基于TNT爆炸效應(yīng)的煙氣脫硝裝置危害后果研究

魏培，董國強(qiáng)，尤燕妮，楊淼

（兵器工業(yè)衛(wèi)生研究所，陜西 西安 710065）

基于TNT爆炸效應(yīng)的煙氣脫硝裝置危害后果研究

魏培，董國強(qiáng)，尤燕妮，楊淼

（兵器工業(yè)衛(wèi)生研究所，陜西 西安 710065）

本文通過對(duì)某企業(yè)煙氣脫硝裝置進(jìn)行危險(xiǎn)有害因素辨識(shí)與分析，并對(duì)其中危險(xiǎn)性最大的液化天然氣儲(chǔ)罐進(jìn)行蒸氣云爆炸事故模擬，計(jì)算其發(fā)生爆炸的影響范圍，最終根據(jù)分析和計(jì)算的結(jié)果提出相應(yīng)的預(yù)防措施，對(duì)企業(yè)預(yù)防此類事故的發(fā)生具有重大意義和良好的指導(dǎo)作用。

煙氣脫硝；危險(xiǎn)有害因素；蒸氣云爆炸

近年來，燃煤設(shè)備等排放的氮氧化物、二氧化硫和顆粒物成為誘發(fā)我國大范圍霧霾天氣的重要因素，嚴(yán)重危害身體健康。為控制污染物，改善環(huán)境質(zhì)量，某企業(yè)新建了一套煙氣脫硝系統(tǒng)生產(chǎn)試驗(yàn)裝置，模擬天然氣、煤、柴油等不同燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣，并對(duì)產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行脫硫、脫硝及除重金屬等凈化處理，以達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，可應(yīng)用于電廠、供熱企業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。

1 煙氣脫硝裝置及工作原理

1.1 煙氣脫硝裝置

煙氣脫硫、脫硝及除重金屬一體化裝置主要包括煙氣生成、處理、排放系統(tǒng)及配套的物料處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、試驗(yàn)輔助系統(tǒng)和物料儲(chǔ)罐等。其中物料儲(chǔ)罐區(qū)主要包括：液化天然氣儲(chǔ)罐、柴油儲(chǔ)罐、氨水（10%）儲(chǔ)罐各2個(gè)，容積均為30m3。該系統(tǒng)使用的其他原料：原煤、石灰石粉等。

1.2 煙氣脫硝裝置工作原理

煙氣脫硝、脫硫及除塵試驗(yàn)平臺(tái)主要功能包括含NOX、SO2和煙塵等污染物的煙氣生成系統(tǒng)、煙氣污染物處理試驗(yàn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、分析檢測系統(tǒng)等。工藝流程圖如圖1所示。

2 危險(xiǎn)有害因素辨識(shí)

根據(jù)GB6441《企業(yè)職工傷亡事故分類》和GB/T13861《生產(chǎn)過程危險(xiǎn)和有害因素分類與代碼》的規(guī)定，辨識(shí)與分析煙氣脫硝裝置在生產(chǎn)、試驗(yàn)過程中存在的主要危險(xiǎn)有害因素。

2.1 火災(zāi)、爆炸

圖1 煙氣脫硝裝置工藝流程圖

（1）儲(chǔ)罐區(qū)火災(zāi)、爆炸。物料儲(chǔ)罐區(qū)設(shè)有2個(gè)30m3的液化天然氣儲(chǔ)罐，天然氣（甲類）屬于易燃?xì)怏w。如天然氣儲(chǔ)罐、輸送管線及閥門存在材質(zhì)缺陷，密封不良會(huì)造成天然氣泄漏，泄漏的天然氣局部積聚遇電火花、靜電火花等有引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故的危險(xiǎn)。物料儲(chǔ)罐區(qū)設(shè)有2個(gè)30m3的氨水（10%）儲(chǔ)罐，氨水會(huì)揮發(fā)出少量氨氣，氨氣（乙類）屬于易燃?xì)怏w，若積累到一定程度同樣有發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故的危險(xiǎn)。（2）煙氣脫硫、脫硝試驗(yàn)系統(tǒng)火災(zāi)、爆炸。煙氣生成系統(tǒng)使用天然氣、柴油、氨水等物料，若試驗(yàn)系統(tǒng)閥門存在材質(zhì)缺陷、密封不良，設(shè)備及管線未采取有效的靜電接地措施，泄漏的易燃物質(zhì)遇電火花或意外火源有引發(fā)火災(zāi)、爆炸的危險(xiǎn)。（3）電氣火災(zāi)。用電設(shè)備在使用過程中可能會(huì)因誤操作或者電氣絕緣損壞，保護(hù)接地不良等故障而造成電氣短路，繼而引發(fā)電氣火災(zāi)事故。電氣火災(zāi)事故除可能造成人身傷亡和設(shè)備損壞外，還可能造成大規(guī)模停電，影響生產(chǎn)正常進(jìn)行。

2.2 觸電

煙氣脫硝裝置設(shè)備均為用電設(shè)備，用電設(shè)備不符合安全要求或維修不良導(dǎo)致防觸電裝置失效，如設(shè)備無保護(hù)接地或接地不規(guī)范，接線端子裸露，電氣線路、插頭、插座等老化、絕緣層損壞等原因易造成觸電事故。

2.3 機(jī)械傷害

煙氣發(fā)生、處理系統(tǒng)配套的真空泵、冷水機(jī)泵等的轉(zhuǎn)動(dòng)部位如缺少有效的安全防護(hù)裝置、設(shè)備安裝位置不當(dāng)、人員違章作業(yè)等可能造成人員受到機(jī)械傷害。

2.4 高溫燙傷

NOx燃燒器、煙氣發(fā)生器、煙氣換熱器等均為高溫設(shè)備。如設(shè)備表面保溫、隔熱效果不良，操作人員未正確佩戴防護(hù)用品或無防護(hù)措施，會(huì)造成人員高溫燙傷。

2.5 中毒

氨水易揮發(fā)形成氨氣。在使用、儲(chǔ)存過程中不慎泄漏，若作業(yè)人員未佩戴勞動(dòng)防護(hù)用品會(huì)因接觸或吸入有害物質(zhì)而造成中毒傷害。另外，煙氣生成、處理及排放系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生含SO2、NOx等有害煙氣，長期接觸有產(chǎn)生中毒危害的可能。

2.7 粉塵

生產(chǎn)場所涉及煤粉、石灰石粉等，如生產(chǎn)場所通風(fēng)條件不良或作業(yè)人員未按要求佩戴防塵口罩，長期暴露在粉塵作業(yè)環(huán)境內(nèi)會(huì)造成粉塵危害。

3 液化天然氣儲(chǔ)罐爆炸事故模擬

根據(jù)上節(jié)危險(xiǎn)有害因素辨識(shí)結(jié)果以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，煙氣脫硝裝置儲(chǔ)罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故的危險(xiǎn)性最大，若發(fā)生事故將造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失等嚴(yán)重后果。因此，本節(jié)通過采用蒸氣云模型對(duì)液化天然氣儲(chǔ)罐火災(zāi)、爆炸事故做進(jìn)一步分析，確定其破壞范圍。

天然氣為甲類物質(zhì)（爆炸極限5%～15%），液化天然氣儲(chǔ)罐一旦發(fā)生泄漏，會(huì)迅速氣化，瞬間產(chǎn)生大量蒸氣，形成蒸氣云，遇點(diǎn)火源將發(fā)生蒸氣云爆炸事故。其爆炸沖擊波、熱輻射等會(huì)造成人員傷亡、設(shè)備損壞等嚴(yán)重后果。

本文假定單儲(chǔ)罐液化天然氣全部泄爆，儲(chǔ)罐液化天然氣最大儲(chǔ)量為30m3。把蒸氣云爆炸的破壞作用轉(zhuǎn)化成TNT爆炸的破壞作用，即參與爆炸的可燃?xì)怏w釋放的能量折合為能釋放相同能量的TNT炸藥的量，由此就可利用有關(guān)TNT爆炸效應(yīng)來預(yù)測蒸氣云爆炸效應(yīng)。

TNT當(dāng)量轉(zhuǎn)換公式：WTNT=αAWfQf/QTNT

WTNT——蒸氣云的TNT當(dāng)量，kg；

α——地面爆炸系數(shù)，取α=1.8；

A——蒸氣云TNT當(dāng)量系數(shù)，取A=4%；

Wf——蒸氣云中燃料的總質(zhì)量，kg；

Qf——物質(zhì)燃燒熱，MJ/kg；天然氣的一般燃燒熱為37MJ/kg；

QTNT——TNT的爆炸熱，取=4.52MJ/kg。

其中，液化天然氣的密度為450kg/m3，充裝系數(shù)為0.9，經(jīng)計(jì)算：

Wf=0.9×30m3×450kg/m3=12.15×103kg，

因此：WTNT=0.18×0.04×12.15×103×37/4.52= 7161kg。

蒸氣云爆炸模型：

死亡半徑R1=13.6（WTNT/1000）0.37=28.2m

重傷區(qū)半徑R2=27.5（WTNT/1000）1/3=53m

財(cái)產(chǎn)損失半徑R3==104.5m

以上計(jì)算過程僅考慮單個(gè)液化天然氣儲(chǔ)罐全部泄漏發(fā)生蒸氣云爆炸的后果進(jìn)行模擬。

根據(jù)國內(nèi)外儲(chǔ)罐區(qū)發(fā)生蒸氣云爆炸的事故分析，造成事故的原因主要有：儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)不合理、儲(chǔ)罐泄漏（破裂、腐蝕等）、閥門泄漏、管線損壞、破裂、未安裝氣體檢測報(bào)警裝置或失效等。企業(yè)應(yīng)對(duì)此設(shè)法進(jìn)行預(yù)防，防止爆炸事故的發(fā)生。

4 結(jié)論及預(yù)防措施

4.1 結(jié)論

本文對(duì)某研究所煙氣脫硝系統(tǒng)在建成后存在的危險(xiǎn)有害因素進(jìn)行了詳細(xì)的辨識(shí)與分析，為企業(yè)預(yù)防事故的發(fā)生起到了一定的指導(dǎo)作用。該系統(tǒng)在生產(chǎn)、試驗(yàn)過程中主要存在火災(zāi)、爆炸、觸電、機(jī)械傷害、高溫燙傷、化學(xué)灼傷、中毒、噪聲、粉塵等危險(xiǎn)有害因素。其中，火災(zāi)、爆炸事故危害后果嚴(yán)重，企業(yè)應(yīng)重點(diǎn)防范。

通過蒸氣云模型對(duì)天然氣儲(chǔ)罐爆炸事故進(jìn)行了爆炸后果危害模擬，并計(jì)算出發(fā)生蒸氣云爆炸后所造成的人員死亡、重傷及財(cái)產(chǎn)損失的半徑。

4.2 預(yù)防措施

（1）儲(chǔ)罐區(qū)應(yīng)與周圍建筑物、裝置及明火地點(diǎn)留有足夠的安全距離。（2）儲(chǔ)罐組周圍應(yīng)設(shè)有防火堤，不同類型儲(chǔ)罐之間應(yīng)設(shè)有防火隔堤。防火堤應(yīng)采用不燃燒材料建造，且必須密實(shí)、閉合、不泄漏。（3）儲(chǔ)罐應(yīng)根據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的種類進(jìn)行設(shè)計(jì)，儲(chǔ)罐、閥門、管道等設(shè)施應(yīng)定期進(jìn)行檢查，確保不存在腐蝕、裂縫等導(dǎo)致介質(zhì)泄漏的情況。（4）有可能發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏的區(qū)域內(nèi)應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w檢測報(bào)警裝置和防爆機(jī)械通風(fēng)設(shè)施并進(jìn)行聯(lián)鎖，將氣體濃度設(shè)定在爆炸下限的25%以下。（5）有火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)的儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)有防雷和防靜電接地措施等。

[1]GB6441-1986.企業(yè)職工傷亡事故分類.

[2]趙耀江.安全評(píng)價(jià)理論與方法[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

[4]郭曉曉.TNT模型對(duì)LNG儲(chǔ)罐蒸氣云爆炸模擬分析[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2013.

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