碳捕集、利用與封存系統(tǒng)安全風(fēng)險模擬研究

曹金康,王芳

(青島科技大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院,山東 青島 266042)

CO2濃度增加會導(dǎo)致溫室效應(yīng),從而引發(fā)一系列氣候問題[1]。2020年9月,中國在第七十五屆聯(lián)合國大會上承諾努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。碳捕獲、利用與封存(CCUS)技術(shù)通過批量捕獲二氧化碳,然后用于合成化學(xué)品或地質(zhì)封存將其從大氣中分離出來,從而減少來自固定來源的排放[2]。這項關(guān)鍵技術(shù)方案為實現(xiàn)電力、鋼鐵、水泥和化工等重點行業(yè)碳減排提供了一條低成本的途徑[3]。

CO2資源化利用可以有效幫助實現(xiàn)碳中和目標[4]。但工業(yè)規(guī)模的CCUS系統(tǒng)應(yīng)用會不可避免地帶來許多重大挑戰(zhàn)。Zhang等研究了CCUS未來試點規(guī)模和工業(yè)應(yīng)用必須面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)和問題[5]。Hepburn等分析了CCUS系統(tǒng)的經(jīng)濟效益[6]。Hasan等設(shè)計了CCUS供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)來源與利用/封存的最佳連接,以實現(xiàn)最低成本[7]。區(qū)域產(chǎn)業(yè)鏈的增長所導(dǎo)致的材料與自然資源的交換,造成了新的安全風(fēng)險問題,李琦等對CO2地質(zhì)封存環(huán)境風(fēng)險評價方法進行研究[8],Sara Badr等提出了一種關(guān)于CO2捕集的環(huán)境、健康和安全風(fēng)險評估框架[9],Koornneef等對CO2捕獲、運輸和封存的環(huán)境和風(fēng)險進行了評估[10],Chen等對CCUS系統(tǒng)部署規(guī)劃和所帶來的風(fēng)險進行了討論[11],Liu等提出了一種CCUS項目風(fēng)險評估的決策模型[12],Krzemien等針對CO2捕集過程中的腐蝕風(fēng)險進行了評估[13],Cuéllar-Franca等對CCUS技術(shù)的環(huán)境影響進行了評估[14]。綜上,較少有人從系統(tǒng)視角研究CCUS供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)的事故影響范圍。

1 研究模型

1.1 研究內(nèi)容

基于ALOHA軟件評估區(qū)域CCUS系統(tǒng)的潛在安全風(fēng)險。通過建立CCUS全供應(yīng)鏈過程可能發(fā)生的事故模擬模型,得到區(qū)域CCUS的事故影響范圍。從區(qū)域CCUS系統(tǒng)的角度,探討各模塊之間發(fā)生多米諾效應(yīng)的最大距離。

(1)進行初始參數(shù)設(shè)計,基于特定的大氣、環(huán)境信息對CCUS單個模塊可能發(fā)生的事故運用ALOHA軟件模擬;

(2)基于給定CCUS系統(tǒng)各模塊實際地理位置,繪制風(fēng)險地圖,從地理位置的角度定量測算事故影響范圍與多米諾效應(yīng)臨界值。

創(chuàng)新點如下:(1)針對現(xiàn)有的CCUS模塊,基于ALOHA仿真軟件建立了事故模擬模型,預(yù)測了CCUS系統(tǒng)模塊的事故影響范圍。(2)基于事故后果影響,對于CCUS系統(tǒng)多米諾效應(yīng)進行風(fēng)險分析,得到模塊之間臨界距離。

1.2 研究方法

1.2.1 區(qū)域CCUS系統(tǒng)模塊單元劃分

CCUS是指對全鏈中涉及的各個環(huán)節(jié)依據(jù)一定原則進行集成,形成一條捕集、運輸、利用與封存CO2技術(shù)鏈。集成CCUS全鏈條包含對多個環(huán)節(jié)的串聯(lián),整個鏈條涉及CO2排放源模塊、CO2捕集模塊、CO2運輸模塊以及CO2封存/利用技術(shù)模塊。

各模塊的組成和功能如下:

(1)CO2排放源模塊主要包括火電行業(yè)、石化與化工行業(yè)、水泥行業(yè)與鋼鐵行業(yè)等。由于涉及化石燃料的燃燒和轉(zhuǎn)化過程,因此具有CO2排放量大、濃度高的特點。

(2)CO2捕集模塊是指將CO2從工業(yè)生產(chǎn)的煙氣中分離提純的過程,主要分為燃燒前捕集、燃燒后捕集與富氧燃燒三種技術(shù)。

(3)CO2輸送模塊是指將捕集的CO2運送到可利用或封存場地的過程,可以分為罐車、船舶和管道運輸。

(4)CO2利用和封存模塊是指通過工程技術(shù)手段將捕集的CO2實現(xiàn)資源化利用的過程。根據(jù)工程技術(shù)手段的不同,可分為CO2化工利用和CO2生物/地質(zhì)利用等。其中,CO2地質(zhì)利用是將CO2注入地下,用于提升石油采收率等功能,而化學(xué)利用是用于合成化學(xué)物質(zhì)。

1.2.2 ALOHA軟件模擬區(qū)域CCUS系統(tǒng)模塊事故影響范圍

ALOHA是基于數(shù)學(xué)模型的事故模擬軟件,用來模擬與化學(xué)品泄露有關(guān)的關(guān)鍵災(zāi)害[15]。通過輸入?yún)?shù),包括時間、地點、化學(xué)品性質(zhì)、建筑物、氣象以及泄漏具體情況等,來模擬危險化學(xué)品火災(zāi)、爆炸和中毒等事故后果,預(yù)測事故影響范圍[16]。在CCUS系統(tǒng)中,CO2排放源模塊中的CO毒氣泄漏,CO2化學(xué)利用模塊中甲醇、碳酸二甲酯等化學(xué)品泄漏引發(fā)的火災(zāi)及爆炸事故,都會對周邊工人及居民造成危害。針對區(qū)域內(nèi)特定環(huán)境運用ALOHA軟件進行模擬,可以更有針對性地進行防范,具體流程如圖1。

圖1 CCUS安全風(fēng)險評估模型

2 案例研究

如圖2所示,目前東營市擁有煤氣化發(fā)電廠P1、磷酸二甲酯廠C1、甲醇廠C2,電廠產(chǎn)生的煙氣采用燃燒后捕集的醇胺法提純CO2,通過管道運輸,用于生產(chǎn)甲醇、磷酸二甲酯等化學(xué)品。假設(shè)未來形成完整的CCUS系統(tǒng),評估其發(fā)生事故的影響范圍,并繪制風(fēng)險地圖,可以更有針對性地進行事故處置和應(yīng)急救援。

圖2 區(qū)域CCUS系統(tǒng)事故模擬流程圖

2.1 ALOHA軟件模擬CCUS事故影響范圍

模擬事故情景為:2022年12月6日下午4點,發(fā)電廠P1的管道出現(xiàn)破損導(dǎo)致CO泄漏、C1廠碳酸二甲酯立式儲罐和C2廠甲醇臥式儲罐的筒體被破壞,預(yù)測其造成的事故影響范圍,具體模擬條件見表1。

表1 CCUS模塊事故模擬條件

根據(jù)圖3的模擬結(jié)果可以看出,發(fā)電廠P1發(fā)生CO毒氣泄漏事故后,會產(chǎn)生一個扇形事故范圍。其中泄漏點下風(fēng)向最大長度1.3 km的扇形區(qū)域為EPRG-3,該區(qū)域CO濃度在500×10-6以上,此區(qū)域的人員若不佩戴防毒面罩等用具短時間內(nèi)就會死亡。EPRG-2為下風(fēng)向最大長度1.5 km的扇形區(qū)域,此區(qū)域CO的濃度為350×10-6以上,此區(qū)域仍然為危險區(qū)域。ERPG-1為下風(fēng)口最大長度2 km的扇形區(qū)域,CO的濃度為200×10-6以上,該區(qū)域涉及范圍廣,因此一旦出現(xiàn)泄漏應(yīng)立即疏散人群在此范圍以外,并且實施封閉流程。

圖3 發(fā)電廠P1一氧化碳泄漏的EPRG中毒范圍

為了避免CO毒氣事故的發(fā)生,工廠應(yīng)該選擇密封性良好的閥門和管件,同時應(yīng)在裝置附近安裝一個在發(fā)生事故時發(fā)出警報的毒氣濃度檢測器。工藝裝置區(qū)域內(nèi)的每個壓力系統(tǒng)必須配備一個安全閥,當(dāng)設(shè)備超過正常操作壓力和其他正常操作條件時,該安全閥能夠釋放產(chǎn)生的氣體。運行期間,氣體輸送管道的主要污染源是清管、集球和設(shè)備維護。

碳酸二甲酯廠C1池火災(zāi)火焰熱輻射影響的ALOHA模擬結(jié)果如圖4所示。可以得到結(jié)論:(1)距離池火災(zāi)越遠,受到的熱輻射越小,同時池火的熱輻射隨著距離的增大,衰竭的速度越慢。(2)受風(fēng)向影響,距儲罐中心-10～15 m范圍內(nèi)為死亡區(qū),此區(qū)域人員受到熱輻射超過10.0 kW/m2,滯留1 min人員將死亡;距儲罐中心-15.4～21.2 m范圍內(nèi)為重傷區(qū),在此區(qū)域滯留1分鐘人員會造成二度燒傷,受到熱輻射超過5.0 kW/m2;距儲罐中心-25.8～32.7 m范圍內(nèi)為輕傷區(qū),在此區(qū)域受到熱輻射超過2.0 kW/m2;距液池中心32.7 m范圍外,為安全區(qū)。池火焰所產(chǎn)生的高溫會使儲罐繼續(xù)加熱,繼而演變?yōu)锽LEVE爆炸事故,造成更嚴重的事故后果。BLEVE爆炸事故影響范圍為半徑914 m的圓;圖5可以看出,半徑390,574,914 m分別為死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)的分界線,當(dāng)>914 m時為安全區(qū)。

圖4 碳酸二甲酯廠C1池火熱輻射威脅區(qū)域圖

由圖6可以看出,受風(fēng)向影響,甲醇廠C2在距液池中心-5.96～11.5 m,-6.73～13.7 m,-10.6～17.7 m范圍內(nèi)分別為死亡區(qū)、重傷區(qū)和輕傷區(qū),距液池中心17.7 m范圍外,為安全區(qū)。圖7表示了BLEVE爆炸事故影響范圍為半徑337 m的圓;圖7可以看出,半徑148,213,337 m分別為死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)的分界線,當(dāng)>337 m時為安全區(qū)。

圖6 甲醇廠C2池火熱輻射威脅區(qū)域圖

圖7 BLEVE熱輻射威脅區(qū)域圖(C2)

從圖8可以看出,P1廠CO管道泄漏的事故影響范圍最大:事故發(fā)生后,泄漏點下風(fēng)向1.3,1.3～1.5 km,1.5～2 km的范圍內(nèi)CO濃度分別達到500×10-6,350×10-6和200×10-6以上。其次是C1廠碳酸二甲酯儲罐泄漏引發(fā)的BLEVE爆炸事故,事故影響范圍為半徑914 m的圓。甲醇儲罐泄漏事故影響范圍最小,事故影響范圍為半徑337 m的圓。

圖8 事故影響范圍柱狀圖

從圖9可以看出,東營市擁有CO2排放源模塊的煤氣化發(fā)電廠P1,CO2化學(xué)利用模塊的碳酸二甲酯廠C1,甲醇廠C2。相較碳酸二甲酯廠C1,甲醇廠C2化學(xué)品儲罐發(fā)生BELEVE爆炸,煤氣化發(fā)電廠P1發(fā)生氣體泄漏影響范圍更加大。同時化工廠規(guī)模、儲罐大小等也影響著事故范圍。隨著CCUS系統(tǒng)部署越發(fā)密集,爆炸事故會引發(fā)連鎖反應(yīng),其危險程度更高。

圖9 事故影響范圍地圖

2.2 區(qū)域CCUS系統(tǒng)多米諾效應(yīng)的風(fēng)險分析

多米諾效應(yīng)指初始事故發(fā)生后,其產(chǎn)生的影響向臨近裝置擴展,觸發(fā)一個或多個二級事故,進而導(dǎo)致更多事故發(fā)生,最終導(dǎo)致事故后果更嚴重。多米諾效應(yīng)發(fā)生的條件包括:(1)具有初始事故;(2)初始事故通過熱輻射、沖擊波等方式對臨近裝置造成傷害;(3)裝置之間距離較近,符合二次事故的觸發(fā)條件。多米諾效應(yīng)主要發(fā)生在園區(qū)、供應(yīng)鏈較長的化工系統(tǒng)中。

由于CCUS系統(tǒng)涉及多個模塊,單個模塊發(fā)生爆炸事故時往往會引起多米諾效應(yīng),波及其余模塊造成二次事故,從而導(dǎo)致了總體結(jié)果比初始爆炸事故的后果更加嚴重。雖然毒氣泄漏事故也可能會造成多米諾事故,但其主要是針對人員中毒或者與其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),因此本文只討論由于熱輻射所導(dǎo)致多米諾效應(yīng)。總結(jié)各種初始事故場景下發(fā)生多米諾效應(yīng)的閾值[17]見表2。

表2 不同事故場景的多米諾效應(yīng)臨界值

C1廠的碳酸二甲酯立式儲罐和C2廠的甲醇臥式儲罐作為常壓容器,設(shè)定熱輻射為15 kW/m2的臨界范圍,由圖10可以看出,C1發(fā)生多米諾效應(yīng)的臨界距離為半徑304 m的圓,即當(dāng)有臨近裝置在這個范圍內(nèi),則C1廠發(fā)生事故后會引發(fā)二次事故,出現(xiàn)多米諾效應(yīng);由圖11可以看出,C2發(fā)生多米諾效應(yīng)的臨界距離為半徑117 m的圓,即當(dāng)有臨近裝置在這個范圍內(nèi),則C2廠發(fā)生事故后會引發(fā)二次事故,出現(xiàn)多米諾效應(yīng)。當(dāng)兩圓外切時為兩廠的臨界安全距離,此時C1廠或C2廠其中一個發(fā)生事故后,不會因為熱輻射導(dǎo)致另外一個廠發(fā)生二次事故,臨界距離為421 m。基于實際地理位置,本案例CCUS系統(tǒng)中C1廠與C2廠距離大于421 m,則一方發(fā)生爆炸事故時不會引起多米諾效應(yīng),但仍然要加強對化學(xué)品罐區(qū)周邊設(shè)施的應(yīng)急能力建設(shè),熟悉儲罐泄漏事故發(fā)生后造成的影響及嚴重程度,同時對操作人員根據(jù)儲罐泄漏事故模擬結(jié)果進行有針對性的應(yīng)急培訓(xùn)。另外一旦儲罐發(fā)生泄漏事故,消防救援隊伍可以參考模擬結(jié)果第一時間掌握擴散范圍,完成偵檢、部署、警戒和疏散工作,并且應(yīng)該及時對罐體進行稀釋降溫,防止出現(xiàn)蒸汽云團從池火災(zāi)演變?yōu)锽LEVE爆炸。

圖10 碳酸二甲酯廠C1的多米諾效應(yīng)范圍圖

圖11 甲醇廠C2的多米諾效應(yīng)范圍圖

3 結(jié)論

(1)基于ALOHA軟件模擬區(qū)域CCUS系統(tǒng)的事故影響范圍,并從系統(tǒng)的角度模擬發(fā)生多米諾效應(yīng)的臨界值。碳酸二甲酯廠發(fā)生多米諾效應(yīng)的臨界距離為半徑304 m的圓,甲醇儲罐發(fā)生多米諾效應(yīng)的臨界距離為半徑117 m的圓。基于實際地理位置,當(dāng)一方發(fā)生爆炸事故時并不會引起多米諾效應(yīng)。

(2)以山東省東營市為例,該區(qū)域CCUS系統(tǒng)事故影響范圍由大到小依次為煤氣化發(fā)電廠、碳酸二甲酯廠、甲醇廠,并繪制事故范圍風(fēng)險地圖。