氨氣氣體泄漏后果分析

1、1、儲(chǔ)罐區(qū)的情況簡(jiǎn)介1.1 儲(chǔ)罐區(qū)的基本情況本次課程設(shè)計(jì)以沈陽(yáng)某發(fā)電廠為研究對(duì)象。該發(fā)電廠采用選擇性催化還原法進(jìn)行煙氣脫硝,所用還原劑為液氨,共有2個(gè)液氨儲(chǔ)罐,每個(gè)液氨儲(chǔ)罐最大儲(chǔ)存量為90 m3。液氨儲(chǔ)存溫度為30, 儲(chǔ)存壓力為1. 1 MPa, 密度為750 kg/m3,液氨體積占儲(chǔ)罐容積的最大值為70%(其充裝系數(shù)為 0.70)。則每個(gè)貯槽內(nèi)液氨的總質(zhì)量為W=90 m3×750 kg/m3×0. 7=47.25t。重大危險(xiǎn)源，是指長(zhǎng)期地或者臨時(shí)地生產(chǎn)、搬運(yùn)、使用或者儲(chǔ)存危險(xiǎn)物品、且危險(xiǎn)物品的數(shù)量等于或者超過臨界量的單元（包括產(chǎn)所和設(shè)施）。危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)【2】

2、(GB182182009）規(guī)定氨的臨界量為10t，該企業(yè)布置有兩個(gè)液氨儲(chǔ)罐，每個(gè)儲(chǔ)罐裝存的液氨為47.25t，因此構(gòu)成了該液氨儲(chǔ)罐區(qū)構(gòu)成了重大危險(xiǎn)源。 1.2液氨的主要危險(xiǎn)特性液氨又稱為無(wú)水氨，是一種無(wú)色液體。在溫度變化時(shí)，液氨體積變化的系數(shù)很大。溶于水、乙醇和乙醚，與空氣混合能夠形成爆炸混合物，火災(zāi)危險(xiǎn)類別為乙類2項(xiàng)。 液氨作為一種重要的化工原料應(yīng)用廣泛，普遍存在于化工生產(chǎn)過程中。為了運(yùn)輸及儲(chǔ)存的便利，通常將氣態(tài)的氨氣通過加壓或冷卻得到液態(tài)氨。液氨在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，由于具有腐蝕性，且易揮發(fā)，所以其化學(xué)事故發(fā)生率相當(dāng)高，是該儲(chǔ)罐區(qū)的主要危險(xiǎn)物料。液氨物料的危險(xiǎn)特性主要體現(xiàn)在燃燒和爆炸、活性反應(yīng)

3、和健康危害三方面【3】，具體危險(xiǎn)特性及理化性質(zhì)如表1.1所示：表1.1 液氨的危險(xiǎn)特性及理化性質(zhì)表危險(xiǎn)特性燃燒和爆炸危險(xiǎn)性極易燃，能與空氣形成爆炸性混合物，遇明火、高熱引起燃燒爆炸?；钚苑磻?yīng)與氟、氯等接觸會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。健康危害對(duì)眼、呼吸道粘膜有強(qiáng)烈刺激和腐蝕作用。急性氨中毒引起眼和呼吸道刺激癥狀，支氣管炎或支氣管周圍炎，肺炎，重度中毒者可發(fā)生中毒性肺水腫。高濃度氨可引起反射性呼吸和心搏停止?？芍卵酆推つw灼傷。 PC-TWA(時(shí)間加權(quán)平均容許濃度)(mg/m3):20; PC-STEL(短時(shí)間接觸容許濃度)(mg/m3):30。理 化 性 質(zhì)分子量為17.03，熔點(diǎn)-77.7，沸點(diǎn)-33

4、.5，液氨密度為0.7253g/cm3, 臨界壓力11.40MPa，臨界溫度132.5，飽和蒸氣壓1013kPa(26)，爆炸極限15%30.2%（體積比），自燃溫度630，燃點(diǎn)為651,最大爆炸壓力0.580Mpa2、儲(chǔ)罐的事故類型分析2.1 液氨泄漏事故模式及統(tǒng)計(jì)分析 通常情況下,液氨在常溫下加壓壓縮,液化儲(chǔ)存,一旦泄漏到空氣中會(huì)在常壓下迅速膨脹,大量氣化,并擴(kuò)散到大的空間范圍。液氨事故泄漏后通常有幾種事故模式：液氨泄漏后在泄漏出口處立即點(diǎn)火形成噴射火；泄漏處于開放空間且經(jīng)過一定時(shí)間點(diǎn)火形成閃火；泄漏處于局限空間條件且經(jīng)過一定時(shí)間點(diǎn)火形成蒸氣云爆炸；若泄漏過程中沒有點(diǎn)火源存在則形成單純的大

5、氣中擴(kuò)散；儲(chǔ)存液氨的儲(chǔ)罐有可能發(fā)生 BLEVE 爆炸。根據(jù)事故案例 , 泄漏事故絕大多數(shù)可視為連續(xù)點(diǎn)源泄漏模式。因此,本文著重分析和模擬氨氣連續(xù)點(diǎn)源泄漏后果。2.2氣氨泄漏事故樹模型3氨氣泄漏后果定量計(jì)算3.1氣氨泄漏模型對(duì)于災(zāi)難性破壞引起的液氨泄漏,可保守地認(rèn)為容器內(nèi)所有的貯存物質(zhì)瞬間全部泄漏,全部泄漏時(shí)一般有爆炸發(fā)生,對(duì)其發(fā)生爆炸后的狀況再運(yùn)用數(shù)值模擬進(jìn)行預(yù)測(cè)意義不大。因此,文中所研究的是液氨儲(chǔ)罐連續(xù)性泄漏的數(shù)值模擬。 通過對(duì)建國(guó) 50 年以來(lái)我國(guó)化工系統(tǒng)所發(fā)生的重(特)大、典型事故性泄漏的統(tǒng)計(jì)分析表明,閥門或法蘭處的密封失效及閥門或管道斷裂是造成事故性泄漏的主要原因,因而可以確定液氨儲(chǔ)罐

6、下方的液氨出口接管、儲(chǔ)罐上方的氣氨出口接管以及安全閥為主要泄漏源。 氣氨泄漏模型對(duì)于氣氨通過其出口接管的泄漏,情況較復(fù)雜。由于出口接管處于氣相空間,其泄漏形式主要與泄漏面積的大小有關(guān)。在泄漏面積較大的情況下,高壓蒸氣通過裂縫或孔洞噴出,儲(chǔ)罐內(nèi)壓急劇下降,直到環(huán)境壓力(常溫)。由于內(nèi)壓急劇下降,氣液平衡遭到破壞,儲(chǔ)罐內(nèi)液氨處于過熱狀態(tài),過熱狀態(tài)的液氨為了再次恢復(fù)平衡,內(nèi)部會(huì)均勻地產(chǎn)生沸騰核,同 時(shí)產(chǎn)生大量氣泡,液氨體積急劇膨脹, 最終導(dǎo)致爆炸;當(dāng)泄漏面積不大時(shí),即使有蒸氣噴出,但由于儲(chǔ)罐內(nèi)壓下降不急劇,液氨不會(huì)達(dá)到過熱狀態(tài),因此不會(huì)發(fā)生蒸氣爆炸,其泄漏速率可采用下式計(jì)算: Qm =C0AP02r

7、M RgT0( r -1)P P02/ r- P P0r+ 1/ r 1/2 ( 3) 式中:Qm 為質(zhì)量泄漏速率,kg/s;C0 為泄漏系 數(shù); A 為裂口面積,m2 ; P0 為儲(chǔ)罐內(nèi)壓,Pa;M 為氣 體或蒸氣的摩爾質(zhì)量,kg/mol;Rg 為理想氣體常數(shù); T0 為泄漏源溫度,K ;P 為泄漏處壓力,Pa; r 為絕熱指數(shù)。3.2氣氨擴(kuò)散模型 根據(jù)泄漏氣體的密度和泄漏源類型，氣體的擴(kuò)散模式可分為煙團(tuán)擴(kuò)散和煙羽擴(kuò)散兩種模式。泄漏量較大且密度比空氣的密度大得多的氣體擴(kuò)散呈現(xiàn)煙團(tuán)式擴(kuò)散，若泄漏氣體密度與空氣接近或經(jīng)很短時(shí)間的空氣稀釋后密度與空氣接近時(shí)，其泄漏氣體的擴(kuò)散屬于煙羽式擴(kuò)散，大部分較

8、小流量的連續(xù)源易形成煙羽擴(kuò)散。因此，氨氣的擴(kuò)散屬于煙羽擴(kuò)散。通過查詢沈陽(yáng)地區(qū)的氣象資料，沈陽(yáng)一年內(nèi)的平均風(fēng)速為2.84m/s，根據(jù)化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則AQ/T3046-2013表E.5可知，大氣穩(wěn)定度為C級(jí)，根據(jù)表E.7可知： y=0.282x0.914 z= 0.127x0.961 根據(jù)Pasquill-Gifford模型擴(kuò)散方程，位于地面高處的連續(xù)穩(wěn)態(tài)源的煙羽 （3.6）式中：連續(xù)排放時(shí)，形成穩(wěn)定的流場(chǎng)后，給定地點(diǎn)的污染物的濃度，單位為g/m3；連續(xù)排放的物料質(zhì)量流量，單位為g/s；u風(fēng)速，單位為m/s；，側(cè)風(fēng)向和垂直風(fēng)向的擴(kuò)散系數(shù)，單位為m；x下風(fēng)向距離，單位為m；y側(cè)風(fēng)向距離，單位

9、為m；z垂直風(fēng)向距離，單位為m。由液體泄漏中的計(jì)算可知，當(dāng)泄漏為小孔泄漏時(shí)，連續(xù)排放的物料質(zhì)量流量Q=1106g/s。因?yàn)橐喊眱?chǔ)罐水平布置在地面上，所以可以在x軸方向取10m、50m、100m、200m、400m，y軸取0，z軸取0，具體地點(diǎn)污染物濃度見表3.1所示：表3.1 不同地點(diǎn)液氨擴(kuò)散的濃度X（m）1050100200400500Y（m）000000Z（m）000000（m）2.3110.0718.9835.7667.3882.62（m）1.165.4510.6120.6640.2149.83C（g/m3）46.262.260.620.170.0460.030 1. 3毒負(fù)荷 氨氣為毒

10、性物質(zhì)。人類對(duì)毒物的反應(yīng)不僅與所接觸的毒物的濃度有關(guān),而且還與暴露在該濃度下 的時(shí)間有關(guān),因此,為了同時(shí)反映毒物濃度和暴露時(shí) 間對(duì)中毒反應(yīng)的影響,人們提出了毒負(fù)荷的概念,其 定義如下: TL = t 2 1 Cn( t)d t ( 7) 式中: TL 為毒物的毒負(fù)荷,它決定中毒程度; t1、t2 分別為開始暴露時(shí)刻和結(jié)束暴露時(shí)刻,min ;C 為t 時(shí)刻暴露環(huán)境中毒物的濃度;n 為冪指數(shù),對(duì)于氨氣,n 取 2。3.3火災(zāi)模型 噴射火計(jì)算加壓氣體泄漏時(shí)形成射流，如果在裂口處被點(diǎn)燃，形成噴射火。根據(jù)射流的方向，可以分成垂直噴射火和水平噴射火。 根據(jù)化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則【5】AQT 3046-2

11、013第9.2.3條 泄漏方向應(yīng)根據(jù)設(shè)備安裝的實(shí)際情況確定。如果沒有準(zhǔn)確的信息，泄漏方向宜設(shè)為水平方向，與風(fēng)向相同。所以該企業(yè)液氨儲(chǔ)罐的泄漏方向宜設(shè)為水平方向，僅水平方向噴射火計(jì)算。 加壓的可燃物泄漏時(shí)形成射流，如果在泄漏裂口處被點(diǎn)燃，則形成噴射火。假定火焰為圓錐形，并用從泄漏處到火焰長(zhǎng)度4/5處的點(diǎn)源模型來(lái)表示。 （1）火焰長(zhǎng)度計(jì)算噴射火的火焰長(zhǎng)度可用如下方程得到： （3.12）式中：L火焰長(zhǎng)度，單位為m；HC燃燒熱，液氨的燃燒熱為11053.315 kJ/kg；m質(zhì)量流速，單位為kg/s。1）泄漏場(chǎng)景為小孔泄漏時(shí)，泄漏孔徑為5mm，質(zhì)量流速m=1.106kg/s。 =0.4m2）泄漏場(chǎng)景為

12、中孔泄漏時(shí)，泄漏孔徑為25mm，質(zhì)量流速m=27.67kg/s =1.69m3）泄漏場(chǎng)景為完全破裂時(shí)，泄漏孔徑為50mm，質(zhì)量流速m=110.69kg/s =3.12m(2)熱輻射的通量計(jì)算距離火焰點(diǎn)源為X(m)處接收到的熱輻射通量可用下式表示： (3. 13 )式中：q距離X處接收的熱輻射的通量，單位為kw/m2；f熱輻射率；大氣傳輸率。大氣傳輸率按下式計(jì)算： (3.14 ) 選擇泄漏場(chǎng)景為完全破裂時(shí)，質(zhì)量流速m=110.69kg/s，熱輻射率f取0.25，X分別取10m、50m、100m、200m。不同距離熱輻射通量見表3.3所示：表3.3不同距離熱輻射通量X（m）10501001500.

13、870.780.740.72q （kw/m ²）0.217.59×10-31.80×10-37.79×10-43.4 爆炸模型計(jì)算3.4.1 沸騰液體擴(kuò)展為蒸氣云爆炸（BLEVE）計(jì)算 沸騰液體擴(kuò)展為蒸氣云爆炸（BLEVE）計(jì)算:采用國(guó)際勞工組織建議的沸騰液體擴(kuò)展為蒸氣云爆炸熱輻射模型進(jìn)行計(jì)算，步驟如下：(1)火球直徑的計(jì)算火球直徑計(jì)算公式為： (3.15)式中：R火球直徑，單位為m；W火球中消耗的可燃物質(zhì)量，單位為kg，對(duì)于單罐儲(chǔ)存，取罐容量的50%，對(duì)于雙罐儲(chǔ)存，取罐容量的70%；對(duì)于多罐儲(chǔ)存，取罐容量的90%。已知該企業(yè)有三個(gè)液氨儲(chǔ)罐，容積都為12

14、0m3,每個(gè)儲(chǔ)罐的實(shí)際儲(chǔ)存量為73.981T。即三個(gè)儲(chǔ)罐的實(shí)際總儲(chǔ)存量為3×73.981=221.943T所以W=90%M=90%×221.943×103=2.0×105kg 即=2.9×（2.0×105）1/3=169.59m(2)火球持續(xù)時(shí)間的計(jì)算火球持續(xù)時(shí)間按下式計(jì)算： （3.16）式中：t火球持續(xù)時(shí)間，單位為s；W火球消耗的可燃物質(zhì)量，單位為kg。即=26.32s(3)目標(biāo)接收到熱輻射通量的計(jì)算 （3.17）式中：q0火球表面的輻射通量，單位為W/m2；對(duì)于柱形罐取270 W/m2 ，對(duì)于球形罐取200 W/m2 ；r目標(biāo)到火

15、球中心的平均距離，單位為m。q0取270 W/m2，分別取r=10m、15m、20m、50m、100m，來(lái)進(jìn)行目標(biāo)接收到熱輻射通量的計(jì)算，具體數(shù)據(jù)見下表3.1所示：當(dāng)r=10m時(shí)，=13.72 W/m2當(dāng)r=15m時(shí)，=19.90 W/m2當(dāng)r=20m時(shí)，=25.77 W/m2當(dāng)r=50m時(shí)，=54.31 W/m2當(dāng)r=100m時(shí)，=116 W/m2各點(diǎn)目標(biāo)接受的熱輻射通量見表3.4所示：表3.4 目標(biāo)接收的熱輻射通量r(m)10152050100qr(W/m2)13.7219.9025.7754.311163.4.2 蒸氣云爆炸（TNT當(dāng)量法）計(jì)算當(dāng)泄漏到空氣中的可燃?xì)怏w與空氣的混合物的濃度

16、處于爆炸范圍內(nèi)時(shí)遇到點(diǎn)火源發(fā)生的爆炸現(xiàn)象稱為蒸氣云爆炸。其主要危害為爆炸產(chǎn)生的沖擊波，能導(dǎo)致人員傷亡及設(shè)備、設(shè)施、建筑、廠房的破壞。它是一類經(jīng)常發(fā)生、且后果十分嚴(yán)重的爆炸事故。通常采用 TNT 當(dāng)量法估計(jì)蒸氣云爆炸的嚴(yán)重度【8】。 WTNT=WQ/ QTNT （3.18） 式中 WTNT可燃?xì)怏w的 TNT 當(dāng)量，kg；可燃?xì)怏w蒸氣云當(dāng)量系數(shù)(一般取值 0.04)；W蒸氣云中可燃?xì)怏w質(zhì)量，kg；Q可燃?xì)怏w的燃燒熱，J/kg；QTNTTNT 的燃燒熱，J/kg(一般為 4.52×106)； E=1.8WQ （3.19）式中 E可燃?xì)怏w的爆炸總能量，J； 1.8地面爆炸系數(shù)。爆炸傷害半徑：

17、 （3.20）式中： C 為爆炸實(shí)驗(yàn)常數(shù)，取決于損害等級(jí)， 取值為 0.030.4； N 為有限空間內(nèi)爆炸發(fā)生系數(shù)，取10%液氨 25 時(shí)，單罐實(shí)際儲(chǔ)存量為73.981T【1】，即三個(gè)罐的總儲(chǔ)存量為221.943T,氨的分子量為 17，燃燒熱18.59 MJ/kg，沸點(diǎn)-33 ，液體比熱容 4.6 kJ/kg·，氣化熱q為 1.37×103 kJ/ kg。(1)氨氣的 TNT 當(dāng)量計(jì)算 WTNT 的計(jì)算WTNT=WQ/ QTNT=0.04×221.943×10³×18.59×106/4.52×106=3.7

18、5;104kg(2) 氨氣爆炸總能量 E 的計(jì)算根據(jù)公式3.15 氨氣爆炸總能量：E=1.8WQ1.8×0.04×221.943×10³×18.59=2.97×105MJ(3)氨氣蒸氣云爆炸沖擊波的損害半徑根據(jù)公式3.16計(jì)算氨氣蒸氣云爆炸沖擊波的損害半徑為：R=C(NE)1/3=0.15×（10%×2.97×1011）1/3=464.53m3.5 事故傷害的計(jì)算3.5.1 火災(zāi)熱輻射傷害計(jì)算 根據(jù)池火災(zāi)模型中的計(jì)算可知，池火災(zāi)表面熱輻射強(qiáng)度為5.25KW/m2，根據(jù)化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則【5】AQ/T 3046-2013 附錄H 表H2 不同熱輻射強(qiáng)度造成的傷害和損壞中可知，當(dāng)熱輻射強(qiáng)度為6.3kw/m3時(shí)，對(duì)人的傷害：在8s內(nèi)裸露皮膚有痛感；無(wú)熱輻射屏蔽設(shè)施時(shí)，操作人員穿上防護(hù)服可停留1min。而對(duì)設(shè)備沒有明顯的影響。3.5.2 毒物泄漏傷害計(jì)算有毒物質(zhì)泄漏后生成有毒蒸氣云，它在空氣中飄移、擴(kuò)散，直接影響現(xiàn)場(chǎng)人員并波及居民區(qū)。毒物對(duì)人員的危害程度取決于毒物的性質(zhì)、濃度和人員與毒物接觸的時(shí)間等因素。毒性暴露下死亡概率值