氨气气体泄漏后果分析.docx
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氨气气体泄漏后果分析
1、储罐区的情况简介
1.1储罐区的基本情况
本次课程设计以沈阳某发电厂为研究对象。
该发电厂采用选择性催化还原法进行烟气脱硝,所用还原剂为液氨,共有2个液氨储罐,每个液氨储罐最大储存量为90m3。
液氨储存温度为30℃,储存压力为1.1MPa,密度为750kg/m3,液氨体积占储罐容积的最大值为70%（其充装系数为0.70）。
则每个贮槽内液氨的总质量为W=90m3×750kg/m3×0.7=47.25t。
重大危险源，是指长期地或者临时地生产、搬运、使用或者储存危险物品、且危险物品的数量等于或者超过临界量的单元（包括产所和设施）。
《危险化学品重大危险源辨识》【2】（GB18218—2009）规定氨的临界量为10t，该企业布置有两个液氨储罐，每个储罐装存的液氨为47.25t，因此构成了该液氨储罐区构成了重大危险源。
1.2液氨的主要危险特性
液氨又称为无水氨，是一种无色液体。
在温度变化时，液氨体积变化的系数很大。
溶于水、乙醇和乙醚，与空气混合能够形成爆炸混合物，火灾危险类别为乙类2项。
液氨作为一种重要的化工原料应用广泛，普遍存在于化工生产过程中。
为了运输及储存的便利，通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨。
液氨在工业上应用广泛，由于具有腐蚀性，且易挥发，所以其化学事故发生率相当高，是该储罐区的主要危险物料。
液氨物料的危险特性主要体现在燃烧和爆炸、活性反应和健康危害三方面【3】，具体危险特性及理化性质如表1.1所示：
表1.1液氨的危险特性及理化性质表
危险特性
燃烧和爆炸危险性
极易燃，能与空气形成爆炸性混合物，遇明火、高热引起燃烧爆炸。
活性反应
与氟、氯等接触会发生剧烈的化学反应。
健康危害
对眼、呼吸道粘膜有强烈刺激和腐蚀作用。
急性氨中毒引起眼和呼吸道刺激症状，支气管炎或支气管周围炎，肺炎，重度中毒者可发生中毒性肺水肿。
高浓度氨可引起反射性呼吸和心搏停止。
可致眼和皮肤灼伤。
PC-TWA（时间加权平均容许浓度）（mg/m3）:
20;PC-STEL（短时间接触容许浓度）（mg/m3）:
30。
理化性质
分子量为17.03，熔点-77.7℃，沸点-33.5℃，液氨密度为0.7253g/cm3,临界压力11.40MPa，临界温度132.5℃，饱和蒸气压1013kPa（26℃），爆炸极限15%～30.2%（体积比），自燃温度630℃，燃点为651℃,最大爆炸压力0.580Mpa
2、储罐的事故类型分析
2.1液氨泄漏事故模式及统计分析
通常情况下,液氨在常温下加压压缩,液化储存,一旦泄漏到空气中会在常压下迅速膨胀,大量气化,并扩散到大的空间范围。
液氨事故泄漏后通常有几种事故模式：
液氨泄漏后在泄漏出口处立即点火形成喷射火；泄漏处于开放空间且经过一定时间点火形成闪火；泄漏处于局限空间条件且经过一定时间点火形成蒸气云爆炸；若泄漏过程中没有点火源存在则形成单纯的大气中扩散；储存液氨的储罐有可能发生BLEVE爆炸。
根据事故案例,泄漏事故绝大多数可视为连续点源泄漏模式。
因此,本文着重分析和模拟氨气连续点源泄漏后果。
2.2气氨泄漏事故树模型
3氨气泄漏后果定量计算
3.1气氨泄漏模型
对于灾难性破坏引起的液氨泄漏,可保守地认为容器内所有的贮存物质瞬间全部泄漏,全部泄漏时一般有爆炸发生,对其发生爆炸后的状况再运用数值模拟进行预测意义不大。
因此,文中所研究的是液氨储罐连续性泄漏的数值模拟。
通过对建国50年以来我国化工系统所发生的重（特）大、典型事故性泄漏的统计分析表明,阀门或法兰处的密封失效及阀门或管道断裂是造成事故性泄漏的主要原因,因而可以确定液氨储罐下方的液氨出口接管、储罐上方的气氨出口接管以及安全阀为主要泄漏源。
气氨泄漏模型对于气氨通过其出口接管的泄漏,情况较复杂。
由于出口接管处于气相空间,其泄漏形式主要与泄漏面积的大小有关。
在泄漏面积较大的情况下,高压蒸气通过裂缝或孔洞喷出,储罐内压急剧下降,直到环境压力（常温）。
由于内压急剧下降,气液平衡遭到破坏,储罐内液氨处于过热状态,过热状态的液氨为了再次恢复平衡,内部会均匀地产生沸腾核,同时产生大量气泡,液氨体积急剧膨胀,最终导致爆炸;当泄漏面积不大时,即使有蒸气喷出,但由于储罐内压下降不急剧,液氨不会达到过热状态,因此不会发生蒸气爆炸,其泄漏速率可采用下式计算:
Qm=C0AP02rMRgT0（r-1）PP02/r-PP0r+1/r1/2（3）
式中:
Qm为质量泄漏速率,
kg/s;C0为泄漏系数;
A为裂口面积,m2;
P0为储罐内压,Pa;
M为气体或蒸气的摩尔质量,kg/mol;
Rg为理想气体常数;
T0为泄漏源温度,K;
P为泄漏处压力,Pa;
r为绝热指数。
3.2气氨扩散模型
根据泄漏气体的密度和泄漏源类型，气体的扩散模式可分为烟团扩散和烟羽扩散两种模式。
泄漏量较大且密度比空气的密度大得多的气体扩散呈现烟团式扩散，若泄漏气体密度与空气接近或经很短时间的空气稀释后密度与空气接近时，其泄漏气体的扩散属于烟羽式扩散，大部分较小流量的连续源易形成烟羽扩散。
因此，氨气的扩散属于烟羽扩散。
通过查询沈阳地区的气象资料，沈阳一年内的平均风速为2.84m/s，根据《化工企业定量风险评价导则》AQ/T3046-2013表E.5可知，大气稳定度为C级，根据表E.7可知：
σy=0.282x0.914σz=0.127x0.961
根据Pasquill-Gifford模型扩散方程，位于地面
高处的连续稳态源的烟羽
（3.6）
式中：
——连续排放时，形成稳定的流场后，给定地点
的污染物的浓度，单位为g/m3；
——连续排放的物料质量流量，单位为g/s；
u——风速，单位为m/s；
，
——侧风向和垂直风向的扩散系数，单位为m；
x——下风向距离，单位为m；
y——侧风向距离，单位为m；
z——垂直风向距离，单位为m。
由液体泄漏中的计算可知，当泄漏为小孔泄漏时，连续排放的物料质量流量Q=1106g/s。
因为液氨储罐水平布置在地面上，所以可以在x轴方向取10m、50m、100m、200m、400m，y轴取0，z轴取0，具体地点污染物浓度见表3.1所示：
表3.1不同地点液氨扩散的浓度
X（m）
10
50
100
200
400
500
Y（m）
0
0
0
0
0
0
Z（m）
0
0
0
0
0
0
（m）
2.31
10.07
18.98
35.76
67.38
82.62
（m）
1.16
5.45
10.61
20.66
40.21
49.83
C（g/m3）
46.26
2.26
0.62
0.17
0.046
0.030
1.3 毒负荷氨气为毒性物质。
人类对毒物的反应不仅与所
接触的毒物的浓度有关,而且还与暴露在该浓度下的时间有关,因此,为了同时反映毒物浓度和暴露时间对中毒反应的影响,人们提出了毒负荷的概念,其定义如下:
TL=∫t21Cn（t）dt（7）
式中:
TL为毒物的毒负荷,它决定中毒程度;t1、t2分别为开始暴露时刻和结束暴露时刻,min;C为t时刻暴露环境中毒物的浓度;n为幂指数,对于氨气,n取2。
3.3火灾模型
喷射火计算
加压气体泄漏时形成射流，如果在裂口处被点燃，形成喷射火。
根据射流的方向，可以分成垂直喷射火和水平喷射火。
根据《化工企业定量风险评价导则》【5】AQT3046-2013第9.2.3条泄漏方向应根据设备安装的实际情况确定。
如果没有准确的信息，泄漏方向宜设为水平方向，与风向相同。
所以该企业液氨储罐的泄漏方向宜设为水平方向，仅水平方向喷射火计算。
加压的可燃物泄漏时形成射流，如果在泄漏裂口处被点燃，则形成喷射火。
假定火焰为圆锥形，并用从泄漏处到火焰长度4/5处的点源模型来表示。
（1）火焰长度计算
喷射火的火焰长度可用如下方程得到：
（3.12）
式中：
L——火焰长度，单位为m；
HC——燃烧热，液氨的燃烧热为11053.315kJ/kg；
m——质量流速，单位为kg/s。
1）泄漏场景为小孔泄漏时，泄漏孔径为5mm，质量流速m=1.106kg/s。
=0.4m
2）泄漏场景为中孔泄漏时，泄漏孔径为25mm，质量流速m=27.67kg/s
=1.69m
3）泄漏场景为完全破裂时，泄漏孔径为50mm，质量流速m=110.69kg/s
=3.12m
（2）热辐射的通量计算
距离火焰点源为X（m）处接收到的热辐射通量可用下式表示：
（3.13）
式中：
q——距离X处接收的热辐射的通量，单位为kw/m2；
f——热辐射率；
τ——大气传输率。
大气传输率τ按下式计算：
（3.14）
选择泄漏场景为完全破裂时，质量流速m=110.69kg/s，热辐射率f取0.25，X分别取10m、50m、100m、200m。
不同距离热辐射通量见表3.3所示：
表3.3不同距离热辐射通量
X（m）
10
50
100
150
τ
0.87
0.78
0.74
0.72
q（kw/m²）
0.21
7.59×10-3
1.80×10-3
7.79×10-4
3.4爆炸模型计算
3.4.1沸腾液体扩展为蒸气云爆炸（BLEVE）计算
沸腾液体扩展为蒸气云爆炸（BLEVE）计算:
采用国际劳工组织建议的沸腾液体扩展为蒸气云爆炸热辐射模型进行计算，步骤如下：
（1）火球直径的计算
火球直径计算公式为：
（3.15）
式中：
R——火球直径，单位为m；
W——火球中消耗的可燃物质量，单位为kg，对于单罐储存，
取罐容量的50%，对于双罐储存，
取罐容量的70%；对于多罐储存，
取罐容量的90%。
已知该企业有三个液氨储罐，容积都为120m3,每个储罐的实际储存量为73.981T。
即三个储罐的实际总储存量为3×73.981=221.943T
所以W=90%M=90%×221.943×103=2.0×105kg
即
=2.9×（2.0×105）1/3=169.59m
（2）火球持续时间的计算
火球持续时间按下式计算：
（3.16）
式中：
t——火球持续时间，单位为s；
W——火球消耗的可燃物质量，单位为kg。
即
=26.32s
（3）目标接收到热辐射通量的计算
（3.17）
式中：
q0——火球表面的辐射通量，单位为W/m2；对于柱形罐取270W/m2，对于球形罐取200W/m2；
r——目标到火球中心的平均距离，单位为m。
q0取270W/m2，分别取r=10m、15m、20m、50m、100m，来进行目标接收到热辐射通量的计算，具体数据见下表3.1所示：
当r=10m时，
=13.72W/m2
当r=15m时，
=19.90W/m2
当r=20m时，
=25.77W/m2
当r=50m时，
=54.31W/m2
当r=100m时，
=116W/m2
各点目标接受的热辐射通量见表3.4所示：
表3.4目标接收的热辐射通量
r（m）
10
15
20
50
100
qr（W/m2）
13.72
19.90
25.77
54.31
116
3.4.2蒸气云爆炸（TNT当量法）计算
当泄漏到空气中的可燃气体与空气的混合物的浓度处于爆炸范围内时遇到点火源发生的爆炸现象称为蒸气云爆炸。
其主要危害为爆炸产生的冲击波，能导致人员伤亡及设备、设施、建筑、厂房的破坏。
它是一类经常发生、且后果十分严重的爆炸事故。
通常采用TNT当量法估计蒸气云爆炸的严重度【8】。
WTNT=αWQ/QTNT（3.18）
式中WTNT—可燃气体的TNT当量，kg；
α—可燃气体蒸气云当量系数（一般取值0.04）；
W—蒸气云中可燃气体质量，kg；
Q—可燃气体的燃烧热，J/kg；
QTNT—TNT的燃烧热，J/kg（一般为4.52×106）；
E=1.8αWQ（3.19）
式中E—可燃气体的爆炸总能量，J；
1.8—地面爆炸系数。
爆炸伤害半径：
（3.20）
式中：
C为爆炸实验常数，取决于损害等级，取值为0.03~0.4；
N为有限空间内爆炸发生系数，取10%
液氨25℃时，单罐实际储存量为73.981T【1】，即三个罐的总储存量为221.943T,氨的分子量为17，燃烧热18.59MJ/kg，沸点-33℃，液体比热容4.6kJ/kg·℃，气化热q为1.37×103kJ/kg。
（1）氨气的TNT当量计算WTNT的计算
WTNT=αWQ/QTNT=0.04×221.943×10³×18.59×106/4.52×106=3.7×104kg
（2）氨气爆炸总能量E的计算
根据公式3.15氨气爆炸总能量：
E=1.8αWQ
＝1.8×0.04×221.943×10³×18.59
=2.97×105MJ
（3）氨气蒸气云爆炸冲击波的损害半径
根据公式3.16计算氨气蒸气云爆炸冲击波的损害半径为：
R=C（NE）1/3=0.15×（10%×2.97×1011）1/3=464.53m
3.5事故伤害的计算
3.5.1火灾热辐射伤害计算
根据池火灾模型中的计算可知，池火灾表面热辐射强度为5.25KW/m2，根据《化工企业定量风险评价导则》【5】AQ/T3046-2013附录H表H2不同热辐射强度造成的伤害和损坏中可知，当热辐射强度为6.3kw/m3时，对人的伤害：
在8s内裸露皮肤有痛感；无热辐射屏蔽设施时，操作人员穿上防护服可停留1min。
而对设备没有明显的影响。
3.5.2毒物泄漏伤害计算
有毒物质泄漏后生成有毒蒸气云，它在空气中飘移、扩散，直接影响现场人员并波及居民区。
毒物对人员的危害程度取决于毒物的性质、浓度和人员与毒物接触的时间等因素。
毒性暴露下死亡概率值可按下式计算：
（3.19）
C=2.24×107C/M
式中：
——毒性暴露下的伤亡概率单位值
C*——毒气的体积浓度，单位为mg/m3；
C——浓度，单位为kg/m3；
M——泄漏气体的相对分子量；
a,b,n——描述物质毒性的常数
t——暴露于毒物环境中的时间，单位为min，最大值为30min。
不同距离毒性暴露下的伤亡概率见表3.5所示：
表3.5毒性暴露下的伤亡概率
X（m）
10
50
100
200
400
500
C（g/m3）
46.26
2.26
0.62
0.17
0.046
0.030
C*（mg/m3）
6.1×104
2.9×103
816.9
224
60.61
39.53
9.84
3.75
1.21
——
——
——
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