干式高炉煤气柜火灾、爆炸及中毒危害事故后果模拟分析

范玉佼

（北京国石安康安全评价有限公司，北京 100101)

干式高炉煤气柜火灾、爆炸及中毒危害事故后果模拟分析

范玉佼

（北京国石安康安全评价有限公司，北京 100101)

高炉煤气具有毒性、燃烧、爆炸等特性，是煤气站煤气贮存潜在的主要危险源。采用事故后果定量模拟计算的方法，通过对高炉煤气柜煤气泄漏引发煤气中毒、火灾爆炸后果的分析，为企业事故预防工作提供理论依据。

高炉煤气柜；泄漏；事故模拟；后果分析

目前国产新型干式高炉煤气柜已经具备技术稳定性强、储气压力高、操作稳定性强、制造和安装工艺成熟的特点，在国内钢铁冶金行业均有应用，比如韶钢、水钢、武钢、鞍钢、湛钢等企业。

高炉煤气因泄漏造成中毒、火灾、爆炸等危害事故是煤气柜站内系统区域存在的主要危险有害因素。高炉煤气为炼铁过程中产生的副产品，主要成分为CO、CO2、N2、H2，其中CO含量约23.28%，是主要可燃成分，还含有少量的H2、CH4，也是主要危险源。高炉煤气爆炸极限一般在4.2%～12.5%，煤气柜储存区等由于设备、管道、阀门等损坏、或密封不严密，或有毒气体报警装置失效，或人员操作不当、管理不善等引起煤气泄漏，就可发生中毒事故；当空气中煤气浓度达到爆炸极限时遇点火源（明火、火花等）就会发生火灾、爆炸事故，一旦发生，火势得不到有效控制，极有可能引发站区内相邻煤气柜受热起火，发生事故多米诺现象。

本文选取广东省某钢铁企业近期新增上的一台2号高炉煤气柜（为厂内气柜编号）为研究对象，基于安全事故考虑，对该气柜可能发生的火灾、爆炸及中毒危害事故后果进行了模拟分析。

1 干式高炉煤气柜情况介绍

本文2号高炉煤气柜主要技术参数：公称容积30×104m3，圆筒形，直径D=64.8m，储气压力9±0.2kPa，煤气温度≯65℃；储存煤气成分（体积比）：23.28%CO、25.05%CO2、5.35%H2、46.3%N2、0.02%CH4；煤气计算低热值：（3 260±5%kJ/m3，含尘量：≤10mg/m3。

2 煤气中毒危害后果分析

高炉煤气中毒危害主要是由煤气泄漏引起的CO中毒，所以选用毒物泄漏扩散及伤害模型对煤气泄漏造成的CO中毒后果进行评价。

2.1 气体泄漏量计算

发生泄漏的设备裂口按规则的裂口形状考虑，不规则的裂口以等效的尺寸折合。假设气体符合理想气体状态方程，从裂口泄漏过程视为绝热过程，首先根据气体的泄漏速度判定其泄漏时流动状态，是属于音速还是亚音速流动，前者称为临界流，后者称为次临界流。

当式（1）成立时，气体流动属音速流动：

当式（2）成立时，气体流动属亚音速流动：

式中p为容器内介质压力，Pa；

p0为环境压力，Pa；

k为气体的绝热指数，即比定压热容Cp与比定容热容Cv之比。

气体呈音速流动时，其泄漏量为：

气体呈亚音速流动时，其泄漏量为：

式中Cd为气体泄漏系数，当裂口形状为圆形时取1.00，三角形时取0.95，长方形时取0.90；

Y为气体膨胀因子，它由下式计算：

式中M为分子量；

R为气体常数，J/（mol·K）；

T为气体温度，K。

2.2 气柜破裂时的毒害区估算

泄漏物料虽然特性不一，但大多数物质从容器中泄漏出来后，都可发展成弥散的气团向周围空间扩散，故建立半球形向外扩散模型；若已知混合气体中某种有毒物质的危险浓度，便可求出混合气体中该种有毒气体的体积。假设有毒气体以半球形向地面扩散，则该有毒气体扩散半径为：

式中R为有毒气体的半径，m；

V为有毒介质的体积，m3；V=m/C。

2.3 CO泄漏量计算过程

高炉煤气主要因含有CO而具备毒性。根据煤气柜储气情况，取煤气的k=1.3，M=30.61g/mol，R=8.314J/（mol·K），T=338K，该煤气柜的压力p=110 000Pa，p0=101 000Pa，根据公式（1）、（2）可知，该p0/p=0.92，故该气柜的泄漏气体流动属亚音速流动，事故模拟考虑泄漏裂口形状为圆形，裂口面积取A=0.02m2，根据公式（4），则：

取1min、5min、10min、30min及60min的泄漏时间，分别算出泄漏煤气中CO的质量，见下表。

表1 不同时间煤气中CO的泄漏量

2.4 泄漏毒害半径计算

我国车间空气中CO的最高容许浓度为30mg/m3。据已有资料证明，CO浓度达292.5mg/m3时，可使人产生严重的头痛、眩晕等症状，COHb可增高至25%；CO浓度达1 170mg/m3时，吸入超过60min可使人发生昏迷，COHb可增高至60%；CO浓度达11 700mg/m3时，数分钟内可使人致死，COHb可增高至90%。假定在无风、无上下气流的气象条件下，根据公式（6）分别计算CO浓度为30mg/m3、292.5mg/m3、1 170mg/m3、11 700mg/m3时有毒空气在1min、5min、10min、30min及60min的扩散半径，见下表。

表2 有毒气体泄漏半径（m）

3 煤气泄漏爆炸后果分析

根据荷兰应用研究院TNO（1979）建议，按照下式预测蒸气云爆炸的冲击波的损害半径：

式中R为损害半径，m；

E为爆炸能量，kJ，E=V0·HC；

V0为参与反应的可燃气体的体积，m3；

HC为可燃气体的高燃烧热值，kJ/m3；

N为效率因子；

CS为经验常数，取决于损害等级。

按照上述煤气泄漏中毒模型计算泄漏5min的煤气量为675kg，取高炉煤气的浓度C0=1.37kg/m3，其体积为V0=675/1.37=492.70m3，则爆炸能量E=3 260×492.70=1 606 202kJ。

代入公式（7）计算，则高炉煤气泄漏形成蒸气云爆炸的冲击波的损害半径见下表。

表3 损害等级及损害半径（m）

4 结论

本文采用事故后果定量模拟计算的方法，计算出企业新增2号高炉煤气柜发生煤气泄漏事故后，可能引发的不同时间下发生煤气中毒事故的半径范围，以及遇点火源，发生火灾爆炸后果的不同损害等级下的覆盖半径范围，可为企业事故预防工作提供一定的理论依据。

[1] 国家安全生产监督管理局.安全评价（上册）[M].北京：煤炭工业出版社，2005.

[2] 王宇新，黄斌.干式煤气柜泄漏及中毒事故预测后果分析[J].湖南有色金属，2008，（24）：32-36.

Simulation Analysis on the Consequences of Fire，Explosion and Poisoning Accident of Dry Blast Furnace Gas

Fan Yu-jiao

Blast furnace gas has the characteristics of poisoning，burning and explosion，which is the main dangerous source of gas storage in gas station.In this paper，the method of quantitative simulation of accident consequences is used to analyze the consequences of gas poisoning and fire explosion caused by gas leakage from blast furnace gas tank，which provides the theoretical basis for enterprise accident prevention.

blast furnace gas tank；leakage；accident simulation；consequence analysis

TQ548

A

1003–6490（2017）11–0189–02

2017–09–10

范玉佼（1986—），女，河南漯河人，主要研究方向为化学工业安全生产管理与防护。