轉爐煤氣泄漏爆炸危險區域模擬

李 剛，黃庭川，張曉宇，劉宗陽

（東北大學 資源與土木工程學院，沈陽 110819）

國內冶金企業普遍采用轉爐煉鋼，因此在鋼鐵生產加工過程中會產生大量轉爐煤氣.當煤氣輸運管路系統發生故障時，法蘭、安全閥及管道連接處均有可能發生煤氣泄漏，一旦泄漏就可能導致火災、中毒及爆炸事故的發生.2019年5月29日，南昌某鋼廠室外轉爐煤氣管道泄漏發生燃燒爆炸，導致現場作業人員1死9傷，究其原因是該廠未合理劃分爆炸危險區域且未采取相應的防爆措施[1].在劃分爆炸危險區域的過程中，現有的國家標準在資料性附錄中對某些典型場所給出了指導性建議，但現實生產過程中影響爆炸危險區域范圍的因素較多，如何具體、定量地確定室外爆炸危險區域范圍一直未得到改善和解決.危險區域范圍劃分過窄不安全，劃分過寬經濟上又不可行.因此，如何科學合理地劃分室外有泄漏風險場所的爆炸危險區域范圍是目前廣大冶金企業氣體防爆安全整改工作的重點疑難問題之一.

國內外眾多學者針對危險性氣體泄漏問題進行了大量的實驗及數值模擬研究.Barley等[2]通過實驗研究了泄漏口所處的高度、通風方式及泄漏速率對氫氣在空間內擴散分布的影響，并將實驗結果與模擬結果進行驗證.Agarwal等[3]利用CFD軟件模擬了風速對天然氣泄漏的影響，發現了不同風速條件所對應的安全區域范圍.Li等[4]利用Fluent建立海底輸氣管道泄漏引起可燃氣體釋放和擴散行為的模型，研究了不同的氣體釋放速率、水深及泄漏位置對擴散的影響.Li等[5]對密閉空間天然氣泄漏進行數值模擬，得出室內不同泄漏點的天然氣泄漏擴散特性及風速對泄漏區域的影響.Nagaosa等[6]提出了一種描述可燃氣體擴散的數值公式，并引入計算流體力學來研究氣體泄漏率對其濃度分布的影響.

然而，僅有少數學者針對危險性氣體泄漏后形成的爆炸危險區域范圍進行研究.目前，工業現場通常都依據現有國家標準推薦的少量典型示例進行爆炸危險區域劃分，并在此基礎上進行防爆電氣選擇，但這缺乏足夠的理論和實驗依據.本文中以某鋼廠轉爐煤氣凈化回收系統室外管道閥組的煤氣泄漏為例，運用數值模擬方法研究在不同的環境風速、泄漏壓力及泄漏孔徑條件下轉爐煤氣泄漏情況及爆炸危險區域范圍的變化，期望能為冶金企業爆炸危險區域的劃分提供重要參考和依據.

1 泄漏擴散數值模擬

1.1 數學模型

假定轉爐煤氣泄漏為連續泄漏，煤氣泄漏后與空氣形成混合物，且各組分之間不發生化學反應，在整個泄漏過程混合氣體均呈湍流流動狀態.根據以上假設，本文中該廠轉爐煤氣泄漏問題為無化學反應的單相多組分擴散問題，需求解的方程包括質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程和湍流模型方程，分別介紹如下：

1.2 模型驗證

桑尼島實驗將氟利昂與氮氣混合物在14 m高處釋放，并在地面障礙物前后進行氣體濃度實時監測，以得到不同時刻的氣體濃度數據.為了探究數值模擬的有效性，Tauseef等[7]對第26次桑尼島實驗結果進行模擬.結果表明：采用與該氣體擴散行為相一致的Realizablek-ε湍流模型能使最終實驗數據與數值模擬誤差僅有2.2%，相較于其他模型，該模型的預測更接近實驗數據.因此，本文中采用 RANS控制方程，同時選擇Realizablek-ε湍流模型及組分輸運方程對轉爐煤氣的局部瞬時濃度進行監測，并利用理想氣體狀態方程來評估氣體混合物的相關性質.

1.3 物理模型及網格劃分

為探究轉爐煤氣泄漏后爆炸危險區域的變化規律，本文中以某鋼廠轉爐煤氣凈化回收系統管道閥組平臺的轉爐煤氣泄漏為例，使用 SCDM 19.0建立物理模型，如圖1所示.計算域為20 m×10 m的矩形區域，閥組平臺距地面高度為5 m.根據實地觀察和分析，可能的泄漏點多為閥組平臺內法蘭間縫隙、排氣孔和管道接頭.為了便于模擬，假定環境風與煤氣泄漏噴射的初始方向一致，并將以上三處形狀大小不同的泄漏口按面積分別等效為直徑 10，40，100 mm的圓形孔口.使用Meshing將模型劃分為四邊形結構化網格，單元最小尺寸為0.01 m.由于泄漏口附近的速度梯度較大，故加密劃分泄漏口附近網格，網格單元平均質量為0.982 06.

圖1 物理模型（m）Fig.1 physical model

1.4 邊界條件及參數設置

本文中主要研究非穩態條件下轉爐煤氣的泄漏擴散情況，煤氣泄漏口設為壓力入口，入口壓力分別為2，5，10 kpa，與轉爐煤氣柜外輸送管道、轉爐煤氣凈化回收系統管道及轉爐煤氣調壓站外部管道壓力相對應.左側空氣入口設為速度入口，根據廠區實際情況及當地氣候條件將入口速度分別設為 0，0.5，1，2，3，5 m／s.下邊界設為壁面邊界條件，其余邊界均為大氣環境，設為壓力出口，相對壓力（環境壓力）為0.環境和壁面的溫度均為300 K，模擬過程考慮浮力和重力加速度的影響.

2 計算結果分析

2.1 煤氣泄漏規律及爆炸危險區域范圍

為探究室外轉爐煤氣泄漏的規律，本文中以轉爐煤氣凈化回收系統室外管道閥組的煤氣在無風條件下泄漏作為室外氣體泄漏的標準場景.利用ANSYS Fluent 19.0對該場景下的泄漏擴散情況進行數值模擬.圖2示出了泄漏時間分別為1，5，10，20 s的轉爐煤氣體積分數云圖.在轉爐煤氣發生泄漏的初始階段，由于管道內壓力大于環境壓力，泄漏口附近區域的初始動量占據主要地位，流動特性近似于射流[8].在沿程靜止環境流體的阻滯作用下，煤氣水平射出6 m后，初始動量作用逐漸減弱，這是因為轉爐煤氣的密度略大于空氣，使得轉爐煤氣有向下擴散趨勢[9].在大氣湍流作用下，5 s后煤氣從高濃度向低濃度區域擴散直至地面，且水平擴散距離大于20 m.與此同時，密度較小的空氣不斷地進入煤氣的主體相中，引起一定程度的稀釋.10 s后煤氣擴散較為平穩，近地面處有少許波動.20 s后煤氣濃度場趨于穩定，擴散范圍不再變化.

圖2 不同時刻轉爐煤氣體積分數Fig.2 The volume fraction of converter gas at different times

該鋼廠所使用的轉爐煤氣是由多種氣體組成的混合氣體，各組分的體積分數分別為氫氣1.5%、氧氣0.4%、二氧化碳19.4%、氮氣20.7%、一氧化碳58%，轉爐煤氣各組分體積分數之比為φ（CO2） ／φ（CO）＝ 0.33，φ（N2） ／φ（H2）＝ 13.8.由圖3可知，CO2／CO混合爆炸極限為17%～70%、N2／H2混合爆炸極限為 64% ～76%[10].理查特里爆炸極限計算公式如下所示：

圖3 混合氣體爆炸極限圖Fig.3 Explosion limit diagram of mixed gas

式中：Lm為混合氣體的爆炸極限，%；Ln為n氣體的爆炸極限，%；φn為n氣體的體積分數，且φ1+φ2+φ3+…+φn＝100%.

經計算可得轉爐煤氣爆炸極限為20.4%～71.5%，體積分數介于此區間的轉爐煤氣遇點火源均可發生爆炸[11].圖4示出了轉爐煤氣泄漏后的體積分數在爆炸危險區域范圍隨時間的變化情況.從圖4可以看出：當泄漏時間為1 s時，爆炸危險區域分布于水平方向6.5 m范圍內；隨著煤氣的繼續泄漏，爆炸危險區域向下擴散至地面并向兩側蔓延，水平方向最遠擴散至9 m；當泄漏20 s后，爆炸危險區域趨于穩定，泄漏口與爆炸危險區域最遠距離不再變化，保持為11.8 m.

圖4 不同時刻轉爐煤氣爆炸危險區域范圍Fig.4 The scope of the converter gas explosion hazard area at different times

2.2 環境風速對爆炸危險區域范圍的影響

為探究不同環境風速對煤氣泄漏后爆炸危險區域范圍的影響，選擇風速 0，0.5，1，2，3，5 m／s六種工況進行模擬計算，假定泄漏孔徑為40 mm，煤氣泄漏壓力為5 kpa.根據數值模擬結果和轉爐煤氣爆炸的極限范圍，得到不同時刻的爆炸危險區域云圖，由此繪制出六種風速下煤氣泄漏后爆炸危險區域范圍與泄漏時間對應的曲線，如圖5所示.

圖5 不同環境風速下爆炸危險區域范圍隨泄漏時間變化曲線Fig.5 Variation curve of explosion hazard area with leakage time under different environmental wind speed

由圖5可知，在泄漏開始階段，由于管道內存在初始壓力，轉爐煤氣以射流形式泄漏到環境中，泄漏口附近氣體流動速度較大，此時環境風速對轉爐煤氣爆炸危險區域范圍的影響較小.對比圖中泄漏時間為1 s的爆炸危險區域范圍可知：當環境無風時，1 s內煤氣爆炸危險區域范圍可擴大至6.5 m；隨著風速的增大，爆炸危險區域范圍也在增大；當環境風速為5 m／s時，1 s內煤氣爆炸危險區域范圍可擴大至7.9 m.在繼續泄漏的過程中，煤氣的射流效應逐漸減弱，泄漏速率下降，風速對其擴散的影響增強，使得射流軸線和主要擴散區向地面及下風向偏移[4].

從圖5還可以看出：當環境無風時，15 s內煤氣爆炸危險區域范圍隨時間的增加均勻增大，之后便保持在一個相對穩定的狀態，此時爆炸危險區域穩定在11.8 m范圍內；當環境風速為0.5 m／s時，風對煤氣擴散起到了一定的促進作用，同時空氣稀釋作用加強，煤氣射流卷吸氣體，導致氣體間產生碰撞，從而使煤氣質量分數出現微小的波動[12].因此，在泄漏時間為 5～15 s時，煤氣的爆炸危險區域范圍有所波動，但整體呈擴大趨勢，25 s后煤氣擴散達到穩定狀態，爆炸危險區域范圍最大可達15.8 m.當環境風速增大至1 m／s時，爆炸危險區域范圍最大達到16.2 m.由于風對泄漏的轉爐煤氣有稀釋和輸運的作用，隨著環境風速的繼續增大，強風會加速煤氣擴散使空間內煤氣的濃度大幅降低，泄漏口軸線上的煤氣形態隨風向變得細長，5 s后爆炸危險區域穩定在7.2 m范圍內.當風速超過2 m／s時，無論風速如何增大，爆炸危險區域最終都會穩定在7.2 m范圍之內.由此看出：較低風速有利于泄漏氣云的擴散，同時也會增大爆炸危險區域范圍；強風則會稀釋煤氣，減小爆炸危險區域范圍.

2.3 泄漏壓力對爆炸危險區域范圍的影響

假定在無風環境下，當泄漏孔徑為40 mm時，對轉爐煤氣泄漏壓力分別為2，5，10 kpa的三種工況進行模擬，探究不同泄漏壓力對爆炸危險區域范圍的影響.在三種泄漏壓力下，煤氣爆炸危險區域范圍隨泄漏時間變化的曲線如圖6所示.

圖6 不同泄漏壓力下爆炸危險區域范圍隨泄漏時間變化曲線Fig.6 Variation curve of explosion hazard area range with leakage time under different leakage pressures

由圖6可知，在泄漏初始階段，轉爐煤氣以射流形式擴散，不同的泄漏壓力導致煤氣開始泄漏時具有的初始動量不同.當泄漏時間為1 s時，三種泄漏壓力條件所對應的爆炸危險區域范圍依次為5.95，6.5，7.5 m.隨著泄漏壓力的增大，煤氣受浮力的影響減小，水平擴散距離增大，體積分數在爆炸極限范圍內的區域同時增大.在三種不同泄漏壓力的條件下，煤氣爆炸危險區域蔓延至地面所需時間分別為8，5，4 s，此時對應的爆炸危險區域范圍分別為10.5，9，8.4 m.在泄漏時間達到20 s后，泄漏壓力對爆炸危險區域范圍的影響逐漸減弱，三種泄漏壓力條件對應的爆炸危險區域范圍均趨于穩定，分別為 11.7，11.8，11.9 m，三者相差不大.

綜上分析：在泄漏初始階段，泄漏壓力對爆炸危險區域范圍影響較大，泄漏壓力越大，爆炸危險區域范圍就越大；在自由擴散階段，泄漏壓力越小，轉爐煤氣受浮力的影響越明顯，擴散到地面所需的時間也越長，但煤氣在空間中的分布結構大致相同；當泄漏到達穩定狀態后，泄漏壓力對爆炸危險區域范圍影響較小，但隨著泄漏壓力的增大，爆炸危險區域與泄漏口之間的距離會稍有增大.

2.4 泄漏孔徑對爆炸危險區域范圍的影響

在無風環境和泄漏壓力為5 kpa的條件下，探究泄漏孔徑的變化對爆炸危險區域范圍的影響.設定泄漏孔徑分別為 10，40，100 mm，通過統計整理模擬結果，得出不同孔徑下爆炸危險區域范圍與泄漏時間的對應關系曲線如圖7所示.

圖7 不同泄漏孔徑下爆炸危險區域范圍隨泄漏時間變化曲線Fig.7 Variation curve of explosion hazard area range with leakage time under different leakage apertures

對比圖中三條曲線可以發現，當泄漏孔徑為10 mm時，轉爐煤氣雖具有一定初始動量，但由于泄漏孔徑較小，泄漏出的煤氣在泄漏口附近保持較低濃度.在煤氣的射流作用下，泄漏口水平軸線1.8 m范圍內均屬于爆炸危險區域.在泄漏發生10 s后，爆炸危險區域穩定在2 m范圍內.當泄漏孔徑增大至40 mm時，在泄漏壓力不變的情況下，煤氣的泄漏量增大，泄漏口附近的煤氣濃度大幅提升，1 s內爆炸危險區域范圍會達到7.1 m.由于受到負浮力作用[13]，煤氣將繼續向下擴散，爆炸危險區域范圍也隨之擴大，25 s后達到穩定狀態，爆炸危險區域保持在11.8 m范圍內.當泄漏孔徑為100 mm時，爆炸危險區域在泄漏10 s時達到穩定狀態，其最遠端與泄漏口的距離達到23.5 m.由此可見，泄漏孔徑的不同會直接影響轉爐煤氣泄漏量，導致爆炸危險區域范圍大幅變化.隨著泄漏孔徑的增大，煤氣的擴散范圍增大，爆炸危險區域范圍也在增大.

2.5 標準對比分析

根據《爆炸危險環境電力裝置設計規范》（GB 50058—2014）來劃分比空氣重的可燃物的爆炸危險區域，發現該標準中僅將第二級釋放源15 m范圍內劃分為二區，卻并未對環境風速、泄漏壓力、可燃物泄出量的影響進行定量說明.

綜合前文分析可知：當環境風速小于1 m／s時，爆炸危險區域范圍最遠可達16.8 m，現有國家標準并不能滿足防爆要求，在現場危險區域劃分時需作調整；當環境風速增大至2 m／s以上時，標準可滿足防爆要求；在其他因素不變的情況下，僅改變泄漏壓力對爆炸危險區域范圍影響較小，三種泄漏壓力下爆炸危險區域均在規定的15 m范圍內，標準滿足防爆要求；泄漏孔徑對爆炸危險區域范圍影響顯著，當泄漏孔徑為100 mm時，爆炸危險區域遠超標準規定的15 m范圍，標準不滿足防爆要求.因此，在實際生產過程中，應極力避免因檢修或故障造成的大孔徑泄漏情況.

3 結 論

（1）與轉爐煤氣泄漏方向相同的環境風對煤氣擴散有促進作用，小于1 m／s的環境風會擴大爆炸危險區域范圍，大于2 m／s的環境風因稀釋作用會縮小爆炸危險區域范圍，使爆炸危險區域最終穩定在7.2 m范圍內.

（2）泄漏壓力的變化對煤氣泄漏初始階段爆炸危險區域范圍影響較大，對煤氣在空間中分布的影響極小.泄漏壓力越小，煤氣受浮力影響越明顯，煤氣泄漏到地面所需時間越長.隨著泄漏壓力增大，爆炸危險區域的最遠端與泄漏口的距離隨之增大.

（3）泄漏孔徑會直接影響轉爐煤氣泄漏量，其大小對爆炸危險區域范圍影響顯著.泄漏孔徑越大，爆炸危險區域越大.當泄漏孔徑為100 mm時，爆炸危險區域范圍可達23.5 m.