基于大氣環境風險的典型化工項目選址研究

doi：10.3969/j.issn.1672-6375.2023.11.002

摘 要：以西北某鋼鐵廠焦爐優化升級項目作為研究對象，調查周邊敏感點分布，識別物質風險，劃分危險單元，分析建成后可能發生環境風險事故的情景和源項，并利用BIA模型進行了模擬預測。結果表明：在最不利和最常見2種氣象條件下，苯最遠影響距離分別為31.14 m、25.28 m，CO最遠影響距離分別為512.12 m、367.37 m，氨氣（NH3）最遠影響距離分別為1423.13 m、391.56 m，CO和NH3最遠影響距離均超出焦化廠廠界范圍，但上述范圍內均無環境敏感點分布，大氣環境風險可接受，項目選址合理。

關鍵詞：化工；大氣環境風險；BIA模型；選址

中圖分類號：P4" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標志碼：A

化學工業在國民經濟中是不可或缺的重要組成部分，是國家的基礎產業和支柱產業，對社會經濟的發展起著重要的推動作用^[1]。近年來，隨著城鎮一體化進程加快、工業化快速發展，我國對各類化工產品的需求量急劇增加。但化工項目從原料到產品、從生產工藝到末端處理往往存在著眾多風險隱患，稍有不慎就會引發各類環境風險事故^[2-3]。因此，降低企業環境風險事故發生率成為了實現化工行業綠色轉型、高質量發展的關鍵^[4]。

早在18世紀60年代初期，經驗距離法就已成為確定風險防護距離的主要手段，此法一直沿用至20世紀70年代中期；在石油化工工業快速發展的20世紀中后期，各類環境風險事故頻發，這使得以風險評價理論為基礎的風險防護距離確定方法開始走進人們的視野^[5]。此后，西方國家吸取了諸多環境安全事故教訓，頒布了一系列關于石油化工風險設施布局和土地利用規劃的政策^[6]。

作為一個工業大國，我國分布著眾多的化工項目，而化工又正是我國近年突發性環境污染事件的高發性行業，造成人民群眾的生命財產安全損失^[7]。謝芳^[8]以某企業氰化氫泄漏為例，針對氰化氫的化學特性，開展氰化氫泄漏事故環境風險預測，為今后同類項目開展環境風險評價提供參考；商婕^[9]以某合成樹脂企業丙烯腈儲罐泄漏事故為例，在最不利氣象條件下對事故發生時污染物的擴散進行模擬分析，并提出相應的環境風險防范措施，為同類項目環境風險評價與安全防護提供借鑒。

本研究以西北某鋼鐵廠焦爐優化升級項目為研究對象，調查項目周邊敏感點分布，識別大氣環境風險情景，確定源項，研究項目可能存在的大氣環境風險及其潛在影響范圍和程度，從大氣環境風險角度為該類項目選址提供參考。

1 研究方法

1.1 源強計算方法

本研究主要利用液池蒸發和液體泄漏計算公式：

（1）液池蒸發速率公式：

式中：Q₃為質量蒸發速度，kg/s；p為液體表面蒸氣壓，Pa；T₀為環境溫度，K；M為液體摩爾質量，kg/mol；u為風速，m/s；r為液池半徑；α，n為大氣穩定度系數。

（2）液體泄漏速率公式：

式中：Q_L為液體泄漏速度，kg/s；p₁為容器內介質壓力，Pa；p₀為環境壓力，Pa；ρ為液體密度，kg/m³；g為重力加速度，m/s²；h為裂口之上液體高度，m；C_d為液體泄漏系數，取C_d=0.65^[10]；A_ρ為裂口面積，m²。

（3）閃蒸比例公式：

式中：C_p為泄漏液體的定壓比熱容，J/（kg·K）；T_T為儲存溫度，K；T_b為泄漏液體的沸點，K；H_v為泄漏液體的蒸發熱，J/kg。

1.2 大氣環境風險預測模型

大氣環境風險著重關注大氣環境風險物質在最常見和最不利氣象條件下的擴散情況。在模擬風險物質擴散的過程中通常選擇BIA預測模型，這是大氣環境風險評價領域推薦的一種模型。

BIA模型（BREEZE INCIDENT ANALYST）是目前我國國內一款模擬有毒易燃化學物質排放十分全面的模型軟件，其由源強計算向導模塊、擴散模塊（DEGADIS模式和SLAB模式、AFTOX模式、INPUFF模式）、火災模塊、爆炸模塊4個部分組成。本研究主要使用其擴散模塊中的SLAB和AFTOX模式對大氣環境風險事故發生時有毒有害氣體的擴散進行模擬。

SLAB模式：一種重質氣體擴散模式，其適用地面池蒸發、水平噴射、垂直噴射和瞬時泄漏情況，在穩定、中性及不穩定的氣象條件下均能得到較好的預測結果。

AFTOX模式：一種中性氣體擴散模式，其假定化學品蒸汽在擴散期間沒有二次化學反應變化，且氣團或煙云濃度分布符合高斯分布，能較好地用于模擬小型面源溢出情形下的氣體擴散。

1.3 輕、重質氣體判定方法

（1）排放源類型判定

排放源類型可依據時間T計算公式（4）判定：

Ｔ＝２Ｘ/U_r（4）

式中：X為事故發生地與計算點的距離，m；U_r為10 m高處風速，m/s。當T_d＞T時為連續排放；當T_d≤T時為瞬時排放。

（2）理查德森數計算

連續排放：

瞬時排放：

式中：ρ_rel為排放物質進入大氣的初始密度，kg/m³；ρ_a為環境空氣密度，kg/m³；Q為連續排放煙羽排的放速率kg/s；Q_t為瞬時排放的物質質量kg；D_rel為初始的煙團寬度，m；U_r為10 m高處風速，m/s；g為重力加速度，m/s²。

對于連續排放，R_i≥1/6為重質氣體，R_i＜1/6為輕質氣體；對于瞬時排放，R_i＞0.04為重質氣體，R_i≤0.04為輕質氣體。

1.4 大氣毒性終點濃度

大氣毒性終點濃度是人員短期暴露可能會導致出現健康影響或死亡的大氣污染物濃度，用于判斷周邊環境風險影響程度，一般分為大氣毒性終點濃度-1和大氣毒性終點濃度-2。其中，大氣毒性終點濃度-1是當大氣中危險物質濃度低于該限值時，絕大多數人員暴露1 h不會對生命造成威脅，當超過該限值時，有可能對人群造成生命威脅，大氣毒性終點濃度-2是當大氣中危險物質濃度低于該限值時，暴露1 h一般不會對人體造成不可逆的傷害，或出現的癥狀一般不會損傷該個體采取有效防護措施的能力。本次研究涉及的大氣風險物質為苯、CO和氨氣（NH₃），其大氣毒性終點濃度詳見表1。

2 項目概況及大氣環境風險源強

2.1 項目概況及周邊敏感目標

該項目擬對其冶金廠區2座焦爐進行優化升級，工程內容主要為：拆除現有的1#、2#焦爐，利用廠區內空地，易地新建2座60孔7 m頂裝焦爐（新址與原址距離較近，對周圍環境敏感點影響變化不明顯），并配套建設煤氣凈化裝置、公輔設施等。按照煉焦行業超低排放要求設計，焦炭年產量為135萬t。新建焦爐的一體化生產工藝主要包括備煤系統、煉焦系統、熄焦系統（干熄焦為主，新型濕法熄焦作為備用系統）、焦處理系統以及煤氣凈化系統。

研究區域內各環境敏感點位置情況如圖1所示。A敏感點位項目廠界西南，距離為2 176 m；B敏感點位于項目廠界西南，距離為1 970 m；C敏感點位于項目廠界東南，距離為1 575 m；D敏感點位于項目廠界東南，距離為2 435 m。

2.2 環境風險識別

2.2.1 物質危險性識別

危險物質是指具有易燃易爆、有毒有害等特性，會對環境造成危害的物質，對于化工項目一般包括主要原輔材料、燃料、中間產品、副產品、最終產品、火災和爆炸次生/次生物等。通過對比分析，可確定本項目涉及的風險物質主要為高爐煤氣、焦爐煤氣、粗苯、焦油、洗油、氨水、液氨、液堿等。

2.2.2 危險單元劃分

通過對該項目涉及大氣環境風險的生產設施進行調查，可知該項目生產系統內的環境風險物質在線量低于儲存系統存儲量（最大儲量按規格80%儲存），故本研究將油庫單元和液氨貯存單元劃分為危險單元，油庫單元和液氨貯存單元危險性識別見表2。

2.2.3 大氣環境風險情景及源項分析

為了研究焦爐優化升級項目大氣環境風險的可接受程度，在環境風險識別的基礎上，選擇對周圍大氣環境風險影響最大并具有代表性的風險事故類型設定為本次研究的風險事故情形，具體風險事故情形見表3。

根據前文風險物質識別和危險單元劃分，并綜合考慮同類企業的典型事故類型，可知表3中大氣環境風險事故情形1、情形2、情形3發生的概率都大于1.00×10^-6/a，可確定本研究的風險事故情形分別為粗苯儲罐泄漏造成苯蒸發、粗苯儲罐泄漏發生火災爆炸次生CO、液氨儲罐泄漏造成氨氣蒸發。

（1）單個900 m³粗苯儲罐泄漏釋放苯。根據事故情形1設定，若單個900 m³粗苯儲罐全破裂，粗苯泄漏量為648 t。本研究考慮粗苯泄漏后在圍堰內形成液池，圍堰內液池在10 min內全部應急清理完畢^[11]。因苯儲罐的儲存溫度和環境溫度均不高于40 ℃，故事故情形1的大氣環境風險源項僅考慮其質量蒸發量，其計算依據公式（1），各項參數見表4。

通過計算，可確定最不利氣象條件下液池蒸發速率為0.42 kg/m³，最常見氣象條件下液池蒸發速率為0.52 kg/m³。

（2）單個900 m³粗苯儲罐火災爆炸次生CO。事故情形2火災爆炸事故中通過苯的不完全燃燒液池內產生火災次生的CO，通過化學反應方程式定量計算CO產生量。反應方程式如下：

2C₆H₆+9O₂→12CO+6H₂O（7）

按最不利情況計算，火災次生CO產生量為13.96 t，油庫單元火災持續時長4 h，次生CO的源強為0.97 kg/s。

（3）單個200 m³液氨儲罐泄漏產生NH_３。對于事故情形3液氨儲罐泄漏^[12]，按最不利情況考慮即泄漏口在液面下，依據液體泄漏排放速率公式（2）可計算液氨泄漏速率，各項參數見表5。

經計算，液氨儲罐的泄漏源強為2.30 kg/s，泄漏時間為10 min，液氨泄漏量為1 380 kg。一般泄漏液體的蒸發分為閃蒸蒸發、熱量蒸發和質量蒸發3種類型，其蒸發總量可視為3種蒸發類型蒸發量之和，可依據液體蒸發速率計算公式（3）判斷蒸發類型。根據公式（3）核算，可確定閃蒸比例F_v=0.25＞0.2，持續泄漏的液氨液體全部閃蒸不會形成液池^[13]，因此液氨泄漏速率等于其蒸發速率，為2.30 kg/s。

3 大氣環境風險模擬

3.1 預測參數及模型設定

3.1.1 預測模型參數

大氣環境風險的預測重點是在最常見氣象條件和最不利氣象條件下的事故后果。通過對項目所在城市2019年全年氣象觀測資料分析，可知該地出現頻率最高的穩定度為E、該穩定度下的平均風速為1.86 m/s、全年平均氣溫為14.6 ℃、平均濕度為45.45%，地表粗糙度為1 m；最不利氣象條件指最不利于氣體擴散的氣象條件^[10]，模式給定的條件為：風速1.5 m/s，環境溫度25 ℃，相對濕度50%，穩定度F，地表粗糙度1 m。本研究中大氣環境風險評價預測模型氣象參數見表6。

3.1.2 模型選擇

（1）排放源類型判定。排放源類型可依據時間T的計算公式（4）判定：當X=1 575 m，U_r=2.5 m/s，可得T=1 260 s；事故風險情形1、情形3的釋放時間T_d=600 s，事故風險情形2的釋放時間T_d=14 400 s；故事故風險情形1、情形3為瞬時排放，事故風險情形2為連續排放。

（2）理查德森數計算。對于連續排放，理查德森數的計算依據公式（5）；對于瞬時排放，理查德森數的計算依據公式（6），公式中各參數詳見表7。

依據（6）式計算可知：粗苯儲罐泄漏造成苯蒸發時R_i＞0.04，情形1屬于瞬時排放，所以苯為重質氣體，采用SLAB模型模擬；粗苯儲罐泄漏發生火災爆炸次生CO時R_i＜1/6，情形2屬于連續排放，所以CO為輕質氣體，采用AFTOX模型模擬；液氨泄漏時R_ilt;0.04，情形3屬于瞬時排放，所以氨氣為輕質氣體，采用AFTOX模型模擬，理查德森數取值詳見表8。

3.2 大氣環境風險模擬結果

通過運用SLAB和AFTOX氣體擴散模式對3種事故情形進行模擬分析，可以得出粗苯閃蒸蒸發、火災爆炸次生CO、液氨泄漏等事故發生并在2種不同氣象條件下擴散時下風向不同距離的濃度情況，3種情形風險模擬結果具體見表9，下風向不同距離濃度如圖2所示。

根據模擬結果可知，粗苯儲罐破裂蒸發的苯在最不利和最常見2種氣象條件下最遠影響距離為31.14 m、25.28 m，火災爆炸次生的CO在最不利和最常見2種氣象條件下最遠影響距離為512.12 m、367.37 m，液氨儲罐泄漏釋放的氨氣在最不利和最常見2種氣象條件下最遠影響距離為1 423.13 m、391.56 m，上述3種污染物中CO、NH₃的最遠影響距離均超出焦化廠廠界范圍。通過對3種大氣環境風險事故中污染物的擴散情況進行比較，可確定事故情形3，即液氨儲罐發生泄漏事故時，氨氣濃度降到其大氣毒性終點濃度-2的距離最遠，在最不利氣象條件下該濃度最遠影響距離為1 423.13 m，到達時間是環境風險事故發生后960 s，其余2種事故情形的大氣毒性終點濃度-2最遠影響距離及影響時間均小于此類情形，在此范圍內無環境敏感點，該項目符合建設項目選址要求^[14-16]。

4 結論

（1）通過開展環境風險識別，可確定本研究風險物質主要為高爐煤氣、焦爐煤氣、粗苯、焦油、洗油、氨水、液氨、液堿等。風險評價單元主要涉及油庫單元和液氨貯存單元。

（2）通過對該項目的大氣環境風險進行分析，可確定本研究的最大可信事故為粗苯儲罐全破裂形成液池、苯儲罐泄漏發生火災爆炸次生CO、液氨儲罐泄漏3種事故情形；經計算，粗苯儲罐全破裂形成液池在最不利氣象條件下的苯源強為0.42 kg/s，在最常見氣象條件下的苯源強為0.52 kg/s；苯儲罐泄漏發生火災爆炸次生CO的源強為0.97 kg/s；液氨儲罐泄漏時氨氣源強為2.30 kg/s。

（3）經BIA模型模擬分析，在最不利和最常見兩種氣象條件下，苯最遠影響距離分別為31.14 m、25.28 m，CO最遠影響距離分別為512.12 m、367.37 m，NH3最遠影響距離分別為1 423.13 m、391.56 m，CO和NH₃最遠影響距離均超出焦化廠廠界范圍，但上述范圍內均無環境敏感點分布，大氣環境風險可接受，項目選址合理。因此，大氣環境風險是確定化工項目選址的重要依據。企業在確定平面布置時需充分考慮大氣環境風險源擴散范圍和到達時間以及與周邊環境風險敏感點的關系，合理確定風險防控措施和應急疏散路線，使環境風險事故對廠區周邊環境及居民區的影響降至最低。

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收稿日期：2023-08-22

作者簡介：魏永鵬（1999-），男，碩士，主要從事環境影響評價與空氣污染防治方面的研究。