煤化工企業甲醇泄漏擴散事故分析

鄧祥國

(中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司, 北京　100083)

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煤化工企業甲醇泄漏擴散事故分析

鄧祥國

(中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司, 北京100083)

針對煤化工企業甲醇罐的泄漏事故進行數值模擬，結果表明：在不考慮揮發的情況下，小孔泄漏將在在泄漏口處產生集中滲漏，從而在防火堤內形成小面積液池，隨著泄漏時間的增加，靠近地面區域的甲醇濃度降低；大面積泄漏時，罐體從泄漏口開始崩壞，形成湍流后進一步發展成液池，泄漏發生2～5 min是應急救援的關鍵時期，超過此時間段，泄漏即進入不受控狀態。

甲醇; 小孔泄漏; 大面積泄漏；應急救援

煤炭作為我國的支柱性能源，在國民經濟中占有舉足輕重的地位，對煤炭的綜合性利用已成為能源布局中重要的一環，煤制油、煤制烯烴、煤制甲醇、煤制氣等煤化工技術的蓬勃發展使我國擁有世界上最大的煤化工產業鏈，取得了巨大的經濟效益和社會效益，但是煤化工產業中伴隨著大量危險化學品的生產、使用及運輸，存在著極大的安全隱患，因此對各項危險化學品泄漏事故機理進行研究，從而為事故預警機制和應急救援體系的建立提供理論支持刻不容緩。

本文結合煤化工企業現場實際，根據不同的泄漏方式，著重研究甲醇儲罐區甲醇泄漏后的擴散規律，為甲醇泄漏事故應急救援決策提供理論依據。

1　甲醇罐泄漏的類型分析

甲醇罐泄漏既有瞬時泄漏，又有連續泄漏[1-3]；泄漏源的幾何形狀極可能是圓形孔，也可能是罐體脆裂形成的不規則裂紋，還可能是物體擊穿容器形成的其他形狀。正確分析泄漏源的特征，據此建立適當的泄漏模型，是進行泄漏擴散分析的前提和基礎。絕大部分泄漏模式主要是容器和設備上的各種管道、接頭、閥門、法蘭、儀表接口等，由于密封不嚴、腐蝕、疲勞裂紋、振動、加工缺陷、物體擊穿、泄壓釋放或者人為失誤、管理不足等原因產生的“跑、冒、滴、漏”，以及局部破裂、全尺寸斷裂等情況[4-5]，在此我們對甲醇罐泄漏模式分小孔液相泄漏和大面積液相泄漏兩種情況進行討論。

2　甲醇罐泄漏數值分析

本文使用流體力學軟件FLUENT進行數值模擬，該數值模擬存在以下幾個假設條件[6]：

(1)假設甲醇的泄漏速度與初始速度一致，不發生變化；

(2)在整個液相擴散過程中，不考慮化學反應的發生；

(3)泄漏環境中空氣質量穩定，風速為水平方向；

(4)在整個液相擴散過程中，甲醇不與外界發生熱量交換。

2.1甲醇罐的小孔液相泄漏分析

當儲罐發生過裝事故時，甲醇將會從罐頂的孔洞發生泄漏，由于煤化工工廠集中在陜北、內蒙一帶，平均氣溫較低，在不考慮氣態揮發的情況下，模擬結果見圖1和圖2。

圖1　甲醇發生小孔泄漏的速度云圖

圖2　甲醇泄漏后濃度分布云圖

如圖1和圖2所示，甲醇罐發生小孔泄漏后，將在在泄漏口處產生集中滲漏，甲醇會以一定的沖力沖刷罐壁，從而在罐壁的接觸邊界形成沉積通道的薄弱環節，使泄漏出來的甲醇沿罐壁發生沉積，并在防火堤內形成小面積液池。隨著泄漏時間的增加，甲醇有更多的時間氣化，同時殘留在罐壁上的甲醇使流動阻力增大[7]，從而導致泄漏速度降低，導致靠近地面區域的甲醇濃度降低。

2.2甲醇的大面積液相泄漏數值模擬

當罐體由于罐體缺陷或機械損壞而發生大面積破裂時，假設氣溫較低，則事故狀態下的泄漏為單相液態泄漏，則模擬結果見圖3～圖5。

圖3　初始時刻甲醇體積分數分布

圖4　2 min時甲醇的體積分數分布圖

圖5　2 min時甲醇的速度矢量圖

罐體破裂2 min后的甲醇體積分數和速度矢量如圖4、圖5所示，在這個階段，罐體前緣甲醇的下部分變形量會很大，部分已經發生滑動破壞，罐體內的壓力達不到平衡。從速度矢量來看，罐體附近呈現出上陡下緩之勢, 此時破裂口不是很大，對于應急搶險工作來說，尚屬于可控范圍之內。

圖6　5 min時甲醇的體積分數分布

圖7　5 min時甲醇的速度矢量圖

如圖6、圖7所示，泄漏發生5 min后，罐體內的甲醇液位出現下降，其力學性質降低，直接會導致罐體前部的水平方向上的位移量較大，而垂直方向上位移變化不大。其部分較大的位移分布在罐體表層,向沖積層底部的變形量逐漸減小。這樣罐體在該狀態下的破壞形式為：泄漏口邊緣會出現塑性流動，從而產生較大的位移,首先滑移，隨后牽引中部堆積體滑動，從而發生局部的牽引式逐級滑動。并在靠近地表方向出現速度的最大值。

圖8　10 min時甲醇的體積分數分布

圖9　10 min時甲醇的速度矢量圖

如圖8、圖9所示，當泄漏發生10 min后，隨著罐內甲醇的穩定性進一步降低，塑性破壞都會沿著剪應變最大的部位—泄漏口發生，即被視為局部化剪切引起的變形破壞[8]，整個罐體出現大面積破裂，此時甲醇的液位劇烈下降，其垂直方向上的重力勢能轉化為水平方向上的動能，并在沿地表的水平方向上出現極大值。

如圖10、圖11所示，隨著變形破壞沿大面積破裂口的發生，整個儲罐完全解體，甲醇所具有的重力勢能，全部轉化為動能，從而在堤內傳播，地表形成液池，垂直方向上的速度矢量完全轉變成水平方向上的速度矢量。

圖10　20 min時甲醇的體積分數分布圖

圖11　20 min時甲醇的速度矢量圖

綜上所述，當未遇點火源時，罐體的破裂并不是瞬時的，而是存在一個短暫的過程，罐體從泄漏口開始崩壞，罐內的液面高度隨之下降，最后成為湍流，進一步形成液池。泄漏形成的液池由于液體的自由擴散特性，不斷向周圍蔓延。如果周圍環境平坦，不存在防液堤，則液池將在地面呈圓形分布，當然液池也不會無限制地蔓延下去。對于不同的地面類型，對應1個最小液層厚度，即對于不同類型的地面，都對應1個最大液池面積。如果泄漏源周圍存在防液堤，則液池在地面的蔓延過程要復雜一些。開始階段，液池如同周圍不存在防液堤一樣以圓形向周圍蔓延；遇到防液堤后，液池停止徑向蔓延，同時其形狀將發生改變；之后，隨著泄漏的不斷進行，液池圍繞儲罐蔓延，直至包圍整個儲罐；隨后液面開始上升。

3　結　論

(1) 當甲醇罐發生小孔泄漏后，將在在泄漏口處產生集中滲漏，從而在防火堤內形成小面積液池，隨著泄漏時間的增加，甲醇有更多的時間氣化，靠近地面區域的甲醇濃度降低。

(2)當甲醇罐發生大面積泄漏時，罐體從泄漏口開始崩壞，成為湍流后進一步形成液池。

(3)對于甲醇罐的大面積泄漏事故而言，泄漏發生2～5 min 的時間段內是應急救援的關鍵時期，超過此時間段，泄漏即進入不受控狀態。

[1]陳增強. 基于模式搜索算法的毒氣泄漏源強反算研究[J]. 中國科技信息, 2009(14):45-46．

[2]羅艾民,賈寶硤,吳昊,等. 工廠三維建模及其事故模擬[J]. 中國安全科學學報, 2010(01):31-35．

[3]朱伯齡,於孝春,李育娟. 氣體泄漏擴散過程及影響因素研究[J]. 石油與天然氣化工, 2009(04):354-358．

[4]陳先斌,費錫仙,楊守生,等. 液化石油氣泄漏事故的數學模擬研究[J]. 消防技術與產品信息, 2003(12):41-44．

[5]吳玉劍,潘旭海. 障礙物地形條件下重氣泄漏擴散實驗的CFD模擬驗證[J]. 中國安全生產科學技術, 2010(03):13-17．

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[7]Joseph C Leung. Size safety relief valves for flashing Liquids[J]. Chemical Engineering Progress, 1992(2):70-75．

[8]Donald M Papa. Clear up pressure relief valve sizing methods[J]. Chemical Engineering Progress, 1991(8):81-83.

Analysis on the Leakage and Diffusion of Methanol in Coal Chemical Industry

DENGXiang-guo

(Beijing Engineering Company, China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Co., Ltd., Beijing 100083, China)

The leakage of methanol tanks in coal chemical industry was simulated. The results showed that ifvolatilization was not considered, concentrated leakage would happen,liquidpool was made up by hole leakage in fire dike,the methanol concentration near the ground area decreased, tank began to collapse and became turbulent further after the formation of liquid pool when large leakage happened, the key period of emergency rescue was when leakage occurred 2 min to 5 min, leakage can not be controlled over this period.

methanol；hole leakage；large leakage；emergency rescue

X93

A

1001-9677(2016)03-0200-03