氨氣氣體泄漏后果分析

1、1、儲(chǔ)罐區(qū)的情況簡(jiǎn)介1.1 儲(chǔ)罐區(qū)的基本情況本次課程設(shè)計(jì)以沈陽(yáng)某發(fā)電廠為研究對(duì)象。 該發(fā)電廠采用選擇性催化還原法進(jìn)行煙氣脫硝，所 用還原劑為液氨,共有2個(gè)液氨儲(chǔ)罐,每個(gè)液氨儲(chǔ)罐最大儲(chǔ)存量為90 m3液氨儲(chǔ)存溫度為30c , 儲(chǔ)存壓力為1. 1 MPa,密度為750 kg/m3,液氨體積占儲(chǔ)罐容積的最大值為 70%供充裝系數(shù)為 0.70)。則每個(gè)貯槽內(nèi)液氨的總質(zhì)量為 W=90 m3< 750 kg/m3 乂 0. 7=47.25t 。重大危險(xiǎn)源，是指長(zhǎng)期地或者臨時(shí)地生產(chǎn)、搬運(yùn)、使用或者儲(chǔ)存危險(xiǎn)物品、且危險(xiǎn)物品的數(shù)量等于或者超過(guò)臨界量的單元(包括產(chǎn)所和設(shè)施)。危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí) 【2】

2、(GB18218-2009)規(guī)定氨的臨界量為10t ,該企業(yè)布置有兩個(gè)液氨儲(chǔ)罐，每個(gè)儲(chǔ)罐裝存的液氨 為47.25t ,因此構(gòu)成了該液氨儲(chǔ)罐區(qū)構(gòu)成了重大危險(xiǎn)源。1.2 液氨的主要危險(xiǎn)特性液氨又稱為無(wú)水氨，是一種無(wú)色液體。在溫度變化時(shí)，液氨體積變化的系數(shù)很大。溶于水、乙醇和乙醴，與空氣混合能夠形成爆炸混合物，火災(zāi)危險(xiǎn)類別為乙類2項(xiàng)。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(guò)程中。為了運(yùn)輸及儲(chǔ)存的便利，通常將氣態(tài)的氨氣通過(guò)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(chǔ)罐區(qū)的主要危險(xiǎn)物料。液氨物料的危 險(xiǎn)特性主要體現(xiàn)在燃燒和爆炸

3、、活性反應(yīng)和健康危害三方面【3】，具體危險(xiǎn)特性及理化性質(zhì)如表1.1所?。罕?.1液氨的危險(xiǎn)特性及理化性質(zhì)表危險(xiǎn) 特性燃燒和爆 炸危險(xiǎn)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?；钚苑磻?yīng)與氟、氯等接觸會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。健康危害對(duì)眼、呼吸道粘膜有強(qiáng)烈刺激和腐蝕作用。急性氨中毒引起眼 和呼吸道刺激癥狀，支氣管炎或支氣管周圍炎，肺炎，重度中毒 者可發(fā)生中毒性肺水月中。高濃度氨可引起反射性呼吸和心搏停止。 可致眼和皮膚灼傷。PC-TWA(時(shí)間加權(quán)平均容許濃度)(mg/m3):20; PC-STEL翹時(shí)間 接觸容許濃度)(mg/m 3):30。理化性質(zhì)分子量為17.03 ,熔點(diǎn)-7

4、7.7 C,沸點(diǎn)-33.5 C,液氨密度為 0.7253g/cm3,臨界壓力11.40MPa,臨界溫度132.5 C,飽和蒸氣 壓1013kPa(26C),爆炸極限15%-30.2% (體積比)，自燃溫度 630C ,燃點(diǎn)為651C,最大爆炸壓力0.580Mpa2、儲(chǔ)罐的事故類型分析2.1液氨泄漏事故模式及統(tǒng)計(jì)分析通常情況下，液氨在常溫下加壓壓縮，液化儲(chǔ)存，一旦泄漏到空氣中會(huì)在常壓下迅速膨脹 大量氣化，并擴(kuò)散到大的空間范圍。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(diǎn)火形成噴射火；泄漏 處于開放空間且經(jīng)過(guò)一定時(shí)間點(diǎn)火形成閃火；泄漏處于局限空間條件且經(jīng)過(guò)一定時(shí)間點(diǎn)火形 成蒸氣云

5、爆炸；若泄漏過(guò)程中沒(méi)有點(diǎn)火源存在則形成單純的大氣中擴(kuò)散；儲(chǔ)存液氨的儲(chǔ)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(diǎn)源泄漏模式。因此，本文著重分析和模擬氨 氣連續(xù)點(diǎn)源泄漏后果。2.2氣氨泄漏事故樹模型 3氨氣泄漏后果定量計(jì)算3.1 氣氨泄漏模型對(duì)于災(zāi)難性破壞引起的液氨泄漏，可保守地認(rèn)為容器內(nèi)所有的貯存物質(zhì)瞬間全部泄漏，全部泄漏時(shí)一般有爆炸發(fā)生，對(duì)其發(fā)生爆炸后的狀況再運(yùn)用數(shù)值模擬進(jìn)行預(yù)測(cè)意義不大。因此 ，文中所研究的是液氨儲(chǔ)罐連續(xù)性 泄漏的數(shù)值模擬。通過(guò)對(duì)建國(guó)50年以來(lái)我國(guó)化工系統(tǒng)所發(fā)生的重(特)大、典型事故性泄漏的統(tǒng)計(jì)分析表明，閥門或法蘭處的密封失效及閥門或管道斷裂是造

6、成事故性泄漏的主要原因，因而可以確定液氨儲(chǔ)罐下方的液氨出口接管、儲(chǔ)罐上方的氣氨出口接管以及安全閥為主要泄漏源。氣氨泄漏模型對(duì)于氣氨通過(guò)其出口接管的泄漏，情況較復(fù)雜。由于出口接管處于氣相空間，其泄漏形式主要與泄漏面積的大小有關(guān)。在yt漏面積較大的情況下，高壓蒸氣通過(guò)裂縫或孔洞噴出，儲(chǔ)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(chǔ)罐內(nèi)液氨處于過(guò)熱狀態(tài)，過(guò)熱狀態(tài)的液氨為 了再次恢復(fù)平衡，內(nèi)部會(huì)均勻地產(chǎn)生沸騰核，同時(shí)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(shí)，即使有蒸氣噴出，但由于儲(chǔ)罐內(nèi)壓下降不急劇，液氨不會(huì)達(dá)到過(guò)熱狀態(tài)，因此不會(huì)發(fā)生蒸氣爆炸,其泄漏

7、速率可采用下式計(jì)算：Qm =C0AP02rM RgT0( r -1)P P02/ r- P P0r+ 1/ r 1/2( 3)式中:Qm為質(zhì)量泄漏速率，kg/s;C0為泄漏系數(shù)；A為裂口面積，m2 ;P0為儲(chǔ)罐內(nèi)壓,Pa;M為氣體或蒸氣的摩爾質(zhì)量，kg/mol;Rg為理想氣體常數(shù)；T0為泄漏源溫度,K ； P為泄漏處壓力,Pa; r為絕熱指數(shù)。3.2 氣氨擴(kuò)散模型根據(jù)泄漏氣體的密度和泄漏源類型，氣體的擴(kuò)散模式可分為煙團(tuán)擴(kuò)散和煙羽擴(kuò)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(kuò)散呈現(xiàn)煙團(tuán)式擴(kuò)散，若泄漏氣體密度與空氣接近或經(jīng)很短時(shí)間的空氣 稀釋后密度與空氣接近時(shí)，其泄漏氣體的擴(kuò)散屬于煙羽

8、式擴(kuò)散，大部分較小流量的連續(xù)源易形成煙羽擴(kuò)散。 因此，氨氣的擴(kuò)散屬于煙羽擴(kuò)散。通過(guò)查詢沈陽(yáng)地區(qū)的氣象資料，沈陽(yáng)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(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則AQ/T3046-2013表E.5可知，大氣穩(wěn)定度為 C級(jí)，根據(jù)表 E.7可知：7=0.282x0.914(rz= 0.127x0.961根據(jù)Pasquill-Gifford模型擴(kuò)散方程，位于地面 H r高處的連續(xù)穩(wěn)態(tài)源的煙羽C x,y,z =2 二：y：zUexpexp - 2z - Hj 一_ . .1/z + H八+exp I-2(3.6)式中:9M V,z )_一連續(xù)排放時(shí)，形成穩(wěn)定的流場(chǎng)后，給定地點(diǎn)(x,y,z)

9、的污染物的濃度，單位為g/m3;Q 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;°z 側(cè)風(fēng)向和垂直風(fēng)向的擴(kuò)散系數(shù)，單位為m;x下風(fēng)向距離，單位為項(xiàng)y側(cè)風(fēng)向距離，單位為 m;z垂直風(fēng)向距離，單位為 m>y+ 0) = 一由液體泄漏中的計(jì)算可知，當(dāng)泄漏為小孔泄漏時(shí)，連續(xù)排放的物料質(zhì)量流量Q=1106g/so因?yàn)橐喊眱?chǔ)罐水平布置在地面上，所以可以在 x軸方向取10n 50n 100m 200m 400nl y軸取0, z軸取0,具體地點(diǎn)污 染物濃度見表3.1所示：表3.1不同地點(diǎn)液氨擴(kuò)散的濃度X (m)1050100200400500丫(m)000000Z (m)

10、000000% (m)2.3110.0718.9835.7667.3882.62crz (m)1.165.4510.6120.6640.2149.83C (g/m3)46.262.260.620.170.0460.0301.3 毒負(fù)荷 氨氣為毒性物質(zhì)。人類對(duì)毒物的反應(yīng)不僅與所接觸的毒物的濃度有關(guān)，而且還與暴露在該濃度下的時(shí)間有關(guān)，因此，為了同時(shí)反映毒物濃度和暴露時(shí)間對(duì)中毒反應(yīng)的影響，人們提出了毒負(fù)荷的概念，其定義如下：TL =ft 2 1 Cn( t)d t(7)式中：TL為毒物的毒負(fù)荷，它決定中毒程度；t1、t2分別為開始暴露時(shí)刻和結(jié)束暴露時(shí)刻，min ;C為t時(shí)刻暴露環(huán)境中毒物的濃度;n為

11、哥指數(shù)，對(duì)于氨氣，n取2。3.3 火災(zāi)模型噴射火計(jì)算加壓氣體泄漏時(shí)形成射流，如果在裂口處被點(diǎn)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(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則【5】AQT3046-2013第9.2.3條 泄漏方向應(yīng)根據(jù)設(shè)備安裝的實(shí)際情況確定。如果沒(méi)有準(zhǔn)確的信息，泄漏方向宜設(shè)為水平方向，與風(fēng)向相同。所以該企業(yè)液氨儲(chǔ)罐的泄漏方向 宜設(shè)為水平方向，僅水平方向噴射火計(jì)算。加壓的可燃物泄漏時(shí)形成射流，如果在泄漏裂口處被點(diǎn)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(zhǎng)度 4/5處的點(diǎn)源模型來(lái)表示。(1)火焰長(zhǎng)度計(jì)算噴射火的火焰長(zhǎng)度可用如下方程得到：0.444L _(

12、Hcm)=161.66(3.12 )式中：L火焰長(zhǎng)度，單位為項(xiàng)HC-燃燒熱，液氨的燃燒熱為11053.315 kJ/kg ;m質(zhì)量流速，單位為 kg/s。1)泄漏場(chǎng)景為小孔泄漏時(shí)，泄漏孔徑為5mm質(zhì)量流速 m=1.106kg/s。0.444L =(Hcm)161.66=0.4m2)泄漏場(chǎng)景為中孔泄漏時(shí)，泄漏孔徑為 25mm質(zhì)量流速 m=27.67kg/s0.444L =(Hcm)一 161.66 =1.69m3)泄漏場(chǎng)景為完全破裂時(shí)，泄漏孔徑為50mm質(zhì)量流速 m=110.69kg/s0.444L _(Hcm)一 161.66 =3.12m(2)熱輻射的通量計(jì)算距離火焰點(diǎn)源為 X(m)處接收到

13、的熱輻射通量可用下式表示：fH Cmq =24 二X2 1000(3. 13 )式中：q距離X處接收的熱輻射的通量，單位為kw/m2;f 熱輻射率；T大氣傳輸率。大氣傳輸率。按下式計(jì)算：1 =1 -0.0565ln X(3.14 )選擇泄漏場(chǎng)景為完全破裂時(shí)，質(zhì)量流速m=110.69kg/s，熱輻射率f取0.25 ,X分別取10n 50n 100m 200nl不同距離熱輻射通量見表3.3所示：X (m)1050100150T0.870.780.740.72q ( kw/m 2)0.217.59 X10-31.80 X 10-37.79 X 10-4表3.3不同距離熱輻射通量3.4爆炸模型計(jì)算3.

14、4.1沸騰液體擴(kuò)展為蒸氣云爆炸沸騰液體擴(kuò)展為蒸氣云爆炸( 射模型進(jìn)行計(jì)算，步驟如下： (1)火球直徑的計(jì)算 火球直徑計(jì)算公式為：BLEVE計(jì)算BLEVE計(jì)算：采用國(guó)際勞工組織建議的沸騰液體擴(kuò)展為蒸氣云爆炸熱輻R=2.9W13(3.15)式中：R火球直徑，單位為miW-火球中消耗的可燃物質(zhì)量，單位為kg,對(duì)于單罐儲(chǔ)存， W取罐容量的50%對(duì)于雙罐儲(chǔ)存， W取罐容量的70%對(duì)于多罐儲(chǔ)存，W取罐容量的90%已知該企業(yè)有三個(gè)液氨儲(chǔ)罐，容積都為120m3,每個(gè)儲(chǔ)罐的實(shí)際儲(chǔ)存量為73.981T。即三個(gè)儲(chǔ)罐的實(shí)際總儲(chǔ)存量為 3X 73.981=221.943T所以 W=90%M=90%221.943 X 1

15、03=2.0 X 105kg1 3即 R=2.9W =2.9 X ( 2.0 X 105) 1/3=169.59m(2)火球持續(xù)時(shí)間的計(jì)算火球持續(xù)時(shí)間按下式計(jì)算：t =0.45W13(3.16 )式中：t火球持續(xù)時(shí)間，單位為s;W-火球消耗的可燃物質(zhì)量，單位為 kg。即 t =0.45W13=26.32s(3)目標(biāo)接收到熱輻射通量的計(jì)算q0R2r 1 -0.0581n rR2r2 3 2(3.17 )式中:q0火球表面的輻射通量，單位為W/m2對(duì)于柱形罐取 270 W/m2 ,對(duì)于球形罐取 200 W/m2 ;目標(biāo)到火球中心的平均距離，單位為miq0取270 W/m2,分別取r=10m、15m

16、 20ms 50m 100m來(lái)進(jìn)行目標(biāo)接收到熱輻射通量的計(jì)算，具體數(shù)據(jù) 見下表3.1所示：2q0R r 1 0.0581n r當(dāng)r=10m時(shí),q r)=(R2 +r2 32R r=13.72 W/m22q()R r 1 -0.0581n r當(dāng)r=15m時(shí),(R2 +r2 3=19.90 W/m2當(dāng)r=20m時(shí),qr 二2qoR r 1 -0.0581nr(R2 +r2 3=25.77 W/m2當(dāng)r=50m時(shí),_ 2_q0R r 1 - 0.0581n rq r :3-2R r2=54.31 W/m2當(dāng) r=100m 時(shí),qr =2q°R2r 1 -0.0581n rR r =116

17、W/m2經(jīng)常發(fā)生、且后果十分嚴(yán)重的爆炸事故。通常采用TNT當(dāng)量法估計(jì)蒸氣云爆炸的嚴(yán)重度【W(wǎng)TNT=a WQ/ QTNT8】。(3.18)式中WTNT-可燃?xì)怏w的 TNT a 可燃?xì)怏w蒸氣云當(dāng)量系數(shù) W-蒸氣云中可燃?xì)怏w質(zhì)量， Q-可燃?xì)怏w白燃燒熱，J/kg QTNT- TNT 的燃燒熱，J/kg（E=1.8 a WQ當(dāng)量，kg；（一般取值0.04）;kg；一般為 4.52 X 106);(3.19 )各點(diǎn)目標(biāo)接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)13.7219.9025.7754.311163.4.2蒸氣云爆炸（TNT當(dāng)量法）

18、計(jì)算當(dāng)泄漏到空氣中的可燃?xì)怏w與空氣的混合物的濃度處于爆炸范圍內(nèi)時(shí)遇到點(diǎn)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。它是一類式中E可燃?xì)怏w的爆炸總能量，J;1.8地面爆炸系數(shù)。爆炸傷害半徑:R = C(NE y門(3.20 )式中：C為爆炸實(shí)驗(yàn)常數(shù)，取決于損害等級(jí)，取值為0.030.4 ;N為有限空間內(nèi)爆炸發(fā)生系數(shù)，取 10%液氨25 C時(shí)，單罐實(shí)際儲(chǔ)存量為 73.981T【1】，即三個(gè)罐的總儲(chǔ)存量為221.943T,氨的分子量為17, 燃燒熱18.59 MJ/kg ,沸點(diǎn)-33 C,液體比熱容 4.6 kJ/kg ,氣化熱 q為1.37 X 103 kJ/ kg氨氣的TNT當(dāng)量計(jì)算 WTNT的計(jì)算WTNT = WQ/ QTNT=0.04X 221.943 X 103X 18.59 X 106/4.52 X 106=3.7 X 104kg(2)氨氣爆炸總能量E的計(jì)算根據(jù)公式3.15氨氣爆炸總能量：E=1.8 a WQ= 1.8 X 0.04 X 221.943 X 103X 18.59=2.97 X 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(jì)算氨氣蒸氣云爆炸沖擊波的損害半徑為：R=C(NE)1/3=0.15 X ( 10%X