高爐煤氣柜泄漏及爆炸事故后果分析

姜彩鳳

摘 要：大型干式煤氣柜儲(chǔ)存量大，儲(chǔ)存介質(zhì)易燃易爆有毒，如果發(fā)生泄漏，就容易引起嚴(yán)重的爆炸事故。本文運(yùn)用有毒物質(zhì)泄漏擴(kuò)散事故后果模擬分析，對(duì)高爐煤氣柜泄漏及爆炸的影響范圍進(jìn)行定量描述，為企業(yè)的事故預(yù)防工作提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤氣;泄漏;爆炸;后果分析

中圖分類號(hào)：X938文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）05-0012-04

Abstract： Large dry gas tanks have large storage capacity， and the storage medium is flammable， explosive and toxic. Once a leak occurs， it is likely to cause a serious explosion accident. This paper used a simulation analysis of the consequences of a toxic substance leakage and diffusion accident to quantitatively describe the scope of the blast furnace gas tank leakage and explosion， and provided a basis for the accident prevention work of enterprises.

Keywords： gas;leakage;explosion;consequence analysis

大型干式煤氣柜擁有很大的儲(chǔ)存量，儲(chǔ)存介質(zhì)易燃易爆有毒，一旦發(fā)生泄漏，易引起爆炸事故，后果十分嚴(yán)重[1]。另外，周邊居民生活區(qū)、敏感點(diǎn)較多，情況復(fù)雜。因此，對(duì)煤氣柜進(jìn)行泄漏及爆炸危險(xiǎn)性分析，具有十分重要的意義。

1 高爐煤氣柜主要技術(shù)參數(shù)

高爐煤氣柜主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 高爐煤氣柜泄漏及爆炸事故后果分析

2.1 高爐煤氣柜煤氣泄漏擴(kuò)散模型

高爐煤氣柜煤氣的平均摩爾質(zhì)量[M]=30.6 g/mol，與空氣接近，可選用高斯煙羽模型。

高斯煙羽擴(kuò)散模型是用來(lái)描述連續(xù)泄漏到大氣中的污染物沿下風(fēng)向擴(kuò)散濃度分布最廣泛的模型之一。有毒氣體發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間泄漏（持續(xù)泄漏時(shí)間超過(guò)10 min），其泄漏源可認(rèn)為是連續(xù)均勻的，有毒氣體在[y]、[z]軸上的分布符合高斯分布（正態(tài)分布），在當(dāng)?shù)仫L(fēng)速、地面粗糙度的影響下，泄漏的有毒氣體擴(kuò)散模式可以認(rèn)為遵循“地面連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式”，其擴(kuò)散模式符合高斯煙羽擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型[2-3]。Pasquill-Gifford模型擴(kuò)散方程為：

假設(shè)氣體在擴(kuò)散過(guò)程中不發(fā)生沉降、相變和化學(xué)反應(yīng)，氣體擴(kuò)散行程中無(wú)障礙物。由于管道破裂而發(fā)生泄漏時(shí)，其可視為地面點(diǎn)源泄漏。以泄漏點(diǎn)為原點(diǎn)，風(fēng)向順著軸正方向，泄漏高度[H]=0，其連續(xù)穩(wěn)態(tài)煙羽濃度分布公式可簡(jiǎn)化為式（2）。

依據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（AQ/T 3046—2013），當(dāng)大氣穩(wěn)定度為[F]時(shí)，查表可得：

2.2 泄漏危險(xiǎn)性分析

2.2.1 源項(xiàng)計(jì)算及場(chǎng)景選擇。煤氣泄漏過(guò)程中，假設(shè)泄漏氣體為理想氣體，泄漏過(guò)程為絕熱過(guò)程，泄漏孔面積不隨時(shí)間發(fā)生變化，氣體泄漏速率恒定，泄漏看作是地面泄漏。結(jié)合當(dāng)?shù)貋啛釒夂虻奶攸c(diǎn)，選取風(fēng)速1.5 m/s、溫度300 K、大氣穩(wěn)定等級(jí)F。場(chǎng)景選擇如表2所示。

2.2.2 泄漏速率（源強(qiáng)）計(jì)算。煤氣柜連續(xù)泄漏可視為連續(xù)點(diǎn)源泄漏，連續(xù)點(diǎn)源泄漏可通過(guò)小孔泄漏模型進(jìn)行計(jì)算。氣體流動(dòng)屬音速流動(dòng)，滿足以下條件：

音速流動(dòng)的氣體泄漏質(zhì)量流率為：

計(jì)算參數(shù)取值如表3所示。

20萬(wàn)m3高爐煤氣柜，當(dāng)泄漏面積[A]=10 mm2時(shí)，根據(jù)式（6）計(jì)算，10 mm2的泄漏速率[Q10mm]為：

20萬(wàn)m3 高爐煤氣柜，當(dāng)泄漏面積[A]=100 mm2時(shí)，根據(jù)式（6）計(jì)算，100 mm2的泄漏速率[Q100mm]為：

2.2.3 泄漏爆炸危險(xiǎn)區(qū)域計(jì)算。高爐煤氣的爆炸下限為30.8%，泄漏的煤氣體積比達(dá)到爆炸下限時(shí)，單位體積空氣中煤氣質(zhì)量如式（9）所示。

設(shè)式（1）中[y]=0，[z]=0，則氣體擴(kuò)散至[x]處時(shí)，[C（x，0，0）]=0.382 9 kg/m3，將其代入式（1），得出式（10）。

則有[σyσx=Q/（0.382 9πu）=0.554 2 Q]。

2.2.3.1 高爐煤氣柜。當(dāng)泄漏面積[A]=10 mm2時(shí)，[Q10 mm]=0.075 8 kg/s，則有：

由式（11）可得，[x]≈2.18 m，以轉(zhuǎn)爐煤氣柜泄漏點(diǎn)為中心，沿順風(fēng)向，距離泄漏點(diǎn)2.2 m范圍內(nèi)煤氣具有潛在爆炸危險(xiǎn)。

2.2.3.2 高爐煤氣柜。當(dāng)泄漏面積[A]=100 mm2時(shí)，[Q100 mm]=0.757 7 kg/s，則有：

由式（12）可得，[x]≈6.91 m，以轉(zhuǎn)爐煤氣柜泄漏點(diǎn)為中心，沿順風(fēng)向，距離泄漏點(diǎn)7 m范圍內(nèi)煤氣具有爆炸危險(xiǎn)。

2.2.4 泄漏毒性范圍計(jì)算。煤氣的毒性是其主要危險(xiǎn)性之一，空氣中CO濃度與人體癥狀關(guān)系如表4所示。

表4數(shù)據(jù)來(lái)源《危險(xiǎn)化學(xué)品安全技術(shù)全書(shū)》（化學(xué)化工出版社）。

空氣中的CO濃度低于30 mg/m3為安全標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)空氣中CO濃度為30～400 mg/m3時(shí)，人們會(huì)出現(xiàn)輕度中毒癥狀;當(dāng)空氣中的CO濃度為400～1 000 mg/m3時(shí)，人們會(huì)出現(xiàn)中度中毒癥狀;當(dāng)空氣中的CO濃度為1 000～2 069 mg/m3時(shí)，人們會(huì)出現(xiàn)重度中毒癥狀;如果濃度高于2 609 mg/m3，人們會(huì)中毒而致死。

煤氣中主要有毒物質(zhì)是CO，確定CO的安全風(fēng)險(xiǎn)閾值，理論上應(yīng)根據(jù)煤氣中CO的體積組分換算成為高爐煤氣的安全風(fēng)險(xiǎn)閾值。高爐煤氣不僅含有CO，還含有大量N2，后者占總體積的58.1%，N2雖然無(wú)毒無(wú)味，但也會(huì)造成窒息，因此，本文將CO的安全閾值當(dāng)作高爐煤氣的安全閾值。詳情如表5所示。

將高爐煤氣的源強(qiáng)、泄漏時(shí)間、安全閾值等參數(shù)代入式（1）中，利用Matlab軟件的計(jì)算與繪圖功能，對(duì)20萬(wàn)m3高爐煤氣柜毒氣泄漏進(jìn)行模擬。

當(dāng)源強(qiáng)[Q]=0.075 8kg/s，泄漏面積[A]=10 mm2時(shí)，設(shè)源架高[He]=5m，則高爐煤氣下風(fēng)向擴(kuò)散濃度圖如圖1所示。

通過(guò)圖1看到，高爐煤氣從高架源點(diǎn)泄漏時(shí)，在下風(fēng)向45 m處達(dá)到最大濃度336.07 mg/m3后，濃度隨著距離的增加而逐步降低，在側(cè)風(fēng)向即[y]-[z]軸向呈正態(tài)分布。

由圖2、圖3可得，下風(fēng)向45 m處（最高濃度為336.07 mg/m3）到最遠(yuǎn)271 m處為輕度中毒癥狀區(qū)，人身安全均受到影響;側(cè)風(fēng)向最大影響距離為23 m。

當(dāng)源強(qiáng)[Q]=0.757 7 kg/s，泄漏面積[A]=100 mm2時(shí)，設(shè)源架高[He]=5 m。

源強(qiáng)Q=0.7577 kg/s，泄漏面積A=100 mm2時(shí)，設(shè)源架高He=5 m，MATLAB軟件的計(jì)算結(jié)果為：源強(qiáng)的增加并沒(méi)有影響煤氣擴(kuò)散最大濃度點(diǎn)出現(xiàn)的距離，最大濃度3359.32 mg/m3 仍是出現(xiàn)在45 m的距離上，但濃度增加了約十倍，同一距離氣體擴(kuò)散濃度與源強(qiáng)及泄漏面積成正比。

對(duì)于源強(qiáng)[Q]=0.757 7 kg/s的高爐煤氣而言，在大氣穩(wěn)定度為[F]、風(fēng)速[u]=1.5 m/s的條件下，下風(fēng)向各安全閾值區(qū)域的距離如表6所示。

3 結(jié)論

從高斯煙羽擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型看到，大氣氣象條件對(duì)煙云的擴(kuò)散影響是非常大的，大氣穩(wěn)定度越不穩(wěn)定，風(fēng)速越大，越有利于有毒氣體的擴(kuò)散，越能降低煤氣擴(kuò)散的濃度，減小毒性影響的范圍。本文選擇的大氣穩(wěn)定度[F]、風(fēng)速[u]=1.5 m/s是極不利于有害氣體擴(kuò)散的情況，即選擇最壞的情況。

泄漏面積對(duì)氣體擴(kuò)散濃度影響很大，泄漏面積越大，擴(kuò)散濃度越高。源架高度[Hr]對(duì)有毒氣體擴(kuò)散影響也很大，高度越高，擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)。本文在爆炸危險(xiǎn)分析中選擇[Hr]=0，實(shí)源與虛源重合，擴(kuò)散濃度會(huì)成倍增加，增大了火災(zāi)爆炸事故的危險(xiǎn)性。

在泄漏危險(xiǎn)分析中，當(dāng)選擇[Hr]=5 m時(shí)，毒性影響范圍增大，最大擴(kuò)散濃度落地點(diǎn)45 m處沒(méi)有達(dá)到爆炸下限，沒(méi)有爆炸危險(xiǎn)。但隨著源強(qiáng)的增加，其發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)性也會(huì)加大。源架高度[Hr]對(duì)有毒氣體擴(kuò)散影響也很大，高度越高，最大濃度落地點(diǎn)越遠(yuǎn)，擴(kuò)散范圍也越大。因此，高架管道的泄漏、煤氣水封及放散塔應(yīng)是人們?cè)诠ぷ髦嘘P(guān)注的重點(diǎn)部位。

參考文獻(xiàn)：

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