氨氣氣體泄漏后果分析

-.z摘要本次課程設(shè)計是對液氨儲罐事故后果進展定量分析。根據(jù)液氨的理化性質(zhì)和主要危險特性,采用事件樹分析法對液氨儲罐的事故類型進展了危險源辨識和分析。并通過對泄漏、火災(zāi)、爆炸等典型事故影響模型進展了定量計算，分析了液氨泄漏的危害*圍及其嚴重程度,提出了科學(xué)、合理、可行的平安對策措施和建議，從而為預(yù)防液氨泄漏事故發(fā)生和進展平安管理提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：液氨儲罐；危險源；事故影響模型1、儲罐區(qū)的情況簡介1.1儲罐區(qū)的根本情況本次課程設(shè)計以***發(fā)電廠為研究對象。該發(fā)電廠采用選擇性催化復(fù)原法進展煙氣脫硝,所用復(fù)原劑為液氨,共有2個液氨儲罐,每個液氨儲罐最大儲存量為90m3。液氨儲存溫度為30℃,儲存壓力為1.1MPa,密度為750kg/m3,液氨體積占儲罐容積的最大值為70%(其充裝系數(shù)為0.70)。則每個貯槽內(nèi)液氨的總質(zhì)量為W=90m3×750kg/m3×0.7=47.25t。重大危險源，是指長期地或者臨時地生產(chǎn)、搬運、使用或者儲存危險物品、且危險物品的數(shù)量等于或者超過臨界量的單元〔包括產(chǎn)所和設(shè)施〕。?危險化學(xué)品重大危險源辨識?【2】(GB18218—2021〕規(guī)定氨的臨界量為10t，該企業(yè)布置有兩個液氨儲罐，每個儲罐裝存的液氨為47.25t，因此構(gòu)成了該液氨儲罐區(qū)構(gòu)成了重大危險源。1.2液氨的主要危險特性液氨又稱為無水氨，是一種無色液體。在溫度變化時，液氨體積變化的系數(shù)很大。溶于水、乙醇和乙醚，與空氣混合能夠形成爆炸混合物，火災(zāi)危險類別為乙類2項。液氨作為一種重要的化工原料應(yīng)用廣泛，普遍存在于化工生產(chǎn)過程中。為了運輸及儲存的便利，通常將氣態(tài)的氨氣通過加壓或冷卻得到液態(tài)氨。液氨在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，由于具有腐蝕性，且易揮發(fā)，所以其化學(xué)事故發(fā)生率相當(dāng)高，是該儲罐區(qū)的主要危險物料。液氨物料的危險特性主要表達在燃燒和爆炸、活性反響和安康危害三方面【3】，具體危險特性及理化性質(zhì)如表1.1所示：表1.1液氨的危險特性及理化性質(zhì)表危險特性燃燒和爆炸危險性極易燃，能與空氣形成爆炸性混合物，遇明火、高熱引起燃燒爆炸?；钚苑错懪c氟、氯等接觸會發(fā)生劇烈的化學(xué)反響。安康危害對眼、呼吸道粘膜有強烈刺激和腐蝕作用。急性氨中毒引起眼和呼吸道刺激病癥，支氣管炎或支氣管周圍炎，肺炎，重度中毒者可發(fā)生中毒性肺水腫。高濃度氨可引起反射性呼吸和心搏停頓?？芍卵酆推つw灼傷。PC-TWA(時間加權(quán)平均容許濃度)(mg/m3):20;PC-STEL(短時間接觸容許濃度)(mg/m3):30。理化性質(zhì)分子量為17.03，熔點-77.7℃，沸點-33.5℃，液氨密度為0.7253g/cm3,臨界壓力11.40MPa，臨界溫度132.5℃，飽和蒸氣壓1013kPa(26℃)，爆炸極限15%～30.2%〔體積比〕，自燃溫度630℃，燃點為651℃,最大爆炸壓力0.580Mpa2、儲罐的事故類型分析2.1液氨泄漏事故模式及統(tǒng)計分析通常情況下,液氨在常溫下加壓壓縮,液化儲存,一旦泄漏到空氣中會在常壓下迅速膨脹,大量氣化,并擴散到大的空間*圍。液氨事故泄漏后通常有幾種事故模式：液氨泄漏后在泄漏出口處立即點火形成噴射火；泄漏處于開放空間且經(jīng)過一定時間點火形成閃火；泄漏處于局限空間條件且經(jīng)過一定時間點火形成蒸氣云爆炸；假設(shè)泄漏過程中沒有點火源存在則形成單純的大氣中擴散；儲存液氨的儲罐有可能發(fā)生BLEVE爆炸。根據(jù)事故案例,泄漏事故絕大多數(shù)可視為連續(xù)點源泄漏模式。因此,本文著重分析和模擬氨氣連續(xù)點源泄漏后果。2.2氣氨泄漏事故樹模型對于液氨儲罐液體泄漏應(yīng)考慮發(fā)生池火+噴射火/BLEVE、蒸汽爆炸、閃火+晚期池火等火災(zāi)爆炸場景。具體場景與泄漏類型、點火類型、空間局限情況等有關(guān)，可采用事件樹方法確定各種可燃物質(zhì)釋放后，各種事件發(fā)生的類型及概率【5】。可燃液體泄露后的事件樹見圖1.1所示：IE完全閃蒸立即點火延遲點火空間局限后果是噴射火是是爆炸是否閃火液氨泄漏否否大氣擴散是池火〔+噴射火/BLEVE〕是否爆炸是否否閃火〔+晚期池火〕否大氣擴散圖1.1可燃液體泄露事件樹3氨氣泄漏后果定量計算3.1氣氨泄漏模型對于災(zāi)難性破壞引起的液氨泄漏,可保守地認為容器內(nèi)所有的貯存物質(zhì)瞬間全部泄漏,全部泄漏時一般有爆炸發(fā)生,對其發(fā)生爆炸后的狀況再運用數(shù)值模擬進展預(yù)測意義不大。因此,文中所研究的是液氨儲罐連續(xù)性泄漏的數(shù)值模擬。通過對建國50年以來我國化工系統(tǒng)所發(fā)生的重(特)大、典型事故性泄漏的統(tǒng)計分析說明,閥門或法蘭處的密封失效及閥門或管道斷裂是造成事故性泄漏的主要原因,因而可以確定液氨儲罐下方的液氨出口接收、儲罐上方的氣氨出口接收以及平安閥為主要泄漏源。氣氨泄漏模型對于氣氨通過其出口接收的泄漏,情況較復(fù)雜。由于出口接收處于氣相空間,其泄漏形式主要與泄漏面積的大小有關(guān)。在泄漏面積較大的情況下,高壓蒸氣通過裂縫或孔洞噴出,儲罐內(nèi)壓急劇下降,直到環(huán)境壓力(常溫)。由于內(nèi)壓急劇下降,氣液平衡遭到破壞,儲罐內(nèi)液氨處于過熱狀態(tài),過熱狀態(tài)的液氨為了再次恢復(fù)平衡,內(nèi)部會均勻地產(chǎn)生沸騰核,同時產(chǎn)生大量氣泡,液氨體積急劇膨脹,最終導(dǎo)致爆炸;當(dāng)泄漏面積不大時,即使有蒸氣噴出,但由于儲罐內(nèi)壓下降不急劇,液氨不會到達過熱狀態(tài),因此不會發(fā)生蒸氣爆炸3.1.1液體泄漏計算由于儲罐發(fā)生破裂泄漏的概率很小，因此泄漏場景考慮接收泄漏。根據(jù)?鋼制立式圓筒固定頂儲罐系列?【8】HG21502.1-1992，確定接收管徑為50mm。液體經(jīng)管道上的孔流出的質(zhì)量流率為：〔3.1〕式中:Qm——質(zhì)量流率，單位為kg/s；A——泄漏孔面積，單位為m2；C0——液體泄漏系數(shù)；P——管道內(nèi)液體壓力，單位為Pa；ρ——泄漏液體密度，單位為kg/m3；P0——環(huán)境壓力，單位為Pa。液氨的密度為0.75g/cm3，即ρ=750kg/m3。儲罐內(nèi)液體壓力為1.1×106Pa〔表壓力〕，環(huán)境壓力P0=1.013×105Pa，即儲罐內(nèi)液體壓力〔絕對壓力〕P=1.1×106+1.013×105=1.2×10^6Pa，當(dāng)液體泄漏系數(shù)不知道或不能確定時，取1.0，使所計算的流量最大。1〕泄漏場景為小孔泄漏時，泄漏孔徑為5mm，即半徑為R=2.5mm。A=πR2=1.96×10-5m2=〔1.96×10-6〕×1×[2×750×〔1.2×10^6-1.013×105)]1/2=1.106kg/s=0.7957kg/s2〕泄漏場景為中孔泄漏時，泄漏孔徑為10mm，即半徑為R=12.5mm。A=πR2=4.9×10-4m2=4.9×10-4×1×[2×750×〔1.2×10^6-1.013×105)]1/2=19.89kg/s3〕泄漏場景為大孔破裂時，泄漏孔徑為50mm，即半徑為R=25mm。A=πR2=1.96×10-3m2=1.96×10-3×1×[2×750×〔1.2×10^6-1.013×105)]1/2=79.57kg/s3.1.2閃蒸計算〔1〕液體中閃蒸局部：〔3.2〕過熱液體閃蒸蒸發(fā)速率可按下式計算：〔3.3〕式中：Fv——泄漏液體的閃蒸比例；TT——儲存溫度，單位為K；Tb——泄漏液體的沸點，單位為K；Hv——泄漏液體的蒸發(fā)熱，單位為kJ/kg；Cp——泄漏液體的定壓熱容，單位為kJ/(kg·K)；Q1——過熱液體閃蒸蒸發(fā)速率，單位為kg/s；QL——物質(zhì)泄漏速率，單位為kg/s。儲存溫度TT=30+273.15=303.15K，沸點Tb=239.65K，泄漏液體的蒸發(fā)熱Hv=1366.70kJ/kg，定壓熱容Cp=4.609kJ/(kg·K)=0.21414由于Fv>0.2時，其泄露的液氨完全閃蒸：/3.2氣氨擴散模型根據(jù)泄漏氣體的密度和泄漏源類型，氣體的擴散模式可分為煙團擴散和煙羽擴散兩種模式。泄漏量較大且密度比空氣的密度大得多的氣體擴散呈現(xiàn)煙團式擴散，假設(shè)泄漏氣體密度與空氣接近或經(jīng)很短時間的空氣稀釋后密度與空氣接近時，其泄漏氣體的擴散屬于煙羽式擴散，大局部較小流量的連續(xù)源易形成煙羽擴散。因此，氨氣的擴散屬于煙羽擴散。通過查詢**地區(qū)的氣象資料，**一年內(nèi)的平均風(fēng)速為2.84m/s，根據(jù)?化工企業(yè)定量風(fēng)險評價導(dǎo)則?AQ/T3046-2021表E.5可知，大氣穩(wěn)定度為C級，根據(jù)表E.7可知：σy=0.22*〔1+0.0004*〕^(-1/2)σz=0.20*根據(jù)Pasquill-Gifford模型擴散方程，位于地面高處的連續(xù)穩(wěn)態(tài)源的煙羽〔3.6〕式中：——連續(xù)排放時，形成穩(wěn)定的流場后，給定地點的污染物的濃度，單位為g/m3；——連續(xù)排放的物料質(zhì)量流量，單位為g/s；u——風(fēng)速，單位為m/s；，——側(cè)風(fēng)向和垂直風(fēng)向的擴散系數(shù)，單位為m；*——下風(fēng)向距離，單位為m；y——側(cè)風(fēng)向距離，單位為m；z——垂直風(fēng)向距離，單位為m。由液體泄漏中的計算可知，當(dāng)泄漏為小孔泄漏時，連續(xù)排放的物料質(zhì)量流量Q=795.7g/s。因為液氨儲罐水平布置在地面上，所以可以在*軸方向取10m、50m、100m、200m、400m，y軸取0，z軸取0，具體地點污染物濃度見表3.1所示：表3.1不同地點液氨擴散的濃度*〔m〕1050100200400500Y〔m〕000000Z〔m〕000000〔m〕2.195610.0718.9835.7667.3882.62〔m〕210.8921.5742.33981.705100.416C〔g/m3〕20.3090.81320.21780.05890.01620.010753.3火災(zāi)模型噴射火計算加壓氣體泄漏時形成射流，如果在裂口處被點燃，形成噴射火。根據(jù)射流的方向，可以分成垂直噴射火和水平噴射火。根據(jù)?化工企業(yè)定量風(fēng)險評價導(dǎo)則?【5】AQT3046-2021第條泄漏方向應(yīng)根據(jù)設(shè)備安裝的實際情況確定。如果沒有準(zhǔn)確的信息，泄漏方向宜設(shè)為水平方向，與風(fēng)向一樣。所以該企業(yè)液氨儲罐的泄漏方向宜設(shè)為水平方向，僅水平方向噴射火計算。加壓的可燃物泄漏時形成射流，如果在泄漏裂口處被點燃，則形成噴射火。假定火焰為圓錐形，并用從泄漏處到火焰長度4/5處的點源模型來表示?！?〕火焰長度計算噴射火的火焰長度可用如下方程得到：〔3.12〕式中：L——火焰長度，單位為m；HC——燃燒熱，液氨的燃燒熱為11053.315kJ/kg；m——質(zhì)量流速，單位為kg/s。1〕泄漏場景為小孔泄漏時，泄漏孔徑為5mm，質(zhì)量流速795.7g/s。=0.3489m2〕泄漏場景為中孔泄漏時，泄漏孔徑為25mm，質(zhì)量流速m=19.89kg/s=1.456m3〕泄漏場景為大孔泄露時，泄漏孔徑為50mm，質(zhì)量流速m=79.57kg/s=2.696m(2)熱輻射的通量計算距離火焰點源為*(m)處接收到的熱輻射通量可用下式表示：(3.13)式中：q——距離*處接收的熱輻射的通量，單位為kw/m2；f——熱輻射率；τ——大氣傳輸率。大氣傳輸率τ按下式計算：(3.14)選擇泄漏場景為完全破裂時，質(zhì)量流速m=79.57kg/s，熱輻射率f取0.25，*分別取10m、50m、100m、150m。不同距離熱輻射通量見表3.3所示：表3.3不同距離熱輻射通量*〔m〕1050100150τ0.870.780.740.72q〔kw/m2〕0.155.459×10-31.295×10-35.60×10-43.4爆炸模型計算3.4.1沸騰液體擴展為蒸氣云爆炸〔BLEVE〕計算沸騰液體擴展為蒸氣云爆炸〔BLEVE〕計算:采用國際勞工組織建議的沸騰液體擴展為蒸氣云爆炸熱輻射模型進展計算，步驟如下：(1)火球直徑的計算火球直徑計算公式為：(3.15)式中：R——火球直徑，單位為m；W——火球中消耗的可燃物質(zhì)量，單位為kg，對于單罐儲存，取罐容量的50%，對于雙罐儲存，取罐容量的70%；對于多罐儲存，取罐容量的90%。該企業(yè)屬于雙液氨儲罐，容積都為90m3,每個儲罐的實際儲存量為47.25T。即三個儲罐的實際總儲存量為2×47.25=94.5T所以W=70%M=70%×94.5×10^3=6.62×10^4kg即=2.9×〔6.62×10^4〕1/3=117.31m(2)火球持續(xù)時間的計算火球持續(xù)時間按下式計算：〔3.16〕式中：t——火球持續(xù)時間，單位為s；W——火球消耗的可燃物質(zhì)量，單位為kg。即=18.2s(3)目標(biāo)接收到熱輻射通量的計算〔3.17〕式中：q0——火球外表的輻射通量，單位為W/m2；對于柱形罐取270W/m2，對于球形罐取200W/m2；r——目標(biāo)到火球中心的平均距離，單位為m。q0取270W/m2，分別取r=10m、15m、20m、50m、100m，來進展目標(biāo)接收到熱輻射通量的計算，具體數(shù)據(jù)見下表3.1所示：當(dāng)r=10m時，=19.73W/m2當(dāng)r=15m時，=29.19W/m2當(dāng)r=20m時，=38.21W/m2當(dāng)r=50m時，=77.62W/m2當(dāng)r=100m時，=87.89W/m2各點目標(biāo)承受的熱輻射通量見表3.4所示：表3.4目標(biāo)接收的熱輻射通量r(m)10152050100qr(W/m2)19.7329.1938.2177.6287.893.4.2蒸氣云爆炸〔TNT當(dāng)量法〕計算當(dāng)泄漏到空氣中的可燃氣體與空氣的混合物的濃度處于爆炸*圍內(nèi)時遇到點火源發(fā)生的爆炸現(xiàn)象稱為蒸氣云爆炸。其主要危害為爆炸產(chǎn)生的沖擊波，能導(dǎo)致人員傷亡及設(shè)備、設(shè)施、建筑、廠房的破壞。它是一類經(jīng)常發(fā)生、且后果十分嚴重的爆炸事故。通常采用TNT當(dāng)量法估計蒸氣云爆炸的嚴重度【8】。WTNT=αWQ/QTNT〔3.18〕式中WTNT—可燃氣體的TNT當(dāng)量，kg；α—可燃氣體蒸氣云當(dāng)量系數(shù)(一般取值0.04)；W—蒸氣云中可燃氣體質(zhì)量，kg；Q—可燃氣體的燃燒熱，J/kg；QTNT—TNT的燃燒熱，J/kg(一般為4.52×106)；E=1.8αWQ〔3.19〕式中E—可燃氣體的爆炸總能量，J；1.8—地面爆炸系數(shù)。爆炸傷害半徑：〔3.20〕式中：C為爆炸實驗常數(shù)，取決于損害等級，取值為0.03~0.4；N為有限空間內(nèi)爆炸發(fā)生系數(shù)，取10%液氨30℃時，單罐實際儲存量為47.25T【1】，即兩個罐的總儲存量為94.5T,氨的分子量為17，燃燒熱18.59MJ/kg，沸點-33℃，液體比熱容4.6kJ/kg·℃，氣化熱q為1.37×103kJ/kg。(1)氨氣的TNT當(dāng)量計算WTNT的計算WTNT=αWQ/QTNT=0.04×94.5×103×18.59×10^6/4.52×10^6=1.5547*10^4kg(2)氨氣爆炸總能量E的計算根據(jù)公式3.15氨氣爆炸總能量：E=1.8αWQ＝1.8×0.04×94.5×103×18.59=1.26×105MJ(3)氨氣蒸氣云爆炸沖擊波的損害半徑根據(jù)公式3.16計算氨氣蒸氣云爆炸沖擊波的損害半徑為：R=C(NE)1/3=0.2×〔10%×1.26×10^11〕1/3=465.39m〔4〕死亡區(qū)傷害半徑死亡區(qū)內(nèi)的人員如缺少防護則被認為將無例外地受到嚴重傷害或死亡，其內(nèi)徑為零，外徑為R1,，其計算公式為:式中，WTNT為蒸氣云的TNT當(dāng)量，kg.R1=35.54〔5〕重傷區(qū)、輕傷區(qū)傷害半徑重傷區(qū)的人員如缺少防護，則絕大多數(shù)人員將遭受嚴重傷害，極少數(shù)人可能死亡或受輕傷。其內(nèi)徑就是死亡半徑R1，外徑為R2，其計算公式為:式中，E為爆炸產(chǎn)生的總能量，J;P0為環(huán)境壓力，Pa，取Po=101300Pa,△P為引起重傷沖擊波超壓峰值，Pa，取△P=44000Pa.輕傷區(qū)內(nèi)的人員如缺少防護，則絕大多數(shù)人員將受輕微傷害，少數(shù)人將受重傷或平安無事，死亡的可能性極小。內(nèi)徑為R2，其外徑為R3，其計算公式與重傷區(qū)傷害半徑計算公式一樣，其中△P為引起輕傷沖擊波超壓峰值，Pa，取△P=17000Pa.計算得出重重傷區(qū)z=1.089，輕傷區(qū)z=1.957R2=117.12R3=210.46-.z3.5事故傷害的計算3.5.1火災(zāi)熱輻射傷害計算火災(zāi)通關(guān)輻射熱的方式影響周邊環(huán)境，當(dāng)火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射足夠大時，可使周邊的物體燃燒或者變形，強烈的熱輻射可能燒毀設(shè)備甚至造成人員傷亡。人身傷害半徑計算對于噴射火這類穩(wěn)態(tài)火災(zāi)，其人身傷害半徑的計算是：根據(jù)暴露時間10s，死亡時概率為50%的情況下求得導(dǎo)致死亡的熱通量q1、重傷熱通量q2、輕傷熱通量q3分別為81830、69522、305