高斯烟团模型在石化类项目大气环境风险评价中的应用.pdf

高斯烟团模型在石化类项目 大气环境风险评价中的应用 李冰晶 1， 2 仝纪龙 2 潘峰 2 马卫东 1， 2 付金杯 1， 2 1． 兰州大学大气科学学院， 兰州 730000; 2． 兰州大学环境质量评价研究中心， 兰州 730000 摘要 利用高斯烟团模式对某石化项目进行风险识别与分析， 并对主要计算参数进行选取和设定， 重点介绍了源强确 定的思路， 进而对项目中 120 万 t/a 延迟焦化装置的脱硫装置发生特大灾害性事故状态下的硫化氢泄漏进行模拟， 最 后确定安全距离为下方向 250 m。介绍了高斯烟团模型适用性以及其解决问题的总体思路和步骤， 对今后确定事故 状态下装置的安全距离以及高斯烟团模型的应用有一定的参考价值。 关键词 高斯烟团模型; 大气环境风险评价; 安全距离; 扩散情形 DOI 10. 7617 /j. issn. 1000 － 8942. 2013. 03. 036 APPLICATION OF GAUSSIAN PLUME MODEL IN ATMOSPHERIC ENVIRONMENT RISK ASSESSMENT FOR PETROCHEMICAL PROJECTS Li Bingjing1， 2Tong Jilong2Pan Feng2Ma Weidong1， 2Fu Jinbei1， 2 1． College of Atmospheric Science， Lanzhou University， Lanzhou 730000， China; 2． Research Center for Environmental Quality Assessment of Lanzhou University， Lanzhou 730000， China AbstractUsing Gaussian plume model，a risk identification and analysis of a petrochemical project was done，and the main calculation parameters were selected and set． It was focused on ideas to determine the source strength，and then simulated the hydrogen sulfide leak in the desulfurization device of 1. 2 million t/a delayed coking unit which has occurred under the serious disaster accident conditions． Finally，a sate distance was determined at 250 m on the downwind direction． The applicability of Gaussian plume model and general idea of using it to solve the problems are described，which provides some reference to determine the safe distance from the device under accident conditions and the use of Gaussian plume model in the future． KeywordsGaussian plume model;atmospheric environmental risk assessment;safe distance;diffusion conditon 0引言 随着我国经济的快速发展， 化学品与人民生活的 关系越来越密切， 其中易燃易爆及毒性气体在生产储 运过程中的泄漏扩散事故已成为当今世界普遍关注 的问题。根据 HJ/T 1692004建设项目环境风险 评价技术导则 中的规定， 对于瞬时或短时间事故采 用高斯烟团模式， 因此我们必须尽可能准确利用高斯 烟团模式模拟出事故发生之后污染物的扩散情形和 浓度分布， 以便进一步给出解决方案。 通过对高斯烟团模式进行简要介绍， 从具体案例 出发， 对项目进行风险识别和分析， 对主要计算参数 进行选取和设定， 其中重点介绍了源强的确定， 最后 利用高斯烟团模式模拟出了不同风速条件下项目中 120 万 t/a 延迟焦化装置中脱硫装置发生重特大灾害 性事故状态下的硫化氢在大气中的扩散情形， 并总结 了利用高斯烟团模式解决问题的一般方法和步骤， 希 望对今后利用高斯烟团模式的应用提供参考。 1高斯烟团模式简介 1. 1典型化学品泄露大气扩散特征 化学品泄露事故形式多种多样， 机理非常复杂， 对于不同种类的突发性泄露事故， 需要使用不同的模 拟方法。有毒化学物质在工业中大量使用， 它们在环 境条件下以气体状态存在。为了生产、 储存、 运输的 方便， 经常将这类性质的化学物质储存在钢瓶或者高 压的容器中， 以密闭、 高压、 低温等的形式保存。 化学品的泄露事故一般具有以下特征 几乎所有 931 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 常态为气体的危险化学物质都是以液相保存的， 发生 事故后， 在短时间内一次性释放的气体体积非常大， 除连续泄露排放外， 滞留时间一般较短。之后由于重 力沉降作用， 很容易沉降至地面、 人工和自然障碍物， 污染物在局部积累并形成高浓度 ［1- 4］。 1. 2高斯烟团模型的适用性 目前， 关于危险物质泄露扩散模型有许多， 其中 主要包括高斯烟羽模型、 高斯烟团模型、 BM 模型、 Suttom 模型及 FEM3 模型等。BM 模型是由一系列重 气体连续泄放的实验数据绘制成的计算机图表组成， 属于经验模型; Suttom 模型是用湍流扩散统计理论来 处理湍流扩散问题， 但在模拟可燃气体泄放扩散时误 差较大; FEM3 模型适用于处理连续源泄放及有限时 间的泄放， 但其计算量很大， 用计算机模拟较为困难， 且只适用于重气体的扩散 ［5- 6］。 高斯模型模拟机理简单， 易于理解， 运算量较小， 适用于中性气体， 可以模拟瞬时泄露， 由于提出时间 早， 实验数据多， 因而较为成熟， 并且具有使用方便、 计算结果与实验值能较好吻合等特点， 使其得到广泛 的应用。 1. 3高斯烟团模拟的计算公式 高斯烟团模式在事故后果评价中采用式 1 C x， y， 0 2Q 2π 3 /2σ xσyσz exp － x － x0 2 2σ 2[] x exp － y － y0 2σ 2[] y exp － z2 0 2σ 2[] z 1 式中 C x， y， 0 为下风向地面 x， y 坐标处的空气中 污染物浓度， mg/m3; x0， y0， z0为烟团中心坐标; Q 为 事故期间烟团的排放量;σx 、 σ y 、 σ z为 X、 Y、 Z 方向的 扩散参数， m， 常取σx σ y 。 对于瞬时或短时间事故， 可采用下述变天条件下 高斯烟团模式见式 2 Ciw x， y， 0， tw 2Q 2π 3 2σx， effσy， effσz， eff exp － H2 e 2σ 2 x， eff exp{ － x － xiω 2 2σ 2 x， eff － y － yiω 2 2σ 2 y， eff } 2 式中 Ciw x， y， 0， tw 为第 i 个烟团在 tw 时刻 即第 w 时段 在点 x， y， 0 产生的地面浓度; 污染物硫化氢 的 Q为烟团排放量， mg［7- 8］， Q QΔt; Q 为释放率， mg/s; Δt 为时段长度， s; σx， eff 、 σ y， eff 、 σ z， eff分别为烟团 在 w 时段沿 x、 y 和 z 方向的等效扩散参数， m， 可由式 3 估算 σ 2 j， eff ∑ w k 1 σ 2 j， k j x， y， z 3 式中 σ 2 j， k σ 2 j， k tk－ σ 2 j， k tk － 1 ; tk表示在 j 方向 j x， y， z 的 k 时刻， tk － 1表示在 j 方向 j x， y， z 的 k － 1 时刻; xiw和 yiw为第 w 时段结束时第 i 烟团质心的 x 和 y 坐标， 由式 4 、 式 5 计算 xiw ux， w t － tw －1∑ w －1 k 1 ux， k tk－ tk－1 4 yiw uy， w t － tw －1∑ w －1 k 1 uy， k tk－ tk－1 5 各个烟团对某个关心点 t 小时的浓度贡献， 按式 6 计算 C x， y， 0， t ∑ n i 1 Ci x， y， 0， t 6 n 为需要跟踪的烟团数， 可由式 7 确定 Cn1 x， y， 0， t f∑ n i 1 Ci x， y， 0， t 7 式中 Cn 1 x， y， 0， t 为下风向地面 x， y， 0 坐标处 t 时刻时空气中污染物浓度， mg/m3; f 为小于 1 的系 数， 可根据计算要求确定。 以上即为使用高斯烟团模式预测污染物浓度分 布需要用到的主要公式。 2具体案例分析 2. 1项目简介 环境风险评价对象为兰州石化分公司 120 万 t/a 延迟焦化装置项目， 该项目主要包括一套新建 120 万 t/a 的延迟焦化装置， 设计年开工时间为 8 400 h 连 续运转 。该装置主要由焦化、 分馏两部分组成， 项 目主要建设内容及规模见表 1。 表 1120 万 t/a 延迟焦化装置项目组成表 类别名称建设内容规模 装置 主体 延迟焦化装置焦化部分 分馏部分 120 万 t/a 外部 配套 工程 综合楼配电室1026m2 办公室837m2 机柜室347m2 低压水泵房216m2 储运设施管道建设及 场区道路 2. 2项目风险识别与分析 2． 2． 1物质风险识别与分析 装置包含的物料主要有富气、 硫化氢、 氨、 汽油、 柴油、 石油焦等， 其中主要危险物料的特性及火灾危 险类别见表 2。 041 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 表 2项目主要危险物料性质 物料 名称 爆炸危 险类别 爆炸极限 / 闪点 / ℃ 自燃点 / ℃ 火灾危险 性类别 富气3 ～ 13甲 硫化氢T3ⅡB4. 3 ～45. 5－ 50246甲 氨T1ⅡA16. 0 ～25. 0气体650乙 汽油T3ⅡA1. 1 ～ 5. 9－ 20225 ～ 530甲 B 柴油T3ⅡA1. 5 ～ 4. 555 ～ 90 350 ～ 380丙 A 石油焦T2 根据 GB 5016092石油化工企业设计防火规 范 和 GB 5005892爆炸和火灾危险环境电力装置 设计规范 ， 由于延迟焦化装置属于甲类火灾危险性 装置， 其原料及产品为可燃性液体或气体， 且焦化装 置采用高温加工工艺， 因此从物料的输送、 加工及产 品的输出整体分析， 火灾、 爆炸是主要的不安全因素。 2． 2． 2装置风险识别与分析 本次污染物扩散装置主要包括焦化部分、 吸收脱 硫部分、 冷切焦水处理系统等。项目涉及的主要危险 物质在装置中的分布情况见表 3。 表 3危险物质在装置中的分布情况 物质 名称 危险物质分布 换热区 加热 炉区 焦炭 塔区 分馏区 压缩 机区 吸收脱 硫区 富气√√ 硫化氢√√√√ 氨√√ 汽油√√ 柴油√√ 石油焦√√ 对装置危险因素及事故预测分析后可以归纳出 各生产装置的重点危险区域及其存在的主要危险和 有害因素， 见表 4。 表 4各装置重点危险区域及主要危险、 危害特征 重点岗位名称主要危险及危害特征 加热炉火灾、 爆炸、 高温、 毒性、 噪声 焦炭塔火灾、 爆炸、 高温、 毒性 分馏塔火灾、 爆炸、 高温、 毒性 吸收脱硫装置处火灾、 爆炸、 高温、 毒性 富气压缩机火灾、 爆炸、 噪声、 毒性 2． 2． 3最大可信事故确定 通过对延迟焦化装置进行工程分析， 结合表 2 表 4， 可看出干气脱硫装置内反应比较复杂， 有来自 柴油吸收塔顶的平气， 装置外送来作溶剂脱除干气中 H2S 的 N-甲基二乙醇胺， 此外还设置了处理装置内 高浓度酸性废水的破乳除油预处理设施。 基于硫化氢密度比空气稍大 不考虑闪蒸， 形成 重气 ， 属于该项目中涉及的最危险物质， 因此， 对于 延迟焦化装置来说， 干气脱硫单元的正常运行及高浓 度的酸性水中硫化氢是否能得到安全、 有效的处理是 环境风险关注的最主要问题， 因此确定本次环境风险 评价的最大可信事故为 120 万 t/a 延迟焦化装置中 脱硫装置发生重特大灾害性事故状态下的硫化氢 泄漏。 结合实际情况， 本次预测的事故为假设延迟焦化 装置中脱硫装置在某种极端情况下发生灾害性事故 而导致硫化氢泄漏进入大气的重特大灾害事故状况， 采用多烟团模式模拟其在大气中的扩散及浓度分布。 2. 3主要计算参数的选取及确定 2. 3. 1风向风速确定 根据地面风场中西固区近 3 年冬、 夏、 年风向频 率和各风向下的平均风速以及污染系数， 得知评价区 静风频率较高， 年平均静风频率为 63. 1 ， 冬季静风 频率高达 80. 7 。除静风外， 评价区全年及冬季盛 行风向均为 ENE。由于评价区静风频率高， 所以全 年平均风速为 1. 1 m/s， 冬季平均风速仅为 0. 7 m/s， 夏季平均风速为 1. 4 m/s。 为符合风险事故发生的不确定性， 本模式选取的 平均风速有多个， 分别为 0. 7 冬季平均风速 ， 1. 4 区域内夏季平均风速 ， 3. 0 m/s 最大风速 。 2. 3. 2大气稳定度 大气污染物的扩散与稳定度状况密切相关， 本次 评价用云量和太阳高度角确定太阳辐射等级数， 再由 太阳辐射等级与地面风速划分稳定度等级 ［9］。近几 年兰州市西固区气象资料统计的稳定度频率见表 5。 表 5大气稳定度频率统计表 季节ABCDEF 冬季016. 12. 08. 521. 252. 2 夏季9. 715. 58. 940. 914. 510. 5 全年4. 815. 45. 424. 717. 831. 4 由表 5 可见 全年稳定类级别 E F 、 中性类级 别 D 和不稳定类级别 A B C 出现的频率分别 为 49. 2 、 24. 7 和 26. 1 ， 所以全年以稳定类为 主。冬、 夏两季分别以稳定级别 E F 、 中性级别 D 为主， 其频率分别为 73. 4 和 40. 9 ， 为使结果 141 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 趋于保守， 本次评价稳定度级别定为稳定类 E F 。 2. 3. 3大气环境风险预测范围确定 根据 HJ/T 1692004 中相关规定， 大气环境风险 评价的一级影响评价范围应距离源点不小于 5 km。 2. 3. 4源强确定 考虑到延迟焦化装置内原料渣油硫含量 1. 5 ， 若发生事故， 系统藏量最大按 4 h 的进料量， 50 的 硫转化为硫化氢计算， 硫化氢的量约为 4. 28 t。由于 灾害性事故发生时， 硫化氢泄漏需要经过较为缓慢的 过程才能从装置内的换热区、 分馏区、 压缩机区、 吸收 脱硫区等分离出来进入大气环境中， 故本次评价参考 硫化氢最易从高浓度含硫污水中被蒸发分离的量估 算约有 240 kg， 再考虑装置内干气脱硫等单元的硫化 氢释放到大气的量， 则可认为 即使有灾害性事故发 生， 进入到大气中的硫化氢最大量也不应超过 428 kg 按装置内 4 h 进料量中硫化氢总量的 10 计 。 2. 4预测结果分析 本项目所涉及特征污染物硫化氢的毒性见表 6。 表 6本项目所涉及物料的毒性 健康危害 侵入途径健康危害 致死浓度 / mg m － 3 短时间接 触允许浓度 / mg m － 3 硫化氢吸入 急性中毒、 慢性中毒 91310 通过已确定的参数， 利用软件环境风险评价系统 V1. 2. 0. 2 里有毒有害物质在大气中的扩散预测不同 风速条件下硫化氢的污染浓度分布， 此软件的计算原 理基于高斯烟团模式， 预测公式采用 1. 3 中式 1 式 7 。此外， 在环境风险评价系统中输入表 6 里的 致死浓度和短时间接触允许浓度， 可与预测出的不同 时段的结果结合判断限值， 自动生成致死半径、 最大 健康危害半径以及根据特定浓度限值出现的时间预 测出各种浓度范围持续时间， 预测结果如下 平均风速为 0. 7m/s 时硫化氢的预测结果见表 7。 表 7风速为 0. 7m /s 时不同预测时刻各预测项目的结果值 预测项目5 min20 min 40 min60 min 最大落地浓度 / mg m － 3 2010. 5 1258. 5740. 56. 7 最大落地浓度点的下风向距离 /m71530150 注 短时间接触允许浓度半径约 140 m， 持续时间约 1 h; 硫化氢最 大致死半径约 15 m， 持续时间约 1 h。 预测结果表明 当风速为 0. 7 m/s 时， 在事故发 生 60 min 以内， 最大落地浓度 2 010. 5 mg/m3， 致死 浓度半径为 15 m， 持续时间约为 1 h。危害范围在下 风向的 140 m 内， 持续时间约 1 h， 故采取的应急防护 和人员疏散范围应设置在当时的下风向约 190 m 范 围内 50 m 为安全距离 。在事故发生后的 60 min 以后地面最大浓度将会降低到 10. 0 mg/m3以下。 平均风速为 1. 4 m/s 时硫化氢的预测结果见表 8。 表 8风速为 1. 4m /s 时不同预测时刻各预测项目的结果 预测项目5 min20 min 40 min60 min 最大落地浓度 / mg m － 3 1989. 5867. 5631. 57. 7 最大落地浓度点的下风向距离 /m72040220 注 短时间接触允许浓度半径约 170 m， 持续时间约 1 h; 硫化氢最 大致死半径约 19 m， 持续时间约 1 h。 预测结果表明 当风速为 1. 4 m/s 时， 在事故发 生 62 min 以内， 最大落地浓度为 1 989. 5 mg/m3 ， 致 死浓度半径为 19 m， 持续时间约为 1 h。重点危害范 围在下风向的 170 m 内， 持续时间约 1 h， 故采取的应 急防护和人员疏散范围应设置在当时的下风向约 220 m 范围内。在事故发生后的 60 min 以后地面最 大浓度将会降低到 10. 0 mg/m3以下。 平均风速为 3. 0 m/s 时硫化氢的预测结果见表 9。 表 9风速为 3. 0m /s 时不同预测时刻各预测项目的结果值 预测项目5 min20 min 40 min60 min 最大落地浓度 /mg m － 3 1074594. 6302. 69. 4 最大落地浓度点的下风向距离 /m174065260 注 短时间接触允许浓度约 200 m， 持续时间约 1 h; 硫化氢最大致死 半径约 25 m， 持续时间约 1 h。 预测结果表明 当风速为 3 m/s 时， 在事故发生 60 min 以内， 最大落地浓度为 1 074 mg/m3， 致死浓度 半径为 25 m， 持续时间约为 1 h。重点危害范围在下 风向的 200 m 内， 持续时间约 1 h， 故采取的应急防护 和人员疏散范围应设置在当时的下风向约 250 m 范 围内。在事故发生后的 60 min 以后地面最大浓度将 会降低到 10. 0 mg/m3以下。 2. 5预测总结及建议 1 由预测结果可知， 风速越低， 污染物浓度降低 越慢， 同时污染物散布的宽度越窄; 风速越高， 污染物 浓度降解越快， 同时污染物散布的宽度越宽。 2 通过本次环境风险评价对 120 万 t/a 延迟焦 化装置发生重特大灾害性事故后硫化氢泄漏在大气 中的扩散模拟表明， 1 h 内有 428 kg 的硫化氢较为缓 慢地进入大气从而造成空气质量污染和人群健康危 害的影响程度时间约为 1 h， 最大致死半径约 25 m， 人体健康危害最大半径为 300 m。因此在事故发生 时， 为保障人员的健康安全， 应当迅速疏散当时下风 241 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 方 350 m 以内的人员。 3 建议在公司内醒目位置设置风向、 风速指示 器， 以利于对突发性事故情况下进行指挥救援， 同时 有必要进行重特大事故下的人员疏散模拟演练。 本研究对高斯烟团模式进行了基本简介， 指明了 它的适用性和基本原理， 同时通过对项目风险的识别 与分析， 在主要计算参数选取及确定等各方面详细给 出了利用高斯烟团模式解决问题的一般方法和步骤， 最后根据计算结果给出了相应的建议， 对于今后利用 高斯烟团模式解决问题有一定参考作用， 但由于参数 设置比较理想， 模拟出来的结论与实际情况可能有差 异， 应用时应注意结合实际情况进行处理。 参考文献 ［1］刘伟民， 杨冬． 低压闪蒸液滴温度与相变过程的研究［J］． 应用 基础与工程科学学报， 2005， 13 4 381- 387． ［2］潘旭海， 蒋军成． 重气云团瞬时泄露扩散的数值模拟研究［J］． 南京工业大学化学工程学报， 2003， 31 1 35- 39． ［3］王颖． 基于高斯模型的有毒气体瞬时泄露的伤害范围［J］． 消 防科学与技术， 2010， 29 11 1002- 1004． ［4］丁丽霞． 重气瞬时泄露扩散模型［D］． 上海 华东理工大学， 2006 5- 12． ［5］李又绿， 姚安林， 李永杰． 天然气管道泄漏扩散模型研究［J］． 天然气工业， 2004， 24 8 102- 104． ［6］徐志胜， 邓云云， 姜学鹏． 城市天然气管道泄 露的危害分析 ［J］． 工业安全与环保， 2006， 32 9 38- 39． ［7］刘蕾， 彭量， 张静雯． 多烟团模式在环境风险 评 价中的应用 ［J］． 气象科技， 2010， 38 6 684- 688． ［8］崔辉， 徐志胜． 有毒气体危害区域划分之临界浓度标准研究 ［J］． 防灾科学与技术研究所， 2008 81- 85． ［9］高建华． 能源结构改变对兰州市大气污染的影响［D］． 兰州 兰 州工业大学， 2001． 作者通信处李冰晶730000兰州大学大气科学学院环境质量影 响评价中心 11 级硕士兰州大学大气科学学院研究生信箱 E- maildowhatiw_635988908 qq． com 2012 － 09 － 04 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 117 页 料的 7d 无侧限抗压强度应达到 2. 5 ～ 3. 0 MPa 以上。 再生水泥稳定无机料的强度均达到了 3. 0 MPa 以上， 可以用于二级和二级以下公路。 图 3再生无机混合料的 7d 无侧限抗压强度 综上所述， 废弃混凝土再生骨料具有较好的性 能， 在满足 GB/T 251772010、 GB/T 251762010 的 前提下， 可以大比例掺入混凝土、 干混砂浆、 道路无机 混合料中使用。 4结论 1 建筑垃圾资源化利用具有减少占地、 降低环 境污染、 减少天然砂石开采等优点， 利用移动式破 碎 － 磁选 － 筛分设备生产的再生粗、 细骨料， 其指标 均达到相关标准要求。 2 以建筑垃圾再生骨料替代天然砂石料， 制备 混凝土、 干混砂浆、 道路无机混合料， 检测结果表明， 再生制品性能可满足使用要求， 再生骨料替代比例可 达到 50 以上。 参考文献 ［1］李大华， 盛洲发． 我国建筑垃圾的现状和资源化处置的对策商 榷［J］． 安徽建筑工业学院学报， 2006， 14 6 67- 70． ［2］孙耀东， 肖建庄． 再生混凝土骨料［J］． 混凝土， 2004 6 33- 36． ［3］冷发光， 何更新， 张仁瑜， 等． 国内外建筑垃圾资源化现状及发 展趋势［J］． 商品混凝土， 2009 3 20- 23． ［4］Kou S C， Poon C S． Properties of self-compacting concrete prepared with coarse and fine recycled concrete aggregates ［J］． Cement ＆ Concrete Composites， 2009， 31 622- 627． ［5］杨晓光， 黄渊， 尹素花． 建筑垃圾配制再生混凝土的试验研究 ［J］． 粉煤灰综合利用， 2010 1 42- 44． ［6］薛森森， 王爱勤． 建筑垃圾生产建筑砂浆的配合比优化［J］． 商 品混凝土， 2012 12 31- 39， 48． ［7］张铁志， 张彤． 建筑垃圾与尾矿在道路基层中的应用［J］． 公 路， 2009 7 337- 339． ［8］宋少民， 王林． 建筑垃圾再生混凝土配合比实验研究［J］． 武汉 理工大学学报， 2009， 31 7 56- 59． 作者通信处马刚平100041北京市石景山区石景山路 68 号首钢 总公司能源环保产业事业部 E- mailmagangping vip． sohu． com 2012 － 12 － 22 收稿 341 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期