氯碱化工企业安全风险评估计算与分析方法研究

石斌，刘润滋，吉卫云(北京国信安科技术有限公司，北京 100160)

0 引言

氯碱化工通常指对饱和工业食盐水进行电解来提取相应电解产物的化工生产方法。利用该方法，化工企业可制备氯气、氢气、碱金属、烧碱等产品。

氯碱生产过程中，饱和工业食盐水的电解将产生氯气、氢气与金属钠等中间产物。因此，氯碱化工企业通常需要设置相应的中间产物储存装置与设备。然而，上述储存装置发生破裂、泄漏等问题，则可能导致诸如氯气中毒事故或碱金属燃烧爆炸等安全事故[1]。如2001年1月浙江省临海市某化工厂液氯灌装车间发生氯气泄漏，导致5人出现急性氯气中毒[2]。

因此，科学评估氯碱化工中间产物存设备的安全风险，并根据企业周边情况合理地划分出相应的安全距离，是目前相关企业需要关注的重大安全问题。

1 氯碱化工产品存储的安全风险特征

如前所述，工业盐电解将产生气态与固态两种状态产物，且存储设备不同。其中，氯气泄漏后在空气中扩散，可能导致人员中毒甚至伤亡[3]。固体的金属钠等活性较高的危化品，遇水起火，且反应生成的大量氢气易受热发生爆炸。因此，这两类中间产物的存储安全风险需要分别予以分析与考虑。

1.1 氯气储罐泄漏导致中毒的安全风险特征分析

氯气易液化，因此通常将氯气加压液化成为液氯，再将其注入带压储罐中进行储存[4]。通常需要保证一定的罐内压力，属于带压储罐[4]。该类储罐的相关渗漏、破坏等计算需参考GB/T 37243—2019《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》的要求[5]。依据标准，首先需要分析液氯储罐的渗漏类型。之后，基于泄漏类型初步计算渗漏后液氯的蒸发量。储罐泄漏速率与液氯蒸发量的计算分别如下：

液氯泄漏速率计算：

式中：QL为液氯泄漏速率(kg/s)；p为带压储罐的内部压力(Pa)；p0为环境压力(Pa)；C0为液氯泄漏系数；A为储罐泄漏孔面积(m2)；hL为泄漏孔上方液体高度(m)。

液氯的蒸发量计算：

式中：Q1、Q2、Q3分别表示液氯的闪蒸蒸发速率、热蒸发速率与质量蒸发速率，单位均为kg/s；t1、t2、t3则分别表示闪蒸蒸发时间、热蒸发时间与质量蒸发时间，单位均为s。

其中三类蒸发速率的计算公式分别为：

式中：Cp为液氯的定压热熔/(kJ/kg·K)；TT为储罐内的温度 (K)；Tb为液氯沸点 (K)；HV为液氯的蒸发热 (J/kg)；K为表面导热系数/(W/m·K)；T0为环境温度(K)；α为表面热扩散系数 (m2/s)；a、n为大气稳定系数；R为气体常数 (J/mol·K)；u为风速(m/s)；r为液池半径(m)。

利用上述公式计算得出液氯的蒸发速率与蒸发量后，即可由此分析蒸发后的氯气在空气中的扩散情况。

如标准中所示，位于地面Hz高处的氨气泄漏源，在给定点(x，y，z)处的扩散浓可按下式计算：

式中：Q为液氯的总蒸发速率为三类蒸发速率之和(kg/s)；σx、σy为侧风向和垂直方向的扩散系数(m)。

计算得到氯气的扩散浓度后，即可依据标准判断该扩散浓度是否将超过相应中毒阈值，从而推算出安全距离。

1.2 金属钠泄漏的安全风险特征分析

金属钠为固态危化品，通常采用定压储罐进行储存。储罐破裂或泄漏后，金属钠本身不会发生挥发，也不具备毒性。然而，金属钠属高活性碱金属，遇水(即使是空气中的水蒸气)也极易发生反应，产生大量热的同时生成氢气。其化学反应式如下所示：

因此，金属钠泄漏需考虑其完全反应后产生的氢气可能造成的爆炸。在分析得出储罐泄漏后的钠金属量后，通过换算产生的氢气量，再结合标准中氢气发生蒸气云爆炸事故(UVCE)的安全风险及安全距离计算方式进行分析。

在计算得出钠金属泄漏，并可能造成氢气爆炸的安全距离后，综合液氯泄漏导致人员中毒的安全风险分析结果，选出两者中安全距离的最大值。

2 案例分析

内蒙古某能源材料有限公司拟新建一条高端化学品及能源材料生产线。该项目一期工程涉及电解工业盐生产金属钠。因此，厂区内设有专门的氯气储存装置与金属钠储存仓库。为保证项目安全，需对设计中的储罐泄漏安全风险进行评估。

2.1 液氯与金属钠储罐基本情况

该项目中液氯采用带压储罐进储存，储罐体积为100 m3，内部压力为0.2 MPa，泄漏源高度为1 m，参考标准，氯气中毒浓度为180 mg/m3。

金属钠采用常压容器进行储存，容器体积为792 m3，充装系数为1，密度为0.97×103kg/m3。考虑金属钠与水的反应，按照最危险的金属钠完全反应生成的氢气量进行分析。

该企业所处周边环境为草原、平坦开阔地段，白天辐射强度中等，大气稳定度为B，环境压力约0.101 MPa，平均风速3 m/s，环境大气密度1.293 kg/m3。

2.2 液氯储罐与金属钠储罐发生泄漏的安全距离分析

分别以液氯储罐发生泄漏导致氯气扩散引起人员中毒事故以及金属钠泄漏遇水反应生成氢气发生蒸汽云爆炸为安全风险计算依据，进行相应安全距离计算。

假设两类储罐均为完全破裂，结合储罐基础资料以及相关环境参数，取氯气扩散导致人员中毒以及金属钠泄漏导致爆炸两类事故中的安全距离最大值。

经计算，液氯储罐与金属钠储罐泄漏导致人员死亡的影响半径为1.81 m；人员重伤的半径为8.59 m；人员轻伤的半径为16.7 m。即储罐区域17 m范围内应尽量减少人员集中度较高的建筑(如：工人宿舍、生产车间等建筑)的建设，从而达到减少储罐泄漏导致人员伤亡风险的目的。

2.3 液氯储罐与金属钠储罐发生泄漏的个人风险评估

根据国家相关标准[6]，个人风险指因危险化学品重大危险源各种潜在的火灾、爆炸、有毒气体泄漏事故造成区域内某一固定位置人员的个体死亡概率，采用个人风险等值线来直观地描述危险源周边的个人风险。

依据标准结合液氯储罐与金属钠储罐的相关参数，计算储罐周边个人风险等值线图如图1所示。

图1 两类罐发生泄漏事故的个人风险等值线图

由图可知三类风险等值线内均无对应的防护目标。因此，该项目的储罐区域发生泄漏事故的个人风险满足要求。

2.4 液氯储罐发生泄漏的社会风险评估

根据标准，社会风险指能够引起大于等于N个人死亡的事故累积频率(F)，即单位时间内(通常为年)的死亡人数。通常用社会风险曲线(F-N曲线)表示。

可容许社会风险采用ALARP原则，分析对应的社会风险，如图2所示。

图2 两类罐发生泄漏事故的社会风险曲线

如图2所示，两类储罐发生泄漏事故的社会风处于可接受区，因此无需进一步采取安全改进措施。

3 结语

(1)氯碱化工企业的生产过程中将产生氯气及金属钠等中间产物，其储存泄漏风险分析需同时考虑金属钠遇水反应生成大量氢气引发的爆炸风险以及氯气扩散造成的人员中毒风险。计算相应安全距离也需选取两类风险中的最大值。

(2)经计算内蒙古某企业拟新建的高端化学品生产线发生金属钠与氯气泄漏事故的最大安全距离在17 m以内。为保证人员安全，可尽量避免在该范围内设计建设人员密集型建筑。

(3)通过分析，该企业拟新建的高端化学品生产线发生金属钠与氯气泄漏事故的个人风险与社会风险均符合相关标准与规范的要求，因此生产线设计的安全性达标，可予以施工。