液氯罐区泄露扩散分析以及罐区封闭方案的探讨

徐祥兵

摘要：通过Fluent流体力学模拟软件，对某液氯罐区泄露事故时氯气在封闭罐区内的扩散规律进行研究，结合模拟结果对罐区封闭的建筑、暖通方案进行探讨。结果表明，发生液氯储罐泄漏事故时，越靠近地面，氯气聚集程度越高，提高对流风速有利于控制氯气的扩散高度和缩小氯气扩散空间。设计了一套高效的事故氯收集和吸收处理装置，并对事故风机进行了选型设计。

关键词：液氯罐区;泄露;扩散;封闭方案

中图分类号：TQ124.4 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）01-0156-07

氯是工业生产中常用的剧毒、强腐蚀性化学品，液态氯为黄绿色油状液体，一般使用压力储罐或钢瓶来储存。液氯泄露后会气化形成氯气，氯气属于重质气体，会随空气流动沿地面扩散，聚集在地势低洼处不易消散，严重威胁到周边人员、动植物和水体的安全。随着国家对化工安全生产的日益重视，有关重气扩散性质以及事故氯气扩散的研究也逐渐受到更多关注。

重质气体（重气）泄露扩散研究始于20世纪50-60年代，早期的研究主要采用现场泄露试验，在真实的气象、地形条件下观测气体扩散过程，这种研究手段能够较准确的获得现场实验数据，这些数据对气体扩散理论研究以及验证扩散模拟结果具有重要意义。但现场泄露实验也存在着不可控因素多、数据重复性差等不足，而风洞技术的进步很好的解决了这些问题。Venart、Meroney等在实验室条件下进行了气体扩散的风洞模拟实验，这类实验研究利用相似准则，通过控制特定的变量参数，使得扩散实验的重复性得以提高。近年来计算机技术的快速发展，使计算机数值模拟成为目前气体泄漏扩散研究的重要研究手段。Mcbride等、Hanna等、王文和等诸多学者利用数值模拟技术，从地形、扩散气象条件、泄漏量等方面对氯气泄露扩散进行了研究，但大部分的研究集中于氯气扩散的毒害效果评价和应急管理，而较少从罐区本质安全设计的角度进行氯气泄露灾害防治的研究。

湖北省仙桃市某化工廠以氯气为生产原料，目前该厂露天罐区共有6个20m3液氯卧式储罐。为预防液氯储罐泄露事故对厂区及周边环境的危害，拟对该厂液氯罐区进行封闭式改造并新建事故氯气吸收系统。在液氯罐区外设置封闭墙体，用物理屏障防止事故氯气扩散，并在封闭罐区内通过事故风机进行负压排气，将事故氯气抽送至尾气处理塔吸收，处理过的无害化尾气从塔顶放空管排空。本研究主要通过Fluent流体力学模拟软件，对泄露事故时氯气在封闭罐区内的扩散规律进行研究，并结合模拟结果对罐区封闭的建筑、暖通方案进行探讨。

1扩散理论与基本假设

1.1重气扩散基本方程

Fluent是目前应用最广泛的CFD（ComputationalFluid Dynamics）模拟软件之一，其数值模型遵循基本的守恒定律，泄露扩散过程的主要控制方程包括连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分输送方程。方程具体表述如下：密度，取2.94kg/m³，p2为液体密度，取1404kg/m³。

1.3模型基本假设及条件设置

假设液氯为稳态连续泄露状态，由于本文考察的液氯泄露量较小，液氯在喷出泄露口后很快便完全气化为氯气，所以可认为泄露口处氯气流动状态为不可压缩气体的湍流流动。

封闭厂房内的6个储罐分两排均匀布置在厂房内，储罐直径2m，封头间长度5.8m，储罐下部距地面1m。厂房环境温度为20%，当地大气压为0.1MPa，当地年平均风速2.7m/s。厂房长轴方向两端各有两个可在事故状态下连锁关闭的电控门（宽3.6m，高4m），厂房左侧门为水平进风口，右侧门为出风口，厂房进风口风速不随时间变化，方向始终水平向右。采用前处理软件Gambit建立封闭厂房剖面的二维几何模型，本文以通过液氯储罐中心轴线的封闭厂房剖面为二维空间计算区域（长22m×高7m），厂房顶和地面以及储罐管壁均按壁面考虑，在储罐泄露口附近对模型网格进行加密处理，厂房三维模型示意图如图1所示。选用隐式分离求解器进行计算，求解器采用k-ε双方程模型。泄露事故场景参数列表如表1所示。

2数值模拟结果分析

2.1不同泄漏时间的氯气浓度分布

设定泄露发生在左侧储罐的下部，泄露口当量直径为0.01m，泄露源强为0.24kg/s，厂房对流风速为0.5m/s。累计泄露时间分别为1s、5s、10s、60s时，厂房内的氯气浓度分布如图1—4所示。在累计泄露60s时，厂房右侧出口处氯气浓度随高度的分布如图5所示。

由图1-4可知，泄露开始时，氯气从泄露口垂直向地面快速喷射，在受到地面的阻挡后水平向四周扩散。由于在泄露口下方区域氯气喷射动能大，空气流动对氯气气团扩散的作用相对不明显，但环境空气从左向右流动，决定了氯气气团主体向右扩散。当氯气扩散至两排储罐中间时，由于空气在储罐之间流动产生湍流，卷吸起近地面的氯气向上扩散。由于氯气未完全被空气稀释，气团密度比空气大，升腾起的氯气气团会逐渐下降，贴近设备壁面继续扩散。当氯气泄露60s后，厂房内氯气浓度分布总体呈现由上至下逐渐升高的趋势，这种气体扩散行为符合重气性质。

由图5可知，在厂房出口处，越靠近地面的地方，氯气浓度越高，出口处地面以上2m范围内都是氯气的聚集区域，近地处氯气质量浓度达47.5wt%。

2.2不同对流风速对氯气扩散的影响

设定泄露发生在左侧储罐的下部，泄露口当量直径为0.01m，泄露源强为0.24kg，s，模拟累计泄露时长5s。当对流风速分别为0.01m/s，0.5m/s，5m/s时，厂房内的氯气浓度分布以及右侧出风口处浓度分布如图6～8所示。

由图6—8可知，在模拟的对流风速值范围内，氯气流冲击地面发生反弹和空气扰流，均会使氯气向上扩散。但在风速较高（风速为5m/s）时，两储罐间氯气气团向上扩散的趋势不明显，出现该现象有两方面原因，一方面，随着空气对流风速的增大，空气对氯气气团的稀释作用增强，垂直方向上氯气主体与空气主体交界区域的浓度梯度变大，垂直方向上氯气更集中于近地面处。另一方面，空气风速增大，宏观上空气对氯气的运输作用增强，氯气分子更快地被运送至下风处，故在两储罐间氯气向上扩散的趋势不明显。

对比厂房出风口的浓度分布图可以发现，在距地面高度0～2m范围内，对流风速越高，氯气浓度梯度越大，随着高度的增加，氯气浓度下降更快，说明提高对流风速有利于控制氯气的扩散高度和影响范围。

2.3不同泄漏孔径对氯气扩散效果的影响

设定泄露发生在左侧储罐的下部，对流风速0.5m/s，模拟累计泄露时长5s。泄露口当量直径分别为0.005m、0.01m、0.05m，厂房内的氯气浓度分布以及速度分布如图9—11所示。

由圖9～11可知，泄漏口当量直径越大，相同泄露时间氯气扩散范围越大，氯气泄漏量主要由泄露口面积决定。考察氯气速度分布图可知，对流风速较低时，氯气会聚集于储罐区下部区域，增大氯气的泄露量，氯气分子的扩散作用主要由分子扩散决定，氯气对流扩散效果并不明显。

2.4不同泄漏方向对氯气扩散的影响

设定模拟累计泄露时长5s，泄露口当量直径为0.01m，泄露口位置分别位于左侧储罐的上部或下部，厂房内的氯气浓度分布以及氯气速度分布如图12～13所示。

由图13可以观察到，氯气从泄露口喷射而出，因具有向上的动能而向厂房上部空间扩散，而后氯气气团在重力作用下会有明显下降趋势，同时由于空气的对流流动，氯气气团持续向右侧出口扩散。基于这两方面的作用，氯气在5s内快速的充满厂房的整个空间。对比图12和图13可知，在相同的泄露孔径和累计泄露时间下，液氯储罐上部泄漏比下部泄露更容易造成厂房内氯气的大规模扩散。可见在氯气发生泄漏时，疏散路径应避开泄漏口下风方向的低洼处，优先选择泄漏口上风方向的高处避险。

3液氯仓库封闭方案

图14中，1为液氯封闭罐区，2为液氯储罐，3为固定式吸风口，4为移动式吸风口，5为离心通风机，6为事故氯气吸收塔，7为碱液池，8为碱液循环泵，9为碱液预冷器。

根据泄露事故中氯气扩散行为的研究，设计如图14所示的储罐区的封闭方案，封闭罐区的屋面板选用15CJ63/15CG26中型号KW6015-1的KST屋面板，墙面板选用15CJ63/15CG26中型号KQ9010的KST墙板，墙上设固定窗采光，墙板相应位置设4个电控密闭门满足疏散要求，同时保证封闭后的密封性能。

根据《氯气安全规程》（GBl 1984-2008）、《液氯使用安全技术要求》（AQ3014-2008）、《液氯泄漏的处理处置方法》（HGT 4684-2014）相关规范进行通风设计，正常操作下厂房不封闭，开启电控密闭门利用穿堂风进行自然通风;事故状态下关闭电控门，对罐区进行封闭，开启事故氯风机负压排风。依据《液氯泄漏的处理处置方法》（HGT 4684-2014）附录“D.2.1.1液氯作业场所或密闭厂房发生泄漏，可通过事故氯风机负压将泄漏的氯气捕集输送至事故氯吸收（塔）装置处理”及“D.2.1.2将移动软管吸风罩迅速连接至泄漏处，捕集泄漏的氯气，并输送至吸收（塔）装置或现场的文丘里吸收装置。”液氯罐区配套吸风和事故氯气紧急吸收处理装置，并防范产生气流死角。在液氯罐区出口、窗户位置、及可能发生泄漏的地方安装固定式氯气检测报警仪，氯气检测报警仪探测器距释放源不宜大于1m。

如果发生液氯泄漏事故，立即连锁液氯事故吸收装置进行紧急处理。按照维持50Pa负压计算室外通过门窗缝隙渗入室内的风量，并附加泄露液氯的气化量为氯气每小时最大泄漏量，并适当考虑安全系数，合计为10000m3/h的处理风量，全压为1000Pa。选用防腐离心通风机（型号：F4-726C，风量：10648m/h，全压：1679Pa）可满足保持负压排风要求风量。

4结语

1）氯气扩散行为的模拟研究表明，发生液氯储罐泄漏事故时，越靠近地面，氯气聚集程度越高，这种浓度分布特性与重气特性相符。在厂房出口处地面以上2m高度内都是氯气的聚集区域，近地处氯气质量浓度高达47.5wt.%。

2）厂房对流风速越高，近地处氯气浓度梯度越大，更有利于氯气在水平向扩散，因此提高对流风速有利于控制氯气的扩散高度和缩小氯气扩散空间。

3）在相同的泄露孔径和累计泄露时间下，液氯储罐上部泄漏比下部泄露更容易造成厂房内氯气的大规模扩散。

4）依据氯气在厂房内的模拟扩散特性，设计了一套高效的事故氯收集和吸收处理装置，并对事故风机进行选型设计。