氯气泄漏扩散风险分析

2011-06-12周德红王六九

武汉工程大学学报 2011年6期

周德红,王六九

(1.武汉工程大学环境与城市建设学院，湖北武汉 430074；2.铜陵市郊区八一学校，安徽铜陵 244000)

0 引言

氯气是我国化学事故发生率最多的危险化学品之一，氯气泄漏事故往往会导致众多人员中毒或死亡，不仅给公众的生命健康和环境造成非常严重的影响，给人民的生命财产造成了损失，而且也为抢险救援工作带来极大的困难.其重要原因之一就是人们对氯气泄漏扩散规律不甚了解，尤其是氯气泄漏扩散后中毒伤害范围的变化，安全警戒疏散距离的确定等信息不能及时获得，从而延误了中毒区域内人员的最佳救援时机.本文对氯气泄漏扩散规律进行风险分析，选用高斯模型，根据Matlab编程对氯气泄漏扩散进行数值模拟，估算出泄漏气体扩散浓度的分布及危害范围，从而为现场警戒、人员紧急疏散以及采取必要的补救措施提供科学的依据，将有助于指导企业在发生氯气泄漏事故后，及时了解氯气泄漏的扩散范围和浓度分布，指导遇险人员正确逃生，避免因吸入氯气而中毒或窒息，达到“本质安全化”，保证企业的安全生产.

1 氯气的危害

氯气在室温下为黄绿色气体,属于2.3类有毒气体，其理化性质见表1[1].由于氯气的物质特性，氯气的危害主要表现为毒性危害、腐蚀性危害、燃爆性危害和环境危害.氯气易造成人员中毒，具有强刺激性.吸入5～10 min氯气的致死浓度为0.09%，吸入0.5～1 h致死的氯气浓度为0.003 5%～0.005%，吸入0.5～1 h致重病的氯气浓度为0.001 4%～0.002 1%[2-3].

表1 氯气的理化性质

2 氯气泄漏风险分析模型

2.1 氯气泄漏原因分析

根据对氯气发生的事故统计，一般情况下，以泄漏型事故较为常见，泄漏事故主要有以下四种类型[4]：设计失误、设备原因、安全管理原因和人为失误.

2.2 风险预测模型的选择

本文选择高斯模型对氯气泄漏进行模拟分析，高斯模型对气体泄漏计算具有一定的普遍性和通用性.高斯模型计算公式见公式(1)[5].

(1)

式(1)中：C(x,y,z)—气体泄漏在空间任意一点的浓度，mg/m3；

Q—单位时间排放量，mg/s；

y—泄漏点的垂直距离，m；

z—泄漏点的铅直距离，m；

u—平均风速，m/s；

σy、σz—横向和铅直向的扩散参数，m；

H—泄漏点高度，m.

2.3 基于Matlab模拟氯气泄漏扩散流程

本文将通过Matlab编程对于氯气泄漏扩散进行数值模拟[6].根据氯气理化特性、泄漏方式、环境参数及扩散参数，对氯气泄漏过程进行可视化模拟，模拟流程见图1.

图1 基于Matlab模拟氯气泄漏扩散流程图

3 实例—氯气储罐泄漏风险分析

本文以氯气储罐为例，假设风速方向为x轴方向，则扩散符合高斯模式.设该储罐最大可储存液氯40 t，储罐尺寸为直径3.0 m，高度为6 m，首先计算泄漏速率.假定液氯储罐距离地面高3.0 m处发生泄漏，氯气在储罐中是液态形式存在，预测液氯泄漏可能的影响范围，泄漏速率采用公式(1)，参数的设定和计算结果见表2.

表2 设定事故条件下液氯泄漏速率计算表

3.1 氯气泄漏风险分析与模拟准备

根据高斯模式，使用Matlab编写程序模拟氯气泄漏扩散情况，预测氯气泄漏风险.

3.2 氯气泄漏扩散风险影响分析

根据Matlab编写程序计算氯气泄漏后分别在A、C、D、F大气稳定度下浓度变化情况见图2～9(模拟平均风速为2 m/s未列出B和E大气稳定度下浓度变化图，因其变化不明显).

图2 大气稳定度为A、风速2 m/s时氯气泄漏浓度沿风速方向变化曲线图(y=0)

图3 大气稳定度为C、风速2 m/s时氯气泄漏浓度沿风速方向变化曲线图(y=0)

图4 大气稳定度为D、风速2 m/s时氯气泄漏浓度沿风速方向变化曲线图(y=0)

图5 大气稳定度为F、风速2 m/s时氯气泄漏浓度沿风速方向变化曲线图(y=0)

图6 大气稳定度为A、风速2 m/s时氯气泄漏扩散模拟图(z=0)

图7 大气稳定度为C、风速2 m/s时氯气泄漏扩散模拟图(z=0)

图8 大气稳定度为D、风速2 m/s时氯气泄漏扩散模拟图(z=0)

图9 大气稳定度为F、风速2 m/s时氯气泄漏扩散模拟图(z=0)

3.3 氯气泄漏扩散风险模拟结果

从风险分析结果可以看出，在大气稳定度为A时，浓度最高值约为170 g/m3,出现在25 m处；在大气稳定度为C时，浓度最高值约为44 g/m3,出现在60 m处；在大气稳定度为D时，浓度最高值约为28 g/m3，出现在90 m处；在大气稳定度为F时，浓度最高值约为10 g/m3.出现在130 m处.氯气泄漏后，出现浓度最高点的距离随大气稳定度A至F呈现减小趋势，氯气泄漏影响区域范围随大气稳定度A到F的变化而增大.