干式高爐煤氣柜火災、爆炸及中毒危害事故后果模擬分析

范玉佼

（北京國石安康安全評價有限公司，北京 100101)

干式高爐煤氣柜火災、爆炸及中毒危害事故后果模擬分析

范玉佼

（北京國石安康安全評價有限公司，北京 100101)

高爐煤氣具有毒性、燃燒、爆炸等特性，是煤氣站煤氣貯存潛在的主要危險源。采用事故后果定量模擬計算的方法，通過對高爐煤氣柜煤氣泄漏引發煤氣中毒、火災爆炸后果的分析，為企業事故預防工作提供理論依據。

高爐煤氣柜；泄漏；事故模擬；后果分析

目前國產新型干式高爐煤氣柜已經具備技術穩定性強、儲氣壓力高、操作穩定性強、制造和安裝工藝成熟的特點，在國內鋼鐵冶金行業均有應用，比如韶鋼、水鋼、武鋼、鞍鋼、湛鋼等企業。

高爐煤氣因泄漏造成中毒、火災、爆炸等危害事故是煤氣柜站內系統區域存在的主要危險有害因素。高爐煤氣為煉鐵過程中產生的副產品，主要成分為CO、CO2、N2、H2，其中CO含量約23.28%，是主要可燃成分，還含有少量的H2、CH4，也是主要危險源。高爐煤氣爆炸極限一般在4.2%～12.5%，煤氣柜儲存區等由于設備、管道、閥門等損壞、或密封不嚴密，或有毒氣體報警裝置失效，或人員操作不當、管理不善等引起煤氣泄漏，就可發生中毒事故；當空氣中煤氣濃度達到爆炸極限時遇點火源（明火、火花等）就會發生火災、爆炸事故，一旦發生，火勢得不到有效控制，極有可能引發站區內相鄰煤氣柜受熱起火，發生事故多米諾現象。

本文選取廣東省某鋼鐵企業近期新增上的一臺2號高爐煤氣柜（為廠內氣柜編號）為研究對象，基于安全事故考慮，對該氣柜可能發生的火災、爆炸及中毒危害事故后果進行了模擬分析。

1 干式高爐煤氣柜情況介紹

本文2號高爐煤氣柜主要技術參數：公稱容積30×104m3，圓筒形，直徑D=64.8m，儲氣壓力9±0.2kPa，煤氣溫度≯65℃；儲存煤氣成分（體積比）：23.28%CO、25.05%CO2、5.35%H2、46.3%N2、0.02%CH4；煤氣計算低熱值：（3 260±5%kJ/m3，含塵量：≤10mg/m3。

2 煤氣中毒危害后果分析

高爐煤氣中毒危害主要是由煤氣泄漏引起的CO中毒，所以選用毒物泄漏擴散及傷害模型對煤氣泄漏造成的CO中毒后果進行評價。

2.1 氣體泄漏量計算

發生泄漏的設備裂口按規則的裂口形狀考慮，不規則的裂口以等效的尺寸折合。假設氣體符合理想氣體狀態方程，從裂口泄漏過程視為絕熱過程，首先根據氣體的泄漏速度判定其泄漏時流動狀態，是屬于音速還是亞音速流動，前者稱為臨界流，后者稱為次臨界流。

當式（1）成立時，氣體流動屬音速流動：

當式（2）成立時，氣體流動屬亞音速流動：

式中p為容器內介質壓力，Pa；

p0為環境壓力，Pa；

k為氣體的絕熱指數，即比定壓熱容Cp與比定容熱容Cv之比。

氣體呈音速流動時，其泄漏量為：

氣體呈亞音速流動時，其泄漏量為：

式中Cd為氣體泄漏系數，當裂口形狀為圓形時取1.00，三角形時取0.95，長方形時取0.90；

Y為氣體膨脹因子，它由下式計算：

式中M為分子量；

R為氣體常數，J/（mol·K）；

T為氣體溫度，K。

2.2 氣柜破裂時的毒害區估算

泄漏物料雖然特性不一，但大多數物質從容器中泄漏出來后，都可發展成彌散的氣團向周圍空間擴散，故建立半球形向外擴散模型；若已知混合氣體中某種有毒物質的危險濃度，便可求出混合氣體中該種有毒氣體的體積。假設有毒氣體以半球形向地面擴散，則該有毒氣體擴散半徑為：

式中R為有毒氣體的半徑，m；

V為有毒介質的體積，m3；V=m/C。

2.3 CO泄漏量計算過程

高爐煤氣主要因含有CO而具備毒性。根據煤氣柜儲氣情況，取煤氣的k=1.3，M=30.61g/mol，R=8.314J/（mol·K），T=338K，該煤氣柜的壓力p=110 000Pa，p0=101 000Pa，根據公式（1）、（2）可知，該p0/p=0.92，故該氣柜的泄漏氣體流動屬亞音速流動，事故模擬考慮泄漏裂口形狀為圓形，裂口面積取A=0.02m2，根據公式（4），則：

取1min、5min、10min、30min及60min的泄漏時間，分別算出泄漏煤氣中CO的質量，見下表。

表1 不同時間煤氣中CO的泄漏量

2.4 泄漏毒害半徑計算

我國車間空氣中CO的最高容許濃度為30mg/m3。據已有資料證明，CO濃度達292.5mg/m3時，可使人產生嚴重的頭痛、眩暈等癥狀，COHb可增高至25%；CO濃度達1 170mg/m3時，吸入超過60min可使人發生昏迷，COHb可增高至60%；CO濃度達11 700mg/m3時，數分鐘內可使人致死，COHb可增高至90%。假定在無風、無上下氣流的氣象條件下，根據公式（6）分別計算CO濃度為30mg/m3、292.5mg/m3、1 170mg/m3、11 700mg/m3時有毒空氣在1min、5min、10min、30min及60min的擴散半徑，見下表。

表2 有毒氣體泄漏半徑（m）

3 煤氣泄漏爆炸后果分析

根據荷蘭應用研究院TNO（1979）建議，按照下式預測蒸氣云爆炸的沖擊波的損害半徑：

式中R為損害半徑，m；

E為爆炸能量，kJ，E=V0·HC；

V0為參與反應的可燃氣體的體積，m3；

HC為可燃氣體的高燃燒熱值，kJ/m3；

N為效率因子；

CS為經驗常數，取決于損害等級。

按照上述煤氣泄漏中毒模型計算泄漏5min的煤氣量為675kg，取高爐煤氣的濃度C0=1.37kg/m3，其體積為V0=675/1.37=492.70m3，則爆炸能量E=3 260×492.70=1 606 202kJ。

代入公式（7）計算，則高爐煤氣泄漏形成蒸氣云爆炸的沖擊波的損害半徑見下表。

表3 損害等級及損害半徑（m）

4 結論

本文采用事故后果定量模擬計算的方法，計算出企業新增2號高爐煤氣柜發生煤氣泄漏事故后，可能引發的不同時間下發生煤氣中毒事故的半徑范圍，以及遇點火源，發生火災爆炸后果的不同損害等級下的覆蓋半徑范圍，可為企業事故預防工作提供一定的理論依據。

[1] 國家安全生產監督管理局.安全評價（上冊）[M].北京：煤炭工業出版社，2005.

[2] 王宇新，黃斌.干式煤氣柜泄漏及中毒事故預測后果分析[J].湖南有色金屬，2008，（24）：32-36.

Simulation Analysis on the Consequences of Fire，Explosion and Poisoning Accident of Dry Blast Furnace Gas

Fan Yu-jiao

Blast furnace gas has the characteristics of poisoning，burning and explosion，which is the main dangerous source of gas storage in gas station.In this paper，the method of quantitative simulation of accident consequences is used to analyze the consequences of gas poisoning and fire explosion caused by gas leakage from blast furnace gas tank，which provides the theoretical basis for enterprise accident prevention.

blast furnace gas tank；leakage；accident simulation；consequence analysis

TQ548

A

1003–6490（2017）11–0189–02

2017–09–10

范玉佼（1986—），女，河南漯河人，主要研究方向為化學工業安全生產管理與防護。