煤制烯烴項目大氣環(huán)境風險評價的原則、程序和方法
——以某180萬噸/年煤制烯烴示范工程為例

饒未欣，瞿梅

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

煤制烯烴項目大氣環(huán)境風險評價的原則、程序和方法
——以某180萬噸/年煤制烯烴示范工程為例

饒未欣，瞿梅

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

以中石化某重點煤化工示范工程為例，對煤制烯烴項目大氣環(huán)境風險評價的一般原則、工作程序和技術(shù)方法進行了初步探討。明確了煤制烯烴項目大氣環(huán)境風險的事故類型、評價標準體系，梳理分析了最大可信事故源項參數(shù)的確定要點及大氣環(huán)境風險預(yù)測的技巧，借鑒煉化企業(yè)現(xiàn)有的工程實踐經(jīng)驗給出了推薦的煤化工項目非正常工況廢氣排放最小化方案，即全廠增設(shè)火炬氣回收系統(tǒng)。同時本文也提出了煤化工項目大氣環(huán)境風險評價目前存在的一些亟待解決的問題，供環(huán)評技術(shù)人員參考及探討。

煤制烯烴；大氣環(huán)境風險評價；最大可信事故；有效抬升高度；火炬氣回收系統(tǒng)

現(xiàn)代煤化工是指以煤為原料，采用新型、先進的化學(xué)加工技術(shù)，使煤轉(zhuǎn)化為氣體、液體或中間產(chǎn)品的過程，主要包括以煤氣化、液化為龍頭生產(chǎn)合成天然氣、合成油、化工產(chǎn)品等的能源化工產(chǎn)業(yè)。有序發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)是我國實施資源化戰(zhàn)略保障能源安全，實現(xiàn)煤炭高效清潔利用的關(guān)鍵舉措。

但煤化工行業(yè)的自身特點也決定了其存在著水資源消耗、能效水平、經(jīng)濟性、廢氣排放、廢渣利用、污水零排放等諸多令人關(guān)注的問題。尤其是非正常工況和發(fā)生事故時大氣污染物大量超標排放給環(huán)境造成的短期風險性危害影響，一直以來都是環(huán)保主管部門對煤化工項目審查和監(jiān)管的重點，也是企業(yè)周邊公眾和環(huán)保組織投訴的核心關(guān)注點。

本文以中石化某煤制烯烴升級示范工程(簡稱“示范工程”)為例，對煤化工項目大氣環(huán)境風險評價工作中采用的一般原則、工作程序和技術(shù)方法作簡要的介紹，希望得到廣大環(huán)評工作者的批評指正。

1 環(huán)境風險評價的事故類型及其評價標準體系

該煤制烯烴示范工程包括180萬噸/年煤制甲醇、180萬噸/年甲醇制烯烴(MTO)、30萬噸/年聚乙烯(LLDPE)和30萬噸/年聚丙烯(PP)四套生產(chǎn)裝置，及相配套的儲運、水、電、汽、空分空壓、火炬等公輔設(shè)施。

1.1 環(huán)境風險評價的事故類型

根據(jù)《建設(shè)項目環(huán)境風險評價技術(shù)導(dǎo)則》[1](簡稱“風險導(dǎo)則”)定義，最大可信事故是指在所有預(yù)測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。筆者認為，該定義在實際工作中難以操作，實際上其已包含了環(huán)境風險評價的內(nèi)容(即環(huán)境風險R是事故發(fā)生概率P與事故造成的環(huán)境或人體健康危害后果C的乘積)，如何能在還未進行危害預(yù)測的評價初始階段就確定最大可信事故呢？另外，在安全評價管理體系下，事故概率和危害后果之間也是有聯(lián)系的，即C是P的函數(shù)，則R的確定意義不大。因此，在實際工作中，最大可信事故的確定通常是依靠資深工藝安全專家的經(jīng)驗和頭腦風暴，而風險導(dǎo)則的定義基本上沒有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。建議風險導(dǎo)則能指定一些在國際上成熟可靠、操作性強的安全分析方法(例如美國DOW化學(xué)公司的火災(zāi)、爆炸危險指數(shù)評價法)[3]來確定最大可信事故。

火災(zāi)爆炸在距事故點周圍一定范圍內(nèi)可造成人員傷亡和設(shè)備損害，但其主要影響通常只限于工廠范圍內(nèi)，不會造成廠外人員的傷亡[5]。因此火災(zāi)、爆炸等安全事故屬于安全評價工作范疇，對環(huán)境的風險更多集中在發(fā)生火災(zāi)爆炸事故時伴生/次生的環(huán)境危害。

綜上所述，項目的環(huán)境風險評價主要考慮以下事故類型：

(1)設(shè)備、管線破損后有毒有害氣體泄漏至大氣環(huán)境，通過大氣擴散污染環(huán)境空氣質(zhì)量，對周邊人群的身體健康造成危害(直接事故)；

(2)儲罐破損之后物料泄漏至防火堤內(nèi)揮發(fā)出有毒有害氣體，通過大氣擴散污染環(huán)境空氣質(zhì)量，對周邊人群的身體健康造成危害(次生事故)；

(3)發(fā)生火災(zāi)事故后伴生的有毒有害氣體，通過大氣擴散污染環(huán)境空氣質(zhì)量，對周邊人群的身體健康造成危害(伴生事故)；

(4)極端火災(zāi)爆炸事故發(fā)生后，緊急放空氣通過火炬燃燒后事故性排放。

1.2 評價標準體系

目前業(yè)界對環(huán)境風險R采用的評價標準已逐漸從行業(yè)可接受風險水平RL向《危險化學(xué)品生產(chǎn)、儲存裝置個人可接受風險標準和社會可接受風險標準》[4]過渡。但由于R值計算所需的環(huán)境風險概率P在實際工作中很難確定(至少應(yīng)是事故發(fā)生概率和不利氣象條件出現(xiàn)概率的乘積)，而且對于新興煤化工行業(yè)來說缺少大量的事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)支撐；另外，危害后果在現(xiàn)有毒理學(xué)研究資料的基礎(chǔ)上也很難以死亡人數(shù)來表征，半致死濃度絕大部分是鼠類毒氣熏蒸試驗得出的數(shù)據(jù)，雖是物質(zhì)毒性的表征，但并不意味著一定空間范圍內(nèi)毒氣濃度達到了LC50就會造成其中50%人員的死亡，這是環(huán)境風險評價常見的誤區(qū)之一。

有鑒于此，筆者建議在環(huán)境風險評價中弱化對風險可接受水平R值的評價，對最大可信事故的危害C采用大氣模式預(yù)測的地面污染濃度來表征，相應(yīng)的評價標準體系等級劃分為：LC50(半致死濃度)、IDLH(立即危脅生命和健康濃度)、PC-STEL(工作場所短時間接觸容許濃度)或MAC(工作場所最高容許濃度，指在一個工作日內(nèi)任何時間都不應(yīng)超過的濃度)、環(huán)境空氣質(zhì)量標準。在實際工作中，針對不同級別地面污染濃度出現(xiàn)的區(qū)域分別采取相應(yīng)的環(huán)境風險防控措施。

2 最大可信事故源項參數(shù)的確定

2.1 最大可信事故情景設(shè)定

對事故后果的分析通常是在一系列假設(shè)的前提下進行的?！董h(huán)境風險評價實用技術(shù)和方法》[4]介紹的典型泄漏主要有容器損壞(全部破裂)和接頭泄漏(100%或20%管徑)兩種。當設(shè)備、管線中的易揮發(fā)液體物料發(fā)生泄漏時，大量泄漏的物料會蒸發(fā)到大氣中，污染周圍環(huán)境，遇火源會燃燒、爆炸，燃燒爆炸產(chǎn)生的污染物會對環(huán)境造成污染；當儲罐中易揮發(fā)液體發(fā)生泄漏時，將在罐區(qū)防火堤內(nèi)形成液池，其表面揮發(fā)的蒸氣會對周圍大氣環(huán)境造成一定程度的污染影響。當氣體管線發(fā)生泄漏時，有毒有害氣體會直接排至環(huán)境空氣中，造成周邊環(huán)境的高濃度污染。

示范工程的所有工藝裝置和儲罐區(qū)均為重大危險源，存在著發(fā)生火災(zāi)、爆炸、毒氣泄漏等重大事故的可能。

對于有毒有害氣體泄漏事故而言，擬建項目涉及的主要毒害氣體為硫化氫、一氧化碳、甲醇，本評價考慮這三種物質(zhì)在廠區(qū)范圍內(nèi)的集中部位設(shè)置最大可信事故；對火災(zāi)爆炸伴生事故而言，本環(huán)評考慮示范工程實際存量與臨界存量之比最大的重大危險源——甲醇儲罐破裂泄漏進而發(fā)生池火燃燒并伴生CO毒氣擴散作為最大可信事故。

在工藝專家的配合下，環(huán)評確定示范工程的5種最大可信事故如下：

(1)甲醇裝置制酸單元進口酸性氣管線破裂，泄漏硫化氫直接進入環(huán)境空氣。

假設(shè)：①雙系列中的一個系列發(fā)生事故；②管道100%破裂；③事故持續(xù)(泄漏)時間為10 min。

(2)10 000 m3甲醇儲罐破裂，甲醇泄漏到防火堤內(nèi)，蒸發(fā)進入環(huán)境空氣。

假設(shè)：泄漏量為儲罐總?cè)莘e的20%。用風險導(dǎo)則推薦公式計算甲醇的質(zhì)量蒸發(fā)速率。

(3)10 000 m3甲醇儲罐破裂，甲醇泄漏在防火堤內(nèi)發(fā)生池火，伴生CO。

假設(shè)：泄漏量為儲罐總?cè)莘e的20%。用風險導(dǎo)則推薦公式計算CO的質(zhì)量產(chǎn)生速率。

(4)甲醇裝置氣化單元至變換單元之間的粗合成氣管線破裂，泄漏CO直接進入環(huán)境空氣。

假設(shè)：①雙系列中的一個系列發(fā)生事故；②管道100%破裂；③管道破裂后至閥門關(guān)閉的響應(yīng)時間為200 s，其中閥門關(guān)閉時間20 s；④閥門關(guān)閉后管道內(nèi)剩余合成氣全部泄放完畢時間為400 s。

(5)甲醇裝置在發(fā)生較大火災(zāi)爆炸事故的極端情況下，緊急放空氣進入火炬系統(tǒng)燃燒處理，常規(guī)火炬的燃燒持續(xù)時間為30 min、酸性氣火炬的燃燒持續(xù)時間為10 min。

2.2 最大可信事故源項參數(shù)確定

根據(jù)實際工作中積累的經(jīng)驗，最大可信事故源項所需的參數(shù)如表1所示。

表1 最大可信事故源項參數(shù)表

完成表1時應(yīng)注意以下事項：

(1)分清預(yù)測因子(即危險物質(zhì))的質(zhì)量釋放速率與泄漏氣體(包含危險物質(zhì)和其他組分)的體積流量，兩者之間不是單純的單位換算，應(yīng)根據(jù)PFD上的物流組成分別給出確切數(shù)據(jù)。

(2)由于設(shè)備管線中物料的溫度壓力甚高，泄漏至常溫常壓大氣環(huán)境中將急劇膨脹，并呈現(xiàn)出噴射狀態(tài)，分為靠自身能量主動擴散和隨大氣流動被動擴散兩個階段，目前風險導(dǎo)則7.1中提供的擴散模式都是針對被動擴散階段的。故泄漏介質(zhì)的溫度和壓力對于確定被動擴散開始的位置(也可以理解為多煙團模式中煙團形成的位置)非常重要，應(yīng)根據(jù)工藝操作參數(shù)準確給出。

(3)安全評價軟件DNV中的LEAK模塊可計算出容器類設(shè)備和管線上不同泄漏孔徑的物質(zhì)釋放率及其出現(xiàn)頻率，但該數(shù)據(jù)小于PFD上的物料平衡數(shù)據(jù)，因而目前環(huán)評審查時常為評審專家所質(zhì)疑，為避免歧義，建議環(huán)境風險評價中一律按保守考慮，設(shè)定泄漏情景為系統(tǒng)單元間連接管線完全斷裂，泄漏速率與PFD保持一致，泄漏持續(xù)時間為安全截斷閥響應(yīng)動作的時間。

(4)對于流量較大的合成氣管線，注意截斷閥關(guān)閉后管道內(nèi)剩余物料的泄放過程。

(5)對于按照“N+1”原則設(shè)置雙系列的酸性氣制酸單元，環(huán)境風險評價時通常可考慮一個系列的酸性氣管線出現(xiàn)泄漏。

3 大氣環(huán)境風險預(yù)測

3.1 預(yù)測方法選擇

考慮到示范工程擬建廠址屬于復(fù)雜地形和復(fù)雜風場，具有較強的局地氣象特征，故大氣環(huán)境風險預(yù)測采用了兩種預(yù)測方法：

(1)基于廠址實際氣象條件的煙團模式

采用CALPUFF模式，其是《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則大氣環(huán)境》[2]推薦的用于復(fù)雜地形下和非均勻流場條件下的煙團軌跡模型，可運算短時間(1 h)內(nèi)的污染擴散情況，適用于大氣環(huán)境風險評價的危害后果預(yù)測。

氣象資料按風險導(dǎo)則要求選取近5年中連續(xù)一年的氣象數(shù)據(jù)，通過CALPUFF模式進行篩選，挑選最不利氣象條件進行預(yù)測。

(2)基于人為組合氣象條件的煙團模式

采用風險導(dǎo)則推薦的煙團大氣擴散模式，在人為組合氣象條件(風速和大氣穩(wěn)定度)下估算擬建項目最大可信事故泄漏危險物質(zhì)在下風向上地面污染濃度的擴散范圍。

人為組合氣象條件如下：風速為0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、1.8 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s、3.5 m/s；大氣穩(wěn)定度為F類和D類。

首先需明確：兩種預(yù)測方法的大氣擴散模型都是基于多煙團模式，均符合現(xiàn)行風險導(dǎo)則的要求。相比于第一種預(yù)測方法，第二種預(yù)測方法除計算過程較為簡便外存在著如下缺陷：

①未考慮擬建廠址的局地地形和風場特征，不同危害等級的地面濃度范圍只能以同心圓(最大可信事故為圓心)表示。

②人為組合的氣象條件不能涵蓋當?shù)乜赡艹霈F(xiàn)的最不利氣象條件。

③由于未結(jié)合擬建廠址的氣象條件和局地特征，因此不能給出具體敏感目標可能出現(xiàn)的最大地面污染濃度和對應(yīng)的氣象條件，故對制定評價區(qū)域具備可操作性的環(huán)境風險應(yīng)急預(yù)案(特別是企業(yè)周邊居民的撤離方案)的指導(dǎo)意義不大。

因此，第二種預(yù)測方法只能作為估算方法，用于事故源周圍環(huán)境特征均一簡單且對預(yù)測結(jié)果要求不高的二級環(huán)境風險評價中。

3.2 預(yù)測結(jié)果分析

預(yù)測結(jié)果表明，煤制烯烴示范工程5種最大可信事故中，以粗合成氣管線破裂毒氣泄漏事故對環(huán)境的危害最為嚴重。

以甲醇裝置氣化單元CO泄漏事故為例，通過兩種方法預(yù)測結(jié)果的對比，得出如下結(jié)論：

(1)第一種方法CO地面污染濃度超LC50和IDLH的距離比第二種方法要大1倍到2倍，可見第二種篩選氣象條件的方法并不能揭示事故發(fā)生后最不利的環(huán)境危害；

(2)第二種方法出現(xiàn)CO最大地面污染濃度的氣象條件為風速1.5 m/s、穩(wěn)定度D類，可見某些環(huán)評單位認為風險預(yù)測最不利的氣象條件為靜風(0.5 m/s以下)和穩(wěn)定(F類)氣象條件的觀點并不完全正確。大氣靜穩(wěn)氣象條件對大尺度范圍的污染物擴散不利，但該常識不完全適用于較低矮的最大可信事故泄漏源在周圍3 km或5 km范圍內(nèi)的局地小尺度范圍擴散。

3.3 應(yīng)注意的問題

根據(jù)實踐經(jīng)驗，我們認為在使用大氣擴散模式計算地面污染濃度時應(yīng)注意以下兩個問題：

(1)泄漏源高度不要與擴散計算公式中的有效源高He混為一談，由于泄漏物料具備較高的溫度和壓力，從泄口釋放出來后在熱力抬升和動力抬升的作用下，若垂直地面向上噴射，其有效源高He可能幾倍于泄口的幾何高度。常見環(huán)評單位在模式計算時將He固定為泄漏源的高度，這只適于從泄口釋放后與地面平行水平噴射的極端情景，往往會得出很高的地面污染濃度，這不免有失偏頗。筆者認為風險計算時考慮物料噴射方向與地面夾角為0度到90度間，相應(yīng)有效源高He取源高與垂直噴射抬升后高度的均值較接近實際情況，預(yù)測結(jié)果合理可信。

(2)結(jié)合最大可信事故發(fā)生后危險物質(zhì)在不同泄漏階段的持續(xù)時間，注意動態(tài)評價敏感或關(guān)心區(qū)域地面污染濃度的變化情況，以此作為制定環(huán)境風險應(yīng)急預(yù)案中應(yīng)急響應(yīng)和人員撤離計劃的理論依據(jù)。

4 非正常工況排放最小化方案與環(huán)境風險管理措施

從廣義上講，項目向環(huán)境非正常排放污染物與事故發(fā)生后危險物質(zhì)直接泄入環(huán)境或伴生污染物進入環(huán)境都應(yīng)屬于環(huán)境風險的研究范疇。特別是對于煤化工行業(yè)，由于加工的原料是固態(tài)煤，在現(xiàn)有技術(shù)水平下難以確保其核心設(shè)備——氣化爐的長周期穩(wěn)定運行，目前國內(nèi)建成投用的煤制烯烴工程的甲醇裝置氣化單元在開停工過程、定期氣化爐切換及系統(tǒng)置換過程中產(chǎn)生的合成氣全部進入火炬系統(tǒng)燃燒后排放，在不利氣象條件下會導(dǎo)致未完全燃燒的污染物大量超標頻繁排放。但煤化工企業(yè)為何不能像石油煉制或石油化工企業(yè)一樣設(shè)置全廠火炬氣回收系統(tǒng)呢？究其原因，不在技術(shù)而在經(jīng)濟層面上，由于煤化工合成氣的主要成分為CO和H2，碳氫比遠小于煉廠火炬氣，熱值低，屬于低位能燃料氣，不能作為工藝加熱爐的燃料氣使用，與火炬氣回收系統(tǒng)的投資和運行成品相比回收效益較低。

盡管如此，為提高工廠能效、保護環(huán)境，切實落實國務(wù)院《大氣污染防治行動計劃》的要求，示范工程承擔煤化工行業(yè)大氣污染物減排的環(huán)保示范任務(wù)，增設(shè)氣柜和壓縮機設(shè)置了全廠火炬氣回收系統(tǒng)，實施非正常工況排放最小化方案，對上述非正常工況中排放的火炬氣進行回收利用，送園區(qū)配套的熱電聯(lián)產(chǎn)動力站作為燃煤的輔助燃料氣，并利用其CFB鍋爐的脫硫脫硝設(shè)施進行減排，只有在火災(zāi)爆炸極端事故工況下須緊急放空的系統(tǒng)在線可燃氣體才由火炬系統(tǒng)進行焚燒處理，確保裝置的安全。

另外，為實現(xiàn)項目環(huán)境風險可控的最終目標，示范工程在設(shè)計、建設(shè)和運行過程中還應(yīng)確保設(shè)計提出的各項安全防范措施和環(huán)評提出的風險減緩措施的落實和實施，結(jié)合環(huán)境風險危害程度、影響范圍和持續(xù)時間等的預(yù)測結(jié)果，完善并落實與園區(qū)、地方政府聯(lián)動且納入其防控體系的環(huán)境風險應(yīng)急預(yù)案。

5 小結(jié)

伴隨著煤化工行業(yè)在我國的發(fā)展，煤制烯烴項目的環(huán)境風險評價工作開展較晚，其工作程序、技術(shù)方法還有很多不完善的地方，本文僅從實際環(huán)評工作的角度給出了如何進行環(huán)境風險評價的一種思路，其中必有考慮不周之處，希望有關(guān)專家、其他同行批評指正，并可就此問題開展更為深入的探討。

[1] 國家環(huán)境保護總局. HJ/T 169—2004 建設(shè)項目環(huán)境風險評價技術(shù)導(dǎo)則[S]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2005.

[2] 環(huán)境保護部. HJ 2.2—2008 環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境[S]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2009.

[3] 胡德福. 化學(xué)突發(fā)事故風險評估的研究與應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社,1995.

[4] 胡二邦. 環(huán)境風險評價實用技術(shù)和方法[M]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2000.

[5] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局. 安全評價[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 2005.

Principle, Procedure and Technique of Atmospheric Environmental Risk Assessment for Coal-based Olefins Projects

RAO Wei-xin, QU Mei

(Sinopec Engineering Incorporation, Beijing 100101, China)

In this article, we probed into the common principle, working procedure and technique of environmental risk assessment for coal-based olefins projects with an example of coal chemical key-point demonstration construction of Sinopec. We clarified and defined the accident style and assessment standard system of atmospheric risk for coal-based olefins projects. We offered the parameter confirming method for maximum credible accident items and skills for atmospheric risk forecast. Drawing lessons from current petrochemical plants, we put forward a recommended minimization strategy for abnormal waste gas emission from coal chemical projects, i.e. installing flare gas recovery system for the whole factory. We also brought forward some questions needed to be solved in environmental risk assessment at present, which should be a reference for EIA technicians.

coal-based olefins; atmospheric environmental risk assessment; maximum credible accident; effective lifting height; recovery system of flare gas

2017-01-04

饒未欣(1970—)，男，北京人，高級工程師，研究生學(xué)歷，主要從事環(huán)境科學(xué)及工程研究，E-mail：raowx@sei.com.cn

10.14068/j.ceia.2017.03.018

X820.4

A

2095-6444(2017)03-0070-05