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中国以煤炭为主的能源结构决定了煤化工在能源和化工领域的重要地位,然而煤化工行业在生产、储运过程中会涉及各种有毒气体,这些气体具有排入大气环境的潜在风险。山西省太原市晋源区是一个典型的煤化工工业区,氯气、氨气和光气为区内代表性的有毒气体。以这一煤化工区为例分析有毒气体泄漏的大气扩散规律,不仅对认识、防范当地潜在泄漏事故具有重要意义,也对其它类似条件煤化工区的应急响应和处理具有技术参考价值。
本文利用2008年全年的NCEP再分析资料、实际气象观测资料和地形数据开展分析研究。在对地面站气象数据做了统计分析之后,利用CALMET模式得到中、小两个尺度的诊断风场,掌握区域的基本流动情况;然后,通过低层大气拉格朗日轨迹和随机粒子扩散模拟,分析当地大气污染物输送的方向、路径和平均扩散形态;之后,选择有代表性的事故条件,利用CALPUFF模式对事故扩散情况进行模拟,并结合当地风向—风速—稳定度联合概率对每一扩散类型进行事故影响分析;最后将模拟结果与其他模式做了对比。所获结果可以为当地事故应急大气扩散快速评价提供技术依据。
对太原地区大气流动背景的分析发现,当地全年风向以西北方向和东南方向来流为主;影响风场的主要因素为天气系统和山谷风环流;各季风场可粗略划分为大风型、局地环流型和小风型三类。对风场类型的统计和风向—风速—稳定度三维联合频率的结果都显示当地以风速较小的情况为主,对扩散有不利影响。拉格朗日输送轨迹和粒子扩散模拟的结果表明,当地平均中尺度扩散略呈南北分布形态,但有明显季节变化。冬季向东南偏南方向的影响、夏季向偏西方向的影响都很显著。春秋季以南北影响为主,其中春季风速大,对周边的平均影响范围较小。
针对太原煤化工区典型氯气泄漏的情况,在20km×20km区域内进行了全年8784个时刻的逐时模拟。结果表明:不同稳定度、风速、风向下,事故的扩散范围变化很大。A至C类稳定度下,致死区的范围大都在1km以内,中毒区一般在2km以内;而对于D至F类稳定度,致死区范围常常可以达到3km以上。特别需要注意的是F类稳定度下静风的情况,此时致死区可达5km,中毒区可达8km。
研究还发现CALPUFF的模拟结果与ALOHA的模拟结果具有较好的一致性。模式的对比一方面表明了CALPUFF模拟结果的合理性,另一方面也反映出CALPUFF的优势。CALPUFF模式能更好地反映出当地小风和风向多变条件的影响,从而得到更合理的扩散模拟结果。对太原煤化工区而言,一项具有实际意义的研究结果是,小风条件下的事故快速应急范围不可简单地由初始时刻的风向决定。本文系统地给出了这些条件下的事故影响范围,其中甚至包括上风向的潜在影响区域。