防城港電廠脫硝工程液氨儲罐發(fā)生爆炸、中毒事故后果模擬分析

梁清荃

【摘 要】廣西防城港電廠脫硝工程采用選擇性催化還原脫硝工藝（SCR），設置2臺1103的液氨儲罐，文章采用爆炸、中毒模型，對液氨儲罐發(fā)生爆炸事故和泄漏引發(fā)中毒傷害后果進行模擬計算，估算影響范圍，為企業(yè)采取相應的安全措施和應急預案的建立提供參考依據。

【關鍵詞】脫硝工程；液氨；爆炸；泄漏；中毒；影響范圍；防城港電廠

0.引言

廣西防城港電廠位于防城港市港口區(qū)企沙鎮(zhèn)西面約8km暗埠江口東岸赤沙村西南側淺海灘涂，地處企沙臨海工業(yè)區(qū)企沙片區(qū)，與防城港市區(qū)隔海相望，工程規(guī)劃容量2520MW，并留有擴建余地。工程2×600MW超臨界燃煤機組于2005年5月29日開工建設，兩臺機組分別于2007年9月、2008年1月投產發(fā)電。根據《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）要求，對防城港電廠進行脫硝技術改造。脫硝工程采用選擇性催化還原脫硝工藝（SCR），設置2臺1103的液氨儲罐，根據《危險化學品名錄》（國家安全生產監(jiān)督管理總局公告2003年第1號）的分類，液氨屬于第2.3類液化有毒氣體且易燃，一旦發(fā)生儲罐爆炸、泄漏事故，將危及企業(yè)內部職工以及周邊居民生命安全，下面采用爆炸、中毒模型，對液氨儲罐發(fā)生爆炸事故和液氨儲罐泄漏引發(fā)中毒傷害后果進行模擬分析、預測。

1.脫硝工藝概述

防城港電廠煙氣脫硝系統主要包括脫硝裝置、鍋爐預熱器改造及相關的電氣、熱工控制等，采用液氨作為脫硝還原劑，采取選擇性催化還原（SCR）法來達到去除煙氣中NOX的目的。脫硝裝置入口NOx濃度≤400mg/Nm3，脫硝效率80%，實施脫硝技改后，氮氧化物排放濃度小于100mg/Nm3，滿足《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）。SCR反應器采用高含塵布置（即反應器布置在鍋爐省煤器與空預器之間），本體內裝有蜂窩狀催化劑。

煙氣在鍋爐省煤器出口處被平均分為兩路，每路煙氣并行進入一個垂直布置的SCR反應器里，即每臺鍋爐配有2個反應器，煙氣經過均流器后進入催化劑層，然后進入空氣預熱器、電除塵器、吸風機和脫硫裝置后，排入煙囪。在進入煙氣催化劑前設有氨注入的系統，煙氣與氨氣充分混合后進入催化劑發(fā)生反應，脫去NOx。

SCR脫硝工藝主要的化學方程式如下：

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O

2.液氨儲罐爆炸事故后果模擬分析與預測

液氨的危險特性為易燃，有毒，具有刺激性，對環(huán)境有嚴重危害。與空氣混合能形成爆炸性混合物。遇明火、高熱可能引起燃燒爆炸。引燃溫度（℃）：651；爆炸下限%（V/V）：15.7；爆炸上限%（V/V）：27.4；最大爆炸壓力（MPa）：0.580。

2.1 計算

脫硝工程設置有2臺1103的液氨儲罐，從事故概率分析，2臺儲罐同時發(fā)生爆炸的可能性較小，因此，以下僅就其中1臺1103液氨儲罐發(fā)生爆炸造成的損害進行計算。

2.1.1爆炸能量

液氨儲罐中飽和液氨占有容器介質質量的絕大部分，它的爆破能量比飽和氣體大得多，一般計算時考慮氣體膨脹做的功。爆破能量可按下式計算：

E=[（H1-H2）-（S1-S2）T1]W

式中 E——過熱狀態(tài)液體爆炸能量，kJ；

H1——爆炸前飽和液體的焓，kJ/kg。H1取639.01kJ/kg；

H2——在大氣壓力下飽和液體的焓，kJ/kg。H2取364.76kJ/kg；

S1——爆炸前飽和液體的熵，kJ/（kg·℃）。S1取2.4786kJ/kg·K；

S2——在大氣壓力下飽和液體的熵，kJ/（kg·℃）。S2取1.4775kJ/kg·K；

T1——介質在大氣壓力下的沸點，kJ/（kg·℃）。T1=273.15-33.5=239.65K；

W——飽和液體的質量，kg。W=ρV=680×110×0.85=63580kg

則：E=[（639.01-364.76）-（2.4786-1.4775）*239.65]*63580=2183337.2kJ

即：單臺110m3液氨儲罐發(fā)生爆炸的爆破總能量為2183337.2kJ；

2.1.2將爆破能量E換算成TNT當量q

q=E/qTNT

式中 q——TNT當量；

qTNT——lkg TNT爆炸所放出的爆破能量為4230～483610/kg，一般取平均爆破能量為4500kJ/kg。

則：q=E/qTNT=E/4500=2183337.2/4500=485.19kg

即：單臺110m3液氨儲罐發(fā)生爆炸的TNT當量為485.19kg；

2.1.3求出爆炸的模擬比α

α=0.1q1/3=0.1*485.191/3=0.792.

1.4計算沖擊波的超壓及相應的傷害、破壞半徑

壓力容器爆炸時，爆破能量在向外釋放時以沖擊波能量、碎片能量和容器殘余變形能量3種形式表現出來。后兩者所消耗的能量只占總爆破能量的3%～15%，也就是說大部分能量是產生空氣沖擊波。多數情況下，沖擊波的傷害、破壞作用是由超壓引起的，只要沖擊波超壓達到一定值，便會對目標造成一定的傷害或破壞。沖擊波超壓對人體的傷害和對建筑物的破壞作用見表1、表2。

由爆炸實驗數據表明，不同數量的同類炸藥發(fā)生爆炸時，如果R與Ro之比與q與qo之比的三次方相等，則產生的沖擊波超壓相同，用公式表示如下：

根據表3提供的1000kg TNT炸藥在空氣中爆炸時相當距離R0和對應所產生的沖擊波超壓△P0，用插入法計算出1000kg TNT爆炸沖擊波超壓特征值△P0所對應的距離R0，并通過R=R0×α計算出R，計算結果見表4。

2.2 計算分析

由計算結果（表5）可知，一旦110m3液氨儲罐發(fā)生爆炸，距爆炸中心18m范圍內的大部分人員死亡，建筑物鋼筋混凝土破壞、房屋倒塌；距爆炸中心25.7m范圍內的人員內臟嚴重損傷或死亡，廠房房柱折斷，磚墻倒塌；距爆炸中心33.58m范圍內的人員聽覺器官損傷或骨折，建筑物墻體出現大裂縫、屋瓦掉下；距爆炸中心44.24m范圍內人員輕微損傷、墻體出現裂縫；距爆炸中心53.7m范圍內建筑物窗框損壞。

3.液氨儲罐泄漏引發(fā)中毒事故后果模擬分析與預測

液氨儲罐泄漏后會生成有毒蒸氣云，它在空氣中漂移、擴散，直接影響現場人員，并可能波及居民區(qū)。液氨在容器破裂時會發(fā)生蒸氣爆炸。爆炸后如不燃燒，便會造成大面積的毒害區(qū)域。根據中毒模型，對本工程液氨儲罐破裂造成的毒害區(qū)估算。

3.1 計算

設液氨氧化質量為W（單位：kg），容器破裂前器內介質溫度為t（單位：℃），液體介質比熱為C[單位：kJ/（kg·℃）]。當容器破裂時，器內壓力降至大氣壓，處于過熱狀態(tài)的液化氣溫度迅速降至標準沸點t0（單位：℃），此時全部液體放出的熱量為：

設這些熱量全部用于器內液體的蒸發(fā)，如它的汽化熱為q（單位：kJ/kg），其蒸發(fā)量：

如介質的分子量為M，則在沸點下蒸發(fā)蒸氣的體積Vg（單位：m3）為：

假設在靜風條件下，氨氣初始云團按半球狀在地面釋放，則可求出氨氣擴散后濃度所對應的半徑為：

將表中的濃度劃分為4個等級：（1）30mg/m3為STEL（短時間接觸容許濃度）；（2）140mg/m3為眼和呼吸道不適（輕度危害）；（3）700mg/m3為可以引起咳嗽、有強烈刺激作用（中度危害）；（4）1750mg/m3為可以引起立即死亡（重度危害）。

3.2 計算分析

經過模擬計算可知，如果液氨儲罐發(fā)生泄漏，當這些有毒氨氣以半球形向地面擴散時，以泄漏點為中心擴散半徑在162m的區(qū)域內，人員立即死亡；以泄漏點為中心擴散半徑在162～220m的區(qū)域內，人立即咳嗽、有強烈刺激作用；以泄漏點為中心擴散半徑在220～376m的區(qū)域內，人眼和呼吸道不適；以泄漏點為中心擴散半徑在628m的區(qū)域，為短時間接觸容許濃度。以上事故后果模擬為理想狀態(tài)下后果情況，儲罐受溫度、風向、風速等大氣環(huán)境影響會影響擴散速度以及傷亡情況。

4.液氨儲罐爆炸、中毒事故后果模擬結果綜合分析

根據爆炸事故后果模擬分析和中毒事故后果模擬分析結果可知，在發(fā)生液氨儲罐爆炸時，距爆炸中心18m范圍內的大部分人員死亡；在發(fā)生液氨儲罐泄漏時，距泄漏中心154m范圍內的人立即死亡。

以上計算僅為l臺液氨儲罐發(fā)生爆炸、中毒事故的后果模擬分析，而忽略了1臺液氨儲罐發(fā)生爆炸時，其產生的爆破碎片和沖擊波超壓可導致其他儲罐的損壞而發(fā)生連鎖爆炸，從而造成事故后果的進一步擴大。

5.安全對策措施

為預防事故發(fā)生或減少事故發(fā)生后造成的損失，防城港電廠脫硝工程液氨儲罐區(qū)應采取以下安全對策措施。

5.1安全技術對策措施

（1）液氨罐區(qū)罐體之間的防火距離、罐區(qū)與周邊建構筑物的防火距離以及罐區(qū)與廠外周邊環(huán)境的距離應滿足《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》（GB50160-2008）的要求。

（2）液氨儲罐區(qū)地坪宜低于周圍道路標高。液氨儲罐區(qū)宜設環(huán)形消防道路，場地困難時，可設盡頭式道路，但應設回轉場地，并符合《火力發(fā)電廠與變電站設計防火規(guī)范》（GB50229-2006）的規(guī)定。

（3）液氨儲罐設置防止陽光直射的遮陽棚，遮陽棚的結構應避免形成可集聚氣體的死角。

（4）液氨儲罐區(qū)應采用敞開式。液氨儲罐區(qū)建筑物的地面應耐酸堿。在液氨儲罐區(qū)防爆區(qū)域內，應采用防爆設計，液氨儲罐區(qū)圍欄和裝飾材料應滿足耐火極限要求。

（5）液氨儲罐區(qū)內場地應設水沖洗裝置，在低處設截水溝集中排至廢水坑。

（6）液氨儲罐區(qū)內電氣柜小室電纜進線溝應進行隔離處理，防止泄露的氨氣進入電氣柜小室。

（7）液氨儲罐區(qū)應安裝氨氣泄漏檢測報警裝置、防雷、防靜電裝置、相應的消防設施、儲罐安全附件、急救設施設備和泄漏應急處理設備等，并定期檢查，保持其有效狀態(tài)。

（8）在液氨儲罐區(qū)設置圍欄及危險警示標志，禁止無關人員進入；設置風向標，供現場人員辨識，確保疏散安全。

（9）在液氨儲罐區(qū)、管道和氨氣可能泄漏區(qū)域（如輸送管道系統等）設置水噴霧系統，噴霧水泵應具備雙路電源供電；同時應考慮在液氨儲罐周圍設置圍堰，以防止吸收氨氣后的污水四處流溢。

（10）液氨儲存與供應區(qū)域應設置完善的消防系統、洗眼器及防毒面罩等。

5.2 安全管理對策措施

（1）本工程液氨儲罐已構成三級危險化學品重大危險源。應按相關規(guī)定進行評估、備案、管理和監(jiān)控。

（2）將液氨儲罐納入電廠重大危險源管理范疇，修訂并完善現有的重大危險源安全管理制度、操作規(guī)程以及重大危險源事故應急預案等，按需增設必要的防護設施及應急設施。

（3）為液氨儲罐配備必要的溫度、壓力、液位、流量、組份等信息的不間斷采集和監(jiān)測系統，該系統應具備信息遠傳、連續(xù)記錄、事故預警、信息存儲等功能以及緊急停車功能。

（4）定期對重大危險源的安全設施和安全監(jiān)測監(jiān)控系統進行檢測、檢驗，并進行經常性維護、保養(yǎng)，保證安全設施和安全監(jiān)測監(jiān)控系統有效、可靠運行。維護、保養(yǎng)、檢測應當作好記錄，并由有關人員簽字。

（5）對重大危險源的管理和操作崗位人員進行安全操作技能培訓。

（6）設置明顯的安全警示標志，寫明緊急情況下的應急處置辦法。

（7）電廠應當制定相應的液氨儲罐爆炸、泄漏事故應急預案演練計劃，每年至少組織一次綜合應急預案演練或者專項應急預案演練，每半年至少組織一次現場處置方案演練。應急預案演練結束后，應急預案演練組織單位應當對應急預案演練效果進行評估，撰寫應急預案演練評估報告，分析存在的問題，并對應急預案提出修訂意見。

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