程全國, 張書源

(沈陽大學 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044)

我國是“富煤、貧油、少氣”的國家,這一特點決定了煤炭在我國一次性能源生產(chǎn)和消費中占據(jù)主導(dǎo)地位且長期不會改變[1-2].煤因為碳含量高且含有硫、氮等雜原子和芳香族類物質(zhì)等,其作為可利用能源帶來了嚴重的環(huán)境問題.而煤的芳香族稠環(huán)結(jié)構(gòu)和高芳碳含量是其作為化工原料的優(yōu)勢條件,其非能源即煤化工利用取得了巨大的經(jīng)濟與社會效益.煤化工主要是煉焦及煤焦化工、氣化與碳化工、煤炭液化、電石及乙炔化工等.煤焦化即煤炭高溫干餾,是指以煤為原料,在隔絕空氣條件下加熱到950 ℃左右,經(jīng)高溫干餾生產(chǎn)焦炭同時獲得煤氣、煤焦油并回收其他化工產(chǎn)品的一種煤轉(zhuǎn)化工藝[3-4].

焦化行業(yè)作為煤化工行業(yè)中的一種,是資源型城市的典型行業(yè).遼寧省作為東北老工業(yè)基地,資源型城市較多,截至2018年,遼寧省注冊運營的焦化企業(yè)有53家.焦化項目涉及的原輔材料和產(chǎn)品眾多,其中很多屬于易燃、易爆或有毒、有害的危險物質(zhì),突發(fā)環(huán)境事故的風險隱患較大.目前,針對焦化項目的環(huán)境風險研究多是從焦化行業(yè)的角度,根據(jù)不同的評價人員的判斷方法、閩值、模型進行風險評價,缺少對于某個具體事故發(fā)生前的情景模擬,以及事故對周圍人群可能產(chǎn)生的影響的具體研究[5].事故發(fā)生前的情景模擬研究對于風險評價具有重要參考價值.

本文以某市焦化廠為研究對象,通過分析該廠歷年突發(fā)事故統(tǒng)計結(jié)果,得知焦爐荒煤氣放散為該廠主要突發(fā)大氣環(huán)境污染事故.應(yīng)用EIAProA 2018軟件對該事故進行情景模擬,并對模擬結(jié)果進行網(wǎng)格化分析,從而估算該廠周圍可能受影響人群的人數(shù)及影響程度,為制定相應(yīng)的突發(fā)環(huán)境事故應(yīng)對措施和有針對性的降低事故風險提供參考依據(jù).

1 研究對象所在區(qū)域背景

1.1 地理位置

某焦化廠位于某市中心的一個擁有焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼、 動力、運輸、機械加工制造、貿(mào)易、科研開發(fā)等配套齊全的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)內(nèi)部,焦化廠周邊有特鋼廠、能管大樓、發(fā)電廠、連鑄廠房等區(qū)域.整個廠區(qū)呈矩形,占地面積約55萬m2.

1.2 氣象條件

地面多年常規(guī)氣象資料來源于該鋼鐵廠氣象站,該站距焦化廠所在地偏東北約1 km.本次工作收集了2017年1月—2018年12月期間共計24個月的逐日、逐時的常規(guī)地面氣象資料,數(shù)據(jù)包括時間、氣溫、總云量、低云量、風向、風速等.

該地區(qū)全年盛行東南風、南東南風和東東南風,年平均風速0.8 m·s-1.根據(jù)云量數(shù)據(jù)可估算該地區(qū)全年處于B大氣穩(wěn)定度下,具體平均數(shù)據(jù)見表1～表3.

表1 各月平均氣溫Table 1 Average temperature of each month ℃

表2 各月平均風速Table 2 Average wind speed of each month m·s-1

表3 各月平均主導(dǎo)風向Table 3 Average dominant wind direction of each month

2 荒煤氣放散事故分析

煉焦制氣是將精洗煤在焦爐炭化室密封干餾,同時生成荒煤氣,爐內(nèi)處于高溫、正壓狀態(tài),荒煤氣必須不斷引出,否則爐內(nèi)壓力迅速升高,荒煤氣就會從爐內(nèi)大量逸出.焦爐荒煤氣是煉焦生產(chǎn)過程中的主要污染源,當煤氣鼓風機故障、焦爐大停電、荒煤氣疏導(dǎo)系統(tǒng)故障等造成集氣管壓力居高不下時,荒煤氣只能直接排入大氣,造成大面積的環(huán)境污染事故,并直接威脅到現(xiàn)場生產(chǎn)崗位的職業(yè)健康,以及周邊環(huán)境受體,甚至是城市的空氣質(zhì)量.為此,必須將煤氣通過放散管進行有組織的放散[6-7].

荒煤氣放散事故有荒煤氣未經(jīng)燃燒直接放散(從焦爐直接放散和荒煤氣點火裝置失靈從放散管放散)和荒煤氣經(jīng)燃燒后放散[8]2種狀態(tài).

分析該焦化廠近10年出現(xiàn)焦爐荒煤氣放散事故的統(tǒng)計結(jié)果可知,由于鼓風機失靈或者人為操作失誤造成的荒煤氣放散事故在較短時間內(nèi)即可恢復(fù)正常,而由于停電造成的荒煤氣放散事故污染較嚴重,每年發(fā)生1～2次,并持續(xù)15～20 min,放散類型皆為荒煤氣燃燒放散.按最不利情況考慮,本次估算時間選取20 min.荒煤氣燃燒后非正常排放二氧化硫,此時污染物比較單一,僅有二氧化硫,可以很方便地進行計算.根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查該焦化廠焦爐的技術(shù)參數(shù)可知20 min荒煤氣放散量為10 416 m3,其燃燒后產(chǎn)生二氧化硫為360 kg,二氧化硫排放源強為300 g·s-1.

3 荒煤氣燃燒放散影響分析

3.1 風險源強估算

在對荒煤氣放散事故進行情景模擬時,本文選取EIAProA 2018軟件進行模擬,該軟件內(nèi)核為《建設(shè)項目環(huán)境風險評價技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 169-2018)推薦的SLAB和AFTOX模型,可實現(xiàn)風險事故的模擬預(yù)測[9-10].

應(yīng)用EIAProA 2018風險源強計算模塊進行風險源強估算時,首先輸入荒煤氣燃燒放散時主要污染物二氧化硫(CAS 7446-09-5),容器內(nèi)部溫度取荒煤氣放散管內(nèi)部溫度90 ℃,內(nèi)部壓力350 Pa,裂口面積為放散管口截面面積4 069 cm2,選擇純氣體泄漏方程,根據(jù)軟件計算結(jié)果,此時二氧化硫氣體的理查德森數(shù)Ri≥1/6,判斷二氧化硫為重質(zhì)氣體,所以模擬采用適用于重質(zhì)氣體的SLAB模型.

3.2 SLAB模型模擬

根據(jù)該焦化廠所處的地理位置,在Google Earth中搜索并下載該焦化廠衛(wèi)星圖.在SLAB模型中,由于焦爐放散管較為分散,選取廠區(qū)中心點作為地圖相對坐標的原點,并以此原點、焦化廠衛(wèi)星圖為背景圖構(gòu)建直角坐標系.大氣穩(wěn)定度等級設(shè)為B級,風向、風速、溫度、濕度按月平均值計算,二氧化硫排放源強取300 g·s-1,源高度取焦爐放散管口距地面高度28 m.

根據(jù)文獻[11]可知,大氣中二氧化硫質(zhì)量濃度在1.43 mg·m-3以上對人體已有潛在影響,所以將1.43 mg·m-3設(shè)為閾值范圍的起始質(zhì)量濃度.應(yīng)用軟件模擬出焦化廠所在區(qū)域地圖中的事故發(fā)生時二氧化硫質(zhì)量濃度大于或等于1.43 mg·m-3的全部區(qū)域范圍.由于事故在全年12個月中均有可能發(fā)生,所以本文將事故在1月—12月每個月的事故情景依次進行模擬,模擬結(jié)果如圖1所示.圓圈內(nèi)為風險源強一定時,所有可能處于受二氧化硫影響的區(qū)域.扇形區(qū)域內(nèi)為風險源強一定,并在當月氣象條件下可能受二氧化硫影響的區(qū)域.

3.3 焦化廠周圍人群分析

結(jié)合當?shù)仫L玫瑰圖及該市社區(qū)及企業(yè)分布,將焦化廠周邊人群確定為15個區(qū)域,并通過調(diào)查走訪核對每個區(qū)域的人口數(shù),見表4.

3.4 荒煤氣放散影響的網(wǎng)格化分析

為詳細估算各人群區(qū)域在事故發(fā)生時可能受影響的人數(shù)及程度,對各月二氧化硫范圍圖進行網(wǎng)格化分析.通過不斷實驗,單位網(wǎng)格面積為100 m×100 m大小較為合適. 利用Photoshop繪制網(wǎng)格覆蓋二氧化硫區(qū)域范圍圖中的扇形區(qū)域并對網(wǎng)格進行標號, 如圖2所示. 結(jié)合網(wǎng)格及背景圖, 識別出處于人群區(qū)域的每個網(wǎng)格, 并將每個處于人群區(qū)域網(wǎng)格的標號進行記錄. 選取每個記錄后的網(wǎng)格中心點坐標位置的質(zhì)量濃度作為該網(wǎng)格的代表濃度. 并用EIAProA 2018軟件計算出各網(wǎng)格中心點在事故發(fā)生時二氧化硫質(zhì)量濃度的最高點, 以此最高點質(zhì)量濃度代表該網(wǎng)格內(nèi)人群在事故發(fā)生時可能受到的最大影響程度.

表4 焦化廠周邊人群分布情況Table 4 Population distribution around the coking plant

3.5 荒煤氣放散人群影響估算

根據(jù)文獻[12]可知,二氧化硫急性吸入質(zhì)量濃度為0～1.43 mg·m-3時對人體無影響;質(zhì)量濃度為1.43～8.58 mg·m-3時對人體已有潛在影響,并使人體感到刺激;質(zhì)量濃度為8.58～57.20 mg·m-3時人體輕度中毒;質(zhì)量濃度為57.20～1 144.00 mg·m-3時人體重度中毒;質(zhì)量濃度為1 144.00 mg·m-3以上時人體將有致死風險.據(jù)此,將二氧化硫的濃度對人群影響程度劃分為5個級別,見表5.

表5 二氧化硫人群影響程度級別Table 5 Level of influence of sulfur dioxide on population

在估算事故發(fā)生時受二氧化硫影響的人口數(shù)量時,由于無法準確得知事故發(fā)生時各區(qū)域及各單位網(wǎng)格內(nèi)的人口數(shù)量,本文假設(shè)各區(qū)域人口在區(qū)域內(nèi)是平均分布的.將單位網(wǎng)格面積與所屬區(qū)域面積的比例作為該單位網(wǎng)格可能存在人口數(shù)量與所屬區(qū)域人口數(shù)量的比例,估算單位網(wǎng)格內(nèi)可能存在的人口數(shù)量.根據(jù)上文所述,二氧化硫急性吸入的質(zhì)量濃度在0～1.43 mg·m-3區(qū)間內(nèi)對人體無影響,所以只估算了二氧化硫質(zhì)量濃度大于1.43 mg·m-3的受影響人口數(shù)量.估算結(jié)果見表6～表9,各級別中不包含的區(qū)域人口數(shù)量記為0或不體現(xiàn)于表格中,不包含的月份不體現(xiàn)于表格中.

表6 事故發(fā)生時各月處于級別4的各區(qū)域人口數(shù)量Table 6 Number of people in regions of level 4 in each month at the time of accident

表7 事故發(fā)生時各月處于級別3的各區(qū)域人口數(shù)量Table 7 Number of people in regions of level 3 in each month at the time of accident

表8 事故發(fā)生時各月處于級別2的各區(qū)域人口數(shù)量Table 8 Number of people in region of level 2 in each month at the time of the accident

表9 事故發(fā)生時各月處于級別1的各區(qū)域人口數(shù)量

根據(jù)估算結(jié)果可知,對于廠外區(qū)域的人群,當焦化廠荒煤氣放散事故發(fā)生時,人群受影響程度在1月—2月處于級別4,影響程度較小;對于廠內(nèi)區(qū)域的人群,當焦化廠荒煤氣放散事故發(fā)生時,在1月—12月人群都會受到影響,影響程度為1-4級別不等.如事故發(fā)生在2月份,1#區(qū)域(社區(qū))、2#區(qū)域(社區(qū))、14#區(qū)域(特鋼廠)、15#區(qū)域(儲運中心)受影響人口數(shù)比其他月份多;如事故發(fā)生在12月份,3#區(qū)域(社區(qū))受影響人口數(shù)比其他月份多;如事故發(fā)生在2、3月份,4#區(qū)域(學校)受影響人口數(shù)比其他月份多;如事故發(fā)生在1月份,5#區(qū)域(社區(qū))、6#區(qū)域(企業(yè))受影響人口數(shù)比其他月份多;如事故發(fā)生在6月份,7#區(qū)域(社區(qū))、8#區(qū)域(社區(qū))、13#區(qū)域(冷軋廠)受影響人口數(shù)比其他月份多;事故發(fā)生時,9#區(qū)域(社區(qū))、10#區(qū)域(企業(yè))人群全年處于無影響區(qū)域,區(qū)域內(nèi)人群將幾乎不受事故影響;11#區(qū)域(企業(yè))人群僅當事故發(fā)生在2月份時會受影響;如事故發(fā)生在7、8月份,12#區(qū)域(焦化廠)受影響人口數(shù)比其他月份多,并有部分人群可能有致死風險.

4 結(jié) 論

從以上分析可知,一旦焦化廠發(fā)生荒煤氣燃燒放散事故,可能會對周圍人群造成潛在或直接影響,并可能對廠內(nèi)人員造成中毒及致死風險.焦化廠可針對各月份及各區(qū)域的受影響人口數(shù)及程度制定突發(fā)環(huán)境事故應(yīng)對措施.該焦化廠7、8月份發(fā)生事故時,由于可能造成焦化廠廠內(nèi)區(qū)域人群死亡,所以應(yīng)重點防范風險.其余各月份可根據(jù)受影響人口數(shù)及程度依次制定防范措施,將環(huán)境風險對企業(yè)及周圍人群的影響減小到最低.