高爐煤氣柜泄漏及爆炸事故影響分析

李樹強(qiáng)

（山西國新天然氣利用有限公司， 山西 太原 030000）

為了降低鋼鐵工業(yè)能源消耗，減少對環(huán)境的污染，鋼鐵企業(yè)大多用上了煤氣柜，其不僅能大量回收鋼鐵生產(chǎn)過程產(chǎn)生的有毒物質(zhì)，還能將這些有害物質(zhì)在生產(chǎn)廠進(jìn)行燃燒，或是用于電廠發(fā)電等，但高爐煤氣柜也存在著巨大的危險(xiǎn)，有著易爆炸、易燃、存在毒性等危害，要是出現(xiàn)泄漏，很可能會(huì)導(dǎo)致爆炸事故。

1 導(dǎo)致泄漏的原因

煤氣柜泄漏造成的危害主要有爆炸、煤氣中毒、火災(zāi)等，通常將泄漏分為瞬時(shí)泄漏與持續(xù)性泄漏兩種類型。因特殊因素使壓力容器爆破，引發(fā)易燃?xì)怏w瞬間釋放就是瞬時(shí)泄漏；管道破裂容器失去作用，引發(fā)氣體持續(xù)泄漏的情況為持續(xù)性泄漏。作為制鋼過程里的副品，煤氣里面的主要成分是CO、CO2、H2、N2，其中CO 的危害最大，煤氣柜的爆炸臨界點(diǎn)大多在4.2%～12.5%。管道、閥門、設(shè)備等損壞腐蝕，或者人為操作不當(dāng)都有可能導(dǎo)致高爐煤氣柜中煤氣泄漏，接著會(huì)造成人員中毒、遇火爆炸等后果，要是火勢沒有得到及時(shí)有效控制，那還有可能導(dǎo)致周圍的煤氣柜相繼爆炸，出現(xiàn)多米諾效應(yīng)。鑒于此，對高爐煤氣柜泄漏以及擴(kuò)散進(jìn)行定量模擬分析。

2 模擬分析高爐煤氣柜泄漏

2.1 高爐煤氣柜原型基本參數(shù)

選取1 座容積5 000 m3的高爐煤氣柜，還有1座容積8 000 m3的轉(zhuǎn)爐橡膠密封式煤氣柜。轉(zhuǎn)爐干式煤氣柜當(dāng)中的成分主要為：φ（CO2）=15%、φ（N2）=24.8%、φ（H2）=2%、φ（O2）=0.2%以及φ（CO）=58%，在空氣中爆炸的臨界點(diǎn)為12.5%～75%。而高爐煤氣爐里面主要的煤氣成分：φ（CH4）=3%、φ（H2）=2%、φ（N2）=55%、φ（CO2）=15%和φ（CO）=25%，高爐煤氣柜的爆炸臨界點(diǎn)為35%～72%。高爐煤氣柜的壓力是9 kPa，轉(zhuǎn)爐因波動(dòng)比較大，壓力取3 kPa。

2.2 高爐煤氣泄漏模型

高爐煤氣柜的持續(xù)性泄漏可以看作連續(xù)性泄漏，這樣能運(yùn)用小孔泄漏的模型來計(jì)算。依據(jù)規(guī)定，的時(shí)候，氣體的流速就是音速，小于的時(shí)候，氣體的流動(dòng)速度就是亞音速。其中，P為大氣壓，y為絕熱指數(shù)。

這里的高爐煤氣y為1.4，由此可知轉(zhuǎn)爐煤氣與高爐煤氣的氣體流速皆為亞音速。將氣體的泄漏過程假設(shè)是絕熱過程，氣體為理想狀態(tài)下氣體，那么亞音速流動(dòng)的氣體泄漏流速公式為：

式中：Y為流出系數(shù)；Cd為氣體的泄漏數(shù)；Q為泄漏的氣體質(zhì)量速率；A為泄漏口的面積；P為煤氣柜內(nèi)的壓力；M為泄漏摩爾質(zhì)量；R為氣體常數(shù)；T為溫度；y為絕熱指數(shù)，泄漏口的形狀成圓形時(shí)取1.0，成長方形時(shí)取0.9，成三角形時(shí)取0.95。

隨即得出流出系數(shù)Y的計(jì)算公式為：

2.3 煤氣的擴(kuò)散計(jì)算

通過計(jì)算，得知上面轉(zhuǎn)爐的煤氣均速摩爾M1=29.8 g/mol，而高爐的煤氣均速摩爾質(zhì)量M2=29.5 g/mol，這里選用高斯煙羽模型。高斯煙羽模型可以模擬持續(xù)泄漏擴(kuò)散濃度分布，煤氣里有毒氣體泄漏時(shí)長在10 min 以上，泄漏源可以當(dāng)做是均勻的持續(xù)泄漏，氣體的擴(kuò)散過程不受沉淀或化學(xué)反應(yīng)的阻礙。因?yàn)槭怯晒艿榔屏讯孤晕覀兛梢援?dāng)做是地面點(diǎn)泄漏，把泄漏點(diǎn)作為中心點(diǎn)，風(fēng)的方向呈軸正方，高度H=0，氣體濃度分布為：

式中：Q為氣體泄漏速率；C（x，y，z）為連續(xù)穩(wěn)定定點(diǎn)的氣體濃度；σz為垂直風(fēng)向的擴(kuò)散系數(shù)，kg/s；σy則是側(cè)向風(fēng)的擴(kuò)散系數(shù)，kg/s；u是風(fēng)的速度。

2.4 煤氣泄漏的危險(xiǎn)分析

在煤氣的泄漏過程中，可以把氣體設(shè)想為理想狀態(tài)；絕熱過程中泄漏的口孔大小隨時(shí)間的增長而變大，煤氣泄漏的速度是恒定的，泄漏源也可以設(shè)想成地面。這時(shí)可把風(fēng)速設(shè)為1.5 m/s，F(xiàn) 等級的大氣，300 K 的溫度。場景選擇為：煤氣泄漏口的小孔泄漏時(shí)間10 min，泄漏面積為10 cm2，煤氣泄漏的口孔形狀為長方形，設(shè)備部位在柜體或管道；泄漏大孔的時(shí)間為10 min，面積為100 cm2，孔形及設(shè)備位置與小孔一致。則8 000 m3轉(zhuǎn)爐的泄漏計(jì)算公式：

2.5 煤氣柜爆炸危險(xiǎn)范圍的計(jì)算

對8 000 m3轉(zhuǎn)爐的爆炸危險(xiǎn)范圍進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)爐的煤氣爆炸最低限度為12.5%，到達(dá)最低限度時(shí)，空氣里的煤氣單位質(zhì)量公式：m1=M×=29.8×10-3×=0.15 kg，也就是當(dāng)煤氣擴(kuò)散到x的時(shí)候，C（x，0，0）=0.15 kg/m3，把它代入前面的公式就可以得出公式：C（x，0，0）==0.15 kg/m3。由此計(jì)算得x≈2.07 m，即把轉(zhuǎn)爐的泄漏點(diǎn)當(dāng)做中心點(diǎn)，順著風(fēng)向，在離泄漏點(diǎn)的2.07 m 范圍之內(nèi)都會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。

再利用相同的方法，知道高爐煤氣的爆炸最低限度為35%，當(dāng)達(dá)到最低限度空氣里煤氣的質(zhì)量是m2=0.42 kg，知道了C（x，0，0）=0.42 kg/m3，σyσx=0.20 m2，這時(shí)x≈1.62 m，繼續(xù)把中心設(shè)為泄漏點(diǎn)，順著風(fēng)向，爆炸危險(xiǎn)范圍是1.6 m。

當(dāng)風(fēng)速是15 m/s、10 m/s、8 m/s、4 m/s 的時(shí)候，就會(huì)影響到煤氣爆炸的危險(xiǎn)范圍。例如風(fēng)速在1 m/s，大氣穩(wěn)定度為A，那么轉(zhuǎn)爐煤氣柜的危險(xiǎn)爆炸范圍是2.07 m，高爐煤氣柜的爆炸危險(xiǎn)范圍是1.62 m；風(fēng)速為4 m/s，大氣穩(wěn)定度為C，那么轉(zhuǎn)爐煤氣柜的危險(xiǎn)爆炸范圍就為1.36 m，高爐危險(xiǎn)爆炸范圍為1.07 m；風(fēng)速在8 m/s，大氣穩(wěn)定為D，轉(zhuǎn)爐危險(xiǎn)爆炸范圍為1.34 m，高爐煤氣柜的爆炸范圍為1.05 m；風(fēng)速為15 m/s 時(shí)轉(zhuǎn)爐爆炸危險(xiǎn)范圍為0.99 m，高爐煤氣柜爆炸危險(xiǎn)范圍為0.78 m。所以風(fēng)速越大，煤氣柜爆炸的危險(xiǎn)范圍就越小，爆炸范圍會(huì)越小的原因是風(fēng)速變大，使空氣流動(dòng)增大，將持續(xù)性泄漏的煤氣稀釋掉很多。不僅如此，如果風(fēng)速變大到一定的程度，風(fēng)速越大，爆炸幅度就會(huì)越小，結(jié)合上面給出的數(shù)據(jù)，可以看出泄漏爆炸危險(xiǎn)范圍的大小還和大氣穩(wěn)定程度有一定的關(guān)系。然而煤氣CO 含量越高，煤氣柜的爆炸最低下限就越低，爆炸危險(xiǎn)范圍也就越大。

2.6 煤氣中有毒氣體的范圍計(jì)算研究

在高爐煤氣泄漏事故中，煤氣里的有毒物質(zhì)是主要的危害之一，尤其是CO 對人體的危害最大。CO在空氣里的濃度與對人體影響關(guān)系：當(dāng)空氣中ρ（CO）=230～400 mg/m3，呼吸5～6 h，人體就會(huì)出現(xiàn)頸部搏動(dòng)、頭痛等癥狀；當(dāng)ρ（CO）=460～800 mg/m3，呼吸4～5 h，碳氧血紅蛋白36～44，人體就會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)遲鈍、虛脫、惡心、視力模糊以及呼吸加速；ρ（CO）達(dá)到800～1 200 mg/m3，呼吸3～4 h，碳氧血紅蛋白為47～53，人體出現(xiàn)呼吸急促、心跳加快、眩暈等癥狀；ρ（CO）達(dá)到1 260～1 850 mg/m3，呼吸1.5～3 h，碳氧血紅蛋白55～60，人體呼吸開始變得困難，輕度昏迷；ρ（CO）達(dá)到1 840～2 300 mg/m3，呼吸1～1.5 h，碳氧血紅蛋白61～65，前面的癥狀會(huì)加重，出現(xiàn)重度昏迷；ρ（CO）達(dá)到2 300～3 400 mg/m3，呼吸30～40 min，碳氧血紅蛋白64～68，人體的心跳和呼吸開始變慢，隨時(shí)可能死亡；ρ（CO）=3400～5700mg/m3，呼吸20～30 min，碳氧血紅蛋白68～73，人體的脈搏心跳已經(jīng)非常虛弱，很快就會(huì)死亡；ρ（CO）為5 700～11 000 mg/m3，呼吸2～5 min，碳氧血紅蛋白73～76，人體的呼吸會(huì)迅速衰竭最后死亡。

煤氣里的主要有毒物質(zhì)就是CO，根據(jù)CO 的濃度得出毒氣泄漏的安全分布：空氣里ρ（CO）＜30mg/m3時(shí)為安全區(qū)；ρ（CO）=30～200 mg/m3時(shí)為輕度中毒區(qū)；ρ（CO）=200～400mg/m3時(shí)為中度中毒區(qū)；ρ（CO）=400～800 mg/m3時(shí)為比較嚴(yán)重中毒區(qū)；ρ（CO）=800～1600 mg/m3時(shí)為嚴(yán)重中毒區(qū)；ρ（CO）＞1 800 mg/m3時(shí)為中毒致死區(qū)域。轉(zhuǎn)爐煤氣開始泄漏時(shí)，風(fēng)向沿下方約16 m 是致死區(qū)，25 m 是距泄漏點(diǎn)最遠(yuǎn)的嚴(yán)重區(qū)，33 m 泄漏點(diǎn)是比較嚴(yán)重區(qū)，大于112 m 的是安全區(qū)域。而高爐煤氣泄漏時(shí)，當(dāng)風(fēng)向是下風(fēng)向時(shí)，致死區(qū)域?yàn)?3 m 以內(nèi)，擴(kuò)散最大可達(dá)到96 m，在這范圍內(nèi)的人都會(huì)受到影響。

通過以上對比不難發(fā)現(xiàn)，在同等泄漏環(huán)境下，高爐煤氣的毒氣泄漏范圍要比轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏的范圍要小，其中CO 含量是導(dǎo)致結(jié)果不同的主要原因。由此可見，高爐煤氣柜的安全性要比轉(zhuǎn)爐煤氣柜高得多，在現(xiàn)實(shí)正常操作下，應(yīng)當(dāng)對煤氣柜加強(qiáng)管理和維護(hù)。此外，因?yàn)轱L(fēng)會(huì)使可燃?xì)怏w蔓延得更快，所以煤氣垂直擴(kuò)散的距離明顯小于順風(fēng)擴(kuò)散的距離。

3 結(jié)語

運(yùn)用模擬計(jì)算煤氣柜泄漏爆炸事故的方法，得出了轉(zhuǎn)爐煤氣柜和高爐煤氣柜的危險(xiǎn)性，還用到了高斯煙羽模型得出不同風(fēng)向風(fēng)速下煤氣泄漏的分布范圍，為鋼鐵制造中煤氣柜事故的防范提供依據(jù)。