煤氣站事故的模擬計算及后果分析

摘要：發生爐煤氣是通過水蒸氣和空氣混合形成氣化劑后流經熾熱的固定燃燒床生成的，空氣中所含的氧和蒸汽與燃料中的碳反應，生成了含有CO、CO2、H2、CH4、C2H4、N2等成分的發生爐煤氣。文章對煤氣站的生產過程中可能產生的事故進行了模擬，并對事故的后果進行了分析。

關鍵詞：煤氣站；安全事故；模擬計算；事故后果；發生爐煤氣；固定燃燒床 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ086 文章編號：1009-2374（2015）27-0158-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.081

1 煤氣站原理

發生爐煤氣是通過水蒸氣和空氣混合形成氣化劑后流經熾熱的固定燃燒床生成的，空氣中所含的氧和蒸汽與燃料中的碳反應，生成了含有CO、CO2、H2、CH4、C2H4、N2等成分的發生爐煤氣。

蒸汽還與CO反應，每體積CO轉化為CO2時，同時生成了相同體積的H2。在還原層，其溫度低于1200℃時還會出現下面的快速反應：

CO2+C→2CO

H2O+C→H2+CO

2 生產工藝流程

煤氣站主要包括三個部分：煤氣發生裝置、煤氣凈化裝置、煤氣輸配裝置。

利用提升機器將煤加入貯煤倉，通過加煤機將煤注入爐膛。然后煤炭在煤氣爐干餾段中進行干燥、干餾。煤炭慢速下移，溫度逐漸升高，經8～10小時后到達氣化段，在干餾段中，煤炭中的水分都釋放出來，焦油及大部分硫化物也都干餾出來，并且產生碳氫化合物，形成上段煤氣。進入氣化段成半焦狀的煤焦，經過氣化反應，產生下段煤氣。

上段煤氣離開煤氣爐經過旋風除焦器再進入電除焦油器，除去煤氣攜帶的焦油，然后與下段煤氣混合進入靜電除塵器。

下段煤氣經旋風除塵器除去大部分灰塵進入激冷器，降溫至100℃～120℃后與上段煤氣混合，再通過靜電除塵器除去煤氣中的細小塵埃和部分輕油，然后進入間冷器冷卻至常溫，最后經煤氣加壓機送至用氣點。

3 事故模擬情況

第一，煤氣站是與鈦白粉生產系統相對獨立的煤氣生產系統，現假設設備和設施因材料腐蝕老化而發生銹蝕缺損，容易因伸張拉力影響出現破裂泄漏的情況，模擬事故選煤氣加壓后進入煤氣總管的接口為事故發

生點。

第二，根據資料，管道接頭泄漏，其裂口尺寸，通常取管道直徑的20%～100%。煤氣管道設有高低壓報警裝置、聯鎖裝置，若管道整體破裂，即裂口尺寸取管道直徑的100%，管內壓力減小，低壓報警裝置會報警，作用聯鎖裝置，切斷鼓風機電源，從而中斷煤氣的產生，從管道破裂到聯鎖裝置發生作用的時間較短，約

為3秒。

第三，煤氣中CO含量占29.4%、H2占10.5%、N2占56.3%、CO2占2.6%、O2占0.2%、烴占1%，泄漏出空間的煤氣的各種組分會離析，H2和烴比空氣輕，向上飄散；N2、CO2和O2混于空氣中；CO有毒，其密度等于空氣的0.97，會在空氣中混和后作擴散運動。若不考慮環境氣體流動的影響，CO均衡擴散，會形成以泄漏口為圓心的半球形狀的氣團，濃度由內至外呈高斯分布。

4 事故后果模擬分析

4.1 裂口尺寸取管道直徑的20%

4.1.1 破裂裂口。裂口尺寸取管道直徑的20%；現煤氣輸出管的管徑為Ф800，所以裂口的長度為160mm（0.16m）。

4.1.2 泄漏面積。由于管道因冷縮熱脹而發生的水平線性應力牽引發生材料開裂，因而其裂口應較均勻并形成一橫向的長條形，假設裂口的平均寬度為2.5mm，則裂口面積等于氣體泄漏面積，計算結果為0.4×10-3m2。

4.1.3 泄漏速度。根據“因果模型分析法”中，氣體釋放量方程：

在泄漏處操作壓力≤2×105Pa時，W=CdA[2ρ（P1+P2）]0.5

式中：W為泄漏速度，kg/s；Cd為泄放系數，通常為0.8；A為泄漏口面積，m2；ρ為流體的密度，kg/m3；P1為上流壓力（絕壓），N/m2；P2為下流壓力，N/m3。

計算：A=0.4×10-3m2；ρ=煤氣在40℃時的密度，0.545kg/m3；P1=煤氣總管內絕對壓力為1.079N/m2；P2=空間的標準大氣壓為1N/m2。

計算結果：W=0.48×10-3kg/s。

4.1.4 泄漏量。假設煤氣泄漏持續時間為1小時，則泄漏量為Q，體積為V：

Q=0.48×10-3×3600=1.728kg

V=1.728÷0.545=3.171m3

因為CO在煤氣中體積只占29.4%，因此泄漏的CO體積為Vq，Vq=3.171×29.4%=0.932m3。

4.1.5 擴散。

第一，擴散形式。煤氣泄漏到空間里，其中H2和CH4氣體比空氣輕，很容易就分離出來向上升并飄散。CO密度與空氣差異很小（0.97∶1）。

第二，有毒氣體擴散危害半徑。以泄漏口為圓心，擴散危害半徑按下式計算：

式中：R為有毒氣體危害半徑，m；Vq為有毒氣體泄漏體積，m3，取0.932m3；c為有毒氣體在空氣中的危險濃度值，%。

根據《化學物質毒性全書》，空氣中CO濃度與人體反應之間關系見表1：

按擴散公式求出危害半徑如下：（1）有不適現象時的危害半徑：R1=3.14m；（2）引致人員輕度中毒的危害半徑：R2=2.64m；（3）引致人員中度中毒的危害半徑：R3=1.78m；（4）引致人員重度中毒的危害半徑：R4=1.48m；（5）引致人員死亡的危害半徑：R5=0.83m。

根據《工作場所有害因素職業接觸限值》，以CO短時間接觸容許濃度（任何一次接觸不得超過15分鐘時間加權平均的容許接觸水平）在非高原地區為30mg/m3為標準，作為有毒氣體在空氣中的危險濃度值。則：C國標=0.0024，則危害半徑：R國標=3.67m。

4.2 裂口尺寸取管道直徑的100%

4.2.1 泄漏量。煤氣產生量為14000m3/h，煤氣泄漏時間為3秒，則泄漏量為V：

V=14×103×3/3600=11.67m3

因為CO在煤氣中體積只占29.4%，因此泄漏的CO體積為Vq，Vq=11.67×29.4%=3.43m3。

4.2.2 擴散形式。煤氣泄漏到空間里，其中H2和CH4氣體比空氣輕，很容易就分離出來向上升并飄散。CO密度與空氣差異很小（0.97∶1），將會呈半球形向外擴散。作高斯分布。

4.2.3 有毒氣體擴散危害半徑。根據擴散公式及表1，求出危害半徑如下：（1）有不適現象時的危害半徑：R1=5.35m；（2）引致人員輕度中毒的危害半徑：R2=4.49m；（3）引致人員中度中毒的危害半徑：R3=3.01m；（4）引致人員重度中毒的危害半徑：R4=2.53m；（5）引致人員死亡的危害半徑：R5=1.42m。

危險半徑R國標=6.28m。

從上述泄漏擴散事故模式中可看出，由于煤氣輸出管內壓力很低（15kPa），與裂口外的環境壓力的壓差很小，因此有毒氣體泄漏量較小，事故影響的范圍較小。事故后果模擬結果是以裂口尺寸為20%和100%兩種情況下得出的，如果裂口面積介于20%～100%之間，聯鎖系統未起作用，泄漏時間長，事故影響的范圍會

擴大。

參考文獻

[1] 夏元洵.化學物質毒性全書[M].上海：上海科學技術文獻出版社，1991.

[2] 中華人民共和國衛生部.工作場所有害因素職業接觸限值[S].北京：人民衛生出版社，2007.

作者簡介：羅小玲（1980-），女，廣東四會人，供職于廣東靖安安全評估咨詢有限公司，研究方向：安全評價、安全管理、安全控制。

（責任編輯：蔣建華）