液氨泄漏事故的污染擴散模擬研究

劉新星，劉忠熳

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

液氨泄漏事故的污染擴散模擬研究

劉新星，劉忠熳

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

氨氣通常采用常溫高壓或低溫加壓的方式液化儲存，而液氨具有特殊毒性和影響，為了了解液氨泄漏擴散時的范圍和影響。文章通過某案例的背景資料利用高斯煙雨模型對液氨連續泄漏源進行建模，利用MATLAB數學軟件對模型進行模擬，定量分析液氨泄漏擴散全過程。經計算可得，對于假定發生的泄漏事故，重傷半徑為53 m，刺激半徑為200 m，以車間最高允許濃度(MAC)為毒性終點，該液氨泄漏事故的影響距離為278 m，這對液氨的泄漏及擴散制定及時有效的防災對策，減少人員傷亡和降低環境污染的危害具有重要的現實意義。

液氨；泄漏擴散；高斯煙羽模型；MATLAB

0 引 言

氨是一種重要的化工原料，為運輸及儲存便利，通常將常溫常壓條件下呈氣體狀態的氨通過加壓或冷卻變成液體狀態的氨(即液氨)。液氨在工業上應用廣泛，可起殺菌和降溫制冷作用。

由于液氨易燃，有毒，且具有刺激性，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸，與氟、氯等接觸會發生劇烈的化學反應，若遇高熱，容器內壓增大，有開裂和爆炸的危險，所以其化學事故的發生率較高[1]。

因此從理論上研究液氨泄漏擴散機理，預測其擴散范圍，在工業企業選址、總平面布置和事故應急救援工作中具有重要意義。

有毒有害氣體發生泄漏擴散以至造成危害一般分為2個步驟：

1)第一步是泄漏過程。

2)第二步為擴散過程，下面分別討論。

1 液氨泄漏擴散過程分析

液氨泄漏擴散過程從2個方面進行分析：

如何實現人體組織的修復或者再生一直以來都是醫學領域的熱門研究方向，口腔醫學界也毫無例外。近年來，關于口腔組織的修復或再生無論在細胞實驗、動物實驗以及臨床運用上都取得了令人驚喜的成果。1998年富血小板血漿(platelet-rich plasma，PRP)第一次從人的血液中被成功提取，由于PRP制備過程復雜，需要添加外來生物制劑，存在倫理學和免疫排斥，PRP的使用受到了限制[1]。

1.1 液化氣體泄漏機理

液氨泄漏的方式有多種，主要是瞬時泄漏和連續泄漏。儲罐的破裂、瞬時間沖料導致的事故泄漏，壓力容器的安全閥非正常情況下啟動，放空閥門瞬間地錯誤開啟等都會造成液氨的瞬時泄漏，此類泄漏的特點是泄漏量大，泄漏時間短。

液化氣體連續泄漏是指液化氣體連續不間斷的向外泄漏。這種類型的特點是泄漏時間較長，泄漏量較小的特點[2]。

氣體或蒸汽經小孔泄漏，因壓力降低而膨脹，該過程可視為絕熱過程。假設氣體符合理想氣體狀態方程，則根據柏努利方程可推導出如下的氣體泄漏公式：

(1)

式中：Q為泄漏質量流量，kg/s；Cdg為泄漏系數，裂口為圓形時取1.00，三角形時取0.95，長方形時取0.90；A為泄漏口面積，m2；P為容器內氣體壓力，Pa；k為絕熱指數(等壓比熱容與等容比熱容的比值)；M為氣體的分子量，kg/mL；R為氣體常數，一般取8.314J/(mol·K)；T為氣體絕對溫度，K。

幾種常見的罐裝氣體具體的絕熱指數和臨界壓力見表1[3]。

表1 常見氣體的絕熱指數和臨界壓力

1.2 擴散模型的建立

因為氨氣的密度小于空氣的密度，屬于非重氣擴散，因此采用高斯煙羽擴散模型來計算其泄漏后的濃度。由于本文中所選取企業的液氨儲罐放置在地面上，因此儲罐泄漏為地面點源，預測高度為人群呼吸帶大氣層，Z=1.4 m，其(Z2/2δZ2)之值相對很小，可以忽略，故地面點源的擴散模式為[4]：

(2)

2 案例分析

2.1 實例情況概述

研究案例為某化工企業內，一個液氨儲罐發生連續性泄漏，泄漏口近似為半徑為20 mm的圓形，泄漏源的基本參數如下表，該企業所屬城市位于北緯39度，東經117°的某市，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫12.6 ℃，全年風向以西、北向居多，春季多風少雨，夏季高溫多雨，秋季冷暖適宜，冬季雨雪稀少。假設發生液氨儲罐泄漏時間為3月18日下午4時，天氣睛，有少許云，觀測時間選擇下午四時，風速為2.225 m/s。

表2 泄漏源的基本參數

2.2 泄漏量的計算

液氨儲罐泄漏事故的泄漏口近似為半徑為20 mm的圓形，因此泄露的面積即為0.00126 m2。液氨儲罐的內裝壓力為1.8 MPa，泄漏時的溫度為年平均氣溫16 ℃，將相關數據代入式(2)，經計算液氨的泄漏量：

(3)

2.3 擴散系數的估算

太陽高度角θh、的計算具體如下所示：

θh=arcsin[sinφsinδ+cosφcosδcos
(15t+λ-300)]=arcsin[sin39sin(-2)+cos
39cos(-2)cos(15×15+117-300)]=33.73

(4)

通過查閱該地區的氣象資料可知，3月中旬下午3時天空云量大約為5/4，結合求得的太陽高度角，根據太陽輻射等級表，便可確定太陽輻射等級為+1。然后再根據假設的地面風速為2.225 m/s，由大氣穩定度等級表可知，大氣穩定度為C。

表3 大氣穩定度等級

2.4 液氨擴散范圍預測

將σy、σz的表達式，人群呼吸帶大氣層高度的風速、不同時間的泄漏量代入公式(4)，利用MAILAB數學軟件對模型進行模擬計算，得到氨氣擴散的等濃度曲線圖，簡明直觀地反映了氨氣擴散的傷害縱深和傷害范圍，如圖1所示。

根據模擬結果得到下風向距泄漏點分別為25 m、50 m、75 m、100 m、125 m、150 m、175 m、200 m、250 m、300 m、350 m、400 m及450 m距離時氨氣的濃度，以及氨氣濃度分別為350 mg/m3和30 mg/m3時與泄漏點之間的距離，如表4所示。

圖1 氨氣擴散等濃度曲線圖(0～450m)

表4 氨氣濃度和與泄漏點之間距離的關系

為了更直觀的觀察氨氣濃度隨與泄露點之間距離變化的規律，將表4中的數據以圖形的形式表示出來，具體見圖2。

圖2 氨氣濃度與泄露點之間距離(0～450m)的變化示意圖

2.5 結果分析與討論

從圖1可以看出氨擴散在地面形成的等濃度線表現為蒲扇型，下風側離原點遠的地方Y軸上寬度越大，表明X軸方向受風力影響擴散速度大于Y軸方面氨氣本身在空氣中的傳遞速度，風有利氨的擴散。

由圖1、2可知，氨氣濃度隨著與泄露點距離的不斷增加而降低，但在與泄露點相距較近的地點濃度的變化明顯，隨著與泄露點距離的增大，因氨氣濃度也較小，氨氣濃度的變化也隨著變得很小。

根據表4的相關數據可知，在距泄漏點為278 m的范圍內，氨氣的濃度>30 mg/m3，即超過車間最高允許濃度(MAC)，若工作人員在此范圍內長期工作，會對人體造成嚴重傷害。在距泄漏點為200 m的范圍內，氨氣的濃度>50 mg/m3，處于該范圍內會有明顯的刺激性氣味，對呼吸器官造成危害，故此液氨泄漏事故所造成的刺激半徑為200 m；若處于距泄漏點為53 m的范圍內，氨氣的濃度>350 mg/m3，作業人員在該環境中30～60 min如果不采取防護措施，人體健康極有可能受到嚴重傷害，故該事故的重傷半徑為53 m。

綜上所述，液氨泄漏事故對其周圍的作業人員以及居民的人身安全造成了極大地威脅，對周圍環境的影響也是極大的，企業應加強監控和制定相應的事故應急處理措施，控制液氨泄漏擴散事故的發生發展，以減少人員傷害和對廠區周圍環境的危害。

3 結 論

有毒有害氣體的泄露對大氣環境質量有直接的影響，同時也直接影響了周圍居民的身體健康及生活。但由于高成本和相關實驗的難度，對污染物濃度進行準確的動態分時空監測不是十分可行，因此大氣污染物擴散模式被廣泛地用來模擬預測有毒有害氣體的擴散分布以及危害區域。

本文基于高斯煙羽模型對液氨連續性泄漏擴散進行建模，利用MATLAB數學軟件對模型進行數值模擬，計算液氨的泄漏擴散趨勢。該研究具有一定的實用性，其計算結果可為事故現場救援人員在確定事故中毒危險區域以及作業人員疏散范圍時提供一定的參考依據。

[1]平措，尤學一.大氣污染擴散長期模型的應用研究[D].天津：天津大學，2006.

[2]羅艾民，師立晨，多英全，等.液氨泄漏事故模式比較研究[J].中國安全生產科學技術，2007(03):21-24.

[3]張建平.液氯泄漏事件的環境安全防護距離與監測布點方法[J].中國環境監測，2008,24(01)：5-6.

[4]谷清，李云生.大氣環境模式計算方法[M].北京:氣象出版社，2002：39-42.

[5]遲妍妍,張惠遠.大氣污染物擴散模式的應用研究綜述[J].環境污染與治,2007,29(05):376-381.

1007-7596(2014)12-0034-03

2014-06-09

劉新星(1986-)，女，黑龍江安達人，助理工程師；劉忠熳(1973-)，女，黑龍江樺南人，高級工程師。

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