液氯罐區泄露擴散分析以及罐區封閉方案的探討

徐祥兵

摘要：通過Fluent流體力學模擬軟件，對某液氯罐區泄露事故時氯氣在封閉罐區內的擴散規律進行研究，結合模擬結果對罐區封閉的建筑、暖通方案進行探討。結果表明，發生液氯儲罐泄漏事故時，越靠近地面，氯氣聚集程度越高，提高對流風速有利于控制氯氣的擴散高度和縮小氯氣擴散空間。設計了一套高效的事故氯收集和吸收處理裝置，并對事故風機進行了選型設計。

關鍵詞：液氯罐區;泄露;擴散;封閉方案

中圖分類號：TQ124.4 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）01-0156-07

氯是工業生產中常用的劇毒、強腐蝕性化學品，液態氯為黃綠色油狀液體，一般使用壓力儲罐或鋼瓶來儲存。液氯泄露后會氣化形成氯氣，氯氣屬于重質氣體，會隨空氣流動沿地面擴散，聚集在地勢低洼處不易消散，嚴重威脅到周邊人員、動植物和水體的安全。隨著國家對化工安全生產的日益重視，有關重氣擴散性質以及事故氯氣擴散的研究也逐漸受到更多關注。

重質氣體（重氣）泄露擴散研究始于20世紀50-60年代，早期的研究主要采用現場泄露試驗，在真實的氣象、地形條件下觀測氣體擴散過程，這種研究手段能夠較準確的獲得現場實驗數據，這些數據對氣體擴散理論研究以及驗證擴散模擬結果具有重要意義。但現場泄露實驗也存在著不可控因素多、數據重復性差等不足，而風洞技術的進步很好的解決了這些問題。Venart、Meroney等在實驗室條件下進行了氣體擴散的風洞模擬實驗，這類實驗研究利用相似準則，通過控制特定的變量參數，使得擴散實驗的重復性得以提高。近年來計算機技術的快速發展，使計算機數值模擬成為目前氣體泄漏擴散研究的重要研究手段。Mcbride等、Hanna等、王文和等諸多學者利用數值模擬技術，從地形、擴散氣象條件、泄漏量等方面對氯氣泄露擴散進行了研究，但大部分的研究集中于氯氣擴散的毒害效果評價和應急管理，而較少從罐區本質安全設計的角度進行氯氣泄露災害防治的研究。

湖北省仙桃市某化工廠以氯氣為生產原料，目前該廠露天罐區共有6個20m3液氯臥式儲罐。為預防液氯儲罐泄露事故對廠區及周邊環境的危害，擬對該廠液氯罐區進行封閉式改造并新建事故氯氣吸收系統。在液氯罐區外設置封閉墻體，用物理屏障防止事故氯氣擴散，并在封閉罐區內通過事故風機進行負壓排氣，將事故氯氣抽送至尾氣處理塔吸收，處理過的無害化尾氣從塔頂放空管排空。本研究主要通過Fluent流體力學模擬軟件，對泄露事故時氯氣在封閉罐區內的擴散規律進行研究，并結合模擬結果對罐區封閉的建筑、暖通方案進行探討。

1擴散理論與基本假設

1.1重氣擴散基本方程

Fluent是目前應用最廣泛的CFD（ComputationalFluid Dynamics）模擬軟件之一，其數值模型遵循基本的守恒定律，泄露擴散過程的主要控制方程包括連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程和組分輸送方程。方程具體表述如下：密度，取2.94kg/m³，p2為液體密度，取1404kg/m³。

1.3模型基本假設及條件設置

假設液氯為穩態連續泄露狀態，由于本文考察的液氯泄露量較小，液氯在噴出泄露口后很快便完全氣化為氯氣，所以可認為泄露口處氯氣流動狀態為不可壓縮氣體的湍流流動。

封閉廠房內的6個儲罐分兩排均勻布置在廠房內，儲罐直徑2m，封頭間長度5.8m，儲罐下部距地面1m。廠房環境溫度為20%，當地大氣壓為0.1MPa，當地年平均風速2.7m/s。廠房長軸方向兩端各有兩個可在事故狀態下連鎖關閉的電控門（寬3.6m，高4m），廠房左側門為水平進風口，右側門為出風口，廠房進風口風速不隨時間變化，方向始終水平向右。采用前處理軟件Gambit建立封閉廠房剖面的二維幾何模型，本文以通過液氯儲罐中心軸線的封閉廠房剖面為二維空間計算區域（長22m×高7m），廠房頂和地面以及儲罐管壁均按壁面考慮，在儲罐泄露口附近對模型網格進行加密處理，廠房三維模型示意圖如圖1所示。選用隱式分離求解器進行計算，求解器采用k-ε雙方程模型。泄露事故場景參數列表如表1所示。

2數值模擬結果分析

2.1不同泄漏時間的氯氣濃度分布

設定泄露發生在左側儲罐的下部，泄露口當量直徑為0.01m，泄露源強為0.24kg/s，廠房對流風速為0.5m/s。累計泄露時間分別為1s、5s、10s、60s時，廠房內的氯氣濃度分布如圖1—4所示。在累計泄露60s時，廠房右側出口處氯氣濃度隨高度的分布如圖5所示。

由圖1-4可知，泄露開始時，氯氣從泄露口垂直向地面快速噴射，在受到地面的阻擋后水平向四周擴散。由于在泄露口下方區域氯氣噴射動能大，空氣流動對氯氣氣團擴散的作用相對不明顯，但環境空氣從左向右流動，決定了氯氣氣團主體向右擴散。當氯氣擴散至兩排儲罐中間時，由于空氣在儲罐之間流動產生湍流，卷吸起近地面的氯氣向上擴散。由于氯氣未完全被空氣稀釋，氣團密度比空氣大，升騰起的氯氣氣團會逐漸下降，貼近設備壁面繼續擴散。當氯氣泄露60s后，廠房內氯氣濃度分布總體呈現由上至下逐漸升高的趨勢，這種氣體擴散行為符合重氣性質。

由圖5可知，在廠房出口處，越靠近地面的地方，氯氣濃度越高，出口處地面以上2m范圍內都是氯氣的聚集區域，近地處氯氣質量濃度達47.5wt%。

2.2不同對流風速對氯氣擴散的影響

設定泄露發生在左側儲罐的下部，泄露口當量直徑為0.01m，泄露源強為0.24kg，s，模擬累計泄露時長5s。當對流風速分別為0.01m/s，0.5m/s，5m/s時，廠房內的氯氣濃度分布以及右側出風口處濃度分布如圖6～8所示。

由圖6—8可知，在模擬的對流風速值范圍內，氯氣流沖擊地面發生反彈和空氣擾流，均會使氯氣向上擴散。但在風速較高（風速為5m/s）時，兩儲罐間氯氣氣團向上擴散的趨勢不明顯，出現該現象有兩方面原因，一方面，隨著空氣對流風速的增大，空氣對氯氣氣團的稀釋作用增強，垂直方向上氯氣主體與空氣主體交界區域的濃度梯度變大，垂直方向上氯氣更集中于近地面處。另一方面，空氣風速增大，宏觀上空氣對氯氣的運輸作用增強，氯氣分子更快地被運送至下風處，故在兩儲罐間氯氣向上擴散的趨勢不明顯。

對比廠房出風口的濃度分布圖可以發現，在距地面高度0～2m范圍內，對流風速越高，氯氣濃度梯度越大，隨著高度的增加，氯氣濃度下降更快，說明提高對流風速有利于控制氯氣的擴散高度和影響范圍。

2.3不同泄漏孔徑對氯氣擴散效果的影響

設定泄露發生在左側儲罐的下部，對流風速0.5m/s，模擬累計泄露時長5s。泄露口當量直徑分別為0.005m、0.01m、0.05m，廠房內的氯氣濃度分布以及速度分布如圖9—11所示。

由圖9～11可知，泄漏口當量直徑越大，相同泄露時間氯氣擴散范圍越大，氯氣泄漏量主要由泄露口面積決定。考察氯氣速度分布圖可知，對流風速較低時，氯氣會聚集于儲罐區下部區域，增大氯氣的泄露量，氯氣分子的擴散作用主要由分子擴散決定，氯氣對流擴散效果并不明顯。

2.4不同泄漏方向對氯氣擴散的影響

設定模擬累計泄露時長5s，泄露口當量直徑為0.01m，泄露口位置分別位于左側儲罐的上部或下部，廠房內的氯氣濃度分布以及氯氣速度分布如圖12～13所示。

由圖13可以觀察到，氯氣從泄露口噴射而出，因具有向上的動能而向廠房上部空間擴散，而后氯氣氣團在重力作用下會有明顯下降趨勢，同時由于空氣的對流流動，氯氣氣團持續向右側出口擴散。基于這兩方面的作用，氯氣在5s內快速的充滿廠房的整個空間。對比圖12和圖13可知，在相同的泄露孔徑和累計泄露時間下，液氯儲罐上部泄漏比下部泄露更容易造成廠房內氯氣的大規模擴散?？梢娫诼葰獍l生泄漏時，疏散路徑應避開泄漏口下風方向的低洼處，優先選擇泄漏口上風方向的高處避險。

3液氯倉庫封閉方案

圖14中，1為液氯封閉罐區，2為液氯儲罐，3為固定式吸風口，4為移動式吸風口，5為離心通風機，6為事故氯氣吸收塔，7為堿液池，8為堿液循環泵，9為堿液預冷器。

根據泄露事故中氯氣擴散行為的研究，設計如圖14所示的儲罐區的封閉方案，封閉罐區的屋面板選用15CJ63/15CG26中型號KW6015-1的KST屋面板，墻面板選用15CJ63/15CG26中型號KQ9010的KST墻板，墻上設固定窗采光，墻板相應位置設4個電控密閉門滿足疏散要求，同時保證封閉后的密封性能。

根據《氯氣安全規程》（GBl 1984-2008）、《液氯使用安全技術要求》（AQ3014-2008）、《液氯泄漏的處理處置方法》（HGT 4684-2014）相關規范進行通風設計，正常操作下廠房不封閉，開啟電控密閉門利用穿堂風進行自然通風;事故狀態下關閉電控門，對罐區進行封閉，開啟事故氯風機負壓排風。依據《液氯泄漏的處理處置方法》（HGT 4684-2014）附錄“D.2.1.1液氯作業場所或密閉廠房發生泄漏，可通過事故氯風機負壓將泄漏的氯氣捕集輸送至事故氯吸收（塔）裝置處理”及“D.2.1.2將移動軟管吸風罩迅速連接至泄漏處，捕集泄漏的氯氣，并輸送至吸收（塔）裝置或現場的文丘里吸收裝置。”液氯罐區配套吸風和事故氯氣緊急吸收處理裝置，并防范產生氣流死角。在液氯罐區出口、窗戶位置、及可能發生泄漏的地方安裝固定式氯氣檢測報警儀，氯氣檢測報警儀探測器距釋放源不宜大于1m。

如果發生液氯泄漏事故，立即連鎖液氯事故吸收裝置進行緊急處理。按照維持50Pa負壓計算室外通過門窗縫隙滲入室內的風量，并附加泄露液氯的氣化量為氯氣每小時最大泄漏量，并適當考慮安全系數，合計為10000m3/h的處理風量，全壓為1000Pa。選用防腐離心通風機（型號：F4-726C，風量：10648m/h，全壓：1679Pa）可滿足保持負壓排風要求風量。

4結語

1）氯氣擴散行為的模擬研究表明，發生液氯儲罐泄漏事故時，越靠近地面，氯氣聚集程度越高，這種濃度分布特性與重氣特性相符。在廠房出口處地面以上2m高度內都是氯氣的聚集區域，近地處氯氣質量濃度高達47.5wt.%。

2）廠房對流風速越高，近地處氯氣濃度梯度越大，更有利于氯氣在水平向擴散，因此提高對流風速有利于控制氯氣的擴散高度和縮小氯氣擴散空間。

3）在相同的泄露孔徑和累計泄露時間下，液氯儲罐上部泄漏比下部泄露更容易造成廠房內氯氣的大規模擴散。

4）依據氯氣在廠房內的模擬擴散特性，設計了一套高效的事故氯收集和吸收處理裝置，并對事故風機進行選型設計。