煤制烯烃项目大气环境风险评价的原则、程序和方法——以某180万吨/年煤制烯烃示范工程为例

饶未欣，瞿梅

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

煤制烯烃项目大气环境风险评价的原则、程序和方法
——以某180万吨/年煤制烯烃示范工程为例

饶未欣，瞿梅

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

以中石化某重点煤化工示范工程为例，对煤制烯烃项目大气环境风险评价的一般原则、工作程序和技术方法进行了初步探讨。明确了煤制烯烃项目大气环境风险的事故类型、评价标准体系，梳理分析了最大可信事故源项参数的确定要点及大气环境风险预测的技巧，借鉴炼化企业现有的工程实践经验给出了推荐的煤化工项目非正常工况废气排放最小化方案，即全厂增设火炬气回收系统。同时本文也提出了煤化工项目大气环境风险评价目前存在的一些亟待解决的问题，供环评技术人员参考及探讨。

煤制烯烃；大气环境风险评价；最大可信事故；有效抬升高度；火炬气回收系统

现代煤化工是指以煤为原料，采用新型、先进的化学加工技术，使煤转化为气体、液体或中间产品的过程，主要包括以煤气化、液化为龙头生产合成天然气、合成油、化工产品等的能源化工产业。有序发展煤化工产业是我国实施资源化战略保障能源安全，实现煤炭高效清洁利用的关键举措。

但煤化工行业的自身特点也决定了其存在着水资源消耗、能效水平、经济性、废气排放、废渣利用、污水零排放等诸多令人关注的问题。尤其是非正常工况和发生事故时大气污染物大量超标排放给环境造成的短期风险性危害影响，一直以来都是环保主管部门对煤化工项目审查和监管的重点，也是企业周边公众和环保组织投诉的核心关注点。

本文以中石化某煤制烯烃升级示范工程(简称“示范工程”)为例，对煤化工项目大气环境风险评价工作中采用的一般原则、工作程序和技术方法作简要的介绍，希望得到广大环评工作者的批评指正。

1 环境风险评价的事故类型及其评价标准体系

该煤制烯烃示范工程包括180万吨/年煤制甲醇、180万吨/年甲醇制烯烃(MTO)、30万吨/年聚乙烯(LLDPE)和30万吨/年聚丙烯(PP)四套生产装置，及相配套的储运、水、电、汽、空分空压、火炬等公辅设施。

1.1 环境风险评价的事故类型

根据《建设项目环境风险评价技术导则》[1](简称“风险导则”)定义，最大可信事故是指在所有预测概率不为零的事故中，对环境(或健康)危害最严重的重大事故。笔者认为，该定义在实际工作中难以操作，实际上其已包含了环境风险评价的内容(即环境风险R是事故发生概率P与事故造成的环境或人体健康危害后果C的乘积)，如何能在还未进行危害预测的评价初始阶段就确定最大可信事故呢？另外，在安全评价管理体系下，事故概率和危害后果之间也是有联系的，即C是P的函数，则R的确定意义不大。因此，在实际工作中，最大可信事故的确定通常是依靠资深工艺安全专家的经验和头脑风暴，而风险导则的定义基本上没有现实指导意义。建议风险导则能指定一些在国际上成熟可靠、操作性强的安全分析方法(例如美国DOW化学公司的火灾、爆炸危险指数评价法)[3]来确定最大可信事故。

火灾爆炸在距事故点周围一定范围内可造成人员伤亡和设备损害，但其主要影响通常只限于工厂范围内，不会造成厂外人员的伤亡[5]。因此火灾、爆炸等安全事故属于安全评价工作范畴，对环境的风险更多集中在发生火灾爆炸事故时伴生/次生的环境危害。

综上所述，项目的环境风险评价主要考虑以下事故类型：

(1)设备、管线破损后有毒有害气体泄漏至大气环境，通过大气扩散污染环境空气质量，对周边人群的身体健康造成危害(直接事故)；

(2)储罐破损之后物料泄漏至防火堤内挥发出有毒有害气体，通过大气扩散污染环境空气质量，对周边人群的身体健康造成危害(次生事故)；

(3)发生火灾事故后伴生的有毒有害气体，通过大气扩散污染环境空气质量，对周边人群的身体健康造成危害(伴生事故)；

(4)极端火灾爆炸事故发生后，紧急放空气通过火炬燃烧后事故性排放。

1.2 评价标准体系

目前业界对环境风险R采用的评价标准已逐渐从行业可接受风险水平RL向《危险化学品生产、储存装置个人可接受风险标准和社会可接受风险标准》[4]过渡。但由于R值计算所需的环境风险概率P在实际工作中很难确定(至少应是事故发生概率和不利气象条件出现概率的乘积)，而且对于新兴煤化工行业来说缺少大量的事故统计数据支撑；另外，危害后果在现有毒理学研究资料的基础上也很难以死亡人数来表征，半致死浓度绝大部分是鼠类毒气熏蒸试验得出的数据，虽是物质毒性的表征，但并不意味着一定空间范围内毒气浓度达到了LC50就会造成其中50%人员的死亡，这是环境风险评价常见的误区之一。

有鉴于此，笔者建议在环境风险评价中弱化对风险可接受水平R值的评价，对最大可信事故的危害C采用大气模式预测的地面污染浓度来表征，相应的评价标准体系等级划分为：LC50(半致死浓度)、IDLH(立即危胁生命和健康浓度)、PC-STEL(工作场所短时间接触容许浓度)或MAC(工作场所最高容许浓度，指在一个工作日内任何时间都不应超过的浓度)、环境空气质量标准。在实际工作中，针对不同级别地面污染浓度出现的区域分别采取相应的环境风险防控措施。

2 最大可信事故源项参数的确定

2.1 最大可信事故情景设定

对事故后果的分析通常是在一系列假设的前提下进行的。《环境风险评价实用技术和方法》[4]介绍的典型泄漏主要有容器损坏(全部破裂)和接头泄漏(100%或20%管径)两种。当设备、管线中的易挥发液体物料发生泄漏时，大量泄漏的物料会蒸发到大气中，污染周围环境，遇火源会燃烧、爆炸，燃烧爆炸产生的污染物会对环境造成污染；当储罐中易挥发液体发生泄漏时，将在罐区防火堤内形成液池，其表面挥发的蒸气会对周围大气环境造成一定程度的污染影响。当气体管线发生泄漏时，有毒有害气体会直接排至环境空气中，造成周边环境的高浓度污染。

示范工程的所有工艺装置和储罐区均为重大危险源，存在着发生火灾、爆炸、毒气泄漏等重大事故的可能。

对于有毒有害气体泄漏事故而言，拟建项目涉及的主要毒害气体为硫化氢、一氧化碳、甲醇，本评价考虑这三种物质在厂区范围内的集中部位设置最大可信事故；对火灾爆炸伴生事故而言，本环评考虑示范工程实际存量与临界存量之比最大的重大危险源——甲醇储罐破裂泄漏进而发生池火燃烧并伴生CO毒气扩散作为最大可信事故。

在工艺专家的配合下，环评确定示范工程的5种最大可信事故如下：

(1)甲醇装置制酸单元进口酸性气管线破裂，泄漏硫化氢直接进入环境空气。

假设：①双系列中的一个系列发生事故；②管道100%破裂；③事故持续(泄漏)时间为10 min。

(2)10 000 m3甲醇储罐破裂，甲醇泄漏到防火堤内，蒸发进入环境空气。

假设：泄漏量为储罐总容积的20%。用风险导则推荐公式计算甲醇的质量蒸发速率。

(3)10 000 m3甲醇储罐破裂，甲醇泄漏在防火堤内发生池火，伴生CO。

假设：泄漏量为储罐总容积的20%。用风险导则推荐公式计算CO的质量产生速率。

(4)甲醇装置气化单元至变换单元之间的粗合成气管线破裂，泄漏CO直接进入环境空气。

假设：①双系列中的一个系列发生事故；②管道100%破裂；③管道破裂后至阀门关闭的响应时间为200 s，其中阀门关闭时间20 s；④阀门关闭后管道内剩余合成气全部泄放完毕时间为400 s。

(5)甲醇装置在发生较大火灾爆炸事故的极端情况下，紧急放空气进入火炬系统燃烧处理，常规火炬的燃烧持续时间为30 min、酸性气火炬的燃烧持续时间为10 min。

2.2 最大可信事故源项参数确定

根据实际工作中积累的经验，最大可信事故源项所需的参数如表1所示。

表1 最大可信事故源项参数表

完成表1时应注意以下事项：

(1)分清预测因子(即危险物质)的质量释放速率与泄漏气体(包含危险物质和其他组分)的体积流量，两者之间不是单纯的单位换算，应根据PFD上的物流组成分别给出确切数据。

(2)由于设备管线中物料的温度压力甚高，泄漏至常温常压大气环境中将急剧膨胀，并呈现出喷射状态，分为靠自身能量主动扩散和随大气流动被动扩散两个阶段，目前风险导则7.1中提供的扩散模式都是针对被动扩散阶段的。故泄漏介质的温度和压力对于确定被动扩散开始的位置(也可以理解为多烟团模式中烟团形成的位置)非常重要，应根据工艺操作参数准确给出。

(3)安全评价软件DNV中的LEAK模块可计算出容器类设备和管线上不同泄漏孔径的物质释放率及其出现频率，但该数据小于PFD上的物料平衡数据，因而目前环评审查时常为评审专家所质疑，为避免歧义，建议环境风险评价中一律按保守考虑，设定泄漏情景为系统单元间连接管线完全断裂，泄漏速率与PFD保持一致，泄漏持续时间为安全截断阀响应动作的时间。

(4)对于流量较大的合成气管线，注意截断阀关闭后管道内剩余物料的泄放过程。

(5)对于按照“N+1”原则设置双系列的酸性气制酸单元，环境风险评价时通常可考虑一个系列的酸性气管线出现泄漏。

3 大气环境风险预测

3.1 预测方法选择

考虑到示范工程拟建厂址属于复杂地形和复杂风场，具有较强的局地气象特征，故大气环境风险预测采用了两种预测方法：

(1)基于厂址实际气象条件的烟团模式

采用CALPUFF模式，其是《环境影响评价技术导则大气环境》[2]推荐的用于复杂地形下和非均匀流场条件下的烟团轨迹模型，可运算短时间(1 h)内的污染扩散情况，适用于大气环境风险评价的危害后果预测。

气象资料按风险导则要求选取近5年中连续一年的气象数据，通过CALPUFF模式进行筛选，挑选最不利气象条件进行预测。

(2)基于人为组合气象条件的烟团模式

采用风险导则推荐的烟团大气扩散模式，在人为组合气象条件(风速和大气稳定度)下估算拟建项目最大可信事故泄漏危险物质在下风向上地面污染浓度的扩散范围。

人为组合气象条件如下：风速为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；大气稳定度为F类和D类。

首先需明确：两种预测方法的大气扩散模型都是基于多烟团模式，均符合现行风险导则的要求。相比于第一种预测方法，第二种预测方法除计算过程较为简便外存在着如下缺陷：

①未考虑拟建厂址的局地地形和风场特征，不同危害等级的地面浓度范围只能以同心圆(最大可信事故为圆心)表示。

②人为组合的气象条件不能涵盖当地可能出现的最不利气象条件。

③由于未结合拟建厂址的气象条件和局地特征，因此不能给出具体敏感目标可能出现的最大地面污染浓度和对应的气象条件，故对制定评价区域具备可操作性的环境风险应急预案(特别是企业周边居民的撤离方案)的指导意义不大。

因此，第二种预测方法只能作为估算方法，用于事故源周围环境特征均一简单且对预测结果要求不高的二级环境风险评价中。

3.2 预测结果分析

预测结果表明，煤制烯烃示范工程5种最大可信事故中，以粗合成气管线破裂毒气泄漏事故对环境的危害最为严重。

以甲醇装置气化单元CO泄漏事故为例，通过两种方法预测结果的对比，得出如下结论：

(1)第一种方法CO地面污染浓度超LC50和IDLH的距离比第二种方法要大1倍到2倍，可见第二种筛选气象条件的方法并不能揭示事故发生后最不利的环境危害；

(2)第二种方法出现CO最大地面污染浓度的气象条件为风速1.5 m/s、稳定度D类，可见某些环评单位认为风险预测最不利的气象条件为静风(0.5 m/s以下)和稳定(F类)气象条件的观点并不完全正确。大气静稳气象条件对大尺度范围的污染物扩散不利，但该常识不完全适用于较低矮的最大可信事故泄漏源在周围3 km或5 km范围内的局地小尺度范围扩散。

3.3 应注意的问题

根据实践经验，我们认为在使用大气扩散模式计算地面污染浓度时应注意以下两个问题：

(1)泄漏源高度不要与扩散计算公式中的有效源高He混为一谈，由于泄漏物料具备较高的温度和压力，从泄口释放出来后在热力抬升和动力抬升的作用下，若垂直地面向上喷射，其有效源高He可能几倍于泄口的几何高度。常见环评单位在模式计算时将He固定为泄漏源的高度，这只适于从泄口释放后与地面平行水平喷射的极端情景，往往会得出很高的地面污染浓度，这不免有失偏颇。笔者认为风险计算时考虑物料喷射方向与地面夹角为0度到90度间，相应有效源高He取源高与垂直喷射抬升后高度的均值较接近实际情况，预测结果合理可信。

(2)结合最大可信事故发生后危险物质在不同泄漏阶段的持续时间，注意动态评价敏感或关心区域地面污染浓度的变化情况，以此作为制定环境风险应急预案中应急响应和人员撤离计划的理论依据。

4 非正常工况排放最小化方案与环境风险管理措施

从广义上讲，项目向环境非正常排放污染物与事故发生后危险物质直接泄入环境或伴生污染物进入环境都应属于环境风险的研究范畴。特别是对于煤化工行业，由于加工的原料是固态煤，在现有技术水平下难以确保其核心设备——气化炉的长周期稳定运行，目前国内建成投用的煤制烯烃工程的甲醇装置气化单元在开停工过程、定期气化炉切换及系统置换过程中产生的合成气全部进入火炬系统燃烧后排放，在不利气象条件下会导致未完全燃烧的污染物大量超标频繁排放。但煤化工企业为何不能像石油炼制或石油化工企业一样设置全厂火炬气回收系统呢？究其原因，不在技术而在经济层面上，由于煤化工合成气的主要成分为CO和H2，碳氢比远小于炼厂火炬气，热值低，属于低位能燃料气，不能作为工艺加热炉的燃料气使用，与火炬气回收系统的投资和运行成品相比回收效益较低。

尽管如此，为提高工厂能效、保护环境，切实落实国务院《大气污染防治行动计划》的要求，示范工程承担煤化工行业大气污染物减排的环保示范任务，增设气柜和压缩机设置了全厂火炬气回收系统，实施非正常工况排放最小化方案，对上述非正常工况中排放的火炬气进行回收利用，送园区配套的热电联产动力站作为燃煤的辅助燃料气，并利用其CFB锅炉的脱硫脱硝设施进行减排，只有在火灾爆炸极端事故工况下须紧急放空的系统在线可燃气体才由火炬系统进行焚烧处理，确保装置的安全。

另外，为实现项目环境风险可控的最终目标，示范工程在设计、建设和运行过程中还应确保设计提出的各项安全防范措施和环评提出的风险减缓措施的落实和实施，结合环境风险危害程度、影响范围和持续时间等的预测结果，完善并落实与园区、地方政府联动且纳入其防控体系的环境风险应急预案。

5 小结

伴随着煤化工行业在我国的发展，煤制烯烃项目的环境风险评价工作开展较晚，其工作程序、技术方法还有很多不完善的地方，本文仅从实际环评工作的角度给出了如何进行环境风险评价的一种思路，其中必有考虑不周之处，希望有关专家、其他同行批评指正，并可就此问题开展更为深入的探讨。

[1] 国家环境保护总局. HJ/T 169—2004 建设项目环境风险评价技术导则[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2005.

[2] 环境保护部. HJ 2.2—2008 环境影响评价技术导则 大气环境[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2009.

[3] 胡德福. 化学突发事故风险评估的研究与应用[M]. 北京: 科学出版社,1995.

[4] 胡二邦. 环境风险评价实用技术和方法[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2000.

[5] 国家安全生产监督管理总局. 安全评价[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 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

饶未欣(1970—)，男，北京人，高级工程师，研究生学历，主要从事环境科学及工程研究，E-mail：raowx@sei.com.cn

10.14068/j.ceia.2017.03.018

X820.4

A

2095-6444(2017)03-0070-05