天然气地面火炬尾气扩散浓度计算

王欣

中石化江汉石油工程设计有限公司

火炬放空气体燃烧时会产生一些有害物质的废气，如氮氧化物、大量的二氧化碳、少量的二氧化硫和颗粒物等，这些有害物质会直接伤害人体健康和污染环境[1-3]。火炬放空的可燃气体有可能与空气混合后浓度达到其爆炸下限，引燃后形成爆炸。特别是火炬放空尾气地面浓度对周围环境和设施的要求严格[4-5]，需要评估、计算地面火炬排放有害气体扩散浓度水平对环境的影响。计算火炬有害气体扩散浓度的方法很多[2，5-6]，结合某海外油田地面工程火炬系统设计及应用经验，采用高斯大气扩散模型法计算封闭式地面火炬不同高度水平层的有害物质的浓度分布，评估分析火炬放空产生的有害物质浓度能否控制在标准或规范要求的设计排放限值之内[2]，可燃气体直接放空是否会形成爆炸性混合气体，从而确保地面火炬放空时周边环境和设施的安全。

1 设计条件

（1）地面火炬设计情况。表1 为某海外油田中心处理站地面火炬放空气组成，表2 为该地面火炬的设计参数和所在地的气象条件。

表1 中心处理站场地面火炬气组分Tab.1 CPF ground flare gas composition %

表2 中心处理站场地面火炬设计参数表和气象条件Tab.2 CPF ground flare design parameters and local meteorological condition

（2）有害气体排放限值要求。氮氧化物NOx允许排放量限值为460 mg/m3[7]；二氧化碳浓度不超过786 mg/m3，该指标是国际上认可中间值。火炬气不含硫化氢，无二氧化硫排放。火炬气在放空点周围地面以上25 m 空间范围内必须低于爆炸下限。

2 火炬气燃烧产物的质量流量计算

放空的火炬气主要由烃类气体、N2、CO2和水气等组成，其燃烧产物主要由NOx、CO2和H2O 等组成。由于火炬气的组分及其比例已知，火炬气的燃尽率通常也是确定的[5]，可通过下列化学反应式（1）和（2）计算出火炬气燃烧产物中各组分的质量流量。

（1）当火炬气完全燃烧时，流量为4.916 m3/s的火炬气（标态下密度1.912 kg/m3）产生的CO2最大质量流量为=CO2摩尔分数比值×火炬气体积流量×CO2标态密度=2.428×4.916×1.912×1 000=19 451 g/s。

（2）假设只有火炬气中的氮气在燃烧过程中转化为NOx（标态下密度1.854 kg/m3，主要是NO2），则有害气体氮氧化物NOx最大排放流量为：=0.000 4×4.916×1.854×1 000=3.65 g/s。

（3）在火炬事故熄灭的情况下，则放空的火炬气直接排放到空气中，易燃易爆气体（标态下密度1.807 kg/m3）排放流量为：Qg=4.916×1.807×1 000=8 883 g/s。

3 混合气体在空气中爆炸限值计算

根据火炬气组分和组成百分比，可计算出火炬混合气体的爆炸上、下限值，单组分爆炸上、下限值由NFPA 325M 给出[8]。易燃、易爆气体混合物爆炸限值按公式（3）计算：

式中：Cn为易燃气体组分在空气中的爆炸浓度，%（体积分数）；yn为易燃气体组分在混合物中所占的摩尔分数，%。

由式（3）可以计算得出，中心处理站场火炬放空气在空气中的爆炸极限值：爆炸下限值CL=2.694%，爆炸上限值CH=11.54%。

4 气体扩散浓度计算

4.1 计算模型

结合项目油气站场所在地地形、气候等环境要素以及污染源情况，建立Gaussian 大气污染物扩散模型来计算、分析气体在扩散范围内不同位置的扩散浓度[6，9-14]，大气扩散计算模型坐标系如图1 所示。该大气扩散模型属于高架点源的烟羽大气扩散模式，是计算大气排放中气载污染物下风向浓度应用最广的方法[15-16]。地面火炬气排放考虑为高架连续点源时，任意一点浓度可按简化计算公式（4）计算[9，12]：

图1 Gaussian 大气扩散模型坐标系Fig.1 Gaussian air dispersion model coordinates system

式中：C为扩散范围内任一点位置排放物浓度，g/m3；x为排放源下风向的点距排放源的长度，m；y为排放烟羽中心线侧向距离长度，m；z为距地面高度，m；Q为污染源排放点的质量流率，g/s；u为沿烟羽中心线方向的水平风速，m/s，本站场设计取最大风速16.8 m/s；δy为水平方向扩散参数（是下风向距离x及大气稳定度的函数），m；δz为垂直方向扩散参数（是下风向距离x及大气稳定度的函数），m；ΔH为扩散范围内任一点到烟羽中心线的高度，m。

4.2 气体扩散类型判断

根据火炬气尾气排放速率大小，气体扩散类型可分为喷射式和气流式两类。在喷射扩散情况下，释放出的尾气与空气混合、扩散的速度非常快，很快就被稀释到低于爆炸下限，如果尾气排放的速率很小，则气体扩散类型就是气流式，大气扩散速度将决定稀释的程度[6，9，11]。

如果雷诺数满足以下判别式（5）、式（6），则气体扩散类型就是喷射式：

式中：v为火炬气在排放出口的速度，计算火炬气事故排放时最小速度取0.16 m/s；ρj为火炬气体密度，取1.807 kg/m3；ρ∝为常压空气密度，1.06 kg/m3（60 ℃），0.56 kg/m3（350 ℃）；μ为火炬气体黏度，取9.0×10-6Pa·s（60 ℃）；d为火炬排放口内径，7 m。

代入数据计算Re=224 871＞1.54×104×1.705=26 257，由判断式（5）可知，火炬放空扩散类型是喷射式扩散类型。

4.3 任一点气体扩散浓度计算

为保证任何环境条件下，气体排放下风向25 m高度范围内任一点浓度均满足排放浓度限值，在进行模拟计算时选取最苛刻环境条件。

（1）扩散参数δy和δz的求值方程。水平方向扩散参数δy和垂直方向扩散参数δz，分别采用Pasquill-Gifford 水平方向扩散参数方程和垂直方向扩散参数方程计算[6，9-10]。因油田中心处理站场所在地区白天日光辐射强度很强，夜晚云层覆盖率低于50%，人烟稀少和夜晚温度低，只考虑白天日光辐射强度很强的工况，则根据风速和辐射强度，Pasquill 大气稳定性级别判定为C 级。用于计算水平方向扩散参数δy和垂直方向扩散参数δz的常数分别见表3、表4。水平方向扩散参数方程中常数c、d由表3 查得：c=12.50，d=1.085 7；垂直方向参数方程中常数a、b由表4 查得：a=61.141，b=0.914 65，则扩散参数方程[6]可写为式（7）、式（8）、式（9）：

表4 用于计算Pasquill-Gifford 垂直方向扩散参数常数a 和bTab.4 Constants a and b used to calculate the Pasquill-Gifford vertical diffusion parameters

表3 用于计算Pasquill-Gifford 水平方向扩散参数常数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。考虑到下降气流的影响，地面火炬放空筒的有效高度值需按下列公式（10）、（11）进行修正[10]。如果放空气流速度v＜1.5u，已知风速u=16.8 m/s，则：

如果放空气流速度v＞1.5u，则：

因地面火炬为全封闭式燃烧设防风墙，不受外部气流的影响，火炬高度不需要考虑修正，即火炬修正后的有效高度=hs=28 m。

（3）烟羽抬升高度Δh的计算。采用BRIGGs方程计算漂浮烟羽抬升高度Δh[6，9]，漂浮烟羽抬升的高度求值逻辑如图2 所示。

图2 计算漂浮烟羽抬升高度Briggs 方程逻辑图Fig.2 Logic diagram for Briggs's equations to calculate the rising height of floating flume

上述逻辑图中：F为漂浮系数（m4/s3），按式（12）计算：

式中：x为排放点下风向任意一点距排放点的距离，m；xf为排放点下风向最大烟羽抬升高度点距排放点的距离，m；u为排放出口高度处最大风速，m/s；s为稳定参数，m/s2；v为火炬尾气排放速度，m/s；d为火炬内径，m；Ts为火炬尾气排放温度，K；ΔT为火炬尾气排放温度和环境温度差，K。

（4）任一点到烟羽中心线的高度ΔH计算。扩散范围内任一点到烟羽中心线的高度ΔH按式（13）计算[17]：

式中：H为扩散气体烟羽中心线高出地面的高度，m；z为地面以上计算点的高度，m；Δh为烟羽抬升的高度，m；为放空管修正后的高度，28 m。

根据前面分步计算求值的推导结果，得出火炬气在完全燃烧和火焰熄灭工况[18-23]时ΔH求值关系式方程（表5）。

表5 ΔH 求值方程关系式结果Tab.5 ΔH evaluation equation results

4.4 计算模型分析和结果

如图1 所示以地面火炬中心点为坐标系原点，火炬放空气体下风向为x轴，间隔分为0、25、50、100、200、300、400、500、600、700、800、900 和1 000 m，沿侧向y轴间隔分为0、25 和50 m，沿高度方向z轴间隔分为0、5、10、15、20、25和30 m，共选取了144 个连续长方体（其余y轴镜像）来计算放空区域空间气体浓度。采用Excel 表格编辑公式分别计算任一点高度ΔH、参数TH、扩散参数δy和δz值，代入公式（4）计算气体扩散浓度，CO2、NOx和火炬气等有害气体扩散浓度部分计算结果见表6、表7 和表8。

表6 CO2扩散浓度部分计算结果（ y=0,沿烟羽中心线）Tab.6 Partial calculation results of diffusion concentration of CO2 ( y=0，along the flume center line)

表7 NOx 扩散浓度部分计算结果（ y=0，沿烟羽中心线）Tab.7 Partial calculation results of diffusion concentration of NOx( y=0，along the flume center line)

表8 火炬烃气扩散浓度部分计算结果（ y=0，沿烟羽中心线）Tab.8 Partial calculation results of diffusion concentration of flare hydrocarbon gas( y=0，along the flume center line)

从计算结果数据分析得出：

（1）地面火炬完全燃烧时CO2浓度存在超标的情况，特别是沿x轴中心线分布25～200 m 之内，在高度5～30 m 内达到最大值44.1584 g/m3，然后呈逐步衰减态势。

（2）在x轴中心线分布200～400 m 之内，NOx（主要是NO2）浓度为小于0.001 g/m3，满足环境限值要求。

（3）事故情况下火焰熄灭，易燃气体在沿x轴中心线分布25 m内、高度30 m处达到最大值22.67 g/m3，然后呈逐步衰减态势，且不会在地面达到爆炸下限形成爆炸风险。

5 结论

结合某海外油气中心处理站场工程实际，采用Gaussian 大气污染物扩散模型计算地面封闭式火炬尾气污染物的大气扩散浓度，分析所在地地形、气候等环境要素以及污染源排放情况，系统地讨论、计算各种影响大气扩散过程的特征参数，建立高架连续点源烟羽扩散坐标系，分析并计算火炬尾气扩散浓度。计算数据结果表明，地面火炬大气扩散峰值浓度在下风向30 m 内，扩散浓度逐步衰减，火炬高度和排放浓度满足大气扩散要求。该模型对油气处理站场大气排放扩散浓度分析计算具有一定的借鉴意义。