液氯庫事故狀態通風的設計

劉玉成，李印秋，陳曉亭，毛曼蓉

（山東魯新設計工程股份有限公司，山東 淄博 255000）

氯氣泄漏事故是每個涉氯企業都要認真對待的問題， 生產企業在上馬相關項目前需要有安全評價資質的單位進行安全預評價， 再結合安全預評價單位的意見需要有資質的單位做安全設施的設計，在建設的過程中需要有壓力容器設計資質的單位做壓力容器設計、需要有GC1 管道設計資質的單位做壓力管道的設計。 在安全設施設計過程中需要對工藝過程進行工藝模擬和計算，以降低液氯/氯氣泄漏的概率。 早期投運的液氯設施部分尾氣處理設施缺少相應的模擬和計算，泄漏事故仍時有發生，為了進一步降低泄漏事故對企業職工的身體健康和對周邊環境的影響，事故氯的處理設施設計日趨重要。

以3 個50 m3液氯儲罐的液氯庫為例， 通常的廠房長度在18～24 m，寬度在16～24 m，目前常規設計的液氯庫層高在8 m，本文以相對經濟的長18.5 m、寬16.5 m，層高8 m 為例，儲罐相關參數見表1。

結合以上參數， 按照山東省人民政府安全生產委員會辦公室關于印發《〈山東省液氯儲存裝置及其配套設施安全改造和液氯泄漏應急處置指南 （試行）〉的通知》魯安辦發〔2020〕35 號（以下簡稱35 號文）中附件2 的《液氯泄漏的處理處置方法》（HG/T4684-2014）要求，進行工藝核算。

1 液氯泄漏量的計算

1.1 管道泄漏量

通常情況下液氯在噴口內不存在急驟蒸發，故適用柏努力方程來對液體泄漏量進行計算， 公式如下：

式中：Cd—液體泄漏；

A—裂口面積，m2；

ρ—泄漏液體密度，kg/m3；

P—容器內介質壓力，Pa；

P0—環境壓力，Pa；

g—重力加速度，m/s2；

h—裂口之上液位高度，m；

QL—液體泄漏速率，kg/s。

式中：Cd取值0.65，A取值0.001 6，ρ 取值1 425，P取值600 000，P0取值101 325，g取值9.81，h取值3.45，QL取值40。

即通過管道裂縫泄漏的最大液氯量QL=40 kg/s，折合液氯質量流量為145 115 kg/h，按未氣化的密度進行折算，則體積流量為102 m3/h，一罐50 m3液氯儲罐理論上在0.5 h 內可以完全泄漏。單次事故的最大泄漏量為50 m3×1 425 kg/m3×80%=57 000 kg，完全氣化后折合標況下為17 757 m3（已知標況下氯氣的密度為3.21 kg/m3）。

1.2 安全閥泄放量

安全泄放量的計算參考（GB150-2011）盛裝液化氣體的容器安全釋放量的計算公式， 本項目中相關參數見表2。

表2 安全閥泄放量相關計算參數

由表2 可知， 保溫全缺失狀態下最大泄放量WS=72 333.54 kg/h，若保溫狀況良好，最大泄放量為967.50 kg/h，目前行業內均采用聚氨酯做保溫材料。

1.3 液氯泄漏最大蒸發量的相關參數

已知標況下氯氣的密度為3.21 kg/m3，相關參數包括閃蒸蒸發、熱量蒸發、質量蒸發、液體蒸發總量，見表3，表4，表5，表6。

表3 閃蒸蒸發估算

表4 熱量蒸發估算

表5 質量蒸發估算

表6 液體蒸發總量

其中Fv和Q1、Q2、Q3的計算公式如下。

（1）液體中閃蒸部分：

過熱液體閃蒸蒸發速率可按下式估算：

（2）熱量蒸發估算

當液體閃蒸不完全， 有一部分液體在地面形成液池，并吸收地面熱量而氣化，其蒸發速率按下式計算，并應考慮對流傳熱系數。

ɑ 取值見表7。

表7 ɑ取值

（3）質量蒸發估算

按下式計算：

ɑ，n 取值見表8。

表8 ɑ，n取值

液池最大直徑取決于泄漏點附近的地域構型、泄漏的連續性或瞬時性。有圍堰時，以圍堰最大等效半徑為液池半徑；無圍堰時，設定液體瞬間擴散到最小厚度時，推算液池等效半徑。

從上述公示計算可知

第1 小時內累計蒸發總量Wp=24 467 kg/h=77 19 m3/h（標況）

最大蒸發速度=Q1+Q2+Q3=12.63 kg/s=45 478 kg/h=14 348 m3/h（標況）。

1.4 暖通專業事故通風風量核算

按照GBZ1-2010 《工業企業設計衛生標準》第6.5.1.2 條，事故通風換氣次數不宜<12 次/h，即最小換氣量為12 次/h 的換氣量， 即有液氯庫房事故通風最小換氣量為18.5 m×16.5 m×8 m×12 次/h=29 034 m3/h

密閉卸車區通風最小換氣量為6 m×16.5 m×8 m×12 次/h=9 504 m3/h（單車裝卸）

參考江蘇省地標， 需要做能同時滿足兩輛車裝卸的封閉卸車區，取12 m×16.5 m×8 m，密閉卸車區通風最小換氣量為12 m×16.5 m×8 m×12 次/h=19 008 m3/h（兩輛車裝卸）。

綜上可知， 即暖通專業核算的事故通風最小換氣量為V=29 034 m3/h。

1.5 工藝排風的最終風量核定

管道泄漏量最大量為145 115 kg/h，單次事故的最大泄漏量為57 000 kg， 完全氣化后折合標況下為17 757 m3； 安全閥泄放量為72 333.54 kg/h，若完全氣化，折合標況為22 821 m3/h；最大蒸發速度為45 478 kg/h，折合標況為14 348 m3/h；事故排風的最小換氣為V=29 034 m3/h。

綜上所述，按照相關設計原則，事故排風的最終風量應不低于29 034 m3/h， 使用單位可以結合自身的實際情況進行風機選型， 如本裝置根據自身需求取事故排風風量29 500 m3/h。

2 風管的管道設計

2.1 吸風口的定位

已知標況下氯氣的密度為3.21 kg/m3，密度比空氣重，液氯泄漏后即使氣化也會向下自流，碰到外圍有隔堤等圍擋后，液氯和氯氣最終會在地面富集，因此液氯庫房設計過程中均會設計事故集液坑， 一旦發生泄漏，會自流到事故集液坑中，事故排風的吸風口會優先在事故集液坑附近進行選址。

儲罐的進出料口閥門、 法蘭位置為經常檢維修和操作區域， 儲罐的檢修人孔等區域也存在檢維修操作風險，在做相關設計時，也需要在附近根據檢維修需要適當設計檢維修專用軟風管， 檢維修時開啟排風以保障操作人員的人身安全。

卸車區的鶴管、 氣化區的氣化器緩沖罐等設施的進出物料閥門附近可以根據需要設計一個或多個檢維修專用軟風管， 檢維修時開啟排風以保障操作人員的人身安全。

結合空氣流動性的特征， 通常會在角落等位置的空氣流動性差，若為氣流擾動，該區域富集風險進一步增加，為能更好將環境中氯氣排走，通常會在角落等氣流流動性差的位置設置部分應急事故排風軟管，提升房間換氣效果。

2.2 材質選型

在事故排風狀態下， 事故風機風管抽取的風中除了有環境中氣化和正在氣化的氯氣，還有空氣，通常狀態下，水的含量不超過0.03%。考慮到水與氯會反應生成鹽酸和次氯酸，有強腐蝕性，行業選型比較傾向于性價比頗高的難燃有機玻璃鋼的管道、彎頭、三通等材質， 選用同等材質， 為了進一步加強其強度，行業內通常選用FRP/PVC 加強管道。 在強度上比FRP 更高，耐腐蝕上比PVC 性能更好。

風口采用單層百葉風口， 材質通常選型為鋁合金材質，也可以選擇玻璃鋼等材質，吸風罩采用UPVC 材質，非金屬軟管采用U-PVC 鋼絲風管。

2.3 風管風量設計原則

事故排風是按照最大泄漏單元進行的核算，以本項目為例，罐區的事故排風量最大，主風管按照液氯罐區的風量進行設計。 其他區域的風管按照其風量進行設計后作為分支接入主管， 主管管徑不做調整。

2.4 風管管徑的選型（見表9）

表9 風管管徑的選型

風管風速以10～15 m/s 為設計依據， 依據風量核算風管直徑， 核算出的風管直徑通常會偏離公稱直徑，需要對風管直徑進行二次選型，確保排風管道內風速滿足10～15 m/s。

關鍵故障：故障一旦發生將導致元動作單元失效，以致系統功能受到較大影響，經濟損失巨大，處理不當甚至會威脅到相關人員的生命安全。

2.5 吸風口的匹配

吸風口的設計按照各區域的風量進行合理分配，吸入口的面積符合《石油化工手冊》和《空調機組設計選型手冊要求》按照規范要求進行選擇，各個吸風口根據風量進行匹配。

2.6 風系統的止逆及防串味

因風機在事故狀態時才開啟，各區域的風管相互串聯，形成了完整的風系統，存在一個風口有輕微泄漏時，泄漏的氯氣和環境氯氣會通過風系統出現在其他風口， 造成其他區域的操作環境變差，為了能保證其他區域的環境安全，在吸風口管線或各單元的吸風口主管上加設止逆閥來控制風系統，防止串氣。

按照GB50016 要求，穿越防火墻的風管要加設70 ℃常開防火閥，用于事故狀態下阻斷不同防火分區的火災風險也可以在各個區域分別加設切斷閥，實現分離。

2.7 煙囪選型（見表10）

表10 煙囪的選型

按照氣速不小于15 m/s 目前煙氣排放要求，核算出的風管直徑通常會偏離公稱直徑， 需要對風管直徑進行二次選型， 確保排風管道內風速滿足10～15 m/s。

2.8 風壓設計

管道壓損可以根據管道規格、 彎頭數量和管道直管段長度以及風速等綜合因素對管道內的風阻進行核算， 通過相關軟件做風管設計時會有對應的每米壓損。

設備壓損則根據塔的內徑、流速、填料等參數造成的壓損進行工藝核算。 常規散堆填料塔的壓損通常不會大于1 000 Pa。

管道壓損和設備壓損核算完成后進一步結合泄漏等因素對系統風壓進行選型。

3 設備選型

3.1 事故風機選型

3.2 塔內徑核算

結合事故風機風量， 按照空塔氣速1.0～1.5 m/s的流速進行工藝計算， 一級吸收塔的直徑選擇在2.65～3.25 m，一級吸收塔選擇2.8 m，則對用的塔內氣速為1.33 m/s。滿足空塔氣速1.0～1.5 m/s 的要求。

3.3 堿液的需求量

按照GBT31856-2015 《廢氯氣處理處置規范》中規定處理用稀堿液的濃度為15%～20%。

通常情況下按照化學反應方程式進行質量計算， 按照液氯的最大泄漏量進行計算事故泄放液氯量為145 115 kg/h；20%液堿質量流量為817 549 kg/h；20%液堿密度為1 220 kg/m3；20%液堿體積流量為670 m3/h。 即20%液堿體積流量瞬間最少需求量為670 m3/h。

按照最大泄漏量計算， 安全閥泄放氣量為57 000 kg/次；20%液堿質量流量為321 127 kg/次；20%液堿密度為1 220 kg/m3；20%液堿體積流量為263 m3/次。即按照單次最大泄漏量計算，20%液堿體積流量瞬間最少需求量為263 m3/h。

3.4 泵循環量的選擇

通過ASPEN 等軟件，結合尾氣的排放濃度要求進行選型，通常計算的數據會是數倍的液堿需求量。

可以按照一級吸收效率90%，二級吸收10%進行工藝核算，也可以按照一級吸收60%，二級吸收40%進行工藝核算等多種核算模式。

3.5 換熱器的選擇

出于成本的考慮，使用單位會優先淘汰板式換熱器，選擇石墨換熱器，按照氯氣與堿液的反應焓值核算出放熱量和溫差的變化， 核算出換熱面積后，按照一定的比例考慮余量，最終完成設備的選型。

3.6 二吸塔的選型

因一吸塔已經吸收了較大部分的氯氣， 尾氣中氯氣的含量降低，進入二吸塔的尾氣會大幅下降，需要結合吸收方案重新核算二吸塔的塔徑。 即滿足空塔氣速1.0～1.5 m/s 的要求。

二吸塔對應的泵的循環量和換熱器的換熱面積參考一吸塔的設計原則進行選型。

4 自動化控制

（1）液堿濃度配比。 分別在補水、補堿液管線上采用調節閥和流量計，以補堿流量為依據，設定補水的聯鎖值，可以在管道上加設靜態混合器，待混合后進入堿液罐或相關塔。

（2）補堿的過程中，當堿液達到高高時關閉堿液和水的進料切斷閥，防止溢流。

（3）在邏輯上進行設計，泵和風機均為1 用1備，報警信號到達風機和泵后， 泵先開啟實現全循環一定的秒數后，風機開啟，保障有效的噴淋效果，也可以泵與風機同步開啟。

（4）風機頻率與對應的報警點聯鎖，若封閉卸車區的報警器報警，對應的閥門開啟，風機開啟至對應頻率，保證風量與該區域的事故排風量一致。

若液氯庫的報警器報警， 液氯庫區對應的閥門開啟，風機全開，保證事故排風。

（5）風壓變頻聯鎖。風機與有毒氣體報警儀聯鎖后，待對應報警區域的室內壓力低于室外壓力10 Pa時，風機與室內外差壓進行聯鎖。

（6）尾吸塔及相關設備中設置了電導率儀或氧化還原電位儀表， 通過電導率等儀表來測定對應的堿液濃度，一吸塔堿液濃度較低時輸入界外，由二吸塔向一吸塔中補入堿液， 并由界外或液堿罐向二吸塔中補充堿液，保證二吸塔中堿液濃度高于一吸塔。補堿的過程中， 當堿液達到高高時關閉堿液和水的進料切斷閥，防止溢流。

5 結語

綜上所述，通過工藝核算排放量，完成塔、換熱器的計算， 通過工藝模擬進一步核算出循環泵的參數數據。通過工藝設計實現自動化的排風，保障工作環境的安全。