碳捕集、利用與封存系統安全風險模擬研究

曹金康,王芳

(青島科技大學 環境與安全工程學院,山東 青島 266042)

CO2濃度增加會導致溫室效應,從而引發一系列氣候問題[1]。2020年9月,中國在第七十五屆聯合國大會上承諾努力爭取2060年前實現碳中和。碳捕獲、利用與封存(CCUS)技術通過批量捕獲二氧化碳,然后用于合成化學品或地質封存將其從大氣中分離出來,從而減少來自固定來源的排放[2]。這項關鍵技術方案為實現電力、鋼鐵、水泥和化工等重點行業碳減排提供了一條低成本的途徑[3]。

CO2資源化利用可以有效幫助實現碳中和目標[4]。但工業規模的CCUS系統應用會不可避免地帶來許多重大挑戰。Zhang等研究了CCUS未來試點規模和工業應用必須面臨的關鍵挑戰和問題[5]。Hepburn等分析了CCUS系統的經濟效益[6]。Hasan等設計了CCUS供應鏈網絡來源與利用/封存的最佳連接,以實現最低成本[7]。區域產業鏈的增長所導致的材料與自然資源的交換,造成了新的安全風險問題,李琦等對CO2地質封存環境風險評價方法進行研究[8],Sara Badr等提出了一種關于CO2捕集的環境、健康和安全風險評估框架[9],Koornneef等對CO2捕獲、運輸和封存的環境和風險進行了評估[10],Chen等對CCUS系統部署規劃和所帶來的風險進行了討論[11],Liu等提出了一種CCUS項目風險評估的決策模型[12],Krzemien等針對CO2捕集過程中的腐蝕風險進行了評估[13],Cuéllar-Franca等對CCUS技術的環境影響進行了評估[14]。綜上,較少有人從系統視角研究CCUS供應鏈網絡的事故影響范圍。

1 研究模型

1.1 研究內容

基于ALOHA軟件評估區域CCUS系統的潛在安全風險。通過建立CCUS全供應鏈過程可能發生的事故模擬模型,得到區域CCUS的事故影響范圍。從區域CCUS系統的角度,探討各模塊之間發生多米諾效應的最大距離。

(1)進行初始參數設計,基于特定的大氣、環境信息對CCUS單個模塊可能發生的事故運用ALOHA軟件模擬;

(2)基于給定CCUS系統各模塊實際地理位置,繪制風險地圖,從地理位置的角度定量測算事故影響范圍與多米諾效應臨界值。

創新點如下:(1)針對現有的CCUS模塊,基于ALOHA仿真軟件建立了事故模擬模型,預測了CCUS系統模塊的事故影響范圍。(2)基于事故后果影響,對于CCUS系統多米諾效應進行風險分析,得到模塊之間臨界距離。

1.2 研究方法

1.2.1 區域CCUS系統模塊單元劃分

CCUS是指對全鏈中涉及的各個環節依據一定原則進行集成,形成一條捕集、運輸、利用與封存CO2技術鏈。集成CCUS全鏈條包含對多個環節的串聯,整個鏈條涉及CO2排放源模塊、CO2捕集模塊、CO2運輸模塊以及CO2封存/利用技術模塊。

各模塊的組成和功能如下:

(1)CO2排放源模塊主要包括火電行業、石化與化工行業、水泥行業與鋼鐵行業等。由于涉及化石燃料的燃燒和轉化過程,因此具有CO2排放量大、濃度高的特點。

(2)CO2捕集模塊是指將CO2從工業生產的煙氣中分離提純的過程,主要分為燃燒前捕集、燃燒后捕集與富氧燃燒三種技術。

(3)CO2輸送模塊是指將捕集的CO2運送到可利用或封存場地的過程,可以分為罐車、船舶和管道運輸。

(4)CO2利用和封存模塊是指通過工程技術手段將捕集的CO2實現資源化利用的過程。根據工程技術手段的不同,可分為CO2化工利用和CO2生物/地質利用等。其中,CO2地質利用是將CO2注入地下,用于提升石油采收率等功能,而化學利用是用于合成化學物質。

1.2.2 ALOHA軟件模擬區域CCUS系統模塊事故影響范圍

ALOHA是基于數學模型的事故模擬軟件,用來模擬與化學品泄露有關的關鍵災害[15]。通過輸入參數,包括時間、地點、化學品性質、建筑物、氣象以及泄漏具體情況等,來模擬危險化學品火災、爆炸和中毒等事故后果,預測事故影響范圍[16]。在CCUS系統中,CO2排放源模塊中的CO毒氣泄漏,CO2化學利用模塊中甲醇、碳酸二甲酯等化學品泄漏引發的火災及爆炸事故,都會對周邊工人及居民造成危害。針對區域內特定環境運用ALOHA軟件進行模擬,可以更有針對性地進行防范,具體流程如圖1。

圖1 CCUS安全風險評估模型

2 案例研究

如圖2所示,目前東營市擁有煤氣化發電廠P1、磷酸二甲酯廠C1、甲醇廠C2,電廠產生的煙氣采用燃燒后捕集的醇胺法提純CO2,通過管道運輸,用于生產甲醇、磷酸二甲酯等化學品。假設未來形成完整的CCUS系統,評估其發生事故的影響范圍,并繪制風險地圖,可以更有針對性地進行事故處置和應急救援。

圖2 區域CCUS系統事故模擬流程圖

2.1 ALOHA軟件模擬CCUS事故影響范圍

模擬事故情景為:2022年12月6日下午4點,發電廠P1的管道出現破損導致CO泄漏、C1廠碳酸二甲酯立式儲罐和C2廠甲醇臥式儲罐的筒體被破壞,預測其造成的事故影響范圍,具體模擬條件見表1。

表1 CCUS模塊事故模擬條件

根據圖3的模擬結果可以看出,發電廠P1發生CO毒氣泄漏事故后,會產生一個扇形事故范圍。其中泄漏點下風向最大長度1.3 km的扇形區域為EPRG-3,該區域CO濃度在500×10-6以上,此區域的人員若不佩戴防毒面罩等用具短時間內就會死亡。EPRG-2為下風向最大長度1.5 km的扇形區域,此區域CO的濃度為350×10-6以上,此區域仍然為危險區域。ERPG-1為下風口最大長度2 km的扇形區域,CO的濃度為200×10-6以上,該區域涉及范圍廣,因此一旦出現泄漏應立即疏散人群在此范圍以外,并且實施封閉流程。

圖3 發電廠P1一氧化碳泄漏的EPRG中毒范圍

為了避免CO毒氣事故的發生,工廠應該選擇密封性良好的閥門和管件,同時應在裝置附近安裝一個在發生事故時發出警報的毒氣濃度檢測器。工藝裝置區域內的每個壓力系統必須配備一個安全閥,當設備超過正常操作壓力和其他正常操作條件時,該安全閥能夠釋放產生的氣體。運行期間,氣體輸送管道的主要污染源是清管、集球和設備維護。

碳酸二甲酯廠C1池火災火焰熱輻射影響的ALOHA模擬結果如圖4所示。可以得到結論:(1)距離池火災越遠,受到的熱輻射越小,同時池火的熱輻射隨著距離的增大,衰竭的速度越慢。(2)受風向影響,距儲罐中心-10～15 m范圍內為死亡區,此區域人員受到熱輻射超過10.0 kW/m2,滯留1 min人員將死亡;距儲罐中心-15.4～21.2 m范圍內為重傷區,在此區域滯留1分鐘人員會造成二度燒傷,受到熱輻射超過5.0 kW/m2;距儲罐中心-25.8～32.7 m范圍內為輕傷區,在此區域受到熱輻射超過2.0 kW/m2;距液池中心32.7 m范圍外,為安全區。池火焰所產生的高溫會使儲罐繼續加熱,繼而演變為BLEVE爆炸事故,造成更嚴重的事故后果。BLEVE爆炸事故影響范圍為半徑914 m的圓;圖5可以看出,半徑390,574,914 m分別為死亡區、重傷區、輕傷區的分界線,當>914 m時為安全區。

圖4 碳酸二甲酯廠C1池火熱輻射威脅區域圖

由圖6可以看出,受風向影響,甲醇廠C2在距液池中心-5.96～11.5 m,-6.73～13.7 m,-10.6～17.7 m范圍內分別為死亡區、重傷區和輕傷區,距液池中心17.7 m范圍外,為安全區。圖7表示了BLEVE爆炸事故影響范圍為半徑337 m的圓;圖7可以看出,半徑148,213,337 m分別為死亡區、重傷區、輕傷區的分界線,當>337 m時為安全區。

圖6 甲醇廠C2池火熱輻射威脅區域圖

圖7 BLEVE熱輻射威脅區域圖(C2)

從圖8可以看出,P1廠CO管道泄漏的事故影響范圍最大:事故發生后,泄漏點下風向1.3,1.3～1.5 km,1.5～2 km的范圍內CO濃度分別達到500×10-6,350×10-6和200×10-6以上。其次是C1廠碳酸二甲酯儲罐泄漏引發的BLEVE爆炸事故,事故影響范圍為半徑914 m的圓。甲醇儲罐泄漏事故影響范圍最小,事故影響范圍為半徑337 m的圓。

圖8 事故影響范圍柱狀圖

從圖9可以看出,東營市擁有CO2排放源模塊的煤氣化發電廠P1,CO2化學利用模塊的碳酸二甲酯廠C1,甲醇廠C2。相較碳酸二甲酯廠C1,甲醇廠C2化學品儲罐發生BELEVE爆炸,煤氣化發電廠P1發生氣體泄漏影響范圍更加大。同時化工廠規模、儲罐大小等也影響著事故范圍。隨著CCUS系統部署越發密集,爆炸事故會引發連鎖反應,其危險程度更高。

圖9 事故影響范圍地圖

2.2 區域CCUS系統多米諾效應的風險分析

多米諾效應指初始事故發生后,其產生的影響向臨近裝置擴展,觸發一個或多個二級事故,進而導致更多事故發生,最終導致事故后果更嚴重。多米諾效應發生的條件包括:(1)具有初始事故;(2)初始事故通過熱輻射、沖擊波等方式對臨近裝置造成傷害;(3)裝置之間距離較近,符合二次事故的觸發條件。多米諾效應主要發生在園區、供應鏈較長的化工系統中。

由于CCUS系統涉及多個模塊,單個模塊發生爆炸事故時往往會引起多米諾效應,波及其余模塊造成二次事故,從而導致了總體結果比初始爆炸事故的后果更加嚴重。雖然毒氣泄漏事故也可能會造成多米諾事故,但其主要是針對人員中毒或者與其他化學物質發生反應,因此本文只討論由于熱輻射所導致多米諾效應。總結各種初始事故場景下發生多米諾效應的閾值[17]見表2。

表2 不同事故場景的多米諾效應臨界值

C1廠的碳酸二甲酯立式儲罐和C2廠的甲醇臥式儲罐作為常壓容器,設定熱輻射為15 kW/m2的臨界范圍,由圖10可以看出,C1發生多米諾效應的臨界距離為半徑304 m的圓,即當有臨近裝置在這個范圍內,則C1廠發生事故后會引發二次事故,出現多米諾效應;由圖11可以看出,C2發生多米諾效應的臨界距離為半徑117 m的圓,即當有臨近裝置在這個范圍內,則C2廠發生事故后會引發二次事故,出現多米諾效應。當兩圓外切時為兩廠的臨界安全距離,此時C1廠或C2廠其中一個發生事故后,不會因為熱輻射導致另外一個廠發生二次事故,臨界距離為421 m。基于實際地理位置,本案例CCUS系統中C1廠與C2廠距離大于421 m,則一方發生爆炸事故時不會引起多米諾效應,但仍然要加強對化學品罐區周邊設施的應急能力建設,熟悉儲罐泄漏事故發生后造成的影響及嚴重程度,同時對操作人員根據儲罐泄漏事故模擬結果進行有針對性的應急培訓。另外一旦儲罐發生泄漏事故,消防救援隊伍可以參考模擬結果第一時間掌握擴散范圍,完成偵檢、部署、警戒和疏散工作,并且應該及時對罐體進行稀釋降溫,防止出現蒸汽云團從池火災演變為BLEVE爆炸。

圖10 碳酸二甲酯廠C1的多米諾效應范圍圖

圖11 甲醇廠C2的多米諾效應范圍圖

3 結論

(1)基于ALOHA軟件模擬區域CCUS系統的事故影響范圍,并從系統的角度模擬發生多米諾效應的臨界值。碳酸二甲酯廠發生多米諾效應的臨界距離為半徑304 m的圓,甲醇儲罐發生多米諾效應的臨界距離為半徑117 m的圓。基于實際地理位置,當一方發生爆炸事故時并不會引起多米諾效應。

(2)以山東省東營市為例,該區域CCUS系統事故影響范圍由大到小依次為煤氣化發電廠、碳酸二甲酯廠、甲醇廠,并繪制事故范圍風險地圖。