對(duì)某硫酸儲(chǔ)罐泄漏環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)影響評(píng)價(jià)與研究

王麗苑，杜曉亮，王興峰，吳世洋，李衛(wèi)東，王鑫羽

（西北礦冶研究院環(huán)境資源研究所，甘肅 白銀730900）

1 引言

環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)是由自發(fā)的自然原因和人類活動(dòng)引起的，通過(guò)環(huán)境介質(zhì)傳播的，能對(duì)人類社會(huì)及自然環(huán)境產(chǎn)生破壞、損害及至毀滅性作用等不幸事件發(fā)生的概率及其后果［1，2］。環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是分析和預(yù)測(cè)建設(shè)項(xiàng)目存在的潛在危險(xiǎn)、有害因素，項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)行期間可能發(fā)生的突發(fā)性事件和事故，引起有毒有害和易燃易爆等物質(zhì)泄漏，所造成的人身安全與環(huán)境影響及損害程度，提出合理可行的防范、應(yīng)急與減緩措施，以使建設(shè)項(xiàng)目事故率、損失和環(huán)境影響達(dá)到可接受的水平［2］。為了達(dá)到環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的目的，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案的計(jì)算與后果預(yù)測(cè)就成為環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的重中之重。

2 硫酸儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏的可能性分析

硫酸貯罐發(fā)生泄漏的事故樹(shù)分析見(jiàn)圖1。硫酸儲(chǔ)罐泄漏事故樹(shù)定量分析結(jié)果見(jiàn)表1。

事故樹(shù)結(jié)構(gòu)函數(shù)為：T＝（q1＋q2＋q3）q4＋q5＋q6q7q8＝q1q4＋q2q4＋q3q4＋q5＋q6q7q8；

事故樹(shù)有5個(gè)最小割集：｛｛q1q4｝、｛q2q4｝、｛q3q4｝、｛q5｝、｛q6q7q8｝｝；

表1 硫酸儲(chǔ)罐泄漏事故樹(shù)定量計(jì)算結(jié)果

事故概率的估算：

圖1 硫酸儲(chǔ)罐泄漏事故樹(shù)

通過(guò)對(duì)以上事故樹(shù)的計(jì)算與分析得知，硫酸貯罐發(fā)生泄漏時(shí)的危險(xiǎn)重要系數(shù)順序?yàn)椋簈（7）＝q（8）＞q（6）＝q（4）＝q（5）＞q（1）＞q（3）＝q（2）。

事件名稱是：自動(dòng)控制系統(tǒng)失靈＝未及時(shí)關(guān)閉閥門＞生產(chǎn)報(bào)警系統(tǒng)事故＝毒氣檢測(cè)事故＝外觀檢測(cè)不合格＞閥門故障＞管道破裂＝貯罐破裂。

造成硫酸貯罐發(fā)生泄漏的因素很多，其中基本事件q（7）與q（8）的危險(xiǎn)度最大，是造成硫酸貯罐發(fā)生泄漏的直接原因；其次q（6）、q（4）、q（5）是結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)度相等的3個(gè)原因，再下來(lái)是q（1）、q（3）、q（2）等3個(gè)原因。由此可以看出，要控制基本事件——硫酸貯罐泄漏的發(fā)生，必須從最危險(xiǎn)的事件q（7）與q（8）入手。因此，要控制硫酸貯罐泄漏事故的發(fā)生，在設(shè)計(jì)階段就要按標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)各個(gè)元件進(jìn)行選型與設(shè)計(jì)，以確保達(dá)到安全的本質(zhì)；其次在生產(chǎn)過(guò)程中要經(jīng)常檢查，以確保各類元件處于正常的狀態(tài)，要經(jīng)常對(duì)職工進(jìn)行安全教育，使職工處于一個(gè)高度的認(rèn)識(shí)狀態(tài)，以確保安全地運(yùn)行。

由事故樹(shù)的定量分析可知，儲(chǔ)罐泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生概率約為10－6。此類事故雖然發(fā)生概率較低，但危害后果較嚴(yán)重。

3 項(xiàng)目事故源強(qiáng)確定

本項(xiàng)目中硫酸泄漏的主要原因是儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施缺乏維護(hù)，造成罐體或管道開(kāi)裂引起硫酸泄漏；裂口面積0.01m2，儲(chǔ)罐泄漏后，安全系統(tǒng)報(bào)警，操作人員在20min內(nèi)使儲(chǔ)罐泄漏得到制止，并在泄漏物料上方噴灑泡沫，覆蓋泄漏物料阻止泄漏液體的揮發(fā)，同時(shí)采取有效的收集措施，在20min內(nèi)將泄漏物料收集到備用儲(chǔ)罐［3］。

3.1 泄漏量計(jì)算

硫酸泄漏速率計(jì)算公式［4］可采用下式：

式中：QL為液體泄漏速度，kg/s；Cd為液體泄漏系數(shù)，此值常用0.6～0.64，取值為0.62；A為裂口面積，m2，取值0.2×0.01＝0.002m2；P為容器內(nèi)介質(zhì)壓力，178200Pa；P0為環(huán)境壓力，78520Pa；g為重力加速度，9.8m/s2；h為 裂 口 之 上 液 位 高 度，9m；ρ為 密 度，取1.84g/mL。

由計(jì)算可知，硫酸泄漏速度為0.752kg/s，20min泄漏量約為902.4kg。以濃硫酸密度為1.84t/m3，硫酸在地面形成的液體厚度0.005m推算，泄露的硫酸在地面形成的面積為735m2［5］。

3.2 泄漏液體蒸發(fā)量計(jì)算

泄漏液體的蒸發(fā)分為閃蒸蒸發(fā)、熱量蒸發(fā)和質(zhì)量蒸發(fā)［6］3種，由于濃硫酸常壓下的沸點(diǎn)為330℃，而項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐儲(chǔ)存溫度和環(huán)境溫度均不高于40℃，當(dāng)液體泄漏時(shí)不發(fā)生閃蒸和熱量蒸發(fā)，因此不考慮閃蒸蒸發(fā)量和熱量蒸發(fā)量。

質(zhì)量蒸發(fā)速度Q3按下式計(jì)算［7］：

式中：Q3為質(zhì)量蒸發(fā)速度，kg/s；a，n為大氣穩(wěn)定度系數(shù)（液池蒸發(fā)模式參數(shù)見(jiàn)表2）；p為液體表面蒸氣壓，Pa（取值1300Pa）；R為氣體常數(shù)，J/mol·K（取值為8.31）；T0為環(huán)境溫度，K（按282.8K計(jì)算）；u為風(fēng)速，m/s（取值1/2.2/5m/s）；r為液池半徑，m（經(jīng)計(jì)算本項(xiàng)目罐區(qū)液池等效半徑為15.3m）；M為液體摩爾質(zhì)量，kg/mol（取值0.098kg/mol）。

表2 液池蒸發(fā)模式參數(shù)

表3 不同條件下的排放速率 g/s

根據(jù)公式（2）計(jì)算出項(xiàng)目不同風(fēng)速、不同穩(wěn)定度下儲(chǔ)罐泄漏時(shí)溶劑油的排放速率見(jiàn)表3。

4 硫酸泄漏事故的后果計(jì)算

4.1 后果計(jì)算預(yù)測(cè)模式

有毒有害氣體事故排放時(shí)間短，并且具有煙團(tuán)排放的特點(diǎn)，故硫酸泄漏采用《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》（HJ/T169－2004）中的多煙團(tuán)擴(kuò)散模式進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算事故后釋放的氣體擴(kuò)散。在事故后果評(píng)價(jià)中采用下列煙團(tuán)公式［8］：

式中：C（x，y，0）為下風(fēng)向地面坐標(biāo)處的空氣中污染物濃度（mg/m3）；x0，y0，z0為煙團(tuán)中心坐標(biāo)；Q為事故期間煙團(tuán)的排放量；σX、σy、σz為X、Y、Z方向的擴(kuò)散參數(shù)（m），常取σX＝σy。

4.2 硫酸霧連續(xù)泄漏擴(kuò)散濃度分布及危害距離預(yù)測(cè)計(jì)算與評(píng)價(jià)

硫酸泄漏預(yù)測(cè)時(shí)間為20min，第20min時(shí)刻，下風(fēng)向硫酸霧擴(kuò)散濃度分布，預(yù)測(cè)對(duì)環(huán)境的影響情況。

根據(jù)查閱相關(guān)資料［9～11］，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)表4。

表4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)系數(shù)一覽 mg/m3

4.3 預(yù)測(cè)結(jié)果

為了說(shuō)明不同氣象條件下溶劑油儲(chǔ)罐對(duì)周圍空氣環(huán)境的影響情況，分別選取小風(fēng)（1.0m/s）、年均風(fēng)速（1.92m/s）及大風(fēng)（5m/s）3種風(fēng)速和B、D、E這3種穩(wěn)定度下，預(yù)測(cè)發(fā)煙硫酸泄漏后硫酸霧下風(fēng)向地面濃度，結(jié)果見(jiàn)表5及圖2～圖4。

表5 硫酸儲(chǔ)罐泄露時(shí)下風(fēng)向地面濃度結(jié)果一覽

圖2 風(fēng)速1m/s時(shí)，不同大氣穩(wěn)定度條件下硫酸泄漏時(shí)濃度變化曲線

圖3 風(fēng)速1.92m/s時(shí)，不同大氣穩(wěn)定度條件下硫酸泄漏時(shí)濃度變化曲線

圖4 風(fēng)速5m/s時(shí)，不同大氣穩(wěn)定度條件下硫酸泄漏時(shí)濃度變化曲線

由表5的預(yù)測(cè)結(jié)果可知，在硫酸儲(chǔ)罐泄漏事故發(fā)生20min時(shí)，靜風(fēng)條件，E穩(wěn)定度下，下風(fēng)向最大落地濃度110.12g/m3，出現(xiàn)距離1.6m處，居住區(qū)最高容許濃度范圍183.2m；年均風(fēng)速1.92m/s條件，E穩(wěn)定度下，下風(fēng)向最大落地濃度1870.47g/m3，出現(xiàn)距離為2.8m處，居住區(qū)最高容許濃度范圍317.9m；大風(fēng)條件，E穩(wěn)定度條件下，最大落地濃度703.15g/m3，出現(xiàn)在7.3m處，居住區(qū)最高容許濃度范圍317.9m。如圖5所示，挑選年平均風(fēng)速時(shí)的預(yù)測(cè)圖形進(jìn)行分析。

如圖5所示在年均風(fēng)速條件下影響范圍較小，對(duì)附近800m范圍內(nèi)居民和建筑物基本無(wú)影響，大于800m后有輕微影響。

項(xiàng)目敏感點(diǎn)居民區(qū)距離廠區(qū)最近距離1000m左右，位于廠址上風(fēng)向，基本不會(huì)受到大的影響，硫酸泄漏只是短時(shí)的，通過(guò)大氣的擴(kuò)散和稀釋，影響會(huì)逐漸消失。

圖5 1.92m/s時(shí)，E穩(wěn)定度下污染物擴(kuò)散范圍

5 結(jié)論與建議

化工行業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)一般應(yīng)包括風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、源項(xiàng)分析、后果計(jì)算、風(fēng)險(xiǎn)防范措施及應(yīng)急預(yù)案等主要內(nèi)容，其中事故發(fā)生頻率及事故源強(qiáng)的確定是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。根據(jù)本文的分析與計(jì)算，本項(xiàng)目結(jié)論如下。

（1）本項(xiàng)目事故源強(qiáng)為20min的泄漏量902.4kg；

（2）多煙團(tuán)擴(kuò)散模式適用于硫酸泄漏時(shí)的后果計(jì)算與預(yù)測(cè)；

（3）應(yīng)用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件計(jì)算年平均風(fēng)速下E穩(wěn)定度下硫酸儲(chǔ)罐泄漏影響范圍為1273m。

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