城市型石化企業大氣環境風險防護區域劃定研究

收稿日期：2023-11-21

基金項目：教育部產學合作協同育人項目（220902070162538）；海南省自然科學基金（623RC455，623RC457）；海南大學科研啟動基金項目（KYQD（ZR）-22096，KYQD（ZR）-22097）。

作者簡介：付鵬（1991—），男，河北滄州人，碩士，工程師。研究方向：應用氣象學、環境影響評價等。

通信作者：莫欣岳（1991—），男，甘肅蘭州人，博士，講師。研究方向：大氣物理學與大氣環境、數據科學與大數據技術等。

摘要：隨著城市化進程日益加快，城市用地范圍由中心城區向外擴張，原本位于郊區的石化企業開始與城市融合，石化企業周邊的空地被開發成住宅區、商業區和生活區等人員密集的場所，導致城市型石化企業的出現。城市型石化企業與周邊居民的矛盾日益突出，因此城市型石化企業急需設置足夠的風險防護區域。本研究以華北某石化企業新建120 t/h酸性水汽提裝置為例，依據《建設項目環境風險評價技術導則》

（HJ 169—2018）的環境風險模擬程序和要求，對該項目環境風險進行預測。根據預測結果，以半徑為

960 m的范圍作為大氣環境風險防護區域進行重點防護。本研究可為城市型石化企業的風險防范措施落實、應急預案編制及生態環境部門的風險管理提供參考。

關鍵詞：大氣環境風險；風險源識別；評價標準；擴散氣體模型

中圖分類號：X74 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）01-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.034

Research on the Delineation of Atmospheric Environmental Risk Protection Zones for Urban Petrochemical Enterprises

FU Peng1， MO Xinyue2， LI Huan2， WANG Na3

（1. Cangzhou Bohuan Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Cangzhou 061000， China;

2. School of Cyberspace Security （School of Cryptology）， Hainan University， Haikou 570228， China;

3. Ecological Environment Bureau of Huanghua City， Bohai New Area， Cangzhou 061000， China）

Abstract： With the accelerating process of urbanization， the scope of urban land has expanded from the central urban area to the outside， and petrochemical enterprises originally located in the suburbs have begun to integrate with the city， and the vacant land surrounding petrochemical enterprises has been developed into densely populated areas such as residential areas， commercial areas， and living areas， leading to the emergence of urban petrochemical enterprises. The contradiction between urban petrochemical enterprises and surrounding residents is becoming increasingly prominent， therefore， urban petrochemical enterprises urgently need to set up sufficient risk protection areas. This study takes a newly built

120 t/h acidic water stripping unit in a petrochemical enterprise in North China as an example， and predicts the environmental risks of the project based on the environmental risk simulation program and requirements of the “Technical Guidelines for Environmental Risk Assessment of Construction Projects” （HJ 169—2018）. According to the prediction results， a radius of 960 m is designated as the key area for atmospheric environmental risk protection. This study can provide reference for the implementation of risk prevention measures and preparation of emergency plans in urban petrochemical enterprises， and risk management of ecological environment departments.

Keywords： atmospheric environment risk; risk source identification; evaluation criteria; diffusion gas model

隨著城市化進程的加快，城市用地日趨緊張。原本位于郊區的石化企業開始與城市融合，石化企業周邊的空地被開發成住宅區、商業區和生活區等人員密集的場所，導致城市石化企業的出現。居民生活空間與工業企業生產空間的矛盾日益突出，引起城市安全問題[1-2]。例如，當石化企業防護區域設置不足時，周邊居民住宅區、醫院、學校等環境敏感保護目標就存在嚴重的環境事故隱患，若發生突發性污染事故，則后果不堪設想，進而引發群體事件，激化社會矛盾，成為社會不穩定因素[3-4]。為解決這一問題，實現城市型石化企業與周邊居民的隔離與和諧相處，生態環境部先后出臺多個文件，要求加強石化企業風險防控管理。2022年7月27日，生態環境部發布《“十四五”環境健康工作規劃》，要求加強環境健康風險監測評估，篩選高風險源清單，結合污染源、污染物、暴露途徑及可能受到潛在污染影響的敏感人群開展分析，繪制風險分布地圖，識別高風險區域及其關鍵影響因素，實現環境風險分區分級管理。本文以華北某石化企業新建120 t/h酸性水汽提裝置項目為例，根據《建設項目環境風險評價技術導則》（HJ 169—2018）的環境風險模擬程序和要求，對該項目環境風險進行預測，從環境風險評估的角度確定該項目的大氣環境風險防護區域，以期為項目周邊居民安全生產生活提供保障，為區域大氣環境風險管理提供參考，為政府區域布局和用地規劃提供決策支持。

1 項目概況

該石化企業擁有原油一次加工能力600萬t/a，新建的120 t/h酸性水汽提裝置主要包括酸性水汽提和氨精制兩部分。酸性水汽提裝置作為全廠的重要環保配套設施，屬全廠性公用工程。其原料為上游生產裝置（加氫裝置、焦化裝置、常減壓裝置和催化裂化裝置）和下游污染物處理裝置（硫磺回收裝置）產生的高硫高氮酸性水，主要產品為凈化水、液氨和酸性氣。其中，凈化水回用到上游裝置，液氨作為產品外售，酸性氣用作硫磺回收裝置的原料生產硫磺。

2 環境風險識別

2.1 生產物質風險識別

根據《建設項目環境風險評價技術導則》

（HJ 169—2018）和《職業性接觸毒物危害程度分級》（GBZ/T 230—2010），確定項目在生產運行過程中涉及的危險物質為H2S和NH3[5]，物質風險識別結果如表1所示。

2.2 重大危險源辨識

依據《危險化學品重大危險源辨識》（GB 18218—

2018），生產、儲存單元中危險化學品為單一品種，其數量等于或高于規定閾值，即被定為重大危險源；生產、儲存單元內存在多種危險化學品時，按式（1）計算，若計算結果不小于1，則被確定為重大危險源。

（1）

式中：q1，q2，…，qn為各危險化學品實際存儲量，t；Q1，Q2，…，Qn為各危險化學品的臨界量，t。

通過對項目工藝流程、工藝操作參數、反應物料和產品的分析，確定有毒物質泄漏是汽提裝置及配套裝置的主要危險因素。具體包括汽提塔頂和輸送酸性氣管線泄漏，液氨至儲罐的管線和液氨儲罐泄漏。危險化學品重大危險源辨識結果如表2所示。

2.3 最大可信事故

根據《建設項目環境風險評價技術導則》

（HJ 169—2018），突發環境事故狀況下，大氣環境風險評價主要關注最大可信事故對周邊環境的影響。換句話說，基于統計學分析，在可能發生的事故狀況中，選擇環境影響最嚴重的事故作為最大可信事故進行評價。根據表2的重大危險源辨識結果對重大風險源硫化氫輸送管線和液氨儲罐泄漏情景進行模擬。其主要危險特征為硫化氫輸送管線泄漏后硫化氫進入大氣環境，造成大氣環境風險事故；液氨儲罐破裂后液氨泄漏并揮發進入大氣環境，造成大氣環境風險事故。H2S在發生火災爆炸事故時對廠界外環境影響較小。因此，本研究只對H2S和NH3泄漏擴散對周圍大氣環境的影響進行預測，確定大氣環境風險防護區域。

3 試驗與分析

3.1 風險評價標準

當前，國內大多采用的風險評價標準為半數致死濃度（LC50）及立即威脅生命與健康濃度（IDLH）。國外常用評價標準方法有急性暴露指導水平（AEGL）、緊急響應計劃指南（ERPG）、暫定應急暴露限值（TEEL）和保護行動標準（PAC）[6-7]。LC50為動物急性毒性試驗中使受試動物半數致死的毒物濃度；IDLH指空氣中有毒有害物質達到某一濃度，會造成致命、損害健康或使人喪失求生能力等的影響；AEGL由美國國家研究委員會針對各地處理緊急情況所制定的急性暴露標準；ERPG為應急反應計劃委員會制定的空氣中有害物質應急響應標準；TEEL濃度為毒性物質影響下在特定時間對健康的危害值，該濃度考慮不全面，未涉及敏感人群。PAC對化學物質泄漏做到較好的預測和響應，化學品泄漏和采取的污染防治措施信息可從PAC和泄漏量估算中獲取。在突發環境事件發生時，PAC可以為事故安全評價、污染影響范圍和影響程度預測以及采取何種針對性保護措施提供理論依據。PAC主要由臨時應急暴露限值組成，同時包含有效的AEGL和ERPG數據。各風險評價標準如表3所示。

經表3分析，國內當前采用的IDLH閾值和LC50閾值針對每種化學品物質僅對應一個數值，因此IDLH和LC50的適用范圍存在局限性。IDLH在短暫暴露時間情形下適用；而LC50確定主要來自動物試驗體研究，對人體的研究不適用[6]。國外針對有毒有害氣體危害閾值普遍存在3級標準或者4級標準，這為發生不同突發情景采取針對性應急措施提供可參考依據。AEGL和ERPG標準值的制定均具有較充分的理論依據，但因為ERPG的暴露情景較少，暴露時間段只有1 h，且不適用于敏感人群，因此對比之下，建議優先選取AEGL閾值。對于TEEL，科學依據不充分，在無AEGL及ERPG閾值時可作為暫定標準使用。PAC閾值為暴露時間1 h的ERPG、AEGL或TEEL值，取值范圍較廣，但暴露時間短，適用于突發有毒有害氣體暴露時間1 h內的情況。在無AEGL、ERPG、TEEL及PAC閾值時，建議選用IDLH標準值和LC50閾值進行危害分析[8]。綜上所述，在預測和分析有毒有害氣體泄漏事件時，建議按如下順序采用危害閾值：AEGL＞PAC＞ERPG＞TEEL＞IDLH＞LC50。

3.2 擴散氣體模型

目前，常用的危險化學品擴散氣體模型有高斯模型（包括煙團模型和煙羽模型）、Sutton模型、BM模型、箱體模型、SLAB模型、AFTOX模型等[9-10]。在選用擴散氣體模型的過程中，基于擴散氣體的性質，它分為重質氣體和中等浮力氣體。根據《建設項目環境風險評價技術導則》（HJ 169—2018），基于過剩空氣和環境條件等因素，判別煙團/煙羽是否為重質氣體。通常采用理查德森數（Ri）作為判定標準，其計算公式如式（2）所示。平坦地形下，重質氣體擴散模擬選用SLAB模型，中性/輕質氣體后果預測擴散模擬選擇AFTOX模型。

（2）

式中：E1為煙團的勢能；E2為環境的湍流勢能。

3.3 典型事故分析

3.3.1 氣象條件設定

按最大可信事故設定，有毒有害物質在大氣中的擴散采用高斯模型，在不利氣象條件及各風險因子毒性影響的情況下，預測最大可信事故中平均最大濃度分布。結合相關技術規范，為最大限度降低突發環境事件對生態環境和人群健康的不利影響，采用最不利氣象條件作為預測的氣象條件。最不利氣象條件下，大氣為F類穩定度，風速為1.5 m/s，氣溫為25 ℃，相對濕度為50%。

3.3.2 源強確定

泄漏量的計算主要涉及泄漏口尺寸、泄漏速率等。儲罐接頭和閥門等設備易發生泄漏，裂口大小按連接管道直徑的20%或管道全斷裂情形進行預測，最大可信事故的泄漏參數按照管道全斷裂進行確定[11]。基于《危險化學品重大危險源辨識》

（GB 18218—2018），按照儲存危險物料的設備工藝參數、危險物料類型及其儲存量，采用液體泄漏速率確定H2S和NH3的排放源強。H2S輸送管線和液氨儲罐的泄漏參數分別如表4和表5所示。其中，前者泄漏源為管道，后者泄漏情形為儲罐完全破裂填充圍堰。

3.3.3 模型選取

根據《建設項目環境風險評價技術導則》

（HJ 169—2018）推薦的理查德森數判定標準，確定H2S為重質氣體，采用SLAB模型進行模擬。氨氣密度為0.771 kg/m3，小于空氣密度，它為中等浮力氣體，但NH3液化過程中吸收空氣中的水汽，形成較空氣重的霧滴，故根據理查德森數判定其為重質氣體，采用SLAB模型進行模擬。

3.3.4 評價標準選擇

AEGL閾值分為三級標準值，對人體影響程度逐級遞增。超過AEGL-3值會造成生命威脅；高于AEGL-2值一般不會對人體造成不可逆的危害，不會導致自我保護能力受損；除了短暫的不利健康影響或不良氣味外，AEGL-1值一般不會產生其他不良影響。因此，風險評價應選擇AEGL-2和AEGL-3分別進行影響預測。根據AEGL閾值，H2S和NH3的健康風險評價標準如表6所示。

注：根據定義，AEGL-2濃度超過標準值后會對公眾造成嚴重影響，對健康長期有害，甚至削弱其逃生能力；AEGL-3濃度超過標準值后，會危及一般公眾（含敏感個體）生命安全，甚至導致死亡。

3.3.5 預測結果

通過模型計算，得出風險預測結果，如表7所示。經分析，擬建項目輸送酸性氣管線發生故障，H2S發生泄漏后，在最不利氣象情況下，在污染源下風向960 m范圍內達到AEGL-2致傷殘濃度閾值，下風向754 m范圍內達到AEGL-3致死濃度閾值。因此，采用AEGL-2標準下計算得到的半徑960 m范圍作為H2S泄漏的重點防護區域。由表7分析可知，擬建項目液氨儲罐發生故障，NH3發生泄漏后，在最不利氣象情況下，在污染源下風向599 m范圍內達到AEGL-2致傷殘濃度閾值，下風向248 m范圍內達到AEGL-3致死濃度閾值。因此，采用AEGL-2標準下計算得到的半徑599 m范圍作為NH3泄漏的重點防護區域。

3.3.6 風險防護區域劃定

按最大可信事故條件開展的預測結果表明，項目發生最大可信事故H2S和NH3的AEGL-2最遠范圍分別為960 m和599 m。隨著城市的發展和石化企業的擴建，企業與周邊居住區的距離不斷接近，無形中增加突發環境事故給周邊敏感保護目標帶來的環境風險。為最大限度保護環境和居民安全，確定以960 m為半徑的區域為石化企業大氣環境風險的重點防護區域。

4 結論

為解決城市型石化企業與周邊敏感保護目標相互制約、相互影響的問題，實現城市型石化企業與周邊居民和諧共處，本文以石化企業新建120 t/h酸性水汽提裝置為例，開展大氣環境風險防護區域研究。其間通過風險源識別、氣象條件設定、擴散模型選取和評價標準選擇等程序，對H2S輸送管線和NH3儲罐的泄漏擴散進行環境風險預測，并確定合理的大氣環境風險防護區域，為城市型石化企業風險評價標準的選取和大氣環境風險防護區域的劃定提供參考。通過風險評價標準的對比分析，本研究選取AEGL標準作為風險預測和防護區域劃定的標準。H2S為重質氣體，采用SLAB模型進行風險預測；NH3為中等浮力氣體，但在泄漏過程中會吸附空氣中的水滴而擁有重質氣體特征，也采用SLAB模型進行計算。預測結果表明，H2S泄漏在AEGL-2標準下計算的影響范圍為960 m，AEGL-3下計算的影響范圍為754 m；NH3泄漏在AEGL-2標準下計算的影響范圍為599 m，AEGL-3下計算的影響范圍為248 m。為最大限度保護環境和居民安全，以半徑為960 m的范圍作為大氣環境風險防護區域。石化企業應提高生態環境管理要求，對設備進行定期檢查，及時更換腐蝕較為嚴重的設施。對大氣環境風險防護區內的居民進行必要的聯系，確保發生事故時可及時疏散，定期邀請大氣環境風險防護區內的居民參與應急演練，提升居民處理突發環境事件的意識和能力。

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