煤化工企业甲醇泄漏扩散事故分析

邓祥国

(中国神华煤制油化工有限公司北京工程分公司, 北京　100083)



煤化工企业甲醇泄漏扩散事故分析

邓祥国

(中国神华煤制油化工有限公司北京工程分公司, 北京100083)

针对煤化工企业甲醇罐的泄漏事故进行数值模拟，结果表明：在不考虑挥发的情况下，小孔泄漏将在在泄漏口处产生集中渗漏，从而在防火堤内形成小面积液池，随着泄漏时间的增加，靠近地面区域的甲醇浓度降低；大面积泄漏时，罐体从泄漏口开始崩坏，形成湍流后进一步发展成液池，泄漏发生2～5 min是应急救援的关键时期，超过此时间段，泄漏即进入不受控状态。

甲醇; 小孔泄漏; 大面积泄漏；应急救援

煤炭作为我国的支柱性能源，在国民经济中占有举足轻重的地位，对煤炭的综合性利用已成为能源布局中重要的一环，煤制油、煤制烯烃、煤制甲醇、煤制气等煤化工技术的蓬勃发展使我国拥有世界上最大的煤化工产业链，取得了巨大的经济效益和社会效益，但是煤化工产业中伴随着大量危险化学品的生产、使用及运输，存在着极大的安全隐患，因此对各项危险化学品泄漏事故机理进行研究，从而为事故预警机制和应急救援体系的建立提供理论支持刻不容缓。

本文结合煤化工企业现场实际，根据不同的泄漏方式，着重研究甲醇储罐区甲醇泄漏后的扩散规律，为甲醇泄漏事故应急救援决策提供理论依据。

1　甲醇罐泄漏的类型分析

甲醇罐泄漏既有瞬时泄漏，又有连续泄漏[1-3]；泄漏源的几何形状极可能是圆形孔，也可能是罐体脆裂形成的不规则裂纹，还可能是物体击穿容器形成的其他形状。正确分析泄漏源的特征，据此建立适当的泄漏模型，是进行泄漏扩散分析的前提和基础。绝大部分泄漏模式主要是容器和设备上的各种管道、接头、阀门、法兰、仪表接口等，由于密封不严、腐蚀、疲劳裂纹、振动、加工缺陷、物体击穿、泄压释放或者人为失误、管理不足等原因产生的“跑、冒、滴、漏”，以及局部破裂、全尺寸断裂等情况[4-5]，在此我们对甲醇罐泄漏模式分小孔液相泄漏和大面积液相泄漏两种情况进行讨论。

2　甲醇罐泄漏数值分析

本文使用流体力学软件FLUENT进行数值模拟，该数值模拟存在以下几个假设条件[6]：

(1)假设甲醇的泄漏速度与初始速度一致，不发生变化；

(2)在整个液相扩散过程中，不考虑化学反应的发生；

(3)泄漏环境中空气质量稳定，风速为水平方向；

(4)在整个液相扩散过程中，甲醇不与外界发生热量交换。

2.1甲醇罐的小孔液相泄漏分析

当储罐发生过装事故时，甲醇将会从罐顶的孔洞发生泄漏，由于煤化工工厂集中在陕北、内蒙一带，平均气温较低，在不考虑气态挥发的情况下，模拟结果见图1和图2。

图1　甲醇发生小孔泄漏的速度云图

图2　甲醇泄漏后浓度分布云图

如图1和图2所示，甲醇罐发生小孔泄漏后，将在在泄漏口处产生集中渗漏，甲醇会以一定的冲力冲刷罐壁，从而在罐壁的接触边界形成沉积通道的薄弱环节，使泄漏出来的甲醇沿罐壁发生沉积，并在防火堤内形成小面积液池。随着泄漏时间的增加，甲醇有更多的时间气化，同时残留在罐壁上的甲醇使流动阻力增大[7]，从而导致泄漏速度降低，导致靠近地面区域的甲醇浓度降低。

2.2甲醇的大面积液相泄漏数值模拟

当罐体由于罐体缺陷或机械损坏而发生大面积破裂时，假设气温较低，则事故状态下的泄漏为单相液态泄漏，则模拟结果见图3～图5。

图3　初始时刻甲醇体积分数分布

图4　2 min时甲醇的体积分数分布图

图5　2 min时甲醇的速度矢量图

罐体破裂2 min后的甲醇体积分数和速度矢量如图4、图5所示，在这个阶段，罐体前缘甲醇的下部分变形量会很大，部分已经发生滑动破坏，罐体内的压力达不到平衡。从速度矢量来看，罐体附近呈现出上陡下缓之势, 此时破裂口不是很大，对于应急抢险工作来说，尚属于可控范围之内。

图6　5 min时甲醇的体积分数分布

图7　5 min时甲醇的速度矢量图

如图6、图7所示，泄漏发生5 min后，罐体内的甲醇液位出现下降，其力学性质降低，直接会导致罐体前部的水平方向上的位移量较大，而垂直方向上位移变化不大。其部分较大的位移分布在罐体表层,向冲积层底部的变形量逐渐减小。这样罐体在该状态下的破坏形式为：泄漏口边缘会出现塑性流动，从而产生较大的位移,首先滑移，随后牵引中部堆积体滑动，从而发生局部的牵引式逐级滑动。并在靠近地表方向出现速度的最大值。

图8　10 min时甲醇的体积分数分布

图9　10 min时甲醇的速度矢量图

如图8、图9所示，当泄漏发生10 min后，随着罐内甲醇的稳定性进一步降低，塑性破坏都会沿着剪应变最大的部位—泄漏口发生，即被视为局部化剪切引起的变形破坏[8]，整个罐体出现大面积破裂，此时甲醇的液位剧烈下降，其垂直方向上的重力势能转化为水平方向上的动能，并在沿地表的水平方向上出现极大值。

如图10、图11所示，随着变形破坏沿大面积破裂口的发生，整个储罐完全解体，甲醇所具有的重力势能，全部转化为动能，从而在堤内传播，地表形成液池，垂直方向上的速度矢量完全转变成水平方向上的速度矢量。

图10　20 min时甲醇的体积分数分布图

图11　20 min时甲醇的速度矢量图

综上所述，当未遇点火源时，罐体的破裂并不是瞬时的，而是存在一个短暂的过程，罐体从泄漏口开始崩坏，罐内的液面高度随之下降，最后成为湍流，进一步形成液池。泄漏形成的液池由于液体的自由扩散特性，不断向周围蔓延。如果周围环境平坦，不存在防液堤，则液池将在地面呈圆形分布，当然液池也不会无限制地蔓延下去。对于不同的地面类型，对应1个最小液层厚度，即对于不同类型的地面，都对应1个最大液池面积。如果泄漏源周围存在防液堤，则液池在地面的蔓延过程要复杂一些。开始阶段，液池如同周围不存在防液堤一样以圆形向周围蔓延；遇到防液堤后，液池停止径向蔓延，同时其形状将发生改变；之后，随着泄漏的不断进行，液池围绕储罐蔓延，直至包围整个储罐；随后液面开始上升。

3　结　论

(1) 当甲醇罐发生小孔泄漏后，将在在泄漏口处产生集中渗漏，从而在防火堤内形成小面积液池，随着泄漏时间的增加，甲醇有更多的时间气化，靠近地面区域的甲醇浓度降低。

(2)当甲醇罐发生大面积泄漏时，罐体从泄漏口开始崩坏，成为湍流后进一步形成液池。

(3)对于甲醇罐的大面积泄漏事故而言，泄漏发生2～5 min 的时间段内是应急救援的关键时期，超过此时间段，泄漏即进入不受控状态。

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[3]朱伯龄,於孝春,李育娟. 气体泄漏扩散过程及影响因素研究[J]. 石油与天然气化工, 2009(04):354-358．

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[8]Donald M Papa. Clear up pressure relief valve sizing methods[J]. Chemical Engineering Progress, 1991(8):81-83.

Analysis on the Leakage and Diffusion of Methanol in Coal Chemical Industry

DENGXiang-guo

(Beijing Engineering Company, China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Co., Ltd., Beijing 100083, China)

The leakage of methanol tanks in coal chemical industry was simulated. The results showed that ifvolatilization was not considered, concentrated leakage would happen,liquidpool was made up by hole leakage in fire dike,the methanol concentration near the ground area decreased, tank began to collapse and became turbulent further after the formation of liquid pool when large leakage happened, the key period of emergency rescue was when leakage occurred 2 min to 5 min, leakage can not be controlled over this period.

methanol；hole leakage；large leakage；emergency rescue

X93

A

1001-9677(2016)03-0200-03