煉化項目大氣環(huán)境風險源項確定方法探討

劉進龍

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

煉化項目大氣環(huán)境風險源項確定方法探討

劉進龍

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

煉化項目進行環(huán)境風險評價時，正確設定事故情景和確定風險源項十分重要。通過分析風險源項的3個構成要素：源強大小、持續(xù)時間和事故頻率，并以3個典型的煉化項目為例，討論了如何正確確定煉化項目大氣環(huán)境風險源項，總結出正確確定源項所必需的4個必要條件。此外，還從管控危險物質、毒理學指標、風險減緩措施等方面分析了確定風險源項的難點及不確定性，分別給出解決方案。

煉化項目；環(huán)境風險；源項

石油煉制工業(yè)和石油化學工業(yè)的建設項目(以下簡稱煉化項目)所屬行業(yè)涉及多種危險物質，工藝過程復雜且操作壓力高、溫度高，具有典型的“一多兩高”的特點，因此是潛在多發(fā)環(huán)境風險事故的行業(yè)，也是環(huán)境風險評價和管理最為重點關注的行業(yè)之一。但在目前的環(huán)境風險評價和管理中，存在著事故情景設定不清、源強確定不準確、事故持續(xù)時間確定依據(jù)不足、風險減緩措施不切實際等問題。本文旨在以典型煉化項目為例，探討如何正確確定煉化項目大氣環(huán)境風險源項，探求正確確定源項的必要條件和重要性，為更好地進行風險評價和管理，對確定風險源項存在的問題提出解決建議。

1 正確確定風險源項的意義

在環(huán)境風險評價中，其步驟為風險識別、源項分析、后果計算、風險評價，最后根據(jù)評價結果提出風險管理和應急措施[1]。風險識別是根據(jù)項目所涉及的原料、輔料、中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)品，確定危險因素和風險類型，接下來正確的源項分析尤為重要，體現(xiàn)在：其一，工藝流程長、過程復雜，難于找準最大可信事故點。如某煉化一體化項目有27套主要生產(chǎn)裝置，生產(chǎn)裝置間物料互供，可以想見其工藝流程之長和工藝過程的復雜，即使在風險識別中確定了風險類型和危險物質，要在如此復雜的工藝過程中確定最大可信事故[1]點也非易事。其二，正確的源項分析是后果計算、風險評價的基礎。反過來說，如果不能正確地確定風險源項，后續(xù)的后果計算，不管用的預測模擬軟件多么先進可靠，風險評價采用的風險表征多么科學正確，兩者都是站不住腳的。

2 風險源項分析的三要素

風險源項分析包括正確計算并確定源強大小、事故持續(xù)時間[2]及事故概率[1]。

(1)源強大小。即分析危險物質在操作狀態(tài)及泄漏到外環(huán)境下的相態(tài)，考慮風險減緩措施，設定事故情景，選定合適的計算方法，計算出風險源強大小。需要注意的是，在某些情景下危險物質的最大泄漏速率并不等于風險源強，如在常溫常壓下為液態(tài)物質的泄漏，形成液池后的揮發(fā)速率才是風險源強。

(2)持續(xù)時間。在設定的事故情景下，根據(jù)泄漏至外環(huán)境中的危險物質的質量和計算出的泄漏速率，即可計算出事故的持續(xù)時間[3]。

(3)事故概率。概率是可重復事件發(fā)生的相對的頻率[4]。工藝過程的泄漏包括工藝鋼管道、法蘭、人工閥門、自動閥門、工藝壓力容器、離心(往復)泵、離心(往復)壓縮機等16類設備、設施的泄漏。儲存事故包括常壓罐、冷藏罐、壓力罐、地下罐等6種類型儲罐的事故[5]。工藝過程和儲存事故泄漏與煉化項目風險密切相關。

3 正確確定源強之案例分析

3.1 煉化一體化項目

仍以上述含有27套主要生產(chǎn)裝置的煉化一體化項目為例，通過風險識別，確定H2S為危險物質之一，下面分析如何正確確定源強。在該項目煉油部分的17套生產(chǎn)裝置中，有13套裝置的工藝過程涉及含有較高H2S的氣相工藝物流，其H2S的含量約從6%到94%不等。通過對項目總工藝流程的分析，除極小部分的H2S通過汽油、煤油、柴油、化工產(chǎn)品等進入產(chǎn)品，通過燃料氣燃燒進入煙氣外，絕大部分(>99%)流向硫磺回收裝置(SRU)。因此，需要重點分析與硫磺回收裝置有物料關系的裝置。

與硫磺回收裝置有物料關系的裝置包括溶劑再生裝置、造氣制氫(POX)裝置和酸性水汽提(SWS)裝置。以上4套裝置所涉及的氣相工藝物流H2S的含量在92%～94%，因此物料量在此進行了集中，H2S濃度達到最高，屬風險事故集中區(qū)域。4套裝置工藝流程關系如圖1所示。

圖1 某煉油項目中4套生產(chǎn)裝置工藝流程圖Fig.1 Process diagram of four production facilities in a petroleum refinery project

根據(jù)圖1可以看出，溶劑再生裝置和造氣制氫裝置產(chǎn)生的酸性氣通過同一個分液罐分液后分為兩路，一路(圖中標注②)直接進入主燃燒室，一路(圖中標注①)與酸性水汽提裝置的酸性氣(圖中標注③)匯合后進入主燃燒室。當物流②的管道閥門關閉，物流④就集中了所有酸性氣。因此可以確定，在該種工況下，酸性氣分液罐連接SRU主燃燒室的主管道完全斷裂，造成H2S泄漏，將成為最大可信事故。然后根據(jù)氣體泄漏速度的通用公式及項目設計等資料，選取確定壓力、溫度、裂口面積、分子量、氣體絕熱指數(shù)、氣體常數(shù)、流出系數(shù)、泄漏系數(shù)等參數(shù)值，通過計算即可得出風險源項。

3.2 乙烯裂解爐項目

某規(guī)模為14萬噸/年的裂解爐項目，裂解原料為液化石油氣(LPG)或石腦油，其原料、燃料消耗及產(chǎn)品、副產(chǎn)品產(chǎn)量如表1所示。

表1 某裂解爐項目原料、燃料、產(chǎn)品、副產(chǎn)品一覽表

從表1可以看出，以LPG為原料時，乙烯產(chǎn)量、丙烯產(chǎn)量和燃料量等均較以石腦油為原料時高。分析至此，認定以LPG為原料的工況分析最大可信事故為時尚早，還需看兩種工況下產(chǎn)品收率分布，尤其是關心的危險物質的收率，部分產(chǎn)品收率如表2所示。

表2 某裂解爐項目部分產(chǎn)品收率一覽表

通過表2可以看出，以石腦油為原料時，關心的危險物質，如苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯等的收率均較以LPG為原料時高。通過對兩種操作工況的對比分析可以確定，在以石腦油作為裂解原料的工況下，裂解氣管線破裂為最大可信事故。在比較相關有毒物質的毒理學指標的基礎上，根據(jù)裂解氣的組成，同時考慮項目的風險控制措施，計算出苯的泄漏率，最終得出風險源項。

3.3 氫氟酸烷基化項目

以某30萬噸/年氫氟酸烷基化項目為例，通過風險識別，確定HF為危險物質之一。通過工藝流程分析，確認酸貯罐、酸沉降罐、酸冷卻器、酸快速轉移罐、酸再生塔、主分餾塔及其回流罐等7臺設備及其間連接管線中的物流含有HF。通過初步分析，酸貯罐、酸沉降罐2臺設備的物流中HF含量較高。酸貯罐、酸沉降罐相關設計參數(shù)見表3。

表3 酸貯罐、酸沉降罐相關設計參數(shù)

由表3可以看出，酸貯罐中的物料為純HF酸，而酸沉降罐中的物料為烷基化油、C4和HF的混合物。通過對比計算，酸沉降罐連接管破裂時的HF泄漏速率遠大于酸貯罐連接管同口徑破裂時的HF泄漏速率，因此，確定酸沉降罐連接管破裂為最大可信事故。計算出泄漏速率，考慮閃蒸、熱量蒸發(fā)和質量蒸發(fā)[1]，同時考慮多重風險減緩措施，最終得出風險源項。

3.4 小結

通過以具有典型意義的煉化一體化項目、乙烯裂解爐項目和氫氟酸烷基化項目為例，分析確定風險源強應采取的思路和步驟，可以看出，要正確分析煉化項目環(huán)境風險源項，以下“四熟悉”為必要條件：

(1)熟悉項目的原料、中間產(chǎn)物和產(chǎn)品所涉及的所有物質，保證不遺漏危險物質。

(2)熟悉以上物質的毒理學指標及其他危險性，從而選出最危險的物質。

(3)熟悉項目的總工藝流程和目標裝置的工藝流程，掌握與源項計算相關的所有參數(shù)，以便準確地計算泄漏速率和源項。

(4)熟悉項目的環(huán)境風險減緩措施，在源項計算中選取合適的減緩因子。

4 確定風險源項的難點及解決建議

4.1 管控物質種類及毒理學指標

(1)管控危險物質種類。目前國內環(huán)境風險物質管控類別及具體物質不明確，沒有規(guī)定哪些有毒氣體、有毒液體、可燃氣體、可燃液體等需要管控，某一類包括哪些物質也沒有具體規(guī)定。美國EPA目前的風險管控物質分為兩類，一類是管控毒性物質，共77種；另一類是管控易燃物質，共63種[6]。在我國，對于危險物質，《危險廢物鑒別標準毒性物質含量鑒別》附錄A和附錄B分別列出了39種劇毒物質和143種有毒物質，《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》[7]列出了火災危險物質，《危險化學品重大危險源辨識》[8]列出了有毒氣體、易燃液體等物質的臨界量。建議從環(huán)境風險管控的角度出發(fā)，從以上標準規(guī)范中選取并明確需要進行環(huán)境風險管控的危險物質。

(2)危險物質的毒理學指標。目前國內對于危險物質的毒理學指標數(shù)據(jù)引用出處不一，大小千差萬別，使得評價的基本依據(jù)不統(tǒng)一，因此評價與管理的一致性與有效性也無從談起。對于危險物質的毒理學指標，如IDLH濃度值，美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所(NIOSH)給出了317種物質的IDLH值。在美國EPA的技術導則中，對于管控毒性物質給出了預測終點值，該值參考了美國工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會(AIHA)給出的ERPG2，也參考了極端危險物質的關心限值。建議相關環(huán)境風險技術導則就管控毒性物質給出相關的毒理學指標。

(3)事故概率。目前國內風險評價中的事故概率也沒有統(tǒng)一的指導性數(shù)據(jù)，而事故概率直接影響事故后果大小。國外一些機構對于石油化工行業(yè)的事故概率研究開展較早，積累了大量較為通用可靠的事故概率資料。如美國石油學會對于離心泵、塔器、壓縮機、過濾器、冷卻器、換熱器以及不同管徑管道的4種孔徑(1/4英寸、1英寸、4英寸和破裂)的泄漏都給出了推薦泄漏頻率值[9]；國際油氣生產(chǎn)者協(xié)會(IOGP)對于工藝過程的泄漏、井噴、儲存事故、提升管和管道泄漏4種類型的事故頻率也給出了推薦的泄漏頻率值。美國石油學會、國際油氣生產(chǎn)者協(xié)會等機構研究的推薦數(shù)值較全面地覆蓋了煉化項目事故類型，兩者也有交互引用，建議借鑒以上所述在國際上已被廣泛認可的經(jīng)多年研究的數(shù)據(jù)和成果。

4.2 風險減緩措施對于源項的減緩程度

在上述HF烷基化項目中，其采取的風險減緩措施有：在裝置中HF可能泄漏或聚集的地方設置檢測器，并將其信號傳至SIS系統(tǒng)，進行顯示、報警；通過SIS將信號送至安全噴淋系統(tǒng)，作為自動噴水的啟動信號啟動水噴淋；設置有毒氣體濃度報警裝置，一旦發(fā)生泄漏及時報警；采用酸藏量管理(IMP)技術和降低酸揮發(fā)度(ReVAP)技術提高裝置的安全性，保證10 min內把酸轉移到事先準備好的安全設備中，酸沉降罐泄漏可在10 min內得到處理。

裂解爐項目的風險減緩措施包括：裂解氣管線上設置壓力、流量、溫度檢測儀，并將其信號傳至DCS系統(tǒng)，進行顯示、報警；以上信號均設低報、低低報，在事故狀態(tài)下可遠程切斷進料，設置有毒/可燃氣體濃度報警裝置，一旦發(fā)生泄漏及時報警等。

以上風險減緩措施對于源強大小、事故持續(xù)時間等的減緩影響程度并沒有給出明確的取值建議，因此在考慮減緩措施對源強影響時人為性較強。在美國的環(huán)境風險管理中，最壞情景和異常情景均考慮了風險減緩措施，雖然考慮的范圍和程度有所不同[3,6,9]，對于不同情景下的減緩措施，還給出相應的減緩因子。建議我國加強相關研究和借鑒，對不同風險減緩措施對于源強大小、事故持續(xù)時間等的減緩影響程度給出相應的量化減緩因子。

4.3 事故情景的定義及風險分級分段管理

(1)事故情景的定義?，F(xiàn)行建設項目環(huán)境風險評價技術導則對于最大可信事故的定義是：在所有預測的概率不為零的事故中，對環(huán)境(或健康)危害最嚴重的重大事故。即不管概率有多小，只要可能發(fā)生危害最嚴重的事故就應納入評價?？此坪侠恚珜嶋H操作中評價咨詢單位和管理部門都不能準確把握。

建議清晰定義環(huán)境風險事故情景，對不同情景需要考慮哪些風險減緩措施、如何計算源強、如何確定或計算事故持續(xù)時間以及不同情景的預測采用的氣象條件、事故概率等都給出明確的指導要求和信息。

(2)風險分級分段管理。目前環(huán)境風險評價和管理存在諸多不合理之處，如基于風險值的導向偏離，出現(xiàn)環(huán)境風險值為零、LC50不能出廠界、環(huán)境風險措施不合理、確定事故情景和風險源項不客觀正確等。因此，應更加明確環(huán)境風險的分級評價和管理要求，可分為三級或兩級評價，以項目或企業(yè)環(huán)境風險實際影響范圍進行評價和管理。不同等級應有明確的層次要求。加強事中管理，將評價過程的部分要求后移至項目建成后的企業(yè)運營管理中，因為此時企業(yè)的平面布置、所涉及的危險物質、周邊環(huán)境敏感目標等都已經(jīng)固定，在此基礎上，管理部門的風險管理要求能更加清晰明確，風險管理也將井然有序。

5 結語

正確設定事故情景并確定風險源項是環(huán)境風險評價和管理中非常重要的環(huán)節(jié)，只有在熟悉項目的所有危險物質及其毒理學指標和危險性，熟悉項目的工藝流程和環(huán)境風險減緩措施的基礎上，才能正確設定事故情景、確定源強大小，并合理確定事故持續(xù)時間、事故概率。事故是不能完全避免的，風險是客觀存在的，采取合適的風險減緩措施，基于科學客觀的分析確定事故情景和風險源項，預測并分析事故情況下的影響，才能為項目決策提供可靠的技術支持。

[1] 國家環(huán)境保護總局. HJ/T169—2004建設項目環(huán)境風險評價技術導則[S]. 北京: 中國環(huán)境科學出版社, 2004.

[2] U.S.EPA. Risk management program guidance for offsite consequence analysis[M].2009.

[3] U.S.EPA. RMP offsite consequence analysis guidance[M]. 1996.

[4] Leonard Ortolano. Environmental Regulation and Impact Assessment[M].1997

[5] OGP. Risk assessment data directory[Z]. 2010.

[6] CFR. Chemical accident prevention provisions[Z]. 2016.

[7] 中國石油化工總公司. GB 50160—2008石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2009.

[8] 中國安全生產(chǎn)科學研究院, 中石化青島安全工程研究院. GB 18218—2009危險化學品重大危險源辨識[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2009.

[9] MOD. Risk-based inspection base resource document[Z]. 2000.

Discussion on Determining the Atmospheric Environmental Risk Source in a Petroleum Refinery and Petrochemical Project

LIU Jin-long

(Sinopec Engineering Incorporation, Beijing 100101, China)

This paper emphasized the importance of setting the accident scenario and determining the risk source correctly in environmental risk assessment, and analyzed three constitutive elements of risk source, which included source size, duration, and accident frequency. Based on the analysis of three typical projects, a discussion was made on how to correctly determine the atmospheric environmental risk source in a petroleum refinery and petrochemical project. It was concluded that there were four essential preconditions for determining the risk source. In addition, this paper analyzed the difficulty and uncertainty in determining the risk source in respect of regulated hazardous substances, toxicology indicators, and risk mitigation measures, and also put forward solutions respectively.

petroleum refinery and petrochemical project; atmospheric environmental risk; risk source

2016-09-23

劉進龍(1971—)，男，山東膠州人，高級工程師，碩士，主要從事石化環(huán)境保護工程咨詢與設計，E-mail：liujlong@sei.com.cn

10.14068/j.ceia.2017.01.003

X820.4

A

2095-6444(2017)01-0010-04