H2S 制硫酸裝置外部安全防護距離設計

李 冬

（中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 210000）

《危險化學品生產、儲存裝置個人可接受風險標準和社會可接受風險標準》（國家安全生產監督管理總局公告[2014 年]第13 號），外部安全防護距離是指危險化學品生產、儲存裝置危險源在發生火災、爆炸、有毒氣體泄漏時，為避免事故造成防護目標處人員傷亡而設定的安全防護距離。

本文以某酸性氣制硫酸裝置為例，使用PHAST 軟件和LEAK 軟件進行有毒氣體擴散和爆炸計算，結合當地多種氣象，將結果應用于工程設計中，并和《石油化工工廠布置設計規范》（GB 50984-2014）中的建議值進行比對。

1 裝置介紹

1.1 工藝說明

焚燒工段，從上游來的酸性氣（H2S）經管廊送至硫化氫緩沖罐，然后送至硫化氫焚燒爐，經由爐前空氣鼓風機輸送的空氣混合燃燒生成含SO2的爐氣和少量的SO3，爐氣中同時還含有N2以及酸性氣中其它組份燃燒生成的CO2、H2O等，出硫化氫焚燒爐的爐氣經火管式廢熱鍋爐和過熱器回收廢熱，使爐氣溫度降低后進入凈化系統。

凈化工段，對SO2進行凈化；轉化工段，SO2在催化劑作用下轉化為SO3；吸收工段，使用硫酸吸收SO3，生成硫酸。

1.2 選用設備說明

考慮H2S 毒性大于SO2和SO3，同時焚燒工段之后設備為微正壓或者微負壓，泄漏后影響范圍有限，選用酸性氣緩沖罐作為計算示例。見表1。

表1 設備一覽表

1.3 硫化氫濃度說明

在泄漏模擬中，對H2S 的幾個關鍵濃度參考值進行確認和辨識，標識不同濃度的影響范圍：

1） 《工作場所有害因素職業接觸限值第1部分化學有害因素》 （GBZ 2.1-2007），H2S 的MAC 值為10mg/m3。

2）美國應急響應計劃指南（ERPGs）中采用的毒性指標、生命和健康的急性風險（IDLH）指標及急性暴露指導水平值。利用事故后果模擬軟件繪制各評價指標等值線，等值線所示區域內濃度大于該指標濃度[1]。

ERPGs 和IDLH 評價指標體系具體釋義見表2。

表2 H2S 氣體急性中毒風險三大評價指標體系

2 泄漏孔徑確定

1）設備的泄漏點統計如下：

酸性氣緩沖罐共有8 條管線，靠近設備均為手動閥門，其中最大連接管徑DN500。

2）泄漏場景各泄漏孔徑的取值范圍和代表值如表3 所示。

利用LEAK 軟件進行失效頻率分析，法蘭處泄漏頻率見表4。

表3 泄漏孔徑取值

根據《中國石化生產安全風險和隱患排查治理雙重預防機制管理規定》（中國石化安[2018]268號）要求，中孔25mm 泄漏頻率3.71944×10-4，發生的可能性等級為4，即類似的事件在中國石化曾經發生過，因此選取中孔25mm 泄漏作為本次計算要求。

表4 設備泄漏頻率統計（單位：次/年）

3 模擬計算結果

3.1 氣象說明

所在地平均氣溫16.7℃，最高月平均氣溫28.8℃，最低月平均氣溫3.5℃；全年平均風速1.9m/s，最大風速平均值11.9m/s；全年相對平均濕度78%。

3.2 泄漏位置說明

酸性氣緩沖罐頂部管線法蘭泄漏高度6.9m，底部管線法蘭泄漏高度1.9m，分別考慮兩種不同位置泄漏對結果的影響。

3.3 有毒氣體擴散結果

1）平均氣溫16.7℃，平均風速1.9m/s，平均濕度78%，H2S 分別考慮6.59mg/kg、30mg/kg 和100mg/kg 影響范圍，酸性氣緩沖罐頂部管線法蘭6.9m 處高度發生25mm 孔徑泄漏結果見圖1。

圖1 泄漏影響范圍

圖2 泄漏影響側視圖

通過圖1 和圖2 可知，平均氣溫16.7℃，平均風速1.9m/s，平均濕度78%，H2S 分別考慮6.59mg/kg、30mg/kg 和100mg/kg 影響范圍，酸性氣緩沖罐頂部管線法蘭6.9m 處高度發生25mm孔徑泄漏的結果見表5。

酸性氣緩沖罐中心距離東北側消防大隊辦公樓（240 人·h/d）160.8m，距離東南側質檢站（＞300 人·h/d）117.7m。通過表7 看出，酸性氣緩沖罐發生設定條件的泄漏后，消防大隊辦公樓和東南側質檢站將受到H2S 濃度30mg/kg 的影響。

表5 平均氣象下6.9m 處高度發生25mm 孔徑泄漏的結果

2）其他氣象組合計算結果

計算其他氣象條件下的結果見表6。

3.4 爆炸計算結果

酸性氣緩沖罐發生H2S 泄漏后爆炸，采用多能法進行模擬計算，該計算方法不受天氣和泄漏高度影響，不同沖擊波峰值影響范圍見圖3。

由圖5 可知，消防大隊辦公樓在6.9kPa 范圍之外，質檢站在6.9～12kPa 的區域。

由圖4 和圖5 可知，消防大隊辦公樓和質檢站爆炸計算結果見表7。

4 結論

1）根據表6 可知，消防大隊辦公樓和質檢站均受6.59mg/kg 和30mg/kg 的H2S 毒性影響，大部分氣象下，消防大隊辦公樓和質檢站受到100mg/kg 的H2S 毒性影響。

圖3 不同沖擊波峰值影響范圍

圖4 不同距離對應的沖擊波峰值入射超壓最大值

2）結合表6 中擴散結果分析，在氣象相同時，大多數情況下，酸性氣緩沖罐1.9m 高度發生泄漏的影響范圍大于酸性氣緩沖罐6.9m 高度發生泄漏的影響范圍，即泄漏點越靠近地面，影響范圍越大。

3）結合表6 中擴散結果分析，其他泄漏設定條件相同，風速越小，H2S 泄漏影響范圍越大，即風速和H2S 泄漏影響范圍成反比關系；其他泄漏設定條件相同，環境溫度越高，H2S 泄漏影響范圍越大，即環境溫度和H2S 泄漏影響范圍成正比關系。可以推斷出，高溫靜風天氣條件下，H2S 泄漏影響范圍會比較嚴重。

圖5 不同距離對應的正壓作用時間

表7 消防大隊辦公樓和質檢站爆炸計算結果

4）根據表7 可知，質檢站布置在爆炸超壓6.9～12kPa 的區域，建筑應采用單層鋼筋混凝土結構，面向沖擊波方向的墻體應為混凝土實體墻。建筑的門應采用抗爆防護門，外窗應選用抗爆防護窗。

消防大隊辦公樓在6.9kPa 范圍之外，需要按照標準中表7 中沖擊波峰值入射超壓最大值6.20kPa和正壓作用時間47.3ms 進行相關結構設計。

5）根據《石油化工工廠布置設計規范》（GB 50984-2014）條文4.8.2 解釋，H2S 大于3000mg/kg，構成高度危險源，即本裝置酸性氣緩沖罐構成高度危險源；由于H2S 存量小于5噸，不構成重大高毒危險源。其中，消防大隊辦公樓為240 人·h/d，質檢站＞300 人·h/d。酸性氣緩沖罐距離消防大隊辦公樓的建議值100m，距離質檢站的建議值為150m。而根據標準中表7中擴散結果，在溫度16.7℃、風速1m/s 和濕度78%的氣象情況下，酸性氣緩沖罐底部管線法蘭1.9m 高度發生H2S 泄漏后，100mg/kg 影響范圍為312.2m，消防大隊辦公樓和質檢站均受100mg/kg的H2S 毒性影響。即計算值大于《石油化工工廠布置設計規范》（GB 50984-2014）條文4.8.2 解釋建議值，按照計算值進行工程設計。

5 建議措施

1）在進行外部安全防護距離計算時，采用定量風險計算方法，應結合不同泄漏位置，各種氣象組合，找到其中影響范圍最大的計算。

2）使用定量風險計算方法計算外部安全防護距離，在項目進行可行性研究階段，為項目位置的確定提供參考；在基礎設計階段，結合防毒間距和防爆間距，對項目內部人員集中場所位置進行確定；在詳細設計階段，結合防毒間距和抗爆計算結果，可以對人員集中場所進行防毒和抗爆設計。

3）將有毒氣體擴散結果應用于企業應急救援中，根據ERPGs 公布的原則：偵測或評估數值低于毒性化學物質濃度ERPG-1 或未達危害之濃度時，不進行疏散動作；偵測或評估數值介于毒性化學物質濃度ERPG-1 與ERPG-2 間，則發布警戒管制區及就地避難警報；偵測或評估數值超過毒性化學物質濃度ERPG-2，則發布警戒管制區及疏散警報，或做適當的就地避難；偵測或評估數值超過毒性化學物質濃度ERPG-3，則發布疏散。根據《呼吸防護用品的選擇、使用與維護》（GB/T 18664-2002）的有關要求，在IDLH環境中為進入此區域的人員配備合適的防護用品，如全面罩的正壓式攜氣式呼吸防護用品（SCBA）；或在配備適合的輔助逃生型呼吸防護用品的前提下，配全面罩或送氣頭罩的正壓供氣式呼吸防護用品。