H2S 制硫酸装置外部安全防护距离设计

李 冬

（中石化南京工程有限公司，江苏 南京 210000）

《危险化学品生产、储存装置个人可接受风险标准和社会可接受风险标准》（国家安全生产监督管理总局公告[2014 年]第13 号），外部安全防护距离是指危险化学品生产、储存装置危险源在发生火灾、爆炸、有毒气体泄漏时，为避免事故造成防护目标处人员伤亡而设定的安全防护距离。

本文以某酸性气制硫酸装置为例，使用PHAST 软件和LEAK 软件进行有毒气体扩散和爆炸计算，结合当地多种气象，将结果应用于工程设计中，并和《石油化工工厂布置设计规范》（GB 50984-2014）中的建议值进行比对。

1 装置介绍

1.1 工艺说明

焚烧工段，从上游来的酸性气（H2S）经管廊送至硫化氢缓冲罐，然后送至硫化氢焚烧炉，经由炉前空气鼓风机输送的空气混合燃烧生成含SO2的炉气和少量的SO3，炉气中同时还含有N2以及酸性气中其它组份燃烧生成的CO2、H2O等，出硫化氢焚烧炉的炉气经火管式废热锅炉和过热器回收废热，使炉气温度降低后进入净化系统。

净化工段，对SO2进行净化；转化工段，SO2在催化剂作用下转化为SO3；吸收工段，使用硫酸吸收SO3，生成硫酸。

1.2 选用设备说明

考虑H2S 毒性大于SO2和SO3，同时焚烧工段之后设备为微正压或者微负压，泄漏后影响范围有限，选用酸性气缓冲罐作为计算示例。见表1。

表1 设备一览表

1.3 硫化氢浓度说明

在泄漏模拟中，对H2S 的几个关键浓度参考值进行确认和辨识，标识不同浓度的影响范围：

1） 《工作场所有害因素职业接触限值第1部分化学有害因素》 （GBZ 2.1-2007），H2S 的MAC 值为10mg/m3。

2）美国应急响应计划指南（ERPGs）中采用的毒性指标、生命和健康的急性风险（IDLH）指标及急性暴露指导水平值。利用事故后果模拟软件绘制各评价指标等值线，等值线所示区域内浓度大于该指标浓度[1]。

ERPGs 和IDLH 评价指标体系具体释义见表2。

表2 H2S 气体急性中毒风险三大评价指标体系

2 泄漏孔径确定

1）设备的泄漏点统计如下：

酸性气缓冲罐共有8 条管线，靠近设备均为手动阀门，其中最大连接管径DN500。

2）泄漏场景各泄漏孔径的取值范围和代表值如表3 所示。

利用LEAK 软件进行失效频率分析，法兰处泄漏频率见表4。

表3 泄漏孔径取值

根据《中国石化生产安全风险和隐患排查治理双重预防机制管理规定》（中国石化安[2018]268号）要求，中孔25mm 泄漏频率3.71944×10-4，发生的可能性等级为4，即类似的事件在中国石化曾经发生过，因此选取中孔25mm 泄漏作为本次计算要求。

表4 设备泄漏频率统计（单位：次/年）

3 模拟计算结果

3.1 气象说明

所在地平均气温16.7℃，最高月平均气温28.8℃，最低月平均气温3.5℃；全年平均风速1.9m/s，最大风速平均值11.9m/s；全年相对平均湿度78%。

3.2 泄漏位置说明

酸性气缓冲罐顶部管线法兰泄漏高度6.9m，底部管线法兰泄漏高度1.9m，分别考虑两种不同位置泄漏对结果的影响。

3.3 有毒气体扩散结果

1）平均气温16.7℃，平均风速1.9m/s，平均湿度78%，H2S 分别考虑6.59mg/kg、30mg/kg 和100mg/kg 影响范围，酸性气缓冲罐顶部管线法兰6.9m 处高度发生25mm 孔径泄漏结果见图1。

图1 泄漏影响范围

图2 泄漏影响侧视图

通过图1 和图2 可知，平均气温16.7℃，平均风速1.9m/s，平均湿度78%，H2S 分别考虑6.59mg/kg、30mg/kg 和100mg/kg 影响范围，酸性气缓冲罐顶部管线法兰6.9m 处高度发生25mm孔径泄漏的结果见表5。

酸性气缓冲罐中心距离东北侧消防大队办公楼（240 人·h/d）160.8m，距离东南侧质检站（＞300 人·h/d）117.7m。通过表7 看出，酸性气缓冲罐发生设定条件的泄漏后，消防大队办公楼和东南侧质检站将受到H2S 浓度30mg/kg 的影响。

表5 平均气象下6.9m 处高度发生25mm 孔径泄漏的结果

2）其他气象组合计算结果

计算其他气象条件下的结果见表6。

3.4 爆炸计算结果

酸性气缓冲罐发生H2S 泄漏后爆炸，采用多能法进行模拟计算，该计算方法不受天气和泄漏高度影响，不同冲击波峰值影响范围见图3。

由图5 可知，消防大队办公楼在6.9kPa 范围之外，质检站在6.9～12kPa 的区域。

由图4 和图5 可知，消防大队办公楼和质检站爆炸计算结果见表7。

4 结论

1）根据表6 可知，消防大队办公楼和质检站均受6.59mg/kg 和30mg/kg 的H2S 毒性影响，大部分气象下，消防大队办公楼和质检站受到100mg/kg 的H2S 毒性影响。

图3 不同冲击波峰值影响范围

图4 不同距离对应的冲击波峰值入射超压最大值

2）结合表6 中扩散结果分析，在气象相同时，大多数情况下，酸性气缓冲罐1.9m 高度发生泄漏的影响范围大于酸性气缓冲罐6.9m 高度发生泄漏的影响范围，即泄漏点越靠近地面，影响范围越大。

3）结合表6 中扩散结果分析，其他泄漏设定条件相同，风速越小，H2S 泄漏影响范围越大，即风速和H2S 泄漏影响范围成反比关系；其他泄漏设定条件相同，环境温度越高，H2S 泄漏影响范围越大，即环境温度和H2S 泄漏影响范围成正比关系。可以推断出，高温静风天气条件下，H2S 泄漏影响范围会比较严重。

图5 不同距离对应的正压作用时间

表7 消防大队办公楼和质检站爆炸计算结果

4）根据表7 可知，质检站布置在爆炸超压6.9～12kPa 的区域，建筑应采用单层钢筋混凝土结构，面向冲击波方向的墙体应为混凝土实体墙。建筑的门应采用抗爆防护门，外窗应选用抗爆防护窗。

消防大队办公楼在6.9kPa 范围之外，需要按照标准中表7 中冲击波峰值入射超压最大值6.20kPa和正压作用时间47.3ms 进行相关结构设计。

5）根据《石油化工工厂布置设计规范》（GB 50984-2014）条文4.8.2 解释，H2S 大于3000mg/kg，构成高度危险源，即本装置酸性气缓冲罐构成高度危险源；由于H2S 存量小于5吨，不构成重大高毒危险源。其中，消防大队办公楼为240 人·h/d，质检站＞300 人·h/d。酸性气缓冲罐距离消防大队办公楼的建议值100m，距离质检站的建议值为150m。而根据标准中表7中扩散结果，在温度16.7℃、风速1m/s 和湿度78%的气象情况下，酸性气缓冲罐底部管线法兰1.9m 高度发生H2S 泄漏后，100mg/kg 影响范围为312.2m，消防大队办公楼和质检站均受100mg/kg的H2S 毒性影响。即计算值大于《石油化工工厂布置设计规范》（GB 50984-2014）条文4.8.2 解释建议值，按照计算值进行工程设计。

5 建议措施

1）在进行外部安全防护距离计算时，采用定量风险计算方法，应结合不同泄漏位置，各种气象组合，找到其中影响范围最大的计算。

2）使用定量风险计算方法计算外部安全防护距离，在项目进行可行性研究阶段，为项目位置的确定提供参考；在基础设计阶段，结合防毒间距和防爆间距，对项目内部人员集中场所位置进行确定；在详细设计阶段，结合防毒间距和抗爆计算结果，可以对人员集中场所进行防毒和抗爆设计。

3）将有毒气体扩散结果应用于企业应急救援中，根据ERPGs 公布的原则：侦测或评估数值低于毒性化学物质浓度ERPG-1 或未达危害之浓度时，不进行疏散动作；侦测或评估数值介于毒性化学物质浓度ERPG-1 与ERPG-2 间，则发布警戒管制区及就地避难警报；侦测或评估数值超过毒性化学物质浓度ERPG-2，则发布警戒管制区及疏散警报，或做适当的就地避难；侦测或评估数值超过毒性化学物质浓度ERPG-3，则发布疏散。根据《呼吸防护用品的选择、使用与维护》（GB/T 18664-2002）的有关要求，在IDLH环境中为进入此区域的人员配备合适的防护用品，如全面罩的正压式携气式呼吸防护用品（SCBA）；或在配备适合的辅助逃生型呼吸防护用品的前提下，配全面罩或送气头罩的正压供气式呼吸防护用品。