程全國(guó), 張書(shū)源

(沈陽(yáng)大學(xué) 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽(yáng) 110044)

我國(guó)是“富煤、貧油、少氣”的國(guó)家,這一特點(diǎn)決定了煤炭在我國(guó)一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)中占據(jù)主導(dǎo)地位且長(zhǎng)期不會(huì)改變[1-2].煤因?yàn)樘己扛咔液辛颉⒌入s原子和芳香族類物質(zhì)等,其作為可利用能源帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)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(shì)條件,其非能源即煤化工利用取得了巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)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(shí)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(cè)運(yùn)營(yíng)的焦化企業(yè)有53家.焦化項(xiàng)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(xiǎn)物質(zhì),突發(fā)環(huán)境事故的風(fēng)險(xiǎn)隱患較大.目前,針對(duì)焦化項(xiàng)目的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)研究多是從焦化行業(yè)的角度,根據(jù)不同的評(píng)價(jià)人員的判斷方法、閩值、模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),缺少對(duì)于某個(gè)具體事故發(fā)生前的情景模擬,以及事故對(duì)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(duì)于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有重要參考價(jià)值.

本文以某市焦化廠為研究對(duì)象,通過(guò)分析該廠歷年突發(fā)事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果,得知焦?fàn)t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(duì)該事故進(jìn)行情景模擬,并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)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(duì)措施和有針對(duì)性的降低事故風(fēng)險(xiǎn)提供參考依據(jù).

1 研究對(duì)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(gè)擁有焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼、 動(dòng)力、運(yùn)輸、機(jī)械加工制造、貿(mào)易、科研開(kāi)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(gè)廠區(qū)呈矩形,占地面積約55萬(wàn)m2.

1.2 氣象條件

地面多年常規(guī)氣象資料來(lái)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(jì)24個(gè)月的逐日、逐時(shí)的常規(guī)地面氣象資料,數(shù)據(jù)包括時(shí)間、氣溫、總云量、低云量、風(fēng)向、風(fēng)速等.

該地區(qū)全年盛行東南風(fēng)、南東南風(fēng)和東東南風(fēng),年平均風(fēng)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(jiàn)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(fēng)速Table 2 Average wind speed of each month m·s-1

表3 各月平均主導(dǎo)風(fēng)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?fàn)t炭化室密封干餾,同時(shí)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(huì)從爐內(nèi)大量逸出.焦?fàn)t荒煤氣是煉焦生產(chǎn)過(guò)程中的主要污染源,當(dāng)煤氣鼓風(fēng)機(jī)故障、焦?fàn)t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(shí),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(chǎng)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(guò)放散管進(jìn)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?fàn)t直接放散和荒煤氣點(diǎn)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?fàn)t荒煤氣放散事故的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,由于鼓風(fēng)機(jī)失靈或者人為操作失誤造成的荒煤氣放散事故在較短時(shí)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(yán)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(shí)間選取20 min.荒煤氣燃燒后非正常排放二氧化硫,此時(shí)污染物比較單一,僅有二氧化硫,可以很方便地進(jìn)行計(jì)算.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查該焦化廠焦?fàn)t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?yàn)?60 kg,二氧化硫排放源強(qiáng)為300 g·s-1.

3 荒煤氣燃燒放散影響分析

3.1 風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)估算

在對(duì)荒煤氣放散事故進(jìn)行情景模擬時(shí),本文選取EIAProA 2018軟件進(jìn)行模擬,該軟件內(nèi)核為《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 169-2018)推薦的SLAB和AFTOX模型,可實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)事故的模擬預(yù)測(cè)[9-10].

應(yīng)用EIAProA 2018風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)計(jì)算模塊進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)估算時(shí),首先輸入荒煤氣燃燒放散時(shí)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(jì)算結(jié)果,此時(shí)二氧化硫氣體的理查德森數(shù)Ri≥1/6,判斷二氧化硫?yàn)橹刭|(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?fàn)t放散管較為分散,選取廠區(qū)中心點(diǎn)作為地圖相對(duì)坐標(biāo)的原點(diǎn),并以此原點(diǎn)、焦化廠衛(wèi)星圖為背景圖構(gòu)建直角坐標(biāo)系.大氣穩(wěn)定度等級(jí)設(shè)為B級(jí),風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度按月平均值計(jì)算,二氧化硫排放源強(qiáng)取300 g·s-1,源高度取焦?fàn)t放散管口距地面高度28 m.

根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知,大氣中二氧化硫質(zhì)量濃度在1.43 mg·m-3以上對(duì)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(shí)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(gè)月中均有可能發(fā)生,所以本文將事故在1月—12月每個(gè)月的事故情景依次進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果如圖1所示.圓圈內(nèi)為風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)一定時(shí),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(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)一定,并在當(dāng)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(dāng)?shù)仫L(fēng)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(gè)區(qū)域,并通過(guò)調(diào)查走訪核對(duì)每個(gè)區(qū)域的人口數(shù),見(jiàn)表4.

3.4 荒煤氣放散影響的網(wǎng)格化分析

為詳細(xì)估算各人群區(qū)域在事故發(fā)生時(shí)可能受影響的人數(shù)及程度,對(duì)各月二氧化硫范圍圖進(jìn)行網(wǎng)格化分析.通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn),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(duì)網(wǎng)格進(jìn)行標(biāo)號(hào), 如圖2所示. 結(jié)合網(wǎng)格及背景圖, 識(shí)別出處于人群區(qū)域的每個(gè)網(wǎng)格, 并將每個(gè)處于人群區(qū)域網(wǎng)格的標(biāo)號(hào)進(jìn)行記錄. 選取每個(gè)記錄后的網(wǎng)格中心點(diǎn)坐標(biāo)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(jì)算出各網(wǎng)格中心點(diǎn)在事故發(fā)生時(shí)二氧化硫質(zhì)量濃度的最高點(diǎn), 以此最高點(diǎn)質(zhì)量濃度代表該網(wǎng)格內(nèi)人群在事故發(fā)生時(shí)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(xiàn)[12]可知,二氧化硫急性吸入質(zhì)量濃度為0～1.43 mg·m-3時(shí)對(duì)人體無(wú)影響;質(zhì)量濃度為1.43～8.58 mg·m-3時(shí)對(duì)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(shí)人體輕度中毒;質(zhì)量濃度為57.20～1 144.00 mg·m-3時(shí)人體重度中毒;質(zhì)量濃度為1 144.00 mg·m-3以上時(shí)人體將有致死風(fēng)險(xiǎn).據(jù)此,將二氧化硫的濃度對(duì)人群影響程度劃分為5個(gè)級(jí)別,見(jiàn)表5.

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

在估算事故發(fā)生時(shí)受二氧化硫影響的人口數(shù)量時(shí),由于無(wú)法準(zhǔn)確得知事故發(fā)生時(shí)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(duì)人體無(wú)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(jiàn)表6～表9,各級(jí)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(shí)各月處于級(jí)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(shí)各月處于級(jí)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(shí)各月處于級(jí)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(shí)各月處于級(jí)別1的各區(qū)域人口數(shù)量

根據(jù)估算結(jié)果可知,對(duì)于廠外區(qū)域的人群,當(dāng)焦化廠荒煤氣放散事故發(fā)生時(shí),人群受影響程度在1月—2月處于級(jí)別4,影響程度較小;對(duì)于廠內(nèi)區(qū)域的人群,當(dāng)焦化廠荒煤氣放散事故發(fā)生時(shí),在1月—12月人群都會(huì)受到影響,影響程度為1-4級(jí)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(chǔ)運(yùn)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(xué)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(shí),9#區(qū)域(社區(qū))、10#區(qū)域(企業(yè))人群全年處于無(wú)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(dāng)事故發(fā)生在2月份時(shí)會(huì)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(fēng)險(xiǎn).

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(huì)對(duì)周圍人群造成潛在或直接影響,并可能對(duì)廠內(nèi)人員造成中毒及致死風(fēng)險(xiǎn).焦化廠可針對(duì)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(duì)措施.該焦化廠7、8月份發(fā)生事故時(shí),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(diǎn)防范風(fēng)險(xiǎn).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(fēng)險(xiǎn)對(duì)企業(yè)及周圍人群的影響減小到最低.