氯堿化工企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評估計(jì)算與分析方法研究

石斌，劉潤滋，吉衛(wèi)云(北京國信安科技術(shù)有限公司，北京 100160)

0 引言

氯堿化工通常指對飽和工業(yè)食鹽水進(jìn)行電解來提取相應(yīng)電解產(chǎn)物的化工生產(chǎn)方法。利用該方法，化工企業(yè)可制備氯氣、氫氣、堿金屬、燒堿等產(chǎn)品。

氯堿生產(chǎn)過程中，飽和工業(yè)食鹽水的電解將產(chǎn)生氯氣、氫氣與金屬鈉等中間產(chǎn)物。因此，氯堿化工企業(yè)通常需要設(shè)置相應(yīng)的中間產(chǎn)物儲存裝置與設(shè)備。然而，上述儲存裝置發(fā)生破裂、泄漏等問題，則可能導(dǎo)致諸如氯氣中毒事故或堿金屬燃燒爆炸等安全事故[1]。如2001年1月浙江省臨海市某化工廠液氯灌裝車間發(fā)生氯氣泄漏，導(dǎo)致5人出現(xiàn)急性氯氣中毒[2]。

因此，科學(xué)評估氯堿化工中間產(chǎn)物存設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)，并根據(jù)企業(yè)周邊情況合理地劃分出相應(yīng)的安全距離，是目前相關(guān)企業(yè)需要關(guān)注的重大安全問題。

1 氯堿化工產(chǎn)品存儲的安全風(fēng)險(xiǎn)特征

如前所述，工業(yè)鹽電解將產(chǎn)生氣態(tài)與固態(tài)兩種狀態(tài)產(chǎn)物，且存儲設(shè)備不同。其中，氯氣泄漏后在空氣中擴(kuò)散，可能導(dǎo)致人員中毒甚至傷亡[3]。固體的金屬鈉等活性較高的危化品，遇水起火，且反應(yīng)生成的大量氫氣易受熱發(fā)生爆炸。因此，這兩類中間產(chǎn)物的存儲安全風(fēng)險(xiǎn)需要分別予以分析與考慮。

1.1 氯氣儲罐泄漏導(dǎo)致中毒的安全風(fēng)險(xiǎn)特征分析

氯氣易液化，因此通常將氯氣加壓液化成為液氯，再將其注入帶壓儲罐中進(jìn)行儲存[4]。通常需要保證一定的罐內(nèi)壓力，屬于帶壓儲罐[4]。該類儲罐的相關(guān)滲漏、破壞等計(jì)算需參考GB/T 37243—2019《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》的要求[5]。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，首先需要分析液氯儲罐的滲漏類型。之后，基于泄漏類型初步計(jì)算滲漏后液氯的蒸發(fā)量。儲罐泄漏速率與液氯蒸發(fā)量的計(jì)算分別如下：

液氯泄漏速率計(jì)算：

式中：QL為液氯泄漏速率(kg/s)；p為帶壓儲罐的內(nèi)部壓力(Pa)；p0為環(huán)境壓力(Pa)；C0為液氯泄漏系數(shù)；A為儲罐泄漏孔面積(m2)；hL為泄漏孔上方液體高度(m)。

液氯的蒸發(fā)量計(jì)算：

式中：Q1、Q2、Q3分別表示液氯的閃蒸蒸發(fā)速率、熱蒸發(fā)速率與質(zhì)量蒸發(fā)速率，單位均為kg/s；t1、t2、t3則分別表示閃蒸蒸發(fā)時間、熱蒸發(fā)時間與質(zhì)量蒸發(fā)時間，單位均為s。

其中三類蒸發(fā)速率的計(jì)算公式分別為：

式中：Cp為液氯的定壓熱熔/(kJ/kg·K)；TT為儲罐內(nèi)的溫度 (K)；Tb為液氯沸點(diǎn) (K)；HV為液氯的蒸發(fā)熱 (J/kg)；K為表面導(dǎo)熱系數(shù)/(W/m·K)；T0為環(huán)境溫度(K)；α為表面熱擴(kuò)散系數(shù) (m2/s)；a、n為大氣穩(wěn)定系數(shù)；R為氣體常數(shù) (J/mol·K)；u為風(fēng)速(m/s)；r為液池半徑(m)。

利用上述公式計(jì)算得出液氯的蒸發(fā)速率與蒸發(fā)量后，即可由此分析蒸發(fā)后的氯氣在空氣中的擴(kuò)散情況。

如標(biāo)準(zhǔn)中所示，位于地面Hz高處的氨氣泄漏源，在給定點(diǎn)(x，y，z)處的擴(kuò)散濃可按下式計(jì)算：

式中：Q為液氯的總蒸發(fā)速率為三類蒸發(fā)速率之和(kg/s)；σx、σy為側(cè)風(fēng)向和垂直方向的擴(kuò)散系數(shù)(m)。

計(jì)算得到氯氣的擴(kuò)散濃度后，即可依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)判斷該擴(kuò)散濃度是否將超過相應(yīng)中毒閾值，從而推算出安全距離。

1.2 金屬鈉泄漏的安全風(fēng)險(xiǎn)特征分析

金屬鈉為固態(tài)?；罚ǔ２捎枚▔簝捱M(jìn)行儲存。儲罐破裂或泄漏后，金屬鈉本身不會發(fā)生揮發(fā)，也不具備毒性。然而，金屬鈉屬高活性堿金屬，遇水(即使是空氣中的水蒸氣)也極易發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量熱的同時生成氫氣。其化學(xué)反應(yīng)式如下所示：

因此，金屬鈉泄漏需考慮其完全反應(yīng)后產(chǎn)生的氫氣可能造成的爆炸。在分析得出儲罐泄漏后的鈉金屬量后，通過換算產(chǎn)生的氫氣量，再結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)中氫氣發(fā)生蒸氣云爆炸事故(UVCE)的安全風(fēng)險(xiǎn)及安全距離計(jì)算方式進(jìn)行分析。

在計(jì)算得出鈉金屬泄漏，并可能造成氫氣爆炸的安全距離后，綜合液氯泄漏導(dǎo)致人員中毒的安全風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，選出兩者中安全距離的最大值。

2 案例分析

內(nèi)蒙古某能源材料有限公司擬新建一條高端化學(xué)品及能源材料生產(chǎn)線。該項(xiàng)目一期工程涉及電解工業(yè)鹽生產(chǎn)金屬鈉。因此，廠區(qū)內(nèi)設(shè)有專門的氯氣儲存裝置與金屬鈉儲存?zhèn)}庫。為保證項(xiàng)目安全，需對設(shè)計(jì)中的儲罐泄漏安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。

2.1 液氯與金屬鈉儲罐基本情況

該項(xiàng)目中液氯采用帶壓儲罐進(jìn)儲存，儲罐體積為100 m3，內(nèi)部壓力為0.2 MPa，泄漏源高度為1 m，參考標(biāo)準(zhǔn)，氯氣中毒濃度為180 mg/m3。

金屬鈉采用常壓容器進(jìn)行儲存，容器體積為792 m3，充裝系數(shù)為1，密度為0.97×103kg/m3?？紤]金屬鈉與水的反應(yīng)，按照最危險(xiǎn)的金屬鈉完全反應(yīng)生成的氫氣量進(jìn)行分析。

該企業(yè)所處周邊環(huán)境為草原、平坦開闊地段，白天輻射強(qiáng)度中等，大氣穩(wěn)定度為B，環(huán)境壓力約0.101 MPa，平均風(fēng)速3 m/s，環(huán)境大氣密度1.293 kg/m3。

2.2 液氯儲罐與金屬鈉儲罐發(fā)生泄漏的安全距離分析

分別以液氯儲罐發(fā)生泄漏導(dǎo)致氯氣擴(kuò)散引起人員中毒事故以及金屬鈉泄漏遇水反應(yīng)生成氫氣發(fā)生蒸汽云爆炸為安全風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算依據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)安全距離計(jì)算。

假設(shè)兩類儲罐均為完全破裂，結(jié)合儲罐基礎(chǔ)資料以及相關(guān)環(huán)境參數(shù)，取氯氣擴(kuò)散導(dǎo)致人員中毒以及金屬鈉泄漏導(dǎo)致爆炸兩類事故中的安全距離最大值。

經(jīng)計(jì)算，液氯儲罐與金屬鈉儲罐泄漏導(dǎo)致人員死亡的影響半徑為1.81 m；人員重傷的半徑為8.59 m；人員輕傷的半徑為16.7 m。即儲罐區(qū)域17 m范圍內(nèi)應(yīng)盡量減少人員集中度較高的建筑(如：工人宿舍、生產(chǎn)車間等建筑)的建設(shè)，從而達(dá)到減少儲罐泄漏導(dǎo)致人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)的目的。

2.3 液氯儲罐與金屬鈉儲罐發(fā)生泄漏的個人風(fēng)險(xiǎn)評估

根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6]，個人風(fēng)險(xiǎn)指因危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源各種潛在的火災(zāi)、爆炸、有毒氣體泄漏事故造成區(qū)域內(nèi)某一固定位置人員的個體死亡概率，采用個人風(fēng)險(xiǎn)等值線來直觀地描述危險(xiǎn)源周邊的個人風(fēng)險(xiǎn)。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合液氯儲罐與金屬鈉儲罐的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算儲罐周邊個人風(fēng)險(xiǎn)等值線圖如圖1所示。

圖1 兩類罐發(fā)生泄漏事故的個人風(fēng)險(xiǎn)等值線圖

由圖可知三類風(fēng)險(xiǎn)等值線內(nèi)均無對應(yīng)的防護(hù)目標(biāo)。因此，該項(xiàng)目的儲罐區(qū)域發(fā)生泄漏事故的個人風(fēng)險(xiǎn)滿足要求。

2.4 液氯儲罐發(fā)生泄漏的社會風(fēng)險(xiǎn)評估

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，社會風(fēng)險(xiǎn)指能夠引起大于等于N個人死亡的事故累積頻率(F)，即單位時間內(nèi)(通常為年)的死亡人數(shù)。通常用社會風(fēng)險(xiǎn)曲線(F-N曲線)表示。

可容許社會風(fēng)險(xiǎn)采用ALARP原則，分析對應(yīng)的社會風(fēng)險(xiǎn)，如圖2所示。

圖2 兩類罐發(fā)生泄漏事故的社會風(fēng)險(xiǎn)曲線

如圖2所示，兩類儲罐發(fā)生泄漏事故的社會風(fēng)處于可接受區(qū)，因此無需進(jìn)一步采取安全改進(jìn)措施。

3 結(jié)語

(1)氯堿化工企業(yè)的生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生氯氣及金屬鈉等中間產(chǎn)物，其儲存泄漏風(fēng)險(xiǎn)分析需同時考慮金屬鈉遇水反應(yīng)生成大量氫氣引發(fā)的爆炸風(fēng)險(xiǎn)以及氯氣擴(kuò)散造成的人員中毒風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算相應(yīng)安全距離也需選取兩類風(fēng)險(xiǎn)中的最大值。

(2)經(jīng)計(jì)算內(nèi)蒙古某企業(yè)擬新建的高端化學(xué)品生產(chǎn)線發(fā)生金屬鈉與氯氣泄漏事故的最大安全距離在17 m以內(nèi)。為保證人員安全，可盡量避免在該范圍內(nèi)設(shè)計(jì)建設(shè)人員密集型建筑。

(3)通過分析，該企業(yè)擬新建的高端化學(xué)品生產(chǎn)線發(fā)生金屬鈉與氯氣泄漏事故的個人風(fēng)險(xiǎn)與社會風(fēng)險(xiǎn)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的要求，因此生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的安全性達(dá)標(biāo)，可予以施工。