高炉煤气柜泄漏及爆炸事故后果分析

姜彩凤

摘 要：大型干式煤气柜储存量大，储存介质易燃易爆有毒，如果发生泄漏，就容易引起严重的爆炸事故。本文运用有毒物质泄漏扩散事故后果模拟分析，对高炉煤气柜泄漏及爆炸的影响范围进行定量描述，为企业的事故预防工作提供依据。

关键词：煤气;泄漏;爆炸;后果分析

中图分类号：X938文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）05-0012-04

Abstract： Large dry gas tanks have large storage capacity， and the storage medium is flammable， explosive and toxic. Once a leak occurs， it is likely to cause a serious explosion accident. This paper used a simulation analysis of the consequences of a toxic substance leakage and diffusion accident to quantitatively describe the scope of the blast furnace gas tank leakage and explosion， and provided a basis for the accident prevention work of enterprises.

Keywords： gas;leakage;explosion;consequence analysis

大型干式煤氣柜拥有很大的储存量，储存介质易燃易爆有毒，一旦发生泄漏，易引起爆炸事故，后果十分严重[1]。另外，周边居民生活区、敏感点较多，情况复杂。因此，对煤气柜进行泄漏及爆炸危险性分析，具有十分重要的意义。

1 高炉煤气柜主要技术参数

高炉煤气柜主要技术参数如表1所示。

2 高炉煤气柜泄漏及爆炸事故后果分析

2.1 高炉煤气柜煤气泄漏扩散模型

高炉煤气柜煤气的平均摩尔质量[M]=30.6 g/mol，与空气接近，可选用高斯烟羽模型。

高斯烟羽扩散模型是用来描述连续泄漏到大气中的污染物沿下风向扩散浓度分布最广泛的模型之一。有毒气体发生长时间泄漏（持续泄漏时间超过10 min），其泄漏源可认为是连续均匀的，有毒气体在[y]、[z]轴上的分布符合高斯分布（正态分布），在当地风速、地面粗糙度的影响下，泄漏的有毒气体扩散模式可以认为遵循“地面连续点源扩散模式”，其扩散模式符合高斯烟羽扩散数学模型[2-3]。Pasquill-Gifford模型扩散方程为：

假设气体在扩散过程中不发生沉降、相变和化学反应，气体扩散行程中无障碍物。由于管道破裂而发生泄漏时，其可视为地面点源泄漏。以泄漏点为原点，风向顺着轴正方向，泄漏高度[H]=0，其连续稳态烟羽浓度分布公式可简化为式（2）。

依据《化工企业定量风险评价导则》（AQ/T 3046—2013），当大气稳定度为[F]时，查表可得：

2.2 泄漏危险性分析

2.2.1 源项计算及场景选择。煤气泄漏过程中，假设泄漏气体为理想气体，泄漏过程为绝热过程，泄漏孔面积不随时间发生变化，气体泄漏速率恒定，泄漏看作是地面泄漏。结合当地亚热带气候的特点，选取风速1.5 m/s、温度300 K、大气稳定等级F。场景选择如表2所示。

2.2.2 泄漏速率（源强）计算。煤气柜连续泄漏可视为连续点源泄漏，连续点源泄漏可通过小孔泄漏模型进行计算。气体流动属音速流动，满足以下条件：

音速流动的气体泄漏质量流率为：

计算参数取值如表3所示。

20万m3高炉煤气柜，当泄漏面积[A]=10 mm2时，根据式（6）计算，10 mm2的泄漏速率[Q10mm]为：

20万m3 高炉煤气柜，当泄漏面积[A]=100 mm2时，根据式（6）计算，100 mm2的泄漏速率[Q100mm]为：

2.2.3 泄漏爆炸危险区域计算。高炉煤气的爆炸下限为30.8%，泄漏的煤气体积比达到爆炸下限时，单位体积空气中煤气质量如式（9）所示。

设式（1）中[y]=0，[z]=0，则气体扩散至[x]处时，[C（x，0，0）]=0.382 9 kg/m3，将其代入式（1），得出式（10）。

则有[σyσx=Q/（0.382 9πu）=0.554 2 Q]。

2.2.3.1 高炉煤气柜。当泄漏面积[A]=10 mm2时，[Q10 mm]=0.075 8 kg/s，则有：

由式（11）可得，[x]≈2.18 m，以转炉煤气柜泄漏点为中心，沿顺风向，距离泄漏点2.2 m范围内煤气具有潜在爆炸危险。

2.2.3.2 高炉煤气柜。当泄漏面积[A]=100 mm2时，[Q100 mm]=0.757 7 kg/s，则有：

由式（12）可得，[x]≈6.91 m，以转炉煤气柜泄漏点为中心，沿顺风向，距离泄漏点7 m范围内煤气具有爆炸危险。

2.2.4 泄漏毒性范围计算。煤气的毒性是其主要危险性之一，空气中CO浓度与人体症状关系如表4所示。

表4数据来源《危险化学品安全技术全书》（化学化工出版社）。

空气中的CO浓度低于30 mg/m3为安全标准。当空气中CO浓度为30～400 mg/m3时，人们会出现轻度中毒症状;当空气中的CO浓度为400～1 000 mg/m3时，人们会出现中度中毒症状;当空气中的CO浓度为1 000～2 069 mg/m3时，人们会出现重度中毒症状;如果浓度高于2 609 mg/m3，人们会中毒而致死。

煤气中主要有毒物质是CO，确定CO的安全风险阈值，理论上应根据煤气中CO的体积组分换算成为高炉煤气的安全风险阈值。高炉煤气不仅含有CO，还含有大量N2，后者占总体积的58.1%，N2雖然无毒无味，但也会造成窒息，因此，本文将CO的安全阈值当作高炉煤气的安全阈值。详情如表5所示。

将高炉煤气的源强、泄漏时间、安全阈值等参数代入式（1）中，利用Matlab软件的计算与绘图功能，对20万m3高炉煤气柜毒气泄漏进行模拟。

当源强[Q]=0.075 8kg/s，泄漏面积[A]=10 mm2时，设源架高[He]=5m，则高炉煤气下风向扩散浓度图如图1所示。

通过图1看到，高炉煤气从高架源点泄漏时，在下风向45 m处达到最大浓度336.07 mg/m3后，浓度随着距离的增加而逐步降低，在侧风向即[y]-[z]轴向呈正态分布。

由图2、图3可得，下风向45 m处（最高浓度为336.07 mg/m3）到最远271 m处为轻度中毒症状区，人身安全均受到影响;侧风向最大影响距离为23 m。

当源强[Q]=0.757 7 kg/s，泄漏面积[A]=100 mm2时，设源架高[He]=5 m。

源强Q=0.7577 kg/s，泄漏面积A=100 mm2时，设源架高He=5 m，MATLAB软件的计算结果为：源强的增加并没有影响煤气扩散最大浓度点出现的距离，最大浓度3359.32 mg/m3 仍是出现在45 m的距离上，但浓度增加了约十倍，同一距离气体扩散浓度与源强及泄漏面积成正比。

对于源强[Q]=0.757 7 kg/s的高炉煤气而言，在大气稳定度为[F]、风速[u]=1.5 m/s的条件下，下风向各安全阈值区域的距离如表6所示。

3 结论

从高斯烟羽扩散数学模型看到，大气气象条件对烟云的扩散影响是非常大的，大气稳定度越不稳定，风速越大，越有利于有毒气体的扩散，越能降低煤气扩散的浓度，减小毒性影响的范围。本文选择的大气稳定度[F]、风速[u]=1.5 m/s是极不利于有害气体扩散的情况，即选择最坏的情况。

泄漏面积对气体扩散浓度影响很大，泄漏面积越大，扩散浓度越高。源架高度[Hr]对有毒气体扩散影响也很大，高度越高，扩散距离越远。本文在爆炸危险分析中选择[Hr]=0，实源与虚源重合，扩散浓度会成倍增加，增大了火灾爆炸事故的危险性。

在泄漏危险分析中，当选择[Hr]=5 m时，毒性影响范围增大，最大扩散浓度落地点45 m处没有达到爆炸下限，没有爆炸危险。但随着源强的增加，其发生爆炸的危险性也会加大。源架高度[Hr]对有毒气体扩散影响也很大，高度越高，最大浓度落地点越远，扩散范围也越大。因此，高架管道的泄漏、煤气水封及放散塔应是人们在工作中关注的重点部位。

参考文献：

[1]唐晓文，王国忠，金康定.干式煤气柜火灾爆炸危险性评价与对策[J].工业安全与环保，2008（12）：33-35.

[2]国家安全生产监督管理总局.安全评价[M].北京：煤炭工业出版社，2005.

[3]吴宗之，高进东，魏利军.危险评价方法及其应用[M].北京：冶金工业出版社，2002.