煤氣站事故的模擬計(jì)算及后果分析

摘要：發(fā)生爐煤氣是通過(guò)水蒸氣和空氣混合形成氣化劑后流經(jīng)熾熱的固定燃燒床生成的，空氣中所含的氧和蒸汽與燃料中的碳反應(yīng)，生成了含有CO、CO2、H2、CH4、C2H4、N2等成分的發(fā)生爐煤氣。文章對(duì)煤氣站的生產(chǎn)過(guò)程中可能產(chǎn)生的事故進(jìn)行了模擬，并對(duì)事故的后果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：煤氣站；安全事故；模擬計(jì)算；事故后果；發(fā)生爐煤氣；固定燃燒床 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ086 文章編號(hào)：1009-2374（2015）27-0158-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.081

1 煤氣站原理

發(fā)生爐煤氣是通過(guò)水蒸氣和空氣混合形成氣化劑后流經(jīng)熾熱的固定燃燒床生成的，空氣中所含的氧和蒸汽與燃料中的碳反應(yīng)，生成了含有CO、CO2、H2、CH4、C2H4、N2等成分的發(fā)生爐煤氣。

蒸汽還與CO反應(yīng)，每體積CO轉(zhuǎn)化為CO2時(shí)，同時(shí)生成了相同體積的H2。在還原層，其溫度低于1200℃時(shí)還會(huì)出現(xiàn)下面的快速反應(yīng)：

CO2+C→2CO

H2O+C→H2+CO

2 生產(chǎn)工藝流程

煤氣站主要包括三個(gè)部分：煤氣發(fā)生裝置、煤氣凈化裝置、煤氣輸配裝置。

利用提升機(jī)器將煤加入貯煤倉(cāng)，通過(guò)加煤機(jī)將煤注入爐膛。然后煤炭在煤氣爐干餾段中進(jìn)行干燥、干餾。煤炭慢速下移，溫度逐漸升高，經(jīng)8～10小時(shí)后到達(dá)氣化段，在干餾段中，煤炭中的水分都釋放出來(lái)，焦油及大部分硫化物也都干餾出來(lái)，并且產(chǎn)生碳?xì)浠衔?，形成上段煤氣。進(jìn)入氣化段成半焦?fàn)畹拿航?，?jīng)過(guò)氣化反應(yīng)，產(chǎn)生下段煤氣。

上段煤氣離開(kāi)煤氣爐經(jīng)過(guò)旋風(fēng)除焦器再進(jìn)入電除焦油器，除去煤氣攜帶的焦油，然后與下段煤氣混合進(jìn)入靜電除塵器。

下段煤氣經(jīng)旋風(fēng)除塵器除去大部分灰塵進(jìn)入激冷器，降溫至100℃～120℃后與上段煤氣混合，再通過(guò)靜電除塵器除去煤氣中的細(xì)小塵埃和部分輕油，然后進(jìn)入間冷器冷卻至常溫，最后經(jīng)煤氣加壓機(jī)送至用氣點(diǎn)。

3 事故模擬情況

第一，煤氣站是與鈦白粉生產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立的煤氣生產(chǎn)系統(tǒng)，現(xiàn)假設(shè)設(shè)備和設(shè)施因材料腐蝕老化而發(fā)生銹蝕缺損，容易因伸張拉力影響出現(xiàn)破裂泄漏的情況，模擬事故選煤氣加壓后進(jìn)入煤氣總管的接口為事故發(fā)

生點(diǎn)。

第二，根據(jù)資料，管道接頭泄漏，其裂口尺寸，通常取管道直徑的20%～100%。煤氣管道設(shè)有高低壓報(bào)警裝置、聯(lián)鎖裝置，若管道整體破裂，即裂口尺寸取管道直徑的100%，管內(nèi)壓力減小，低壓報(bào)警裝置會(huì)報(bào)警，作用聯(lián)鎖裝置，切斷鼓風(fēng)機(jī)電源，從而中斷煤氣的產(chǎn)生，從管道破裂到聯(lián)鎖裝置發(fā)生作用的時(shí)間較短，約

為3秒。

第三，煤氣中CO含量占29.4%、H2占10.5%、N2占56.3%、CO2占2.6%、O2占0.2%、烴占1%，泄漏出空間的煤氣的各種組分會(huì)離析，H2和烴比空氣輕，向上飄散；N2、CO2和O2混于空氣中；CO有毒，其密度等于空氣的0.97，會(huì)在空氣中混和后作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。若不考慮環(huán)境氣體流動(dòng)的影響，CO均衡擴(kuò)散，會(huì)形成以泄漏口為圓心的半球形狀的氣團(tuán)，濃度由內(nèi)至外呈高斯分布。

4 事故后果模擬分析

4.1 裂口尺寸取管道直徑的20%

4.1.1 破裂裂口。裂口尺寸取管道直徑的20%；現(xiàn)煤氣輸出管的管徑為Ф800，所以裂口的長(zhǎng)度為160mm（0.16m）。

4.1.2 泄漏面積。由于管道因冷縮熱脹而發(fā)生的水平線(xiàn)性應(yīng)力牽引發(fā)生材料開(kāi)裂，因而其裂口應(yīng)較均勻并形成一橫向的長(zhǎng)條形，假設(shè)裂口的平均寬度為2.5mm，則裂口面積等于氣體泄漏面積，計(jì)算結(jié)果為0.4×10-3m2。

4.1.3 泄漏速度。根據(jù)“因果模型分析法”中，氣體釋放量方程：

在泄漏處操作壓力≤2×105Pa時(shí)，W=CdA[2ρ（P1+P2）]0.5

式中：W為泄漏速度，kg/s；Cd為泄放系數(shù)，通常為0.8；A為泄漏口面積，m2；ρ為流體的密度，kg/m3；P1為上流壓力（絕壓），N/m2；P2為下流壓力，N/m3。

計(jì)算：A=0.4×10-3m2；ρ=煤氣在40℃時(shí)的密度，0.545kg/m3；P1=煤氣總管內(nèi)絕對(duì)壓力為1.079N/m2；P2=空間的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為1N/m2。

計(jì)算結(jié)果：W=0.48×10-3kg/s。

4.1.4 泄漏量。假設(shè)煤氣泄漏持續(xù)時(shí)間為1小時(shí)，則泄漏量為Q，體積為V：

Q=0.48×10-3×3600=1.728kg

V=1.728÷0.545=3.171m3

因?yàn)镃O在煤氣中體積只占29.4%，因此泄漏的CO體積為Vq，Vq=3.171×29.4%=0.932m3。

4.1.5 擴(kuò)散。

第一，擴(kuò)散形式。煤氣泄漏到空間里，其中H2和CH4氣體比空氣輕，很容易就分離出來(lái)向上升并飄散。CO密度與空氣差異很?。?.97∶1）。

第二，有毒氣體擴(kuò)散危害半徑。以泄漏口為圓心，擴(kuò)散危害半徑按下式計(jì)算：

式中：R為有毒氣體危害半徑，m；Vq為有毒氣體泄漏體積，m3，取0.932m3；c為有毒氣體在空氣中的危險(xiǎn)濃度值，%。

根據(jù)《化學(xué)物質(zhì)毒性全書(shū)》，空氣中CO濃度與人體反應(yīng)之間關(guān)系見(jiàn)表1：

按擴(kuò)散公式求出危害半徑如下：（1）有不適現(xiàn)象時(shí)的危害半徑：R1=3.14m；（2）引致人員輕度中毒的危害半徑：R2=2.64m；（3）引致人員中度中毒的危害半徑：R3=1.78m；（4）引致人員重度中毒的危害半徑：R4=1.48m；（5）引致人員死亡的危害半徑：R5=0.83m。

根據(jù)《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值》，以CO短時(shí)間接觸容許濃度（任何一次接觸不得超過(guò)15分鐘時(shí)間加權(quán)平均的容許接觸水平）在非高原地區(qū)為30mg/m3為標(biāo)準(zhǔn)，作為有毒氣體在空氣中的危險(xiǎn)濃度值。則：C國(guó)標(biāo)=0.0024，則危害半徑：R國(guó)標(biāo)=3.67m。

4.2 裂口尺寸取管道直徑的100%

4.2.1 泄漏量。煤氣產(chǎn)生量為14000m3/h，煤氣泄漏時(shí)間為3秒，則泄漏量為V：

V=14×103×3/3600=11.67m3

因?yàn)镃O在煤氣中體積只占29.4%，因此泄漏的CO體積為Vq，Vq=11.67×29.4%=3.43m3。

4.2.2 擴(kuò)散形式。煤氣泄漏到空間里，其中H2和CH4氣體比空氣輕，很容易就分離出來(lái)向上升并飄散。CO密度與空氣差異很?。?.97∶1），將會(huì)呈半球形向外擴(kuò)散。作高斯分布。

4.2.3 有毒氣體擴(kuò)散危害半徑。根據(jù)擴(kuò)散公式及表1，求出危害半徑如下：（1）有不適現(xiàn)象時(shí)的危害半徑：R1=5.35m；（2）引致人員輕度中毒的危害半徑：R2=4.49m；（3）引致人員中度中毒的危害半徑：R3=3.01m；（4）引致人員重度中毒的危害半徑：R4=2.53m；（5）引致人員死亡的危害半徑：R5=1.42m。

危險(xiǎn)半徑R國(guó)標(biāo)=6.28m。

從上述泄漏擴(kuò)散事故模式中可看出，由于煤氣輸出管內(nèi)壓力很低（15kPa），與裂口外的環(huán)境壓力的壓差很小，因此有毒氣體泄漏量較小，事故影響的范圍較小。事故后果模擬結(jié)果是以裂口尺寸為20%和100%兩種情況下得出的，如果裂口面積介于20%～100%之間，聯(lián)鎖系統(tǒng)未起作用，泄漏時(shí)間長(zhǎng)，事故影響的范圍會(huì)

擴(kuò)大。

參考文獻(xiàn)

[1] 夏元洵.化學(xué)物質(zhì)毒性全書(shū)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1991.

[2] 中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部.工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值[S].北京：人民衛(wèi)生出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介：羅小玲（1980-），女，廣東四會(huì)人，供職于廣東靖安安全評(píng)估咨詢(xún)有限公司，研究方向：安全評(píng)價(jià)、安全管理、安全控制。

（責(zé)任編輯：蔣建華）