啤酒行業(yè)涉氨環(huán)境風險特征、評估及防控對策*

劉 杰 胡曉寒 李敬東 張愛平 薛亦峰 許康利

(1.首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院，北京 100048；2.北京市環(huán)境保護科學研究院，國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心，北京 100037；3.北京市環(huán)境應急與事故調(diào)查中心，北京 100089)

液氨作為化工原料和制冷劑，廣泛應用于石油化工、化肥生產(chǎn)和食品生產(chǎn)等行業(yè)[1-2]，但由于氨具有毒性、易燃易爆性等特點，當設(shè)備損壞、老化或在生產(chǎn)、貯存和運輸過程中，液氨可能發(fā)生泄漏，引發(fā)中毒、火災、爆炸以及次生事故[3]。液氨泄漏不僅對環(huán)境空氣質(zhì)量造成影響，危害人體健康，而且經(jīng)噴淋系統(tǒng)處理后的消防退水若不經(jīng)妥善處理，還可能引發(fā)水污染和土壤污染[4]，帶來較大的環(huán)境風險。

美國、日本等發(fā)達國家在液氨安全標準制定和風險防控等方面起步較早，《華盛頓工業(yè)安全和健康法案》規(guī)定了關(guān)于液氨使用的安全標準[5]；日本在20世紀60年代就出臺了《日本公害對策基本法》[6]，包含了相關(guān)的應急處置規(guī)范。在國內(nèi)，液氮使用和貯存安全及環(huán)境問題也逐步受到關(guān)注和重視。2013年北京市、河南省陸續(xù)發(fā)布了地方標準，對液氨使用與貯存單位(以下簡稱涉氨單位)提出相應的安全要求及規(guī)定[7]。但這些標準著重考慮液氨貯存和使用安全，對于環(huán)境風險的防范和控制關(guān)注不足[8-13]。

因此，本研究梳理和分析了啤酒行業(yè)在液氨運輸、貯存和使用過程中的環(huán)境風險單元，掌握和分析其環(huán)境風險特征及存在的問題；以典型啤酒廠為例，對其涉氨環(huán)境風險進行評估，確定環(huán)境風險等級，并利用環(huán)境風險評價系統(tǒng)(RiskSystem)模型對不同風速條件下液氨泄漏的環(huán)境風險進行預測分析，從而有針對性地提出環(huán)境風險防控對策，以期為環(huán)境、安全管理部門決策提供參考和支撐。

1 材料與方法

1.1 研究對象

啤酒廠地處內(nèi)陸平原地帶，占地面積約40 000 m2，啤酒年產(chǎn)量超過2×106t，液氨儲量為98 t。周圍5 km約有人口32萬，且有河流分布。此外，還分布有居民區(qū)、學校、工業(yè)園區(qū)等，啤酒廠距離最近的居民區(qū)約1 km，周邊受體較為敏感。

1.2 環(huán)境風險評估方法

環(huán)境風險評估的方法包括圖形疊加法[14]、信息擴散法[15-16]、指標體系法[17-18]、層次分析法[19]等，這些方法在不同領(lǐng)域都有實際的應用，指標體系法因其簡便、快速、高效的特點運用更為廣泛。ARUNRAJ等[20]提出了環(huán)境風險評估指標體系，并對典型石化企業(yè)的生產(chǎn)車間進行了環(huán)境風險評估和等級劃分。鄢忠純[21]采用專家判斷法建立了企業(yè)突發(fā)性事故環(huán)境風險評估指標體系，并應用該指標體系對上海市飲用水水源地周邊重點企業(yè)的環(huán)境風險進行了評估。2014年原環(huán)境保護部發(fā)布的《企業(yè)突發(fā)環(huán)境事件風險評估指南(試行)》(以下簡稱指南)綜合考慮評估企業(yè)固有風險屬性、風險控制技術(shù)水平與環(huán)境風險受體敏感性3方面要素，構(gòu)建了宏觀尺度的企業(yè)環(huán)境風險評估方法，建立了企業(yè)環(huán)境風險評估指標體系，對4萬余家重點行業(yè)企業(yè)進行了環(huán)境風險等級評估[22-23]。基于指標體系法的應用性和可靠性，本研究采用指標體系法對所選典型啤酒廠進行環(huán)境風險評估和分析。

RiskSystem模型可對不同風向、風速及大氣穩(wěn)定度情況下的點源、面源造成的泄漏事故影響進行預測[24]。研究選取3個具有代表性的風速進行預測分析，即軟風(0.8 m/s)、輕風(3.0 m/s)、微風(5.0 m/s)3種風速條件下，預測該啤酒廠突發(fā)液氨泄漏事件時的半致死濃度(LC50)距離和短時間接觸容許濃度(MAC)距離。

2 結(jié)果與討論

2.1 啤酒行業(yè)涉氨環(huán)境風險單元和特征分析

通過對啤酒行業(yè)涉氨環(huán)境風險單元的梳理和分析(見圖1)，可以看出啤酒廠液氨泄漏的環(huán)境風險覆蓋于運輸、貯存和使用的各個環(huán)節(jié)。液氨的運輸主要通過液氨槽車來完成，在運輸過程中，液氨槽車內(nèi)的壓力應保持在0.7～0.9 MPa[25]。卸車時將需要灌注的儲罐中的液氨抽出，加壓送到槽車中，使槽車中的蒸氣壓升高，儲罐中的蒸氣壓降低，通過槽車和儲罐之間形成的壓力差將液氨送到需要灌注的儲罐中去[26]，操作不當、設(shè)備損壞、充裝過量、超溫超壓等，均可引起液氨的泄漏。

圖1 啤酒行業(yè)涉氨環(huán)境風險單元Fig.1 The environmental risk units of ammonia-related beer industry

液氨通常貯存在儲罐內(nèi)，其使用和日常維護十分重要。由于液氨本身具有腐蝕性，儲罐在長期露天使用和存儲的過程中，極易造成儲罐的管道、閥門等一些連帶的零部件受到液氨的侵蝕，從而變得薄脆易破，增大液氨的泄漏風險[27]。此外，液氨在貯存過程中人為的超溫超壓、操作失誤也會引起液氨的泄漏。在啤酒廠氨制冷機中，液氨泄漏點主要集中在液氨容易腐蝕的閥門、法蘭、接口等連接部位，氨制冷機中氨油分離器、冷凝器等壓力容器以及各種液氨輸送管道也可能由于設(shè)備老化發(fā)生泄漏事故。

可以看出，液氨從運輸?shù)绞褂茫總€環(huán)節(jié)均存在泄漏的環(huán)境風險，特別是在液氨的貯存和制冷環(huán)節(jié)，人員操作不當也是液氨泄漏的重要原因，應該給予重點關(guān)注。因此，在各個環(huán)節(jié)上進行氨泄漏預防，建立氨回收系統(tǒng)是環(huán)境風險預防和控制的關(guān)鍵。

2.2 環(huán)境風險評估

通過定量分析該啤酒廠液氨儲存量與其臨界量的比值(Q)，評估工藝過程與環(huán)境風險控制水平(M)以及環(huán)境風險受體敏感性(E)，按照風險矩陣對其環(huán)境風險進行評估，并應用RiskSystem模型進行環(huán)境風險預測。

對照指南，由于該啤酒廠液氨日常儲量為98 t，液氨臨界量為7.5 t，Q為13.1，故屬于Q2等級；工藝過程與大氣環(huán)境風險控制屬于M1等級；在環(huán)境風險受體敏感性評估方面，該啤酒廠周圍5 km人口約32萬，受體敏感程度等級為E1等級。根據(jù)表1的環(huán)境風險矩陣，結(jié)合該啤酒廠的各項指標水平(Q2M1E1)，認為該啤酒廠屬于較大環(huán)境風險。

表1 環(huán)境風險等級矩陣

同時，利用RiskSystem模型對該啤酒廠環(huán)境風險進行預測，將其作為點源，設(shè)置預測液氨泄漏持續(xù)時間為60 min，按照單罐管道斷裂模擬，并將泄漏高度、廢氣溫度、裂口面積、容器壓力等數(shù)據(jù)輸入到模型中，具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。經(jīng)核算得到該啤酒廠發(fā)生液氨泄漏時的泄漏速率為2.384 kg/s，其不同風速下的預測結(jié)果如圖2所示。

表2 擴散范圍預測情景參數(shù)設(shè)置1)

注：1)地面特征選城區(qū)，大氣穩(wěn)定度選D；裂口形狀選圓形，管道直徑5 cm，算得裂口面積0.001 96 m2。

圖2 不同風速下的預測結(jié)果Fig.2 Forecast results under different wind speeds

由圖2可以看出，隨著風速的增加，液氨泄漏的影響范圍呈現(xiàn)先擴大后緩慢縮小的趨勢。當風速為1.6 m/s時，該啤酒廠發(fā)生液氨泄漏事故的影響范圍達到最大，MAC距離超過2 km。在風速為3.0 m/s時，該啤酒廠發(fā)生液氨泄漏的LC50距離和MAC距離分別為183.5、1 578.5 m，約為0.8 m/s風速條件下LC50距離和MAC距離的3～4倍；當風速增大為5.0 m/s時，LC50距離和MAC距離卻有所下降。在一定范圍內(nèi)，風速越大，湍流越激烈，越有利于污染物擴散，從而擴大影響范圍；但當風速達到一定程度后，大氣對污染物產(chǎn)生一定的分解和擴散作用，影響范圍逐步減小。從不同風速下的泄漏擴散情況來看，在3種風速條件下，氨泄漏事故LC50距離內(nèi)未包含居民區(qū)，但MAC距離內(nèi)可能會涉及部分學校和居民區(qū)，事發(fā)后應引導影響范圍內(nèi)群眾迅速向安全地帶轉(zhuǎn)移。

綜合上述環(huán)境風險評估和模型預測結(jié)果，該啤酒廠屬于較大環(huán)境風險，風速對液氨泄漏的影響范圍有較大作用。液氨泄漏事故發(fā)生后，隨著風速的增大，其影響范圍會隨著大氣的擴散和分解作用先擴大再縮小。在受體較為敏感的區(qū)域，相應的涉氨環(huán)境風險較大，需要加強預防和風險控制。同時，也產(chǎn)生了對風險預防的啟示，即新建的啤酒廠應科學合理選址，遠離受體敏感程度較高的區(qū)域，現(xiàn)有的啤酒廠應開展環(huán)境風險自評，建立風險預防和控制機制。

2.3 環(huán)境風險防控對策

基于啤酒行業(yè)涉氨環(huán)境風險特點，結(jié)合典型啤酒廠的環(huán)境風險評估結(jié)果，建議國家和地方盡快制定相關(guān)液氨貯存和使用的環(huán)境風險防范技術(shù)規(guī)范。啤酒廠應嚴格按照現(xiàn)有的安全和環(huán)境保護要求，開展環(huán)境風險評估、環(huán)境安全隱患排查和整治，做好廠界和制冷區(qū)域的氨監(jiān)測和預警預報工作。一旦發(fā)生泄漏事故，應迅速啟動應急預案。具體環(huán)境風險防控對策包括：

(1) 強化源頭控制

啤酒企業(yè)選址應符合當?shù)爻鞘锌傮w規(guī)劃、環(huán)境保護規(guī)劃和安全專項規(guī)劃，并符合大氣污染防治、水資源保護、自然生態(tài)保護等要求；提高環(huán)境安全主體責任，嚴格落實相關(guān)液氨貯存和使用安全規(guī)定，開展環(huán)境風險評估，確定環(huán)境風險等級和事故影響預測，開展環(huán)境安全隱患排查治理工作，建立隱患排查治理制度和隱患排查治理檔案。

(2) 加強環(huán)境監(jiān)測和預警

企業(yè)周界應設(shè)無組織排放監(jiān)控點，并按照相關(guān)規(guī)定進行監(jiān)測。當氨濃度超標時，應立即查明原因并采取必要措施。液氨儲罐區(qū)、液氨制冷機等風險單元均應安裝有氨泄漏檢測探頭，并連接至報警器，當氨濃度大于報警限值時，進入事故狀態(tài)。

(3) 提高應急處理能力

制訂完善的突發(fā)環(huán)境事件應急預案，建立突發(fā)環(huán)境事件信息通報機制，完善圍堰、應急池以及噴淋系統(tǒng)、排風系統(tǒng)、氨回收系統(tǒng)等應急設(shè)施。根據(jù)環(huán)境風險評估結(jié)果，定期為區(qū)域內(nèi)人群開展突發(fā)環(huán)境事件應急演練，事故發(fā)生后要迅速啟動應急預案，及時疏散周圍群眾，控制事故發(fā)展。

3 結(jié) 論

(1) 啤酒行業(yè)在液氨貯存區(qū)域和制冷機輸送管道存在較大的環(huán)境風險，閥門、法蘭、接口等連接部位腐蝕和操作失誤是氨泄漏的主要原因，應該予以重點關(guān)注。

(2) 研究區(qū)的啤酒廠具有較大環(huán)境風險。隨著風速的增加，受大氣的擴散和分解作用影響，液氨泄漏的影響范圍先擴大后縮小。新建的啤酒廠應科學合理選址，遠離受體敏感程度較高的區(qū)域，現(xiàn)有的啤酒廠應開展環(huán)境風險自評，建立風險預防和控制機制。

(3) 啤酒行業(yè)應以預防為主，嚴格落實風險防控措施和要求，加強人員培訓和應急演練，可以有效地預防和控制災害性事故的發(fā)生，減少液氨泄漏事故造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失和對環(huán)境的破壞；一旦事故發(fā)生，企業(yè)要迅速啟動相關(guān)應急預案，避免對生命財產(chǎn)安全和環(huán)境造成進一步的威脅。