基于TNT爆炸效應的煙氣脫硝裝置危害后果研究

魏培，董國強，尤燕妮，楊淼

（兵器工業衛生研究所，陜西 西安 710065）

基于TNT爆炸效應的煙氣脫硝裝置危害后果研究

魏培，董國強，尤燕妮，楊淼

（兵器工業衛生研究所，陜西 西安 710065）

本文通過對某企業煙氣脫硝裝置進行危險有害因素辨識與分析，并對其中危險性最大的液化天然氣儲罐進行蒸氣云爆炸事故模擬，計算其發生爆炸的影響范圍，最終根據分析和計算的結果提出相應的預防措施，對企業預防此類事故的發生具有重大意義和良好的指導作用。

煙氣脫硝；危險有害因素；蒸氣云爆炸

近年來，燃煤設備等排放的氮氧化物、二氧化硫和顆粒物成為誘發我國大范圍霧霾天氣的重要因素，嚴重危害身體健康。為控制污染物，改善環境質量，某企業新建了一套煙氣脫硝系統生產試驗裝置，模擬天然氣、煤、柴油等不同燃料燃燒產生的煙氣，并對產生的煙氣進行脫硫、脫硝及除重金屬等凈化處理，以達到國家規定的排放標準，可應用于電廠、供熱企業等各個領域。

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、排放系統及配套的物料處理系統、控制系統、試驗輔助系統和物料儲罐等。其中物料儲罐區主要包括：液化天然氣儲罐、柴油儲罐、氨水（10%）儲罐各2個，容積均為30m3。該系統使用的其他原料：原煤、石灰石粉等。

1.2 煙氣脫硝裝置工作原理

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

2 危險有害因素辨識

根據GB6441《企業職工傷亡事故分類》和GB/T13861《生產過程危險和有害因素分類與代碼》的規定，辨識與分析煙氣脫硝裝置在生產、試驗過程中存在的主要危險有害因素。

2.1 火災、爆炸

圖1 煙氣脫硝裝置工藝流程圖

（1）儲罐區火災、爆炸。物料儲罐區設有2個30m3的液化天然氣儲罐，天然氣（甲類）屬于易燃氣體。如天然氣儲罐、輸送管線及閥門存在材質缺陷，密封不良會造成天然氣泄漏，泄漏的天然氣局部積聚遇電火花、靜電火花等有引發火災、爆炸事故的危險。物料儲罐區設有2個30m3的氨水（10%）儲罐，氨水會揮發出少量氨氣，氨氣（乙類）屬于易燃氣體，若積累到一定程度同樣有發生火災、爆炸事故的危險。（2）煙氣脫硫、脫硝試驗系統火災、爆炸。煙氣生成系統使用天然氣、柴油、氨水等物料，若試驗系統閥門存在材質缺陷、密封不良，設備及管線未采取有效的靜電接地措施，泄漏的易燃物質遇電火花或意外火源有引發火災、爆炸的危險。（3）電氣火災。用電設備在使用過程中可能會因誤操作或者電氣絕緣損壞，保護接地不良等故障而造成電氣短路，繼而引發電氣火災事故。電氣火災事故除可能造成人身傷亡和設備損壞外，還可能造成大規模停電，影響生產正常進行。

2.2 觸電

煙氣脫硝裝置設備均為用電設備，用電設備不符合安全要求或維修不良導致防觸電裝置失效，如設備無保護接地或接地不規范，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 機械傷害

煙氣發生、處理系統配套的真空泵、冷水機泵等的轉動部位如缺少有效的安全防護裝置、設備安裝位置不當、人員違章作業等可能造成人員受到機械傷害。

2.4 高溫燙傷

NOx燃燒器、煙氣發生器、煙氣換熱器等均為高溫設備。如設備表面保溫、隔熱效果不良，操作人員未正確佩戴防護用品或無防護措施，會造成人員高溫燙傷。

2.5 中毒

氨水易揮發形成氨氣。在使用、儲存過程中不慎泄漏，若作業人員未佩戴勞動防護用品會因接觸或吸入有害物質而造成中毒傷害。另外，煙氣生成、處理及排放系統在運行過程中會產生含SO2、NOx等有害煙氣，長期接觸有產生中毒危害的可能。

2.7 粉塵

生產場所涉及煤粉、石灰石粉等，如生產場所通風條件不良或作業人員未按要求佩戴防塵口罩，長期暴露在粉塵作業環境內會造成粉塵危害。

3 液化天然氣儲罐爆炸事故模擬

根據上節危險有害因素辨識結果以及實際經驗可知，煙氣脫硝裝置儲罐區發生火災、爆炸事故的危險性最大，若發生事故將造成人員傷亡、財產損失等嚴重后果。因此，本節通過采用蒸氣云模型對液化天然氣儲罐火災、爆炸事故做進一步分析，確定其破壞范圍。

天然氣為甲類物質（爆炸極限5%～15%），液化天然氣儲罐一旦發生泄漏，會迅速氣化，瞬間產生大量蒸氣，形成蒸氣云，遇點火源將發生蒸氣云爆炸事故。其爆炸沖擊波、熱輻射等會造成人員傷亡、設備損壞等嚴重后果。

本文假定單儲罐液化天然氣全部泄爆，儲罐液化天然氣最大儲量為30m3。把蒸氣云爆炸的破壞作用轉化成TNT爆炸的破壞作用，即參與爆炸的可燃氣體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TNT爆炸效應來預測蒸氣云爆炸效應。

TNT當量轉換公式：WTNT=αAWfQf/QTNT

WTNT——蒸氣云的TNT當量，kg；

α——地面爆炸系數，取α=1.8；

A——蒸氣云TNT當量系數，取A=4%；

Wf——蒸氣云中燃料的總質量，kg；

Qf——物質燃燒熱，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，充裝系數為0.9，經計算：

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

重傷區半徑R2=27.5（WTNT/1000）1/3=53m

財產損失半徑R3==104.5m

以上計算過程僅考慮單個液化天然氣儲罐全部泄漏發生蒸氣云爆炸的后果進行模擬。

根據國內外儲罐區發生蒸氣云爆炸的事故分析，造成事故的原因主要有：儲罐設計不合理、儲罐泄漏（破裂、腐蝕等）、閥門泄漏、管線損壞、破裂、未安裝氣體檢測報警裝置或失效等。企業應對此設法進行預防，防止爆炸事故的發生。

4 結論及預防措施

4.1 結論

本文對某研究所煙氣脫硝系統在建成后存在的危險有害因素進行了詳細的辨識與分析，為企業預防事故的發生起到了一定的指導作用。該系統在生產、試驗過程中主要存在火災、爆炸、觸電、機械傷害、高溫燙傷、化學灼傷、中毒、噪聲、粉塵等危險有害因素。其中，火災、爆炸事故危害后果嚴重，企業應重點防范。

通過蒸氣云模型對天然氣儲罐爆炸事故進行了爆炸后果危害模擬，并計算出發生蒸氣云爆炸后所造成的人員死亡、重傷及財產損失的半徑。

4.2 預防措施

（1）儲罐區應與周圍建筑物、裝置及明火地點留有足夠的安全距離。（2）儲罐組周圍應設有防火堤，不同類型儲罐之間應設有防火隔堤。防火堤應采用不燃燒材料建造，且必須密實、閉合、不泄漏。（3）儲罐應根據存儲介質的種類進行設計，儲罐、閥門、管道等設施應定期進行檢查，確保不存在腐蝕、裂縫等導致介質泄漏的情況。（4）有可能發生可燃氣體泄漏的區域內應設置可燃氣體檢測報警裝置和防爆機械通風設施并進行聯鎖，將氣體濃度設定在爆炸下限的25%以下。（5）有火災爆炸危險的儲罐應設有防雷和防靜電接地措施等。

[1]GB6441-1986.企業職工傷亡事故分類.

[2]趙耀江.安全評價理論與方法[M].北京：煤炭工業出版社，2008.

[4]郭曉曉.TNT模型對LNG儲罐蒸氣云爆炸模擬分析[J].重慶科技學院學報，2013.

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1671-0711（2017）04（下）-0073-02