高爐煤氣柜泄漏及爆炸事故后果分析

姜彩鳳

摘 要：大型干式煤氣柜儲存量大，儲存介質(zhì)易燃易爆有毒，如果發(fā)生泄漏，就容易引起嚴重的爆炸事故。本文運用有毒物質(zhì)泄漏擴散事故后果模擬分析，對高爐煤氣柜泄漏及爆炸的影響范圍進行定量描述，為企業(yè)的事故預防工作提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤氣;泄漏;爆炸;后果分析

中圖分類號：X938文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）05-0012-04

Abstract： Large dry gas tanks have large storage capacity， and the storage medium is flammable， explosive and toxic. Once a leak occurs， it is likely to cause a serious explosion accident. This paper used a simulation analysis of the consequences of a toxic substance leakage and diffusion accident to quantitatively describe the scope of the blast furnace gas tank leakage and explosion， and provided a basis for the accident prevention work of enterprises.

Keywords： gas;leakage;explosion;consequence analysis

大型干式煤氣柜擁有很大的儲存量，儲存介質(zhì)易燃易爆有毒，一旦發(fā)生泄漏，易引起爆炸事故，后果十分嚴重[1]。另外，周邊居民生活區(qū)、敏感點較多，情況復雜。因此，對煤氣柜進行泄漏及爆炸危險性分析，具有十分重要的意義。

1 高爐煤氣柜主要技術(shù)參數(shù)

高爐煤氣柜主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 高爐煤氣柜泄漏及爆炸事故后果分析

2.1 高爐煤氣柜煤氣泄漏擴散模型

高爐煤氣柜煤氣的平均摩爾質(zhì)量[M]=30.6 g/mol，與空氣接近，可選用高斯煙羽模型。

高斯煙羽擴散模型是用來描述連續(xù)泄漏到大氣中的污染物沿下風向擴散濃度分布最廣泛的模型之一。有毒氣體發(fā)生長時間泄漏（持續(xù)泄漏時間超過10 min），其泄漏源可認為是連續(xù)均勻的，有毒氣體在[y]、[z]軸上的分布符合高斯分布（正態(tài)分布），在當?shù)仫L速、地面粗糙度的影響下，泄漏的有毒氣體擴散模式可以認為遵循“地面連續(xù)點源擴散模式”，其擴散模式符合高斯煙羽擴散數(shù)學模型[2-3]。Pasquill-Gifford模型擴散方程為：

假設氣體在擴散過程中不發(fā)生沉降、相變和化學反應，氣體擴散行程中無障礙物。由于管道破裂而發(fā)生泄漏時，其可視為地面點源泄漏。以泄漏點為原點，風向順著軸正方向，泄漏高度[H]=0，其連續(xù)穩(wěn)態(tài)煙羽濃度分布公式可簡化為式（2）。

依據(jù)《化工企業(yè)定量風險評價導則》（AQ/T 3046—2013），當大氣穩(wěn)定度為[F]時，查表可得：

2.2 泄漏危險性分析

2.2.1 源項計算及場景選擇。煤氣泄漏過程中，假設泄漏氣體為理想氣體，泄漏過程為絕熱過程，泄漏孔面積不隨時間發(fā)生變化，氣體泄漏速率恒定，泄漏看作是地面泄漏。結(jié)合當?shù)貋啛釒夂虻奶攸c，選取風速1.5 m/s、溫度300 K、大氣穩(wěn)定等級F。場景選擇如表2所示。

2.2.2 泄漏速率（源強）計算。煤氣柜連續(xù)泄漏可視為連續(xù)點源泄漏，連續(xù)點源泄漏可通過小孔泄漏模型進行計算。氣體流動屬音速流動，滿足以下條件：

音速流動的氣體泄漏質(zhì)量流率為：

計算參數(shù)取值如表3所示。

20萬m3高爐煤氣柜，當泄漏面積[A]=10 mm2時，根據(jù)式（6）計算，10 mm2的泄漏速率[Q10mm]為：

20萬m3 高爐煤氣柜，當泄漏面積[A]=100 mm2時，根據(jù)式（6）計算，100 mm2的泄漏速率[Q100mm]為：

2.2.3 泄漏爆炸危險區(qū)域計算。高爐煤氣的爆炸下限為30.8%，泄漏的煤氣體積比達到爆炸下限時，單位體積空氣中煤氣質(zhì)量如式（9）所示。

設式（1）中[y]=0，[z]=0，則氣體擴散至[x]處時，[C（x，0，0）]=0.382 9 kg/m3，將其代入式（1），得出式（10）。

則有[σyσx=Q/（0.382 9πu）=0.554 2 Q]。

2.2.3.1 高爐煤氣柜。當泄漏面積[A]=10 mm2時，[Q10 mm]=0.075 8 kg/s，則有：

由式（11）可得，[x]≈2.18 m，以轉(zhuǎn)爐煤氣柜泄漏點為中心，沿順風向，距離泄漏點2.2 m范圍內(nèi)煤氣具有潛在爆炸危險。

2.2.3.2 高爐煤氣柜。當泄漏面積[A]=100 mm2時，[Q100 mm]=0.757 7 kg/s，則有：

由式（12）可得，[x]≈6.91 m，以轉(zhuǎn)爐煤氣柜泄漏點為中心，沿順風向，距離泄漏點7 m范圍內(nèi)煤氣具有爆炸危險。

2.2.4 泄漏毒性范圍計算。煤氣的毒性是其主要危險性之一，空氣中CO濃度與人體癥狀關(guān)系如表4所示。

表4數(shù)據(jù)來源《危險化學品安全技術(shù)全書》（化學化工出版社）。

空氣中的CO濃度低于30 mg/m3為安全標準。當空氣中CO濃度為30～400 mg/m3時，人們會出現(xiàn)輕度中毒癥狀;當空氣中的CO濃度為400～1 000 mg/m3時，人們會出現(xiàn)中度中毒癥狀;當空氣中的CO濃度為1 000～2 069 mg/m3時，人們會出現(xiàn)重度中毒癥狀;如果濃度高于2 609 mg/m3，人們會中毒而致死。

煤氣中主要有毒物質(zhì)是CO，確定CO的安全風險閾值，理論上應根據(jù)煤氣中CO的體積組分換算成為高爐煤氣的安全風險閾值。高爐煤氣不僅含有CO，還含有大量N2，后者占總體積的58.1%，N2雖然無毒無味，但也會造成窒息，因此，本文將CO的安全閾值當作高爐煤氣的安全閾值。詳情如表5所示。

將高爐煤氣的源強、泄漏時間、安全閾值等參數(shù)代入式（1）中，利用Matlab軟件的計算與繪圖功能，對20萬m3高爐煤氣柜毒氣泄漏進行模擬。

當源強[Q]=0.075 8kg/s，泄漏面積[A]=10 mm2時，設源架高[He]=5m，則高爐煤氣下風向擴散濃度圖如圖1所示。

通過圖1看到，高爐煤氣從高架源點泄漏時，在下風向45 m處達到最大濃度336.07 mg/m3后，濃度隨著距離的增加而逐步降低，在側(cè)風向即[y]-[z]軸向呈正態(tài)分布。

由圖2、圖3可得，下風向45 m處（最高濃度為336.07 mg/m3）到最遠271 m處為輕度中毒癥狀區(qū)，人身安全均受到影響;側(cè)風向最大影響距離為23 m。

當源強[Q]=0.757 7 kg/s，泄漏面積[A]=100 mm2時，設源架高[He]=5 m。

源強Q=0.7577 kg/s，泄漏面積A=100 mm2時，設源架高He=5 m，MATLAB軟件的計算結(jié)果為：源強的增加并沒有影響煤氣擴散最大濃度點出現(xiàn)的距離，最大濃度3359.32 mg/m3 仍是出現(xiàn)在45 m的距離上，但濃度增加了約十倍，同一距離氣體擴散濃度與源強及泄漏面積成正比。

對于源強[Q]=0.757 7 kg/s的高爐煤氣而言，在大氣穩(wěn)定度為[F]、風速[u]=1.5 m/s的條件下，下風向各安全閾值區(qū)域的距離如表6所示。

3 結(jié)論

從高斯煙羽擴散數(shù)學模型看到，大氣氣象條件對煙云的擴散影響是非常大的，大氣穩(wěn)定度越不穩(wěn)定，風速越大，越有利于有毒氣體的擴散，越能降低煤氣擴散的濃度，減小毒性影響的范圍。本文選擇的大氣穩(wěn)定度[F]、風速[u]=1.5 m/s是極不利于有害氣體擴散的情況，即選擇最壞的情況。

泄漏面積對氣體擴散濃度影響很大，泄漏面積越大，擴散濃度越高。源架高度[Hr]對有毒氣體擴散影響也很大，高度越高，擴散距離越遠。本文在爆炸危險分析中選擇[Hr]=0，實源與虛源重合，擴散濃度會成倍增加，增大了火災爆炸事故的危險性。

在泄漏危險分析中，當選擇[Hr]=5 m時，毒性影響范圍增大，最大擴散濃度落地點45 m處沒有達到爆炸下限，沒有爆炸危險。但隨著源強的增加，其發(fā)生爆炸的危險性也會加大。源架高度[Hr]對有毒氣體擴散影響也很大，高度越高，最大濃度落地點越遠，擴散范圍也越大。因此，高架管道的泄漏、煤氣水封及放散塔應是人們在工作中關(guān)注的重點部位。

參考文獻：

[1]唐曉文，王國忠，金康定.干式煤氣柜火災爆炸危險性評價與對策[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2008（12）：33-35.

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