曹金康,王芳

(青岛科技大学 环境与安全工程学院,山东 青岛 266042)

CO2浓度增加会导致温室效应,从而引发一系列气候问题[1]。2020年9月,中国在第七十五届联合国大会上承诺努力争取2060年前实现碳中和。碳捕获、利用与封存(CCUS)技术通过批量捕获二氧化碳,然后用于合成化学品或地质封存将其从大气中分离出来,从而减少来自固定来源的排放[2]。这项关键技术方案为实现电力、钢铁、水泥和化工等重点行业碳减排提供了一条低成本的途径[3]。

CO2资源化利用可以有效帮助实现碳中和目标[4]。但工业规模的CCUS系统应用会不可避免地带来许多重大挑战。Zhang等研究了CCUS未来试点规模和工业应用必须面临的关键挑战和问题[5]。Hepburn等分析了CCUS系统的经济效益[6]。Hasan等设计了CCUS供应链网络来源与利用/封存的最佳连接,以实现最低成本[7]。区域产业链的增长所导致的材料与自然资源的交换,造成了新的安全风险问题,李琦等对CO2地质封存环境风险评价方法进行研究[8],Sara Badr等提出了一种关于CO2捕集的环境、健康和安全风险评估框架[9],Koornneef等对CO2捕获、运输和封存的环境和风险进行了评估[10],Chen等对CCUS系统部署规划和所带来的风险进行了讨论[11],Liu等提出了一种CCUS项目风险评估的决策模型[12],Krzemien等针对CO2捕集过程中的腐蚀风险进行了评估[13],Cuéllar-Franca等对CCUS技术的环境影响进行了评估[14]。综上,较少有人从系统视角研究CCUS供应链网络的事故影响范围。

1 研究模型

1.1 研究内容

基于ALOHA软件评估区域CCUS系统的潜在安全风险。通过建立CCUS全供应链过程可能发生的事故模拟模型,得到区域CCUS的事故影响范围。从区域CCUS系统的角度,探讨各模块之间发生多米诺效应的最大距离。

(1)进行初始参数设计,基于特定的大气、环境信息对CCUS单个模块可能发生的事故运用ALOHA软件模拟;

(2)基于给定CCUS系统各模块实际地理位置,绘制风险地图,从地理位置的角度定量测算事故影响范围与多米诺效应临界值。

创新点如下:(1)针对现有的CCUS模块,基于ALOHA仿真软件建立了事故模拟模型,预测了CCUS系统模块的事故影响范围。(2)基于事故后果影响,对于CCUS系统多米诺效应进行风险分析,得到模块之间临界距离。

1.2 研究方法

1.2.1 区域CCUS系统模块单元划分

CCUS是指对全链中涉及的各个环节依据一定原则进行集成,形成一条捕集、运输、利用与封存CO2技术链。集成CCUS全链条包含对多个环节的串联,整个链条涉及CO2排放源模块、CO2捕集模块、CO2运输模块以及CO2封存/利用技术模块。

各模块的组成和功能如下:

(1)CO2排放源模块主要包括火电行业、石化与化工行业、水泥行业与钢铁行业等。由于涉及化石燃料的燃烧和转化过程,因此具有CO2排放量大、浓度高的特点。

(2)CO2捕集模块是指将CO2从工业生产的烟气中分离提纯的过程,主要分为燃烧前捕集、燃烧后捕集与富氧燃烧三种技术。

(3)CO2输送模块是指将捕集的CO2运送到可利用或封存场地的过程,可以分为罐车、船舶和管道运输。

(4)CO2利用和封存模块是指通过工程技术手段将捕集的CO2实现资源化利用的过程。根据工程技术手段的不同,可分为CO2化工利用和CO2生物/地质利用等。其中,CO2地质利用是将CO2注入地下,用于提升石油采收率等功能,而化学利用是用于合成化学物质。

1.2.2 ALOHA软件模拟区域CCUS系统模块事故影响范围

ALOHA是基于数学模型的事故模拟软件,用来模拟与化学品泄露有关的关键灾害[15]。通过输入参数,包括时间、地点、化学品性质、建筑物、气象以及泄漏具体情况等,来模拟危险化学品火灾、爆炸和中毒等事故后果,预测事故影响范围[16]。在CCUS系统中,CO2排放源模块中的CO毒气泄漏,CO2化学利用模块中甲醇、碳酸二甲酯等化学品泄漏引发的火灾及爆炸事故,都会对周边工人及居民造成危害。针对区域内特定环境运用ALOHA软件进行模拟,可以更有针对性地进行防范,具体流程如图1。

图1 CCUS安全风险评估模型

2 案例研究

如图2所示,目前东营市拥有煤气化发电厂P1、磷酸二甲酯厂C1、甲醇厂C2,电厂产生的烟气采用燃烧后捕集的醇胺法提纯CO2,通过管道运输,用于生产甲醇、磷酸二甲酯等化学品。假设未来形成完整的CCUS系统,评估其发生事故的影响范围,并绘制风险地图,可以更有针对性地进行事故处置和应急救援。

图2 区域CCUS系统事故模拟流程图

2.1 ALOHA软件模拟CCUS事故影响范围

模拟事故情景为:2022年12月6日下午4点,发电厂P1的管道出现破损导致CO泄漏、C1厂碳酸二甲酯立式储罐和C2厂甲醇卧式储罐的筒体被破坏,预测其造成的事故影响范围,具体模拟条件见表1。

表1 CCUS模块事故模拟条件

根据图3的模拟结果可以看出,发电厂P1发生CO毒气泄漏事故后,会产生一个扇形事故范围。其中泄漏点下风向最大长度1.3 km的扇形区域为EPRG-3,该区域CO浓度在500×10-6以上,此区域的人员若不佩戴防毒面罩等用具短时间内就会死亡。EPRG-2为下风向最大长度1.5 km的扇形区域,此区域CO的浓度为350×10-6以上,此区域仍然为危险区域。ERPG-1为下风口最大长度2 km的扇形区域,CO的浓度为200×10-6以上,该区域涉及范围广,因此一旦出现泄漏应立即疏散人群在此范围以外,并且实施封闭流程。

图3 发电厂P1一氧化碳泄漏的EPRG中毒范围

为了避免CO毒气事故的发生,工厂应该选择密封性良好的阀门和管件,同时应在装置附近安装一个在发生事故时发出警报的毒气浓度检测器。工艺装置区域内的每个压力系统必须配备一个安全阀,当设备超过正常操作压力和其他正常操作条件时,该安全阀能够释放产生的气体。运行期间,气体输送管道的主要污染源是清管、集球和设备维护。

碳酸二甲酯厂C1池火灾火焰热辐射影响的ALOHA模拟结果如图4所示。可以得到结论:(1)距离池火灾越远,受到的热辐射越小,同时池火的热辐射随着距离的增大,衰竭的速度越慢。(2)受风向影响,距储罐中心-10～15 m范围内为死亡区,此区域人员受到热辐射超过10.0 kW/m2,滞留1 min人员将死亡;距储罐中心-15.4～21.2 m范围内为重伤区,在此区域滞留1分钟人员会造成二度烧伤,受到热辐射超过5.0 kW/m2;距储罐中心-25.8～32.7 m范围内为轻伤区,在此区域受到热辐射超过2.0 kW/m2;距液池中心32.7 m范围外,为安全区。池火焰所产生的高温会使储罐继续加热,继而演变为BLEVE爆炸事故,造成更严重的事故后果。BLEVE爆炸事故影响范围为半径914 m的圆;图5可以看出,半径390,574,914 m分别为死亡区、重伤区、轻伤区的分界线,当>914 m时为安全区。

图4 碳酸二甲酯厂C1池火热辐射威胁区域图

由图6可以看出,受风向影响,甲醇厂C2在距液池中心-5.96～11.5 m,-6.73～13.7 m,-10.6～17.7 m范围内分别为死亡区、重伤区和轻伤区,距液池中心17.7 m范围外,为安全区。图7表示了BLEVE爆炸事故影响范围为半径337 m的圆;图7可以看出,半径148,213,337 m分别为死亡区、重伤区、轻伤区的分界线,当>337 m时为安全区。

图6 甲醇厂C2池火热辐射威胁区域图

图7 BLEVE热辐射威胁区域图(C2)

从图8可以看出,P1厂CO管道泄漏的事故影响范围最大:事故发生后,泄漏点下风向1.3,1.3～1.5 km,1.5～2 km的范围内CO浓度分别达到500×10-6,350×10-6和200×10-6以上。其次是C1厂碳酸二甲酯储罐泄漏引发的BLEVE爆炸事故,事故影响范围为半径914 m的圆。甲醇储罐泄漏事故影响范围最小,事故影响范围为半径337 m的圆。

图8 事故影响范围柱状图

从图9可以看出,东营市拥有CO2排放源模块的煤气化发电厂P1,CO2化学利用模块的碳酸二甲酯厂C1,甲醇厂C2。相较碳酸二甲酯厂C1,甲醇厂C2化学品储罐发生BELEVE爆炸,煤气化发电厂P1发生气体泄漏影响范围更加大。同时化工厂规模、储罐大小等也影响着事故范围。随着CCUS系统部署越发密集,爆炸事故会引发连锁反应,其危险程度更高。

图9 事故影响范围地图

2.2 区域CCUS系统多米诺效应的风险分析

多米诺效应指初始事故发生后,其产生的影响向临近装置扩展,触发一个或多个二级事故,进而导致更多事故发生,最终导致事故后果更严重。多米诺效应发生的条件包括:(1)具有初始事故;(2)初始事故通过热辐射、冲击波等方式对临近装置造成伤害;(3)装置之间距离较近,符合二次事故的触发条件。多米诺效应主要发生在园区、供应链较长的化工系统中。

由于CCUS系统涉及多个模块,单个模块发生爆炸事故时往往会引起多米诺效应,波及其余模块造成二次事故,从而导致了总体结果比初始爆炸事故的后果更加严重。虽然毒气泄漏事故也可能会造成多米诺事故,但其主要是针对人员中毒或者与其他化学物质发生反应,因此本文只讨论由于热辐射所导致多米诺效应。总结各种初始事故场景下发生多米诺效应的阈值[17]见表2。

表2 不同事故场景的多米诺效应临界值

C1厂的碳酸二甲酯立式储罐和C2厂的甲醇卧式储罐作为常压容器,设定热辐射为15 kW/m2的临界范围,由图10可以看出,C1发生多米诺效应的临界距离为半径304 m的圆,即当有临近装置在这个范围内,则C1厂发生事故后会引发二次事故,出现多米诺效应;由图11可以看出,C2发生多米诺效应的临界距离为半径117 m的圆,即当有临近装置在这个范围内,则C2厂发生事故后会引发二次事故,出现多米诺效应。当两圆外切时为两厂的临界安全距离,此时C1厂或C2厂其中一个发生事故后,不会因为热辐射导致另外一个厂发生二次事故,临界距离为421 m。基于实际地理位置,本案例CCUS系统中C1厂与C2厂距离大于421 m,则一方发生爆炸事故时不会引起多米诺效应,但仍然要加强对化学品罐区周边设施的应急能力建设,熟悉储罐泄漏事故发生后造成的影响及严重程度,同时对操作人员根据储罐泄漏事故模拟结果进行有针对性的应急培训。另外一旦储罐发生泄漏事故,消防救援队伍可以参考模拟结果第一时间掌握扩散范围,完成侦检、部署、警戒和疏散工作,并且应该及时对罐体进行稀释降温,防止出现蒸汽云团从池火灾演变为BLEVE爆炸。

图10 碳酸二甲酯厂C1的多米诺效应范围图

图11 甲醇厂C2的多米诺效应范围图

3 结论

(1)基于ALOHA软件模拟区域CCUS系统的事故影响范围,并从系统的角度模拟发生多米诺效应的临界值。碳酸二甲酯厂发生多米诺效应的临界距离为半径304 m的圆,甲醇储罐发生多米诺效应的临界距离为半径117 m的圆。基于实际地理位置,当一方发生爆炸事故时并不会引起多米诺效应。

(2)以山东省东营市为例,该区域CCUS系统事故影响范围由大到小依次为煤气化发电厂、碳酸二甲酯厂、甲醇厂,并绘制事故范围风险地图。