高爐煤氣柜泄漏及爆炸事故后果分析

姜彩鳳

摘 要：大型干式煤氣柜儲存量大，儲存介質易燃易爆有毒，如果發生泄漏，就容易引起嚴重的爆炸事故。本文運用有毒物質泄漏擴散事故后果模擬分析，對高爐煤氣柜泄漏及爆炸的影響范圍進行定量描述，為企業的事故預防工作提供依據。

關鍵詞：煤氣;泄漏;爆炸;后果分析

中圖分類號：X938文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）05-0012-04

Abstract： Large dry gas tanks have large storage capacity， and the storage medium is flammable， explosive and toxic. Once a leak occurs， it is likely to cause a serious explosion accident. This paper used a simulation analysis of the consequences of a toxic substance leakage and diffusion accident to quantitatively describe the scope of the blast furnace gas tank leakage and explosion， and provided a basis for the accident prevention work of enterprises.

Keywords： gas;leakage;explosion;consequence analysis

大型干式煤氣柜擁有很大的儲存量，儲存介質易燃易爆有毒，一旦發生泄漏，易引起爆炸事故，后果十分嚴重[1]。另外，周邊居民生活區、敏感點較多，情況復雜。因此，對煤氣柜進行泄漏及爆炸危險性分析，具有十分重要的意義。

1 高爐煤氣柜主要技術參數

高爐煤氣柜主要技術參數如表1所示。

2 高爐煤氣柜泄漏及爆炸事故后果分析

2.1 高爐煤氣柜煤氣泄漏擴散模型

高爐煤氣柜煤氣的平均摩爾質量[M]=30.6 g/mol，與空氣接近，可選用高斯煙羽模型。

高斯煙羽擴散模型是用來描述連續泄漏到大氣中的污染物沿下風向擴散濃度分布最廣泛的模型之一。有毒氣體發生長時間泄漏（持續泄漏時間超過10 min），其泄漏源可認為是連續均勻的，有毒氣體在[y]、[z]軸上的分布符合高斯分布（正態分布），在當地風速、地面粗糙度的影響下，泄漏的有毒氣體擴散模式可以認為遵循“地面連續點源擴散模式”，其擴散模式符合高斯煙羽擴散數學模型[2-3]。Pasquill-Gifford模型擴散方程為：

假設氣體在擴散過程中不發生沉降、相變和化學反應，氣體擴散行程中無障礙物。由于管道破裂而發生泄漏時，其可視為地面點源泄漏。以泄漏點為原點，風向順著軸正方向，泄漏高度[H]=0，其連續穩態煙羽濃度分布公式可簡化為式（2）。

依據《化工企業定量風險評價導則》（AQ/T 3046—2013），當大氣穩定度為[F]時，查表可得：

2.2 泄漏危險性分析

2.2.1 源項計算及場景選擇。煤氣泄漏過程中，假設泄漏氣體為理想氣體，泄漏過程為絕熱過程，泄漏孔面積不隨時間發生變化，氣體泄漏速率恒定，泄漏看作是地面泄漏。結合當地亞熱帶氣候的特點，選取風速1.5 m/s、溫度300 K、大氣穩定等級F。場景選擇如表2所示。

2.2.2 泄漏速率（源強）計算。煤氣柜連續泄漏可視為連續點源泄漏，連續點源泄漏可通過小孔泄漏模型進行計算。氣體流動屬音速流動，滿足以下條件：

音速流動的氣體泄漏質量流率為：

計算參數取值如表3所示。

20萬m3高爐煤氣柜，當泄漏面積[A]=10 mm2時，根據式（6）計算，10 mm2的泄漏速率[Q10mm]為：

20萬m3 高爐煤氣柜，當泄漏面積[A]=100 mm2時，根據式（6）計算，100 mm2的泄漏速率[Q100mm]為：

2.2.3 泄漏爆炸危險區域計算。高爐煤氣的爆炸下限為30.8%，泄漏的煤氣體積比達到爆炸下限時，單位體積空氣中煤氣質量如式（9）所示。

設式（1）中[y]=0，[z]=0，則氣體擴散至[x]處時，[C（x，0，0）]=0.382 9 kg/m3，將其代入式（1），得出式（10）。

則有[σyσx=Q/（0.382 9πu）=0.554 2 Q]。

2.2.3.1 高爐煤氣柜。當泄漏面積[A]=10 mm2時，[Q10 mm]=0.075 8 kg/s，則有：

由式（11）可得，[x]≈2.18 m，以轉爐煤氣柜泄漏點為中心，沿順風向，距離泄漏點2.2 m范圍內煤氣具有潛在爆炸危險。

2.2.3.2 高爐煤氣柜。當泄漏面積[A]=100 mm2時，[Q100 mm]=0.757 7 kg/s，則有：

由式（12）可得，[x]≈6.91 m，以轉爐煤氣柜泄漏點為中心，沿順風向，距離泄漏點7 m范圍內煤氣具有爆炸危險。

2.2.4 泄漏毒性范圍計算。煤氣的毒性是其主要危險性之一，空氣中CO濃度與人體癥狀關系如表4所示。

表4數據來源《危險化學品安全技術全書》（化學化工出版社）。

空氣中的CO濃度低于30 mg/m3為安全標準。當空氣中CO濃度為30～400 mg/m3時，人們會出現輕度中毒癥狀;當空氣中的CO濃度為400～1 000 mg/m3時，人們會出現中度中毒癥狀;當空氣中的CO濃度為1 000～2 069 mg/m3時，人們會出現重度中毒癥狀;如果濃度高于2 609 mg/m3，人們會中毒而致死。

煤氣中主要有毒物質是CO，確定CO的安全風險閾值，理論上應根據煤氣中CO的體積組分換算成為高爐煤氣的安全風險閾值。高爐煤氣不僅含有CO，還含有大量N2，后者占總體積的58.1%，N2雖然無毒無味，但也會造成窒息，因此，本文將CO的安全閾值當作高爐煤氣的安全閾值。詳情如表5所示。

將高爐煤氣的源強、泄漏時間、安全閾值等參數代入式（1）中，利用Matlab軟件的計算與繪圖功能，對20萬m3高爐煤氣柜毒氣泄漏進行模擬。

當源強[Q]=0.075 8kg/s，泄漏面積[A]=10 mm2時，設源架高[He]=5m，則高爐煤氣下風向擴散濃度圖如圖1所示。

通過圖1看到，高爐煤氣從高架源點泄漏時，在下風向45 m處達到最大濃度336.07 mg/m3后，濃度隨著距離的增加而逐步降低，在側風向即[y]-[z]軸向呈正態分布。

由圖2、圖3可得，下風向45 m處（最高濃度為336.07 mg/m3）到最遠271 m處為輕度中毒癥狀區，人身安全均受到影響;側風向最大影響距離為23 m。

當源強[Q]=0.757 7 kg/s，泄漏面積[A]=100 mm2時，設源架高[He]=5 m。

源強Q=0.7577 kg/s，泄漏面積A=100 mm2時，設源架高He=5 m，MATLAB軟件的計算結果為：源強的增加并沒有影響煤氣擴散最大濃度點出現的距離，最大濃度3359.32 mg/m3 仍是出現在45 m的距離上，但濃度增加了約十倍，同一距離氣體擴散濃度與源強及泄漏面積成正比。

對于源強[Q]=0.757 7 kg/s的高爐煤氣而言，在大氣穩定度為[F]、風速[u]=1.5 m/s的條件下，下風向各安全閾值區域的距離如表6所示。

3 結論

從高斯煙羽擴散數學模型看到，大氣氣象條件對煙云的擴散影響是非常大的，大氣穩定度越不穩定，風速越大，越有利于有毒氣體的擴散，越能降低煤氣擴散的濃度，減小毒性影響的范圍。本文選擇的大氣穩定度[F]、風速[u]=1.5 m/s是極不利于有害氣體擴散的情況，即選擇最壞的情況。

泄漏面積對氣體擴散濃度影響很大，泄漏面積越大，擴散濃度越高。源架高度[Hr]對有毒氣體擴散影響也很大，高度越高，擴散距離越遠。本文在爆炸危險分析中選擇[Hr]=0，實源與虛源重合，擴散濃度會成倍增加，增大了火災爆炸事故的危險性。

在泄漏危險分析中，當選擇[Hr]=5 m時，毒性影響范圍增大，最大擴散濃度落地點45 m處沒有達到爆炸下限，沒有爆炸危險。但隨著源強的增加，其發生爆炸的危險性也會加大。源架高度[Hr]對有毒氣體擴散影響也很大，高度越高，最大濃度落地點越遠，擴散范圍也越大。因此，高架管道的泄漏、煤氣水封及放散塔應是人們在工作中關注的重點部位。

參考文獻：

[1]唐曉文，王國忠，金康定.干式煤氣柜火災爆炸危險性評價與對策[J].工業安全與環保，2008（12）：33-35.

[2]國家安全生產監督管理總局.安全評價[M].北京：煤炭工業出版社，2005.

[3]吳宗之，高進東，魏利軍.危險評價方法及其應用[M].北京：冶金工業出版社，2002.