氯堿化工企業安全風險評估計算與分析方法研究

石斌，劉潤滋，吉衛云(北京國信安科技術有限公司，北京 100160)

0 引言

氯堿化工通常指對飽和工業食鹽水進行電解來提取相應電解產物的化工生產方法。利用該方法，化工企業可制備氯氣、氫氣、堿金屬、燒堿等產品。

氯堿生產過程中，飽和工業食鹽水的電解將產生氯氣、氫氣與金屬鈉等中間產物。因此，氯堿化工企業通常需要設置相應的中間產物儲存裝置與設備。然而，上述儲存裝置發生破裂、泄漏等問題，則可能導致諸如氯氣中毒事故或堿金屬燃燒爆炸等安全事故[1]。如2001年1月浙江省臨海市某化工廠液氯灌裝車間發生氯氣泄漏，導致5人出現急性氯氣中毒[2]。

因此，科學評估氯堿化工中間產物存設備的安全風險，并根據企業周邊情況合理地劃分出相應的安全距離，是目前相關企業需要關注的重大安全問題。

1 氯堿化工產品存儲的安全風險特征

如前所述，工業鹽電解將產生氣態與固態兩種狀態產物，且存儲設備不同。其中，氯氣泄漏后在空氣中擴散，可能導致人員中毒甚至傷亡[3]。固體的金屬鈉等活性較高的危化品，遇水起火，且反應生成的大量氫氣易受熱發生爆炸。因此，這兩類中間產物的存儲安全風險需要分別予以分析與考慮。

1.1 氯氣儲罐泄漏導致中毒的安全風險特征分析

氯氣易液化，因此通常將氯氣加壓液化成為液氯，再將其注入帶壓儲罐中進行儲存[4]。通常需要保證一定的罐內壓力，屬于帶壓儲罐[4]。該類儲罐的相關滲漏、破壞等計算需參考GB/T 37243—2019《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》的要求[5]。依據標準，首先需要分析液氯儲罐的滲漏類型。之后，基于泄漏類型初步計算滲漏后液氯的蒸發量。儲罐泄漏速率與液氯蒸發量的計算分別如下：

液氯泄漏速率計算：

式中：QL為液氯泄漏速率(kg/s)；p為帶壓儲罐的內部壓力(Pa)；p0為環境壓力(Pa)；C0為液氯泄漏系數；A為儲罐泄漏孔面積(m2)；hL為泄漏孔上方液體高度(m)。

液氯的蒸發量計算：

式中：Q1、Q2、Q3分別表示液氯的閃蒸蒸發速率、熱蒸發速率與質量蒸發速率，單位均為kg/s；t1、t2、t3則分別表示閃蒸蒸發時間、熱蒸發時間與質量蒸發時間，單位均為s。

其中三類蒸發速率的計算公式分別為：

式中：Cp為液氯的定壓熱熔/(kJ/kg·K)；TT為儲罐內的溫度 (K)；Tb為液氯沸點 (K)；HV為液氯的蒸發熱 (J/kg)；K為表面導熱系數/(W/m·K)；T0為環境溫度(K)；α為表面熱擴散系數 (m2/s)；a、n為大氣穩定系數；R為氣體常數 (J/mol·K)；u為風速(m/s)；r為液池半徑(m)。

利用上述公式計算得出液氯的蒸發速率與蒸發量后，即可由此分析蒸發后的氯氣在空氣中的擴散情況。

如標準中所示，位于地面Hz高處的氨氣泄漏源，在給定點(x，y，z)處的擴散濃可按下式計算：

式中：Q為液氯的總蒸發速率為三類蒸發速率之和(kg/s)；σx、σy為側風向和垂直方向的擴散系數(m)。

計算得到氯氣的擴散濃度后，即可依據標準判斷該擴散濃度是否將超過相應中毒閾值，從而推算出安全距離。

1.2 金屬鈉泄漏的安全風險特征分析

金屬鈉為固態危化品，通常采用定壓儲罐進行儲存。儲罐破裂或泄漏后，金屬鈉本身不會發生揮發，也不具備毒性。然而，金屬鈉屬高活性堿金屬，遇水(即使是空氣中的水蒸氣)也極易發生反應，產生大量熱的同時生成氫氣。其化學反應式如下所示：

因此，金屬鈉泄漏需考慮其完全反應后產生的氫氣可能造成的爆炸。在分析得出儲罐泄漏后的鈉金屬量后，通過換算產生的氫氣量，再結合標準中氫氣發生蒸氣云爆炸事故(UVCE)的安全風險及安全距離計算方式進行分析。

在計算得出鈉金屬泄漏，并可能造成氫氣爆炸的安全距離后，綜合液氯泄漏導致人員中毒的安全風險分析結果，選出兩者中安全距離的最大值。

2 案例分析

內蒙古某能源材料有限公司擬新建一條高端化學品及能源材料生產線。該項目一期工程涉及電解工業鹽生產金屬鈉。因此，廠區內設有專門的氯氣儲存裝置與金屬鈉儲存倉庫。為保證項目安全，需對設計中的儲罐泄漏安全風險進行評估。

2.1 液氯與金屬鈉儲罐基本情況

該項目中液氯采用帶壓儲罐進儲存，儲罐體積為100 m3，內部壓力為0.2 MPa，泄漏源高度為1 m，參考標準，氯氣中毒濃度為180 mg/m3。

金屬鈉采用常壓容器進行儲存，容器體積為792 m3，充裝系數為1，密度為0.97×103kg/m3。考慮金屬鈉與水的反應，按照最危險的金屬鈉完全反應生成的氫氣量進行分析。

該企業所處周邊環境為草原、平坦開闊地段，白天輻射強度中等，大氣穩定度為B，環境壓力約0.101 MPa，平均風速3 m/s，環境大氣密度1.293 kg/m3。

2.2 液氯儲罐與金屬鈉儲罐發生泄漏的安全距離分析

分別以液氯儲罐發生泄漏導致氯氣擴散引起人員中毒事故以及金屬鈉泄漏遇水反應生成氫氣發生蒸汽云爆炸為安全風險計算依據，進行相應安全距離計算。

假設兩類儲罐均為完全破裂，結合儲罐基礎資料以及相關環境參數，取氯氣擴散導致人員中毒以及金屬鈉泄漏導致爆炸兩類事故中的安全距離最大值。

經計算，液氯儲罐與金屬鈉儲罐泄漏導致人員死亡的影響半徑為1.81 m；人員重傷的半徑為8.59 m；人員輕傷的半徑為16.7 m。即儲罐區域17 m范圍內應盡量減少人員集中度較高的建筑(如：工人宿舍、生產車間等建筑)的建設，從而達到減少儲罐泄漏導致人員傷亡風險的目的。

2.3 液氯儲罐與金屬鈉儲罐發生泄漏的個人風險評估

根據國家相關標準[6]，個人風險指因危險化學品重大危險源各種潛在的火災、爆炸、有毒氣體泄漏事故造成區域內某一固定位置人員的個體死亡概率，采用個人風險等值線來直觀地描述危險源周邊的個人風險。

依據標準結合液氯儲罐與金屬鈉儲罐的相關參數，計算儲罐周邊個人風險等值線圖如圖1所示。

圖1 兩類罐發生泄漏事故的個人風險等值線圖

由圖可知三類風險等值線內均無對應的防護目標。因此，該項目的儲罐區域發生泄漏事故的個人風險滿足要求。

2.4 液氯儲罐發生泄漏的社會風險評估

根據標準，社會風險指能夠引起大于等于N個人死亡的事故累積頻率(F)，即單位時間內(通常為年)的死亡人數。通常用社會風險曲線(F-N曲線)表示。

可容許社會風險采用ALARP原則，分析對應的社會風險，如圖2所示。

圖2 兩類罐發生泄漏事故的社會風險曲線

如圖2所示，兩類儲罐發生泄漏事故的社會風處于可接受區，因此無需進一步采取安全改進措施。

3 結語

(1)氯堿化工企業的生產過程中將產生氯氣及金屬鈉等中間產物，其儲存泄漏風險分析需同時考慮金屬鈉遇水反應生成大量氫氣引發的爆炸風險以及氯氣擴散造成的人員中毒風險。計算相應安全距離也需選取兩類風險中的最大值。

(2)經計算內蒙古某企業擬新建的高端化學品生產線發生金屬鈉與氯氣泄漏事故的最大安全距離在17 m以內。為保證人員安全，可盡量避免在該范圍內設計建設人員密集型建筑。

(3)通過分析，該企業擬新建的高端化學品生產線發生金屬鈉與氯氣泄漏事故的個人風險與社會風險均符合相關標準與規范的要求，因此生產線設計的安全性達標，可予以施工。