程全国, 张书源

(沈阳大学 区域污染环境生态修复重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

我国是“富煤、贫油、少气”的国家,这一特点决定了煤炭在我国一次性能源生产和消费中占据主导地位且长期不会改变[1-2].煤因为碳含量高且含有硫、氮等杂原子和芳香族类物质等,其作为可利用能源带来了严重的环境问题.而煤的芳香族稠环结构和高芳碳含量是其作为化工原料的优势条件,其非能源即煤化工利用取得了巨大的经济与社会效益.煤化工主要是炼焦及煤焦化工、气化与碳化工、煤炭液化、电石及乙炔化工等.煤焦化即煤炭高温干馏,是指以煤为原料,在隔绝空气条件下加热到950 ℃左右,经高温干馏生产焦炭同时获得煤气、煤焦油并回收其他化工产品的一种煤转化工艺[3-4].

焦化行业作为煤化工行业中的一种,是资源型城市的典型行业.辽宁省作为东北老工业基地,资源型城市较多,截至2018年,辽宁省注册运营的焦化企业有53家.焦化项目涉及的原辅材料和产品众多,其中很多属于易燃、易爆或有毒、有害的危险物质,突发环境事故的风险隐患较大.目前,针对焦化项目的环境风险研究多是从焦化行业的角度,根据不同的评价人员的判断方法、闽值、模型进行风险评价,缺少对于某个具体事故发生前的情景模拟,以及事故对周围人群可能产生的影响的具体研究[5].事故发生前的情景模拟研究对于风险评价具有重要参考价值.

本文以某市焦化厂为研究对象,通过分析该厂历年突发事故统计结果,得知焦炉荒煤气放散为该厂主要突发大气环境污染事故.应用EIAProA 2018软件对该事故进行情景模拟,并对模拟结果进行网格化分析,从而估算该厂周围可能受影响人群的人数及影响程度,为制定相应的突发环境事故应对措施和有针对性的降低事故风险提供参考依据.

1 研究对象所在区域背景

1.1 地理位置

某焦化厂位于某市中心的一个拥有焦化、炼铁、炼钢、轧钢、 动力、运输、机械加工制造、贸易、科研开发等配套齐全的大型钢铁联合企业内部,焦化厂周边有特钢厂、能管大楼、发电厂、连铸厂房等区域.整个厂区呈矩形,占地面积约55万m2.

1.2 气象条件

地面多年常规气象资料来源于该钢铁厂气象站,该站距焦化厂所在地偏东北约1 km.本次工作收集了2017年1月—2018年12月期间共计24个月的逐日、逐时的常规地面气象资料,数据包括时间、气温、总云量、低云量、风向、风速等.

该地区全年盛行东南风、南东南风和东东南风,年平均风速0.8 m·s-1.根据云量数据可估算该地区全年处于B大气稳定度下,具体平均数据见表1～表3.

表1 各月平均气温Table 1 Average temperature of each month ℃

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

表3 各月平均主导风向Table 3 Average dominant wind direction of each month

2 荒煤气放散事故分析

炼焦制气是将精洗煤在焦炉炭化室密封干馏,同时生成荒煤气,炉内处于高温、正压状态,荒煤气必须不断引出,否则炉内压力迅速升高,荒煤气就会从炉内大量逸出.焦炉荒煤气是炼焦生产过程中的主要污染源,当煤气鼓风机故障、焦炉大停电、荒煤气疏导系统故障等造成集气管压力居高不下时,荒煤气只能直接排入大气,造成大面积的环境污染事故,并直接威胁到现场生产岗位的职业健康,以及周边环境受体,甚至是城市的空气质量.为此,必须将煤气通过放散管进行有组织的放散[6-7].

荒煤气放散事故有荒煤气未经燃烧直接放散(从焦炉直接放散和荒煤气点火装置失灵从放散管放散)和荒煤气经燃烧后放散[8]2种状态.

分析该焦化厂近10年出现焦炉荒煤气放散事故的统计结果可知,由于鼓风机失灵或者人为操作失误造成的荒煤气放散事故在较短时间内即可恢复正常,而由于停电造成的荒煤气放散事故污染较严重,每年发生1～2次,并持续15～20 min,放散类型皆为荒煤气燃烧放散.按最不利情况考虑,本次估算时间选取20 min.荒煤气燃烧后非正常排放二氧化硫,此时污染物比较单一,仅有二氧化硫,可以很方便地进行计算.根据现场调查该焦化厂焦炉的技术参数可知20 min荒煤气放散量为10 416 m3,其燃烧后产生二氧化硫为360 kg,二氧化硫排放源强为300 g·s-1.

3 荒煤气燃烧放散影响分析

3.1 风险源强估算

在对荒煤气放散事故进行情景模拟时,本文选取EIAProA 2018软件进行模拟,该软件内核为《建设项目环境风险评价技术导则》(HJ 169-2018)推荐的SLAB和AFTOX模型,可实现风险事故的模拟预测[9-10].

应用EIAProA 2018风险源强计算模块进行风险源强估算时,首先输入荒煤气燃烧放散时主要污染物二氧化硫(CAS 7446-09-5),容器内部温度取荒煤气放散管内部温度90 ℃,内部压力350 Pa,裂口面积为放散管口截面面积4 069 cm2,选择纯气体泄漏方程,根据软件计算结果,此时二氧化硫气体的理查德森数Ri≥1/6,判断二氧化硫为重质气体,所以模拟采用适用于重质气体的SLAB模型.

3.2 SLAB模型模拟

根据该焦化厂所处的地理位置,在Google Earth中搜索并下载该焦化厂卫星图.在SLAB模型中,由于焦炉放散管较为分散,选取厂区中心点作为地图相对坐标的原点,并以此原点、焦化厂卫星图为背景图构建直角坐标系.大气稳定度等级设为B级,风向、风速、温度、湿度按月平均值计算,二氧化硫排放源强取300 g·s-1,源高度取焦炉放散管口距地面高度28 m.

根据文献[11]可知,大气中二氧化硫质量浓度在1.43 mg·m-3以上对人体已有潜在影响,所以将1.43 mg·m-3设为阈值范围的起始质量浓度.应用软件模拟出焦化厂所在区域地图中的事故发生时二氧化硫质量浓度大于或等于1.43 mg·m-3的全部区域范围.由于事故在全年12个月中均有可能发生,所以本文将事故在1月—12月每个月的事故情景依次进行模拟,模拟结果如图1所示.圆圈内为风险源强一定时,所有可能处于受二氧化硫影响的区域.扇形区域内为风险源强一定,并在当月气象条件下可能受二氧化硫影响的区域.

3.3 焦化厂周围人群分析

结合当地风玫瑰图及该市社区及企业分布,将焦化厂周边人群确定为15个区域,并通过调查走访核对每个区域的人口数,见表4.

3.4 荒煤气放散影响的网格化分析

为详细估算各人群区域在事故发生时可能受影响的人数及程度,对各月二氧化硫范围图进行网格化分析.通过不断实验,单位网格面积为100 m×100 m大小较为合适. 利用Photoshop绘制网格覆盖二氧化硫区域范围图中的扇形区域并对网格进行标号, 如图2所示. 结合网格及背景图, 识别出处于人群区域的每个网格, 并将每个处于人群区域网格的标号进行记录. 选取每个记录后的网格中心点坐标位置的质量浓度作为该网格的代表浓度. 并用EIAProA 2018软件计算出各网格中心点在事故发生时二氧化硫质量浓度的最高点, 以此最高点质量浓度代表该网格内人群在事故发生时可能受到的最大影响程度.

表4 焦化厂周边人群分布情况Table 4 Population distribution around the coking plant

3.5 荒煤气放散人群影响估算

根据文献[12]可知,二氧化硫急性吸入质量浓度为0～1.43 mg·m-3时对人体无影响;质量浓度为1.43～8.58 mg·m-3时对人体已有潜在影响,并使人体感到刺激;质量浓度为8.58～57.20 mg·m-3时人体轻度中毒;质量浓度为57.20～1 144.00 mg·m-3时人体重度中毒;质量浓度为1 144.00 mg·m-3以上时人体将有致死风险.据此,将二氧化硫的浓度对人群影响程度划分为5个级别,见表5.

表5 二氧化硫人群影响程度级别Table 5 Level of influence of sulfur dioxide on population

在估算事故发生时受二氧化硫影响的人口数量时,由于无法准确得知事故发生时各区域及各单位网格内的人口数量,本文假设各区域人口在区域内是平均分布的.将单位网格面积与所属区域面积的比例作为该单位网格可能存在人口数量与所属区域人口数量的比例,估算单位网格内可能存在的人口数量.根据上文所述,二氧化硫急性吸入的质量浓度在0～1.43 mg·m-3区间内对人体无影响,所以只估算了二氧化硫质量浓度大于1.43 mg·m-3的受影响人口数量.估算结果见表6～表9,各级别中不包含的区域人口数量记为0或不体现于表格中,不包含的月份不体现于表格中.

表6 事故发生时各月处于级别4的各区域人口数量Table 6 Number of people in regions of level 4 in each month at the time of accident

表7 事故发生时各月处于级别3的各区域人口数量Table 7 Number of people in regions of level 3 in each month at the time of accident

表8 事故发生时各月处于级别2的各区域人口数量Table 8 Number of people in region of level 2 in each month at the time of the accident

表9 事故发生时各月处于级别1的各区域人口数量

根据估算结果可知,对于厂外区域的人群,当焦化厂荒煤气放散事故发生时,人群受影响程度在1月—2月处于级别4,影响程度较小;对于厂内区域的人群,当焦化厂荒煤气放散事故发生时,在1月—12月人群都会受到影响,影响程度为1-4级别不等.如事故发生在2月份,1#区域(社区)、2#区域(社区)、14#区域(特钢厂)、15#区域(储运中心)受影响人口数比其他月份多;如事故发生在12月份,3#区域(社区)受影响人口数比其他月份多;如事故发生在2、3月份,4#区域(学校)受影响人口数比其他月份多;如事故发生在1月份,5#区域(社区)、6#区域(企业)受影响人口数比其他月份多;如事故发生在6月份,7#区域(社区)、8#区域(社区)、13#区域(冷轧厂)受影响人口数比其他月份多;事故发生时,9#区域(社区)、10#区域(企业)人群全年处于无影响区域,区域内人群将几乎不受事故影响;11#区域(企业)人群仅当事故发生在2月份时会受影响;如事故发生在7、8月份,12#区域(焦化厂)受影响人口数比其他月份多,并有部分人群可能有致死风险.

4 结 论

从以上分析可知,一旦焦化厂发生荒煤气燃烧放散事故,可能会对周围人群造成潜在或直接影响,并可能对厂内人员造成中毒及致死风险.焦化厂可针对各月份及各区域的受影响人口数及程度制定突发环境事故应对措施.该焦化厂7、8月份发生事故时,由于可能造成焦化厂厂内区域人群死亡,所以应重点防范风险.其余各月份可根据受影响人口数及程度依次制定防范措施,将环境风险对企业及周围人群的影响减小到最低.