CN117670098A - 一种多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法，具体包括以下步骤：步骤一：判定尾气组分中的有毒有害介质，确定各种有毒有害介质的摩尔质量、摩尔分数以及可接受的毒害接触浓度；步骤二：计算有毒有害组分混合物的当量允许接触浓度；步骤三：计算混合物排出后的防窒息可接受浓度；步骤四：确定尾气排放安全阙值，即根据步骤二和步骤三分别确定的有毒有害介质可接受浓度和可接受窒息浓度，选择较低浓度，作为尾气排放安全阙值。本发明提出了从泄放介质毒害可容许边界值和泄放介质掺混空气后窒息性可接受值等两方面进行安全阙值确定的基本原则，对促进“碳捕集、碳封存、碳利用”的介质输送管道的泄放安全范围评价具有重要的支撑作用。

Description

一种多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法

技术领域

本发明属于尾气泄放技术领域，特别涉及一种多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法。

背景技术

为满足我国碳达峰、碳中和战略的发展需求，在能源化工行业节能减排和环境保护需求逐日增长的背景下，实施降碳排放与碳捕集后回注是有效的实施路径。由于我国部分气田不具备二氧化碳捕集后驱油增产的地质条件，因此降碳重点宜关注碳捕集、输送、回注与封存。相比而言，与回注驱油的需求不同，碳回注封存的实施侧重点在于低能耗碳捕集与含碳杂质介质回注封存，从整体节能降耗、低成本捕集与回注封存等方面体现“减碳”的特点。

为此，部分气田修建了从处理厂低成本捕集后的含碳尾气，开展枯竭气藏回注。捕集后尾气的典型特点是含有较多的氮气、二氧化碳，并含有一定浓度的硫化氢，由此可见，回注尾气具有不可燃烧的典型特点，同时还具有窒息性、微量毒性，无法通过常规点火燃烧对硫化氢进行处理，因此，必须高度关注多组分含碳尾气在长距离回注管道检修时的泄放问题，泄放介质应充分考虑扩散安全，避免对周围人员造成伤害。

常规天然气管道在阀室泄放时，一般通过直接放空进行排放处理，主要核算最大放空介质放散后的扩散范围(50％爆炸下限)覆盖范围和意外点火情况下的热辐射范围；进一步地，由于天然气密度小于空气，其放散介质趋于向天空运动，因此在近地面区域一般不存在接近50％爆炸下限的情况，地面人员的风险相对较小，且扩散范围、热辐射范围可以通过商业软件进行直接模拟。然而，对于多杂质含碳尾气而言，由于其不可燃特点，因此不需要考虑放空后的热辐射影响，但由于其密度大于空气、且含有硫化氢、二氧化碳等有害介质，且进一步含有氮气等窒息性介质，因此，其放空扩散后不仅更容易趋于“落地”，且具有多组分有害介质耦合、兼具毒性、窒息性等情况，尚无相关研究报道这类混合介质的扩散安全阙值，这对后果模拟造成了基本浓度边界缺失的影响。

为此，鉴于多杂质含碳尾气回注的发展前景，结合多杂质含碳尾气的物理特性与危害性，有必要充分考虑多杂质含碳尾气管道的放空浓度安全阙值问题，通过研发混合介质安全阙值浓度确定方法，提供后果模拟的基础输入，并为后续项目提供参考与借鉴。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够高效、合理地实施多杂质含碳尾气管道阀室泄放后影响范围确定的多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法。

本发明基于多杂质含碳尾气的基本组成与物性特点，从泄放过程中毒性、窒息性等影响出发，以保障地面人员健康安全、确定放散介质影响范围为目标，依照单组分有害阙值推荐值，修正并提出多种有毒有害组分耦合影响阙值计算方法和不可燃介质大量排放下的窒息阙值计算方法，兼顾考虑排放介质的毒性影响与窒息性影响，形成基于多因素协同的安全扩散阙值的确定方法。通过本方法，实现多组分含碳尾气泄放的安全扩散阙值计算，为保障多杂质含碳尾气安全排放提供关键支撑与计算基础。

本发明采用的技术方案是：一种多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一：判定尾气组分中的有毒有害介质，确定各种有毒有害介质的摩尔质量、摩尔分数以及可接受的毒害接触浓度；

步骤二：计算有毒有害组分混合物的当量允许接触浓度，

具体包括，计算各类有毒有害组分的实际含量下的危害权重，对毒性介质的危害权重进行修正，计算混合气体中各组分危害权重之和，计算排放气体的折算可接受浓度；

步骤三：计算混合物排出后的防窒息可接受浓度，

具体包括，确定大气环境中因大量介质释放可能导致缺氧窒息的最低氧含量，计算作业场所最高允许的新排入气体绝对当量浓度，计算作业场所最高允许的新排入气体相对浓度；

步骤四：确定尾气排放安全阙值，即根据步骤二和步骤三分别确定的有毒有害介质可接受浓度和可接受窒息浓度，选择较低浓度，作为尾气排放安全阙值。

本发明所述的多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法，其在所述步骤一中，具体方法是：

S1.根据输送介质组分确定硫化氢、二氧化碳、一氧化碳有毒有害组分的摩尔分数X_H2S、X_CO2和X_CO，数据来源为项目的物料平衡表；

S2.获得输送介质中各有毒有害组分的摩尔质量，表示为M_H2S、M_CO2和M_CO；

S3.获得各有毒有害组分的单组分有害阙值。

本发明所述的多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法，其在所述步骤二中，具体的计算方法是：

S1.计算各类有毒有害组分的实际含量下的危害权重，表示混合气体中各组分实际含量对混合气体总体毒害性的贡献，计算方法如下：

式中，X_i为i组分的摩尔分数，单位未％；C_i为i组分的可接受浓度，单位为ppm；N_i为i组分的危害权重；

S2.设置有毒介质安全系数f，赋予毒性介质硫化氢、一氧化碳危害权重的二次修正，对于有害介质二氧化碳，不再考虑有毒介质安全系数，即取f_CO2＝1；设置有毒介质安全系数f的目的是为了修正混合气体总体危害权重，进一步提高安全阙值的可靠性，因此，修正后的危害权重计算方法如下：

式中，f_i为i组分的安全系数；

S3.计算混合气体中各组分危害权重之和，计算方法为：

具体可表示为：

S4.计算排放气体的折算可接受浓度，混合介质总摩尔分为为100％，上述计算了其中有毒有害部分的危害权重，在不考虑混合气体排放后，内部组分分层的情况下，采用混合介质的总体摩尔量、混合气体总体危害权重，即可获得混合气体的折算可接受浓度，具体计算方法为：

由此，获得混合介质的可接受浓度C_Mixture1，单位为ppm。

本发明所述的多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法，其在所述步骤三中，具体的计算方法是：

S1.确定缺氧浓度为作业场所空气中的氧气含量低于19.5mol％；

S2.计算作业场所最高允许的新排入气体绝对当量浓度，即该部分新排入气体对空气中的氧气进行稀释，降低氧气含量至19.5mol％，计算方法为：

改写为：

S3.计算作业场所最高允许的新排入气体相对浓度，即将排入空气中的尾气作为相对组分，计算导致空气与尾气混合组分达到缺氧条件的尾气相对浓度，计算方法为：

本发明所述的多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法，其在所述步骤三的S2中，对空气中的氧气含量指标赋予安全裕量，即实际计算时，选择20mol％的窒息浓度。

本发明所述的多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法，其确定尾气排放安全阙值为：

C_safety＝Min[C_Mixture1,C_Mixture2]

由此，确定了多杂质含碳尾气放空扩散阙值，形成了多杂质含碳尾气放空扩散阙值确定方法。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：基于多杂质含碳尾气回注管道输送场景和管道检修放空的客观需求，结合多杂质含碳尾气放空介质中含有氮气、二氧化碳、硫化氢、一氧化碳等窒息性气体、有毒有害气体的基本特征，鉴于泄放介质无可燃特性的属性，提出了从泄放介质毒害可容许边界值和泄放介质掺混空气后窒息性可接受值等两方面进行安全阙值确定的基本原则，详细描述了多组分有毒有害组分混合物毒害可容许边界值的计算原理与计算方法，详细描述了泄放介质掺混空气后窒息性可接受值的计算原理与计算方法，并形成了兼具上述两种边界条件的多杂质含碳尾气放空扩散阙值计算方法，对此类促进“碳捕集、碳封存、碳利用”的介质输送管道的泄放安全范围评价具有重要的支撑作用，对“碳达峰、碳中和”战略下的工程建设提供了有效的借鉴与参考。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例：一种多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法，具体包括以下步骤：

步骤一：判定尾气组分中的有毒有害介质，确定各种有毒有害介质的摩尔质量、摩尔分数以及可接受的毒害接触浓度。

具体地，所述步骤的方法为：

S1.以典型多杂质含碳尾气为例，根据输送介质组分确定硫化氢、二氧化碳、一氧化碳有毒有害组分的摩尔分数X_H2S、X_CO2和X_CO，数据来源为项目的物料平衡表。

S2.获得输送介质中各有毒有害组分的摩尔质量，表示为M_H2S、M_CO2和M_CO。

S3.获得各有毒有害组分的单组分有害阙值。对于二氧化碳，优选采用现行《工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素》GBZ 2.1中工作场所空气中化学有害因素职业接触限值指标(PC-TWA)，即以时间为权数规定的8h工作日、40h工作周的平均容许接触浓度换算，优选为C_CO2＝5000ppm；对于硫化氢，优选采用在硫化氢环境中未采取任何人身防护措施，不会对人身健康产生伤害的空气中硫化氢最大浓度值C_H2S＝10ppm；对于一氧化碳，优选采用现行《工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素》GBZ 2.1中工作场所空气中化学有害因素职业接触限值指标(PC-TWA)，即以时间为权数规定的8h工作日、40h工作周的平均容许接触浓度换算，优选为C_CO＝17ppm。

步骤二：计算有毒有害组分混合物的当量允许接触浓度。

具体地，所述步骤的方法为：

S1.计算各类有毒有害组分的实际含量下的危害权重，表示混合气体中各组分实际含量对混合气体总体毒害性的贡献，计算方法如下：

式中，X_i为i组分的摩尔分数，单位未％；C_i为i组分的可接受浓度，单位为ppm；N_i为i组分的危害权重。

S2.设置有毒介质安全系数f，赋予毒性介质硫化氢、一氧化碳危害权重的二次修正，对于有害介质二氧化碳，不再考虑有毒介质安全系数，即取f_CO2＝1；设置有毒介质安全系数f的目的是为了修正混合气体总体危害权重，进一步提高安全阙值的可靠性，因此，修正后的危害权重计算方法如下：

式中，f_i为i组分的安全系数。

S3.计算混合气体中各组分危害权重之和，计算方法为：

具体可表示为：

S4.计算排放气体的折算可接受浓度，计算原理为，混合介质包括有毒有害介质及其他非有毒有害介质，其总摩尔分为为100％，上述计算了其中有毒有害部分的危害权重，在不考虑混合气体排放后，内部组分分层的情况下，采用混合介质的总体摩尔量、混合气体总体危害权重，即可获得混合气体的折算可接受浓度，具体计算方法为：

由此，获得混合介质(即多杂质含碳尾气)的可接受浓度C_Mixture1，单位为ppm。

步骤三：计算混合物排出后的防窒息可接受浓度。

具体地，所述步骤的方法为：

S1.确定大气环境中因大量介质释放可能导致缺氧窒息的最低氧含量。具体地，依据现行国家规范《缺氧危险作业安全规程》GB 8958规定的缺氧环境定义，确定缺氧浓度为作业场所空气中的氧气含量低于19.5mol％。

S2.计算作业场所最高允许的新排入气体绝对当量浓度，即该部分新排入气体对空气中的氧气进行稀释，降低氧气含量至19.5mol％，计算方法为：

改写为：

进一步地，对上述中空气的氧气含量19.5mol％的指标赋予安全裕量，优选增加0.5mol％，即实际计算时，选择20mol％的窒息浓度，代替19.5mol％。

S3.计算作业场所最高允许的新排入气体相对浓度，即将排入空气中的尾气作为相对组分，计算导致空气与尾气混合组分达到缺氧条件的尾气相对浓度，计算方法为：

步骤四：确定尾气排放安全阙值。

具体地，根据步骤二和步骤三分别确定的有毒有害介质可接受浓度和可接受窒息浓度，选择较低浓度，作为尾气排放安全阙值，即：

C_safety＝Min[C_Mixture1,C_Mixture2]

由此，确定了多杂质含碳尾气放空扩散阙值，形成了多杂质含碳尾气放空扩散阙值确定方法。

本发明的原理是：

(1)多杂质含碳尾气的气源主要来自天然气处理厂尾气装置，为了较少排放，故将尾气予以收集后，通过管道输送至枯竭油气藏进行封存，或输送下游设施进行进一步利用。为此，通过高压管道进行该类组分的输送。多杂质含碳尾气一般含有较多的氮气、二氧化碳等气体，并且含有一部分硫化氢、一氧化碳等气体。上述气体中，氮气具有窒息性；二氧化碳属于有害介质，足够剂量下，容易对人体神经系统造成损伤；硫化氢、一氧化碳属于有毒介质。同时，由于该类混合介质不可燃烧，故只能在管道检修情况下进行对空排放。为此，需要考虑泄放后介质的安全阙值，以进一步支撑相关的扩散模拟与分析，提供可靠的模拟边界阙值。

(2)对于多杂质含碳尾气介质的泄放，从两方面考虑了其危害性：一方面是该类介质中包括了二氧化碳、硫化氢、一氧化碳等有毒有害介质，目前在相关文献中可以查阅其对人体伤害的可接受浓度，但鲜有协同作用下的可接受浓度计算方法；一方面考虑了多杂质含碳尾气整体排放进入空气后，由于挤占部分区域氧气空间，而可能造成的缺氧窒息问题。因此，本发明从上述两方面进行计算方法的探讨，提出了详细的计算过程。

(3)进一步地，考虑到多组分有毒有害介质的耦合影响和部分有毒介质危险性问题，对硫化氢、一氧化碳等有毒介质赋予了危害权重修正系数，提高了其权重值，形成了较为保守的混合介质毒害可接受阙值计算值；考虑到整体排放后对空气中氧气窒息性的影响，提出了采用20mol％可接受氧气浓度替代现行规范中规定的19.5mol％氧气浓度的方案。

(4)通过本发明的实施，形成了较为完整的多杂质含碳尾气介质排放下的安全阙值计算原理、计算方法，为泄放后果评价提供了基本的边界条件值，为泄放过程的安全保障提供了定量分析基础。

本发明并不局限于前述的具体实施方式，本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一：判定尾气组分中的有毒有害介质，确定各种有毒有害介质的摩尔质量、摩尔分数以及可接受的毒害接触浓度；

步骤二：计算有毒有害组分混合物的当量允许接触浓度，

具体包括，计算各类有毒有害组分的实际含量下的危害权重，对毒性介质的危害权重进行修正，计算混合气体中各组分危害权重之和，计算排放气体的折算可接受浓度；

步骤三：计算混合物排出后的防窒息可接受浓度，

具体包括，确定大气环境中因大量介质释放可能导致缺氧窒息的最低氧含量，计算作业场所最高允许的新排入气体绝对当量浓度，计算作业场所最高允许的新排入气体相对浓度；

步骤四：确定尾气排放安全阙值，即根据步骤二和步骤三分别确定的有毒有害介质可接受浓度和可接受窒息浓度，选择较低浓度，作为尾气排放安全阙值。

2.根据权利要求1所述的多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法，其特征在于：在所述步骤一中，具体方法是：

S1.根据输送介质组分确定硫化氢、二氧化碳、一氧化碳有毒有害组分的摩尔分数X_H2S、X_CO2和X_CO，数据来源为项目的物料平衡表；

S2.获得输送介质中各有毒有害组分的摩尔质量，表示为M_H2S、M_CO2和M_CO；

S3.获得各有毒有害组分的单组分有害阙值。

3.根据权利要求1所述的多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法，其特征在于：在所述步骤二中，具体的计算方法是：

S1.计算各类有毒有害组分的实际含量下的危害权重，表示混合气体中各组分实际含量对混合气体总体毒害性的贡献，计算方法如下：

式中，X_i为i组分的摩尔分数，单位未％；C_i为i组分的可接受浓度，单位为ppm；N_i为i组分的危害权重；

S2.设置有毒介质安全系数f，赋予毒性介质硫化氢、一氧化碳危害权重的二次修正，对于有害介质二氧化碳，不再考虑有毒介质安全系数，即取f_CO2＝1；设置有毒介质安全系数f的目的是为了修正混合气体总体危害权重，进一步提高安全阙值的可靠性，因此，修正后的危害权重计算方法如下：

式中，f_i为i组分的安全系数；

S3.计算混合气体中各组分危害权重之和，计算方法为：

具体可表示为：

S4.计算排放气体的折算可接受浓度，混合介质总摩尔分为为100％，上述计算了其中有毒有害部分的危害权重，在不考虑混合气体排放后，内部组分分层的情况下，采用混合介质的总体摩尔量、混合气体总体危害权重，即可获得混合气体的折算可接受浓度，具体计算方法为：

由此，获得混合介质的可接受浓度C_Mixture1，单位为ppm。

4.根据权利要求1所述的多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法，其特征在于：在所述步骤三中，具体的计算方法是：

S1.确定缺氧浓度为作业场所空气中的氧气含量低于19.5mol％；

S2.计算作业场所最高允许的新排入气体绝对当量浓度，即该部分新排入气体对空气中的氧气进行稀释，降低氧气含量至19.5mol％，计算方法为：

改写为：

S3.计算作业场所最高允许的新排入气体相对浓度，即将排入空气中的尾气作为相对组分，计算导致空气与尾气混合组分达到缺氧条件的尾气相对浓度，计算方法为：

5.根据权利要求4所述的多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法，其特征在于：在所述步骤三的S2中，对空气中的氧气含量指标赋予安全裕量，即实际计算时，选择20mol％的窒息浓度。

6.根据权利要求1所述的多杂质含碳尾气放空扩散安全阙值确定方法，其特征在于：确定尾气排放安全阙值为：

C_safety＝Min[C_Mixture1,C_Mixture2]

由此，确定了多杂质含碳尾气放空扩散阙值，形成了多杂质含碳尾气放空扩散阙值确定方法。