 NOx 擴散濃度部分計算結果（ y=0，沿煙羽中心線）Tab.7 Partial calculation results of diffusion concentration of NOx( y=0，along the flume center line)

表8 火炬烴氣擴散濃度部分計算結果（ y=0，沿煙羽中心線）Tab.8 Partial calculation results of diffusion concentration of flare hydrocarbon gas( y=0，along the flume center line)

從計算結果數據分析得出：

（1）地面火炬完全燃燒時CO2濃度存在超標的情況，特別是沿x軸中心線分布25～200 m 之內，在高度5～30 m 內達到最大值44.1584 g/m3，然后呈逐步衰減態勢。

（2）在x軸中心線分布200～400 m 之內，NOx（主要是NO2）濃度為小于0.001 g/m3，滿足環境限值要求。

（3）事故情況下火焰熄滅，易燃氣體在沿x軸中心線分布25 m內、高度30 m處達到最大值22.67 g/m3，然后呈逐步衰減態勢，且不會在地面達到爆炸下限形成爆炸風險。

5 結論

結合某海外油氣中心處理站場工程實際，采用Gaussian 大氣污染物擴散模型計算地面封閉式火炬尾氣污染物的大氣擴散濃度，分析所在地地形、氣候等環境要素以及污染源排放情況，系統地討論、計算各種影響大氣擴散過程的特征參數，建立高架連續點源煙羽擴散坐標系，分析并計算火炬尾氣擴散濃度。計算數據結果表明，地面火炬大氣擴散峰值濃度在下風向30 m 內，擴散濃度逐步衰減，火炬高度和排放濃度滿足大氣擴散要求。該模型對油氣處理站場大氣排放擴散濃度分析計算具有一定的借鑒意義。