硝酸銨儲存庫安全間距的確定與探討

吳冰文 中國成達工程有限公司 成都 610041

1 硝酸銨性質及用途

硝酸銨為無色無臭的透明結晶或呈白色的小顆粒，有潮解性，易溶于水、乙醇、丙酮、氨水等，不溶于乙醚。分子量為80.05，熔點為169.6℃，沸點為210℃(分解)，相對密度為1.72。主要用作化肥、分析試劑、氧化劑、制冷劑以及煙花爆竹和炸藥的原料。硝酸銨助燃，與易(可)燃物混合或急劇加熱會發(fā)生爆炸，受強烈震動也會起爆[1]。

硝銨兼具農用化肥和炸藥原料雙重特性，受到國家嚴格監(jiān)管，目前國內60%以上的硝銨用于炸藥等民爆器材的生產，另有約40%改性后用于生產硝基復合肥。

2 硝酸銨的安全事故及影響

硝酸銨是極其鈍感的炸藥，正因為硝銨起爆條件高，企業(yè)及相關管理單位對硝銨的安全管理及可能引起的爆炸后果的重視程度不夠，極易造成重大的安全事故。根據硝酸銨儲存庫類似事故分析，其影響后果遠遠超過液化烴類安全事故，事故后短時間內人員傷亡巨大、財產損失不可估量，會造成極其惡劣的社會影響，給國家和人民帶來了長久的傷害。

2020年8月4日，黎巴嫩首都貝魯特港發(fā)生化學品大爆炸事故，事故中死亡人數超過190人、6500人受傷、3人失蹤、造成30萬人無家可歸，損失高達150億美元。此次化學品爆炸事故的“罪魁禍首”是貝魯特港第12號倉庫存放的2750噸硝酸銨。

2015年8月12日，天津港瑞海公司危險品倉庫發(fā)生火災，隨后引發(fā)兩次劇烈爆炸。事故造成遇難165人、失蹤8人、重傷58人、輕傷740人，直接經濟損失高達68億元人民幣。調查主要原因是瑞海公司危險品倉庫運抵區(qū)南側集裝箱內的硝化棉由于濕潤劑散失出現局部干燥，在高溫(天氣)等因素的作用下加速分解放熱，積熱自燃，引起相鄰集裝箱內的硝化棉和其他危險化學品長時間大面積燃燒，導致堆放于運抵區(qū)的硝酸銨等危險化學品發(fā)生爆炸[2]。

3 硝酸銨行業(yè)政策及設計標準

硝酸銨主要用于民用爆破品和硝基復合肥的生產，由于硝酸銨特殊的理化性質，國家對硝酸銨的生產、銷售有較嚴格的管控措施，尤其是民用爆破品的生產，這導致了硝酸銨行業(yè)標準發(fā)展緩慢，甚至造成相關建設標準不完善。在相當長的一段時間內，對硝酸銨的設計、建設和生產標準的統(tǒng)一和規(guī)范帶來了一定的難度。

2021年9月13日，國家應急管理部等正式發(fā)表《關于進一步加強硝酸銨安全管理的通知》。該通知從源頭管控、生產過程安全管理、儲存安全管理、運輸安全風險管控、銷售環(huán)節(jié)管理、監(jiān)督管理等方面明確了具體規(guī)定，提出了嚴格的管理措施。目前，應急管理部與有關部門還正在研究制定《硝酸銨安全管理技術規(guī)范》[3]。這一系列管控文件對規(guī)范行業(yè)發(fā)展、保障安全生產起到了積極作用。

從行業(yè)設計角度，目前國內針對硝酸銨尤其是硝酸銨儲存?zhèn)}庫的安全防護間距設計有以下6個主要標準：

3.1 建筑設計防火規(guī)范GB 50016—2014

GB 50016—2014[4]將硝酸銨的火災危險類別劃分在甲類中第5項——“遇酸、受熱、撞擊、摩擦以及遇有機物或硫磺等易燃的無機物，極易引起燃燒或爆炸的強氧化劑”，根據建筑設計防火規(guī)范“表3.3.2倉庫的層數及面積”及注4，獨立建造的硝酸銨儲存?zhèn)}庫的單座倉庫面積不得大于2×750m2，防火分區(qū)不得大于2×250m2。規(guī)范中對甲類倉庫與周邊設施的防火間距規(guī)定，“甲類倉庫(儲存物品第1、2、5、6項)的距離高層民用建筑及重要公共建筑”50m，其他民用建筑25～30m(跟儲量相關)。

3.2 GB 50160—2008石油化工企業(yè)設計防火標準

GB 50160—2008[5]規(guī)定石油化工企業(yè)應設置獨立的化學品及危險品庫區(qū)。甲類倉庫距離其他設施的防火間距應滿足規(guī)范表4.2.12的規(guī)定。表4.2.12規(guī)定甲類物品倉庫距離一類全廠性重要設施45m，距離全冷凍式液化烴儲罐最大要求70m。

3.3 石油化工全廠性倉庫及堆場設計規(guī)范GB 50475—2008

GB 50475—2008[6]涉及甲類庫的主要有第4.2.1條，規(guī)定獨立設置的甲類倉庫區(qū)與居住區(qū)和公共福利設施防火間距100m，與臨近的重要公共建筑等設施的防火間距50m，相鄰工廠防火間距30m。

3.4 民用爆炸物品工程設計安全標準GB 50089—2018

GB 50089—2018[7]根據生產、研制、儲存危險品的功能，劃分硝酸銨類建筑物的危險等級為1.4級，定義為危險品不敏感，但不排除在外界強力引燃、引爆條件下的爆炸可能性。規(guī)范規(guī)定危險區(qū)、總倉庫區(qū)與周圍居住建筑物、企業(yè)、公共交通線路等應根據倉庫的危險等級及計算藥量計算確定，其中對于1.4級倉庫外部距離不小于100m，硝酸銨倉庫的外部距離不小于200m。

3.5 危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法GB/T 37243—2019

GB/T 37243—2019提出使用事故后果法對涉及爆炸物危險化學品的工藝生產裝置和儲存設施的外部安全防護距離需要進行計算確定。該標準對于危險源的安全防護距離的控制采用了定量計算的方式進行，這與其他標準規(guī)范要求是不一樣的。安全防護距離的定量計算公式如下：

(1)

式中，Δp為空氣沖壓波超壓制，單位為105帕斯卡(Pa)；Q為一次爆炸的TNT的炸藥當量，單位為千克(kg)；R為爆炸點距防護目標的距離，單位為米(m)。

然后，根據計算的沖擊波超壓值對比針對不同防護目標超壓閾值選用，規(guī)范指出對于室外人員一般不會造成死亡的閾值為9000Pa。

3.6 SAFEX Storage of Solid Technical Grade Ammonium Nitrate規(guī)定

對于僅儲存硝酸銨的企業(yè)，在將儲存硝酸銨折算成爆炸物當量后，根據風險評估進行計算。計算公式如下：

總TNT當量(Eo)=化學TNT當量(Ec)×爆炸當量(Ey)

(2)

式中，化學TNT當量是基于材料與TNT相比的相對燃燒熱的比率。為了進行計算，每個硝酸銨事件場景的化學當量估計為32%。爆炸當量根據儲存物料性質、條件等，取值范圍在10%～100%。

凈爆炸物量NEQ(kg)=硝酸銨儲量(kg)×總TNT當量

(3)

安全距離D=17.8×凈爆炸物量NEQ1/3

(4)

式(4)是針對人員集中住宅區(qū)進行的計算公式，住宅區(qū)最大允許超壓為7kPa。

根據SAFEX規(guī)定，根據以上公式計算取得結果后，進行風險評估，住宅和社區(qū)的個人死亡風險每年小于1×10-6；脆弱或敏感地區(qū)的個人死亡風險每年小于0.5×10-6；公共使用或工程中的個人死亡風險每年少于5×10-6，根據評估結果采取相應措施，在此不做深入探討。

4 外部安全距離控制及計算

從上文列出的標準規(guī)范來看，針對硝酸銨儲存設施的安全防護間距要求各不相同，這使得設計人員很難針對不同的項目合理確定適用的標準規(guī)范。在這種情況下，設計人員為了保證設計合規(guī)性，一般會采用規(guī)范中要求最嚴格的標準執(zhí)行。

下面以《硝酸銨安全技術規(guī)范(征求意見稿)》規(guī)定的單個硝酸銨庫儲存硝酸銨500t，硝酸銨倉庫區(qū)最大存儲量2500t規(guī)定為計算基準，分別以“危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法GB/T 37243—2019”和“SAFEX Storage of solid technical grade ammonium nitrate”標準進行安全間距試算。

(1)GB/T 37243—2019危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法計算基準：

根據相關參考數據，硝酸銨TNT當量=0.6×硝酸銨質量(kg)當量[3]。

500t的硝酸庫發(fā)生爆炸產生的爆炸能量約為300000kgTNT當量。根據規(guī)范中“不同類型防護目標的空氣沖擊波超壓閾值”(表1)，對于一般防護目標中的三類目標，取閾值9000Pa代入公式(1)計算，爆炸點距離防護目標的距離約為R=1060m。

表1 不同類型防護目標的空氣沖擊波超壓閾值

(2)SAFEX Storage of solid technical grade ammonium nitrate標準。

根據公式(2)，在化學引爆的條件下，最大總TNT當量(Eo)=32%×10%=3.2%(火災引爆條件下Ey按10%取值)。

根據公式(3)，凈爆炸物量NEQ(kg)=500000kg×3.2%=16000kg。

根據公式(4)，安全距離D=17.8×160001/3=448m。

初步結論：

以儲存500t硝銨庫為例，根據不同規(guī)范核算距離人員集中場所的結果見表1：

綜上所述，《石油化工企業(yè)設計防火標準》和《建筑設計防火規(guī)范》要求偏低，這是因為這兩本規(guī)范主要關注的是防火而不是防爆，在爆炸安全防護方面，涉及硝酸銨等爆炸品的規(guī)范要求明顯較高，其中GB/T 37243—2019標準[8]要求最高，但可以通過控制單個倉庫硝酸銨的儲存量有效減少外部安全防護距離。

5 結語

國內標準與國外標準有很大的不同。即使是需要根據實際情況核算的標準，由于輸入條件不同，不同的標準得出的結論也不完全一樣。目前，國內化工園區(qū)管理越來越規(guī)范、發(fā)展越來越迅速，危化品生產企業(yè)在現階段以集中布局在化工園區(qū)為主，如盲目地使用一種標準進行計算，既不利于園區(qū)土地節(jié)約，也對周邊工礦企業(yè)的規(guī)劃和布置造成巨大的不利影響。如何選用恰當的標準，且能夠得到相關專家的認可，是目前硝酸銨行業(yè)建設管理和技術人員應該考慮的問題。

從目前國內硝酸銨行業(yè)及整個化工行業(yè)的發(fā)展來看，短期內依然不會有較為明朗的結論。但根據相關的工程經驗，嚴格控制硝酸銨儲存量、加快硝酸銨的周轉速度、降低儲存設計量，是目前相對較為可行的方法。對于硝酸銨儲存區(qū)與周邊的安全防護距離，在儲存總量控制的前提下，不能僅按照規(guī)范下限進行相關設計，應綜合考慮建設成本、土地利用率以及相鄰設施的功能、性質、受損后影響程度等各種因素，并結合安全評價報告結論進行綜合評估。