啤酒行業涉氨環境風險特征、評估及防控對策*

劉 杰 胡曉寒 李敬東 張愛平 薛亦峰 許康利

(1.首都師范大學資源環境與旅游學院，北京 100048；2.北京市環境保護科學研究院，國家城市環境污染控制工程技術研究中心，北京 100037；3.北京市環境應急與事故調查中心，北京 100089)

液氨作為化工原料和制冷劑，廣泛應用于石油化工、化肥生產和食品生產等行業[1-2]，但由于氨具有毒性、易燃易爆性等特點，當設備損壞、老化或在生產、貯存和運輸過程中，液氨可能發生泄漏，引發中毒、火災、爆炸以及次生事故[3]。液氨泄漏不僅對環境空氣質量造成影響，危害人體健康，而且經噴淋系統處理后的消防退水若不經妥善處理，還可能引發水污染和土壤污染[4]，帶來較大的環境風險。

美國、日本等發達國家在液氨安全標準制定和風險防控等方面起步較早，《華盛頓工業安全和健康法案》規定了關于液氨使用的安全標準[5]；日本在20世紀60年代就出臺了《日本公害對策基本法》[6]，包含了相關的應急處置規范。在國內，液氮使用和貯存安全及環境問題也逐步受到關注和重視。2013年北京市、河南省陸續發布了地方標準，對液氨使用與貯存單位(以下簡稱涉氨單位)提出相應的安全要求及規定[7]。但這些標準著重考慮液氨貯存和使用安全，對于環境風險的防范和控制關注不足[8-13]。

因此，本研究梳理和分析了啤酒行業在液氨運輸、貯存和使用過程中的環境風險單元，掌握和分析其環境風險特征及存在的問題；以典型啤酒廠為例，對其涉氨環境風險進行評估，確定環境風險等級，并利用環境風險評價系統(RiskSystem)模型對不同風速條件下液氨泄漏的環境風險進行預測分析，從而有針對性地提出環境風險防控對策，以期為環境、安全管理部門決策提供參考和支撐。

1 材料與方法

1.1 研究對象

啤酒廠地處內陸平原地帶，占地面積約40 000 m2，啤酒年產量超過2×106t，液氨儲量為98 t。周圍5 km約有人口32萬，且有河流分布。此外，還分布有居民區、學校、工業園區等，啤酒廠距離最近的居民區約1 km，周邊受體較為敏感。

1.2 環境風險評估方法

環境風險評估的方法包括圖形疊加法[14]、信息擴散法[15-16]、指標體系法[17-18]、層次分析法[19]等，這些方法在不同領域都有實際的應用，指標體系法因其簡便、快速、高效的特點運用更為廣泛。ARUNRAJ等[20]提出了環境風險評估指標體系，并對典型石化企業的生產車間進行了環境風險評估和等級劃分。鄢忠純[21]采用專家判斷法建立了企業突發性事故環境風險評估指標體系，并應用該指標體系對上海市飲用水水源地周邊重點企業的環境風險進行了評估。2014年原環境保護部發布的《企業突發環境事件風險評估指南(試行)》(以下簡稱指南)綜合考慮評估企業固有風險屬性、風險控制技術水平與環境風險受體敏感性3方面要素，構建了宏觀尺度的企業環境風險評估方法，建立了企業環境風險評估指標體系，對4萬余家重點行業企業進行了環境風險等級評估[22-23]。基于指標體系法的應用性和可靠性，本研究采用指標體系法對所選典型啤酒廠進行環境風險評估和分析。

RiskSystem模型可對不同風向、風速及大氣穩定度情況下的點源、面源造成的泄漏事故影響進行預測[24]。研究選取3個具有代表性的風速進行預測分析，即軟風(0.8 m/s)、輕風(3.0 m/s)、微風(5.0 m/s)3種風速條件下，預測該啤酒廠突發液氨泄漏事件時的半致死濃度(LC50)距離和短時間接觸容許濃度(MAC)距離。

2 結果與討論

2.1 啤酒行業涉氨環境風險單元和特征分析

通過對啤酒行業涉氨環境風險單元的梳理和分析(見圖1)，可以看出啤酒廠液氨泄漏的環境風險覆蓋于運輸、貯存和使用的各個環節。液氨的運輸主要通過液氨槽車來完成，在運輸過程中，液氨槽車內的壓力應保持在0.7～0.9 MPa[25]。卸車時將需要灌注的儲罐中的液氨抽出，加壓送到槽車中，使槽車中的蒸氣壓升高，儲罐中的蒸氣壓降低，通過槽車和儲罐之間形成的壓力差將液氨送到需要灌注的儲罐中去[26]，操作不當、設備損壞、充裝過量、超溫超壓等，均可引起液氨的泄漏。

圖1 啤酒行業涉氨環境風險單元Fig.1 The environmental risk units of ammonia-related beer industry

液氨通常貯存在儲罐內，其使用和日常維護十分重要。由于液氨本身具有腐蝕性，儲罐在長期露天使用和存儲的過程中，極易造成儲罐的管道、閥門等一些連帶的零部件受到液氨的侵蝕，從而變得薄脆易破，增大液氨的泄漏風險[27]。此外，液氨在貯存過程中人為的超溫超壓、操作失誤也會引起液氨的泄漏。在啤酒廠氨制冷機中，液氨泄漏點主要集中在液氨容易腐蝕的閥門、法蘭、接口等連接部位，氨制冷機中氨油分離器、冷凝器等壓力容器以及各種液氨輸送管道也可能由于設備老化發生泄漏事故。

可以看出，液氨從運輸到使用，每個環節均存在泄漏的環境風險，特別是在液氨的貯存和制冷環節，人員操作不當也是液氨泄漏的重要原因，應該給予重點關注。因此，在各個環節上進行氨泄漏預防，建立氨回收系統是環境風險預防和控制的關鍵。

2.2 環境風險評估

通過定量分析該啤酒廠液氨儲存量與其臨界量的比值(Q)，評估工藝過程與環境風險控制水平(M)以及環境風險受體敏感性(E)，按照風險矩陣對其環境風險進行評估，并應用RiskSystem模型進行環境風險預測。

對照指南，由于該啤酒廠液氨日常儲量為98 t，液氨臨界量為7.5 t，Q為13.1，故屬于Q2等級；工藝過程與大氣環境風險控制屬于M1等級；在環境風險受體敏感性評估方面，該啤酒廠周圍5 km人口約32萬，受體敏感程度等級為E1等級。根據表1的環境風險矩陣，結合該啤酒廠的各項指標水平(Q2M1E1)，認為該啤酒廠屬于較大環境風險。

表1 環境風險等級矩陣

同時，利用RiskSystem模型對該啤酒廠環境風險進行預測，將其作為點源，設置預測液氨泄漏持續時間為60 min，按照單罐管道斷裂模擬，并將泄漏高度、廢氣溫度、裂口面積、容器壓力等數據輸入到模型中，具體參數設置如表2所示。經核算得到該啤酒廠發生液氨泄漏時的泄漏速率為2.384 kg/s，其不同風速下的預測結果如圖2所示。

表2 擴散范圍預測情景參數設置1)

注：1)地面特征選城區，大氣穩定度選D；裂口形狀選圓形，管道直徑5 cm，算得裂口面積0.001 96 m2。

圖2 不同風速下的預測結果Fig.2 Forecast results under different wind speeds

由圖2可以看出，隨著風速的增加，液氨泄漏的影響范圍呈現先擴大后緩慢縮小的趨勢。當風速為1.6 m/s時，該啤酒廠發生液氨泄漏事故的影響范圍達到最大，MAC距離超過2 km。在風速為3.0 m/s時，該啤酒廠發生液氨泄漏的LC50距離和MAC距離分別為183.5、1 578.5 m，約為0.8 m/s風速條件下LC50距離和MAC距離的3～4倍；當風速增大為5.0 m/s時，LC50距離和MAC距離卻有所下降。在一定范圍內，風速越大，湍流越激烈，越有利于污染物擴散，從而擴大影響范圍；但當風速達到一定程度后，大氣對污染物產生一定的分解和擴散作用，影響范圍逐步減小。從不同風速下的泄漏擴散情況來看，在3種風速條件下，氨泄漏事故LC50距離內未包含居民區，但MAC距離內可能會涉及部分學校和居民區，事發后應引導影響范圍內群眾迅速向安全地帶轉移。

綜合上述環境風險評估和模型預測結果，該啤酒廠屬于較大環境風險，風速對液氨泄漏的影響范圍有較大作用。液氨泄漏事故發生后，隨著風速的增大，其影響范圍會隨著大氣的擴散和分解作用先擴大再縮小。在受體較為敏感的區域，相應的涉氨環境風險較大，需要加強預防和風險控制。同時，也產生了對風險預防的啟示，即新建的啤酒廠應科學合理選址，遠離受體敏感程度較高的區域，現有的啤酒廠應開展環境風險自評，建立風險預防和控制機制。

2.3 環境風險防控對策

基于啤酒行業涉氨環境風險特點，結合典型啤酒廠的環境風險評估結果，建議國家和地方盡快制定相關液氨貯存和使用的環境風險防范技術規范。啤酒廠應嚴格按照現有的安全和環境保護要求，開展環境風險評估、環境安全隱患排查和整治，做好廠界和制冷區域的氨監測和預警預報工作。一旦發生泄漏事故，應迅速啟動應急預案。具體環境風險防控對策包括：

(1) 強化源頭控制

啤酒企業選址應符合當地城市總體規劃、環境保護規劃和安全專項規劃，并符合大氣污染防治、水資源保護、自然生態保護等要求；提高環境安全主體責任，嚴格落實相關液氨貯存和使用安全規定，開展環境風險評估，確定環境風險等級和事故影響預測，開展環境安全隱患排查治理工作，建立隱患排查治理制度和隱患排查治理檔案。

(2) 加強環境監測和預警

企業周界應設無組織排放監控點，并按照相關規定進行監測。當氨濃度超標時，應立即查明原因并采取必要措施。液氨儲罐區、液氨制冷機等風險單元均應安裝有氨泄漏檢測探頭，并連接至報警器，當氨濃度大于報警限值時，進入事故狀態。

(3) 提高應急處理能力

制訂完善的突發環境事件應急預案，建立突發環境事件信息通報機制，完善圍堰、應急池以及噴淋系統、排風系統、氨回收系統等應急設施。根據環境風險評估結果，定期為區域內人群開展突發環境事件應急演練，事故發生后要迅速啟動應急預案，及時疏散周圍群眾，控制事故發展。

3 結 論

(1) 啤酒行業在液氨貯存區域和制冷機輸送管道存在較大的環境風險，閥門、法蘭、接口等連接部位腐蝕和操作失誤是氨泄漏的主要原因，應該予以重點關注。

(2) 研究區的啤酒廠具有較大環境風險。隨著風速的增加，受大氣的擴散和分解作用影響，液氨泄漏的影響范圍先擴大后縮小。新建的啤酒廠應科學合理選址，遠離受體敏感程度較高的區域，現有的啤酒廠應開展環境風險自評，建立風險預防和控制機制。

(3) 啤酒行業應以預防為主，嚴格落實風險防控措施和要求，加強人員培訓和應急演練，可以有效地預防和控制災害性事故的發生，減少液氨泄漏事故造成的人員傷亡、財產損失和對環境的破壞；一旦事故發生，企業要迅速啟動相關應急預案，避免對生命財產安全和環境造成進一步的威脅。