煉廠酸性氣火炬排空大氣環(huán)境影響評(píng)估——基于單源高斯煙羽模型

甘光偉

（中國(guó)石油廣西石化公司生產(chǎn)四部，廣西 欽州 535008）

大氣估算模式 SCREEN3 是一個(gè)單源高斯煙羽模式，可計(jì)算點(diǎn)源、火炬源、面源和體源的最大地面濃度，以及下洗和岸邊熏煙等特殊條件下的最大地面濃度。估算模式中嵌入了多種預(yù)設(shè)的氣象組合條件，包括一些最不利的氣象條件，在某個(gè)地區(qū)有可能發(fā)生，也有可能沒(méi)有此種不利氣象條件。所以經(jīng)估算模式計(jì)算出的是某一污染源對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的最大影響程度和影響范圍的保守的計(jì)算結(jié)果。SCREEN3 是《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》（HJ 2.2-2008） 推薦的推薦模式。

1 背景介紹

本項(xiàng)目為位于西南沿海某石化公司1萬(wàn)t·a-1硫磺回收聯(lián)合裝置，裝置分為硫磺回收、溶劑再生、非加氫型酸性水汽提與加氫型酸性水汽提等4個(gè)單元，承擔(dān)著煉油廠脫硫尾氣與廢水處理任務(wù)，主要原料為煉廠酸性氣、酸性水。產(chǎn)品為工業(yè)級(jí)固體硫磺及凈化后的含硫污水供裝置其他裝置使用。當(dāng)硫磺裝置生產(chǎn)波動(dòng)停工時(shí)，煉油廠酸性氣體將通過(guò)酸性氣火炬燃燒后排放，主要燃燒產(chǎn)物為SO2與NO2。本文就硫磺回收停工狀態(tài)下酸性氣全部排火炬對(duì)周邊大氣環(huán)境的影響，為裝置生產(chǎn)運(yùn)行管理提供理論依據(jù)。

2 高斯煙羽模型介紹

2.1 坐標(biāo)系

高斯模型的坐標(biāo)系如圖1所示，原點(diǎn)為排放點(diǎn)（若為高架源，原點(diǎn)為排放在地面的投影），x軸正向?yàn)轱L(fēng)速方向，y軸在水平面上垂直于x軸，正向在x軸的左側(cè)，z軸垂直于水平面xoy，向上為正向。在此坐標(biāo)系下煙流中心線或煙流中心線在xoy面的投影與x軸重合。

圖1 高斯模式的坐標(biāo)系

2.2 模型假設(shè)

（1） 污染物的濃度在y、z軸上的分布是高斯分布（正態(tài)分布）的；

（2） 污染源的源強(qiáng)是連續(xù)且均勻的，初始時(shí)刻云團(tuán)內(nèi)部的濃度、溫度呈均勻分布；

（3） 擴(kuò)散過(guò)程中不考慮云團(tuán)內(nèi)部溫度的變化，忽略熱傳遞、熱對(duì)流與熱輻射；

（4） 泄漏氣體是理想氣體，遵守理想氣體狀態(tài)方程；

（5） 在水平方向，大氣擴(kuò)散系數(shù)呈各向同性；

（6） 取x軸為平均風(fēng)速方向，整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中風(fēng)速的大小、方向保持不變，不隨地點(diǎn)、時(shí)間變化而變化；

（7） 地面對(duì)泄漏氣體起全反射作用，不發(fā)生吸收或吸附作用；

（8） 整個(gè)過(guò)程中，泄漏氣體不發(fā)生沉降、分解、不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)等。

2.3 模型公式

由正態(tài)分布假設(shè)可以導(dǎo)出下風(fēng)向任意一點(diǎn)X（x,y,z）處泄漏氣體濃度的函數(shù)：

源強(qiáng)的積分函數(shù)為：

帶入得出無(wú)界空間連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模型公式:

式中：ey、ez為泄漏氣體在y、z方向分布的標(biāo)準(zhǔn)差，單位為m；X（x，y，z）為任一點(diǎn)處泄漏氣體的濃度，單位為kg·m-3；u為平均風(fēng)速，單位為m·s-1；Q為源強(qiáng)（即源釋放速度），單位為kg·s-1。

考慮地面對(duì)氣體的反射作用，實(shí)際濃度因?yàn)樾孤┰礆怏w濃度與地面反射氣體濃度之和，考慮這個(gè)因素，得到高架連續(xù)點(diǎn)擴(kuò)散的高斯煙羽模型公式為:

式中：X（x，y，z）為下風(fēng)向 x米、橫向 y米、地面上方z米處的擴(kuò)散氣體濃度，單位為kg·m-3；Q為源強(qiáng)（即源釋放速度），單位為kg·s-1；u為平均風(fēng)速，單位為m·s-1； 為水平擴(kuò)散參數(shù)，單位為m；為垂直擴(kuò)散參數(shù)，單位為m；t為泄漏后的時(shí)間，單位為s；H為泄漏源有效高度，單位為m；y為橫向距離，單位為m；z為垂直方向距離，單位為m。

式（4）中，令z=0，可得到地面氣體濃度計(jì)算公式：

本文目的在于估算全氣象組合條件下各污染物小時(shí)平均最大地面濃度及出現(xiàn)距離。最大地面濃度的預(yù)測(cè)結(jié)果反映泄漏源對(duì)周圍環(huán)境及關(guān)心點(diǎn)的影響程度。

3 酸性氣火炬燃燒排放大氣影響分析

對(duì)該煉油廠1萬(wàn)t·a-1硫磺回收聯(lián)合裝置由于生產(chǎn)波動(dòng)等原因?qū)е峦９r(shí)，含硫、含氨酸性氣全部通過(guò)煉廠酸性氣火炬燃燒排放后火炬周邊SO2與NO2落地濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》（HJ 2.2-2008），對(duì)計(jì)算出的落地濃度進(jìn)行符合性分析，并借此提出煉油廠硫磺回收聯(lián)合裝置生產(chǎn)運(yùn)行管理建議。

3.1 計(jì)算工具選取

本次分析估算模式選擇美國(guó)環(huán)保局推薦的SCREEN3模型進(jìn)行估算。SCREEN3模型可以完成單源、短期估算，包括估算最大落地濃度和最大距離，估算最大落地濃度考慮建筑物的下洗，海岸熏煙模式，考慮煙羽抬升，考慮簡(jiǎn)單地形，估算復(fù)雜地形下24h平均濃度，計(jì)算任一點(diǎn)最大濃度，估算任何氣象條件下（所有穩(wěn)定度和風(fēng)速）的最大影響等。

3.2 計(jì)算參數(shù)選擇

3.2.1 氣象參數(shù)

地面氣象資料使用國(guó)家基本站欽州市氣象站2008年全年8784h的逐時(shí)氣象場(chǎng)（溫度場(chǎng)，風(fēng)場(chǎng)），主要包括風(fēng)速、風(fēng)向、總云量、低云量和干球溫度等。

距離裝置所在地最近的高空站點(diǎn)南寧約115km，因此本次模擬過(guò)程的高空數(shù)據(jù)采用中尺度數(shù)值模式MM5模擬生成，水平分辨率為15km×15km，模擬中心坐標(biāo)為（108.62°E，21.95°N），距離項(xiàng)目約20km，符合導(dǎo)則要求。該模式采用的原始數(shù)據(jù)有地形高度、土地利用、陸地-水體標(biāo)志、植被組成等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源主要為美國(guó)的USGS數(shù)據(jù)。原始?xì)庀髷?shù)據(jù)采用美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）發(fā)布的全球再分析氣象資料（NCEP），通過(guò)3層嵌套網(wǎng)格MM5中尺度氣象場(chǎng)模式模擬得到本地區(qū)的風(fēng)溫廓線。

3.2.2 地形參數(shù)

地理地形參數(shù)包括計(jì)算區(qū)的海拔高度，土地利用類型，海拔高度及土地利用類型由計(jì)算區(qū)域的衛(wèi)星遙感影像圖及數(shù)字高程DEM數(shù)據(jù)提取。

地形參數(shù)選取以 108°29′51″E，21°50′33″N 為左下坐標(biāo)，向東20km，向北18km，總面積360km2，即網(wǎng)格設(shè)置為20km×18km，網(wǎng)格間距為1km。在煉油廠址區(qū)域中心劃出一條縱剖面，得到地面高程見(jiàn)圖2。

圖2 評(píng)估區(qū)域地形示意

由圖2可以看出，評(píng)價(jià)區(qū)地形雖處于海岸丘陵，但高差較小，相對(duì)于煉油工程的高排氣筒來(lái)講，區(qū)域地形可以定義為簡(jiǎn)單平坦地形。

3.2.3 污染源

3.2.3.1 硫磺回收停工

排放氣體來(lái)自硫磺回收聯(lián)合裝置的清潔酸性氣與含氨酸性氣，排放源為煉油廠酸性氣火炬。

假設(shè)硫磺回收裝置停工原因?yàn)榱蚧侵屏驙t緊急搶修2h。所需停工步驟為:

（1） 制硫爐吹掃4h，含氨酸性氣放火炬；

（2） 制硫爐降溫悶爐10h，酸性氣全部放火炬；

（3） 制硫爐檢修2h，酸性氣全部放火炬；

（4） 檢修完成制硫爐升溫恢復(fù)生產(chǎn)，酸性氣部分放火炬。

可見(jiàn)本次假象停工酸性氣放火炬時(shí)間為19h。根據(jù)1萬(wàn)t·a-1硫磺回收聯(lián)合裝置處理能力計(jì)算，其間清潔酸性氣排放總量為5550m3，含氨酸性氣總量為9120m3。

3.2.3.2 火炬燃燒尾氣

根據(jù)酸性氣火炬設(shè)計(jì)功能，酸性火炬中，酸性氣與燃料氣流量比為85∶4，火炬點(diǎn)燃3min后，酸性氣放空氣無(wú)需混合燃料氣即可完全燃燒，故可以認(rèn)為，S全部轉(zhuǎn)化成為SO2，N全部轉(zhuǎn)化成NO2，燃燒化學(xué)式為：

本次評(píng)估建立在酸性氣火炬燃料氣配比充足，酸性氣完全燃燒的前提下，評(píng)估對(duì)象為SO2與NO2的落地濃度。

3.2.4 平均排放速率與熱釋放率

酸性氣配比的燃料氣主要成分為甲烷，排放總重量見(jiàn)表1。

表1 燃料氣排放總重量

火炬源每s熱釋放率見(jiàn)表2。

表2 火炬源熱釋放率

3.2.5 風(fēng)速條件

廠區(qū)及周邊地區(qū)春夏季節(jié)風(fēng)向及風(fēng)力的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 廠區(qū)域與氣象站地面風(fēng)對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

選取最不利條件，春季風(fēng)力最大東南風(fēng)6.0m·s-1。

3.2.6 模型計(jì)算

估算最不利氣象條件時(shí)1h平均最大地面濃度與出現(xiàn)距離，選取火炬源計(jì)算模式。

表4 火炬源源排放清單

3.3 使用SCREEN3模型估算

3.3.1 火炬源參數(shù)輸入

火炬源落地濃度計(jì)算需要火炬高度（m）、總熱釋放率（cal·s-1）及距離廠區(qū)最近距離（m）共3個(gè)參數(shù)，操作步驟見(jiàn)圖3。

圖3 火炬源參數(shù)輸入

3.3.2 污染物參數(shù)輸入

輸入最終排放物SO2與NO2的排放速率，根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB 3095-2012要求，空氣中SO2與NO2濃度閾值分別為0.5mg·m-3和0.24 mg·m-3，操作步驟見(jiàn)圖 4。

圖 4 污染物參數(shù)輸入

3.3.3 計(jì)算結(jié)果

酸性氣排放火炬大氣污染物主要為SO2、NO2，依據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則大氣環(huán)境》（HJ 2.2-2008），利用SCREEN3估算模式估算單源在簡(jiǎn)單平坦地形、最不利條件下的每種污染物的最大地面質(zhì)量濃度占標(biāo)率Pi（第i個(gè)污染物），及第i個(gè)污染物的地面質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo)準(zhǔn)限值10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的最遠(yuǎn)距離D10%。擴(kuò)散參數(shù)按城市考慮。估算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 最不利氣象條件（東南風(fēng)6m·s-1）下污染物落地濃度及距離

（1）SO2估算結(jié)果分析

圖5為SO2濃度分布圖。由估算的結(jié)果及圖5可以看出，H2S排火炬燃燒后產(chǎn)生SO2一次最大地面濃度占標(biāo)率Pmax為166.96%（Pi＞80%），D10%=25000m，下風(fēng)向400~3500m落地濃度接近或超過(guò)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中要求的SO2濃度0.5mg·m-3。

圖5 SO2濃度分布圖

（2） NO2估算結(jié)果分析

圖6為NO2濃度分布圖。由估算的結(jié)果及圖6可以看出，NH3排火炬燃燒后產(chǎn)生的NO2一次最大地面濃度占標(biāo)率Pmax為59.71%（Pi＞80%），D10%=15000m。整個(gè)下風(fēng)向落地濃度沒(méi)有超過(guò)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中要求的NO2濃度0.24mg·m-3。

圖6 NO2濃度分布圖

4 結(jié)論

（1）從估算結(jié)果可知，酸性氣火炬長(zhǎng)時(shí)間燃燒排放，將會(huì)對(duì)周邊地面空氣環(huán)境造成不同程度的影響。

（2）從裝置生產(chǎn)運(yùn)行管理上來(lái)看，加強(qiáng)生產(chǎn)及設(shè)備管理，確保硫磺裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，是減少酸性氣火炬排放的有效措施；但也應(yīng)認(rèn)識(shí)到，單套硫磺裝置的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較高，當(dāng)煉油廠加工高硫原油時(shí)，應(yīng)建立并行的冗余裝置，增加抗波動(dòng)能力。

（3）本文僅通過(guò)單源估算模式對(duì)硫磺回收生產(chǎn)運(yùn)行管理提供理論上的支撐，所需條件較為理想化，不推薦用于精確計(jì)算。

[1] HJ/T 2.2-200，環(huán)境影響評(píng)價(jià)導(dǎo)則 大氣環(huán)境[S].

[2] HJ/T169-2004，建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則[S].