基于高斯煙羽模型的某鋼鐵公司較大煤氣中毒事故原因分析

向幸 劉見 徐厚友 郝玉澤 王彪

(中鋼集團武漢安全環保研究院有限公司 武漢 430081)

0 引言

高斯模型認為氣團的濃度分布服從正態分布，在許多試驗中被認為合理，是計算釋入大氣中的氣載污染物下風向濃度應用最廣的方法，主要分為高斯煙羽模型[1-2](適用于點源的連續擴散)和高斯煙團模型(適用于點源的瞬時擴散)。某鋼鐵公司在設備檢修、調試、空載運行和試車后，開始試生產時發生了一起氣燒石灰窯高爐煤氣泄漏致使3人死亡、6人受傷的較大煤氣中毒事故。該事故高爐煤氣持續泄漏，本文采用高斯煙羽模型，通過模擬分析結果得出了事故發生的原因，針對該起事故提出了預防建議。

1 事故概況

1.1 事故情況

2017年8月2日上午，某鋼鐵公司氣燒石灰窯承包商(以下簡稱承包商)準備當天點火生產，需要使用高爐煤氣。17時左右，承包商作業人員李某甲打開通往氣燒石灰窯煤氣主管道上的高爐煤氣眼鏡閥(DN500 mm)；19時49分，李某甲打開燒嘴前的煤氣調節總閥，承包商作業人員方某、李某乙、王某在現場配合。此時圍管煤氣壓力為4.18 kPa；20時09分，氣燒石灰窯圍管煤氣壓力上升至8.63 kPa，李某甲、王某、方某3人將點燃的淋過柴油的棉絮從窯頂上料口丟入作為引火源。隨后李某甲打開氣燒石灰窯第1組燒嘴；21時09分，李某甲打開第2組燒嘴，煤氣壓力出現波動(期間李某丙來到現場，李某乙、王某離開現場)； 23時39分，李某甲打開第3組燒嘴，煤氣壓力再次下降；23時49分，圍管煤氣壓力降至2.90 kPa，燒嘴不能穩定燃燒，火焰熄滅，又因窯內溫度較低無法使煤氣復燃，煤氣持續從燒嘴噴出，經窯底出料口外泄并擴散至高爐上料休息室區域。

期間，李某甲從氣燒石灰窯操作室(以下簡稱操作室)出來至窯出料口處中毒倒地，李某丙在其身后約1 m處中毒倒地，方某在李某丙身后約7 m處中毒倒地。

8月2日23時50分—8月3日2時，煤氣外泄擴散超過2 h后，高爐上料休息室內6人中毒。

1.2 事故發生前后當地氣象情況

氣象資料顯示，8月3日0—3時，當地溫度在26～27 ℃，靜風，基本無雨，能見度較好(900～2 400 m)，氣壓在99.3～99.5 kPa，相關氣象要素如表1所示。事發區域氣象情況不利于煤氣擴散。

表1 8月3日0—3時事故現場相關氣象要素

1.3 事故現場設施及事發狀態

(1)高爐煤氣泄漏部位。事故氣燒石灰窯異常熄火后，因烘窯時間短、窯內溫度較低，煤氣不能復燃且持續噴出。因高爐煤氣密度比空氣略大，烘窯過程中未運行廢氣抽風機，窯內石灰石料面距窯頂上料口高度有限，無法形成煙筒效應；加之當晚氣壓較低且無風，烘窯時的松料操作使下部料層間隙比上部料層大，煤氣主要向氣燒石灰窯下部流散，最終主要從窯下部出料口外泄。

(2)煤氣擴散區域及影響。通過現場勘驗和計算，高爐煤氣以石灰窯出料口為中心，以0.43 kg/s的泄漏速率、1 200 m3/h的泄漏量向外擴散(高爐煤氣密度為1.296 kg/m3，正常生產時總管流量約7 500 m3/h，事故時管道閥門開度為0.16，根據閥門前后壓差計算當時流量約1 200 m3/h)。煤氣持續泄漏10 min后，在擴散半徑10 m處，煤氣體積分數達1.28%；煤氣持續泄漏2～2.5 h后，泄漏量約2 400～3 000 m3，在擴散半徑34 m處(上料休息室門口)，煤氣體積分數約0.046 6%；在擴散半徑30.5 m處(上料休息室朝向石灰窯方向的開窗)，窗戶下沿處煤氣體積分數約0.052 3%。

(3)事故發生區域人員情況。承包商當班人員3人，某鋼鐵公司高爐上料班當班人員6人。

2 事故工藝簡介

2.1 生產工藝

某鋼鐵公司有1座179 m3高爐，配套2臺900 m3/min離心鼓風機(1用1備)，1臺54 m2燒結機，1座240 t/d球團豎爐和1座180型氣燒石灰窯，設計年產鑄造用生鐵25萬t。具體生產工藝流程如圖1所示。

圖1 鑄造用生鐵項目生產工藝流程

2.2 廠區布局

該企業廠區西南角布置1座179 m3高爐，高爐往東依次排列有高爐原料場、燒結、球團廠房。高爐原料場往北是高爐原料運輸皮帶，皮帶通廊下方布置有高爐上料、燒結休息室。事故氣燒石灰窯位于高爐原料運輸皮帶通廊北30.5 m，氣燒石灰窯往東21.5 m布置有氣燒石灰窯操作室。氣燒石灰窯包括立窯本體、煤氣和空氣預熱器及風機(西向5.6 m)、除塵器(西向11.8 m)、氣燒石灰窯成品庫(北向)以及操作室。煤氣管道走向及石灰窯周邊環境示意如圖2所示。

圖2 煤氣管道走向及石灰窯周邊環境示意(單位：m)

2.3 高爐煤氣運行系統及事故管道情況

2.3.1 高爐煤氣運行系統

該高爐煤氣額定發生量為32 000 m3/h，主要煤氣用戶為高爐熱風爐、燒結、球團及氣燒石灰窯，其中，熱風爐用量為13 000 m3/h，燒結機用量為5 000 m3/h，球團機用量為4 100 m3/h，石灰窯用量為8 000 m3/h；剩余煤氣經放散管(管口高度為30 m)直接對空排放，放散無溫度監控和滅火裝置。該煤氣放散管設置高度和高爐煤氣排放方式不符合《中華人民共和國大氣污染防治法》第四十九條及《工業企業煤氣安全規程》(GB 6222—2005)[3]的相關要求。

2.3.2 高爐煤氣主要性質特性

高爐煤氣是高爐冶煉過程的副產品，是無色、無味、易燃、易爆、有毒的混合氣體，主要成分有N2、CO、CO2等，如表2所示，相對空氣密度約0.9～1.1，熱值約3 349～4 187 kJ/m3，著火溫度約700～800 ℃，燃燒溫度為1 470 ℃，爆炸極限為30.8%～89.5%。

表2 高爐煤氣成分 %

高爐煤氣產生化學反應式為

C+O2=CO2

(1)

C+CO2=2CO

(2)

3CO+Fe2O3=2Fe+3CO2

(3)

2.3.3 高爐煤氣管道系統

該高爐產生的高爐煤氣經重力除塵器、布袋除塵器等裝置除塵后匯入凈煤氣管道，通過架空管道送往高爐熱風爐、燒結、球團及氣燒石灰窯等用戶，總管與各用戶支管間設置有蝶閥和眼鏡閥隔斷。事故氣燒石灰窯的高爐煤氣主管管徑為DN500 mm、長度約40 m，經手動蝶閥(DN500 mm)調節后進入煤氣圍管，再經手動閘閥(DN100 mm)到達燒嘴燃燒。

2.4 事故氣燒石灰窯情況

2011年7月，某鋼鐵公司自行設計和組織建設事故氣燒石灰窯(氣燒石灰窯系統缺乏明確的行業和地方設計標準和建設規范)，如圖3所示。

圖3 氣燒立窯結構示意(單位：mm)

2012年5月，事故氣燒石灰窯完工，無竣工驗收資料。2014年3月，承包商對該石灰窯電氣控制部分進行建設安裝，委托某工控公司開發了“氣燒窯自動化監控系統”，主要將助燃風機、冷卻風機、煤氣電動閥門等電氣設備操作控制集成到操作室遠程操作，對煤氣、助燃空氣壓力、石灰窯溫度檢測、視頻監控等運行參數集成顯示和監控。8月2日，在石灰窯點火生產前，該“自動化監控系統”中相關壓力、溫度等參數因故障不能反映數據，承包商未進行修復便點火生產。

根據《工業企業煤氣安全規程》中“7.1.1當燃燒裝置采用強制送風的燃燒燒嘴時，煤氣支管上應安裝止回裝置或自動隔斷閥，在空氣支管上應設置泄爆膜”以及“7.1.2煤氣、空氣管道應安裝低壓報警裝置”的規定，某鋼鐵公司未按規程要求安裝止回裝置或自動隔斷閥，未安裝低壓報警裝置。

3 高爐煤氣外泄擴散范圍及影響分析

根據現場勘驗、數據采集、氣象條件、相關人員問詢，采用相關數學模型分析，判定高爐煤氣持續外泄擴散后的總量、范圍、濃度以及事故影響。

3.1 高爐煤氣泄漏速率

該事故系統無煤氣流量檢測，無泄漏速率的直接數據，此處根據煤氣總管設計流量和閥門開度折算。

總管設計流量M=7 500 m3/h，事故發生時閥門開度為0.16，則煤氣實際流量m=M×0.16=1 200 m3/h，已知高爐煤氣密度為1.296 kg/m3，則質量泄漏速率為0.43 kg/s。

3.2 高爐煤氣擴散范圍及影響分析

高爐煤氣在泄漏源附近擴散，在泄漏源上方形成氣團并在大氣中擴散。氣團的擴散模式與氣團性質、大氣穩定度、風速、風向、地表粗糙度等因素有關。高爐煤氣密度與空氣相近，可不考慮重氣(密度相比空氣大)效應，適合使用高斯模型來分析高爐煤氣泄漏點下風向的煤氣濃度分布情況。該事故高爐煤氣持續泄漏，適合采用高斯煙羽模型。

根據高斯煙羽模型，恒定氣象條件下(風向、風速、大氣穩定度不隨時間變化)高架點源連續排放，考慮煙羽在地面全反射后，泄漏點下風向的某點(x，y，z)煤氣質量濃度可計算為

(4)

式中，Q為連續泄漏流量，kg/s；u為平均風速，m/s；x為泄漏點下風向距離，m；y為橫風向距離，m；z為離地面的距離，m；He為泄漏點高度，m；σy、σz為y、z方向擴散系數。

若地區大氣穩定度按B級考慮，則σy=0.32x(1+0.000 4x)-1/2，σz=0.24x(1+0.000 1x)-1/2。有關參數如下：平均風速u取0.9 m/s；高爐煤氣中CO體積分數取30%；只考慮下風向軸線處濃度，y取0 m；石灰窯噴嘴泄漏源高度He取3.2 m。

對于連續泄漏，根據以上模型，計算結果如表3所示。

表3 事故石灰窯高爐煤氣連續外泄時下風向距離及濃度

根據空氣中CO體積分數、吸入時間與中毒癥狀的關系，分析高爐煤氣連續泄漏形成的氣團引發人員中毒的影響范圍[4]，結果如表4所示。

表4 高爐煤氣連續泄漏形成的氣團引發中毒的影響范圍

續表4

根據現場勘驗，距石灰窯10 m范圍內有3人煤氣中毒死亡。根據以上分析，煤氣以0.43 kg/s的速率長時間持續泄漏，距泄漏點10 m處體積分數可達0.237 4%，短時間吸入有眩暈至中毒死亡的危險，分析結果與現場勘驗基本一致。若煤氣中毒死亡發生在煤氣泄漏初始階段，接觸到的煤氣體積分數也有可能高于0.237 4%(見第3.3節分析)。

根據現場勘驗，距石灰窯31.5 m處上料值班休息室內有2人中毒昏厥。根據表4，在煤氣以一定速率長時間持續泄漏的情況下，距泄漏點37 m處CO體積分數為0.04%，25 m處CO體積分數為0.08%，34 m處CO體積分數為0.046 6%。而現場(距石灰窯34 m處值班室外側門)實際測量CO體積分數為0.04%，考慮到救援時休息室的門已敞開、煤氣已擴散，認為分析結果與現場勘驗信息基本一致。根據表4，判定該事故煤氣泄漏已經持續2 h以上。

另外，休息室面向石灰窯的墻開設窗戶，窗戶下沿距地面1.8 m，與石灰窯水平間距30.5 m，根據以上模型，煤氣持續泄漏時窗戶下沿處CO體積分數為0.052 3%，而此處地面CO體積分數為0.053 5%，與上段分析結果相差不大，因此，煤氣外泄擴散濃度可以排除窗戶高度的影響。

假設煤氣以0.43 kg/s的速率從石灰窯上料口(距地面高度31.5 m)持續泄漏，根據高斯煙羽模型式(4)，其地面體積分數近似正態分布，在某一點(94 m)處達到最大，約0.002 5%。而該濃度的煤氣不會導致距石灰窯10 m范圍內人員中毒死亡，由此排除高爐煤氣泄漏口在石灰窯頂部的假設。

3.3 高爐煤氣擴散時間與影響范圍分析

高爐煤氣持續泄漏，距泄漏源一定距離的某固定點位煤氣濃度隨泄漏時間逐步增大。為了分析泄漏初期人員吸入高濃度煤氣中毒的情況，適合使用半球模型。該模型認為泄漏的煤氣以理想狀態呈半球狀向外擴散，半球分內外兩層，內層濃度分布均勻，具有50%的泄漏量，外層呈高斯分布，具有另外50%的泄漏量。設泄漏時間為t，則泄漏氣體中CO體積為

(5)

根據CO體積分數C可計算高爐煤氣形成的有毒氣體體積V為

(6)

根據得出的V可計算高爐煤氣泄漏影響半徑R為

(7)

根據式(5)～式(7)，得出高爐煤氣影響半徑與泄漏量(泄漏時間)的關系為

(8)

可化簡為

(9)

根據式(9)，由CO體積分數C和泄漏時間t，可計算出對應的中毒影響范圍。

為了分析開始泄漏時人員吸入高濃度煤氣的中毒情況，選擇表2中有代表性的體積分數(0.32%、0.64%、1.28%)作為危險值。根據上述計算和分析，氣體泄漏速率持續為0.43 kg/s，泄漏后以半球形向周圍擴散，根據上述公式，得到在不同泄漏時間下泄漏氣體形成的毒性氣體范圍，如表5所示。

表5 高爐煤氣泄漏時間與影響范圍的關系

根據表5，高爐煤氣泄漏10 min、距泄漏點10 m處CO體積分數可達1.28%，可使吸入人員3 min內死亡，此分析與現場勘驗情況(距泄漏點10 m范圍內3人煤氣中毒死亡)一致；泄漏10 min、距泄漏點33 m處CO體積分數可達0.04%，隨著泄漏時間的增加，距泄漏源一定距離的固定點位煤氣濃度會逐漸增加并趨于穩定(見表3和表4長時間連續泄漏的分析結果)，此分析與現場勘驗情況(距泄漏點34 m處休息室內有2人昏厥)一致。

3.4 小結

(1)根據總管設計流量及閥門開度，計算出高爐煤氣泄漏速率約0.43 kg/s。

(2)根據高斯煙羽模型，若該事故中高爐煤氣從石灰窯頂部上料口持續泄漏，到達地面后最大體積分數為0.002 5%(距石灰窯94 m處)，不會導致據石灰窯下方地面10 m范圍內人員中毒死亡，由此排除泄漏點為石灰窯頂部上料口。

(3)根據半球模型，高爐煤氣從出料口以0.43 kg/s速率泄漏10 min時，距泄漏點10 m處CO體積分數可達1.28%，可造成吸入人員短時間內中毒死亡；根據高斯煙羽模型，高爐煤氣從出料口以0.43 kg/s速率長時間持續泄漏時，距泄漏點34 m處CO體積分數為0.046 6%，吸入2 h內會有頭痛、眩暈等癥狀，分析結果與現場人員中毒情況基本一致。

(4)據事故信息，8月3日2時30分，在休息室內發現2人昏厥，測量得到煤氣體積分數為0.04%；根據計算，煤氣長時間持續泄漏、距泄漏點34 m處休息室的CO體積分數為0.046 6%，又根據中毒時間與癥狀關系，判定煤氣泄漏持續2 h以上?？紤]到救援時休息室的門已經敞開，利于煤氣擴散，認為分析結果與現場勘驗基本一致。

(5)高爐煤氣以0.43 kg/s速率持續泄漏2 h以上，泄漏量至少為3 110 kg(約2 400 m3)。

(6)導致該起煤氣中毒事故的直接原因是承包商在高爐煤氣點火時違反規程，在煤氣低壓報警、聯鎖等安全設施缺失的情況下，烘窯操作不當，窯內煤氣燃燒過程中異常熄滅且無法復燃，煤氣從石灰窯下部出料口持續外泄，操作人員在無個人防護、無檢測報警儀器狀態下盲目靠近石灰窯，導致事故發生。

4 結語

(1)氣燒石灰窯系統目前應用較為廣泛，但缺少相關的國家、行業及地方設計標準和建設規范，建議盡快制定頒布，從源頭上加以規范。

(2)從安全、環保、節能減排等方面，進一步規范冶金企業高爐煤氣的利用和放散。

(3)冶金企業應嚴格落實新、改、擴建項目“三同時”制度，強化全過程風險辨識和隱患排查；嚴格安裝必要的安全設施設備并確保其有效運行；在生產、復產前應制定專項方案，并組織專項方案的論證與完善。

(4)應積極推廣應用安全先進技術，對煤氣點火等較大危險作業實施遠程化、自動化操作，減少作業人員進入煤氣危險區域的時間和頻次。