氯氣泄漏擴散風險分析

周德紅,王六九

(1.武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北 武漢 430074；2.銅陵市郊區八一學校，安徽 銅陵 244000)

0 引 言

氯氣是我國化學事故發生率最多的危險化學品之一，氯氣泄漏事故往往會導致眾多人員中毒或死亡，不僅給公眾的生命健康和環境造成非常嚴重的影響，給人民的生命財產造成了損失，而且也為搶險救援工作帶來極大的困難.其重要原因之一就是人們對氯氣泄漏擴散規律不甚了解，尤其是氯氣泄漏擴散后中毒傷害范圍的變化，安全警戒疏散距離的確定等信息不能及時獲得，從而延誤了中毒區域內人員的最佳救援時機.本文對氯氣泄漏擴散規律進行風險分析，選用高斯模型，根據Matlab編程對氯氣泄漏擴散進行數值模擬，估算出泄漏氣體擴散濃度的分布及危害范圍，從而為現場警戒、人員緊急疏散以及采取必要的補救措施提供科學的依據，將有助于指導企業在發生氯氣泄漏事故后，及時了解氯氣泄漏的擴散范圍和濃度分布，指導遇險人員正確逃生，避免因吸入氯氣而中毒或窒息，達到“本質安全化”，保證企業的安全生產.

1 氯氣的危害

氯氣在室溫下為黃綠色氣體,屬于2.3類有毒氣體，其理化性質見表1[1].由于氯氣的物質特性，氯氣的危害主要表現為毒性危害、腐蝕性危害、燃爆性危害和環境危害.氯氣易造成人員中毒，具有強刺激性.吸入5～10 min氯氣的致死濃度為0.09%，吸入0.5～1 h致死的氯氣濃度為0.003 5%～0.005%，吸入0.5～1 h致重病的氯氣濃度為0.001 4%～0.002 1%[2-3].

表1 氯氣的理化性質

2 氯氣泄漏風險分析模型

2.1 氯氣泄漏原因分析

根據對氯氣發生的事故統計，一般情況下，以泄漏型事故較為常見，泄漏事故主要有以下四種類型[4]：設計失誤、設備原因、安全管理原因和人為失誤.

2.2 風險預測模型的選擇

本文選擇高斯模型對氯氣泄漏進行模擬分析，高斯模型對氣體泄漏計算具有一定的普遍性和通用性.高斯模型計算公式見公式(1)[5].

(1)

式(1)中：C(x,y,z)—氣體泄漏在空間任意一點的濃度，mg/m3；

Q—單位時間排放量，mg/s；

y—泄漏點的垂直距離，m；

z—泄漏點的鉛直距離，m；

u—平均風速，m/s；

σy、σz—橫向和鉛直向的擴散參數，m；

H—泄漏點高度，m.

2.3 基于Matlab模擬氯氣泄漏擴散流程

本文將通過Matlab編程對于氯氣泄漏擴散進行數值模擬[6].根據氯氣理化特性、泄漏方式、環境參數及擴散參數，對氯氣泄漏過程進行可視化模擬，模擬流程見圖1.

圖1 基于Matlab模擬氯氣泄漏擴散流程圖

3 實例—氯氣儲罐泄漏風險分析

本文以氯氣儲罐為例，假設風速方向為x軸方向，則擴散符合高斯模式.設該儲罐最大可儲存液氯40 t，儲罐尺寸為直徑3.0 m，高度為6 m，首先計算泄漏速率.假定液氯儲罐距離地面高3.0 m處發生泄漏，氯氣在儲罐中是液態形式存在，預測液氯泄漏可能的影響范圍，泄漏速率采用公式(1)，參數的設定和計算結果見表2.

表2 設定事故條件下液氯泄漏速率計算表

3.1 氯氣泄漏風險分析與模擬準備

根據高斯模式，使用Matlab編寫程序模擬氯氣泄漏擴散情況，預測氯氣泄漏風險.

3.2 氯氣泄漏擴散風險影響分析

根據Matlab編寫程序計算氯氣泄漏后分別在A、C、D、F大氣穩定度下濃度變化情況見圖2～9(模擬平均風速為2 m/s未列出B和E大氣穩定度下濃度變化圖，因其變化不明顯).

圖2 大氣穩定度為A、風速2 m/s時氯氣泄漏濃度沿風速方向變化曲線圖(y=0)

圖3 大氣穩定度為C、風速2 m/s時氯氣泄漏濃度沿風速方向變化曲線圖(y=0)

圖4 大氣穩定度為D、風速2 m/s時氯氣泄漏濃度沿風速方向變化曲線圖(y=0)

圖5 大氣穩定度為F、風速2 m/s時氯氣泄漏濃度沿風速方向變化曲線圖(y=0)

圖6 大氣穩定度為A、風速2 m/s時氯氣泄漏擴散模擬圖(z=0)

圖7 大氣穩定度為C、風速2 m/s時氯氣泄漏擴散模擬圖(z=0)

圖8 大氣穩定度為D、風速2 m/s時氯氣泄漏擴散模擬圖(z=0)

圖9 大氣穩定度為F、風速2 m/s時氯氣泄漏擴散模擬圖(z=0)

3.3 氯氣泄漏擴散風險模擬結果

從風險分析結果可以看出，在大氣穩定度為A時，濃度最高值約為170 g/m3,出現在25 m處；在大氣穩定度為C時，濃度最高值約為44 g/m3,出現在60 m處；在大氣穩定度為D時，濃度最高值約為28 g/m3，出現在90 m處；在大氣穩定度為F時，濃度最高值約為10 g/m3.出現在130 m處.氯氣泄漏后，出現濃度最高點的距離隨大氣穩定度A至F呈現減小趨勢，氯氣泄漏影響區域范圍隨大氣穩定度A到F的變化而增大.

4 結 語

氯氣屬于劇毒品，一旦發生泄漏將產生重大惡性事故.本文通過對氯氣泄漏擴散規律進行風險分析，選用高斯擴散模型，通過Matlab進行數值模擬.風險分析結論如下：

a.能夠更好地了解氯氣泄漏后的濃度分布及泄漏擴散后濃度隨距離的變化規律；

b.風險分析結果可以確定人員疏散的安全警戒距離、人員中毒及傷害范圍；

c.可以模擬出不同大氣穩定度下氯氣泄漏擴散的濃度變化規律.

參考文獻：

[1] 《新編危險物品安全手冊》編委會.新編危險物品安全手冊[M].北京：化學工業出版社.

[2] 劉崇芝，李春孝.淺談氯氣泄漏事故的特性及處置方法[J].山東消防，1997(12)：41-42.

[3] 周德紅，張艷芳，王紅漢.氯氣泄漏擴散半徑估算與應急處置[J].工業安全與環保，2006,32(8)：4-6.

[4] 王凱全，邵輝.事故理論與分析技術[M].北京:化學工業出版社，2004.

[5] 郭廷忠.環境影響評價學[M].北京：科學出版社，2007.

[6] 種秀華.基于MATLAB氣體擴散的高斯煙羽模型界面化數值模擬[J].科學進步與對策，2007(10)：244-246.