浅析封闭式无水氢氟酸罐区事故工况处理系统

吴 熠 徐金桥 中国五环工程有限公司 武汉 430223

氢氟酸沸点低，易挥发，具有渗透性和腐蚀性，泄露后具有高危害性。除直接接触会使人体中毒外，还会迅速弥散到空气中，致吸入性损伤，造成支气管黏膜和肺组织缓慢进行性破坏，可使呼吸道严重损伤和急性肺水肿[1]。氢氟酸中的氢离子对人体组织有脱水和腐蚀作用，而氟是最活泼的非金属元素之一，皮肤与氢氟酸接触后，氟离子不断解离而渗透到深层组织，溶解细胞膜，造成表皮、真皮、皮下组织乃至肌层液化坏死。

国内已多次发生氢氟酸泄露事故。如2011年浙江一化工企业20吨氢氟酸泄露，数百人被紧急疏散。2015年广西玉林一辆装载20吨化学品氢氟酸的大货车发生侧翻。2019年江西一氟化工公司发生氢氟酸泄露事故，该公司立即组织应急队伍进行现场处置，并在第一时间通知并疏散了周边群众，经过半个小时左右的处置，泄露才得到全面控制。因此，设置无水氢氟酸罐区泄露事故处理系统非常重要。

以某项目为例，无水氢氟酸罐区设有4个卧罐，单个卧罐规格为D=5m，L=10m。结合无水氢氟酸的易挥发性及高危害性，该项目采纳安全专篇审查意见，无水氢氟酸罐区按封闭设计考虑。

下文就以该项目为例，对封闭式无水氢氟酸罐区发生事故泄露工况时，如何设置和考虑事故通风、事故尾气处理系统和事故喷淋系统等方面进行讨论。

1 事故通风

封闭的无水氢氟酸罐区应考虑机械通风，按正常通风系统和事故通风系统分别考虑。罐区设置有HF检测器。正常工况HF检测器未报警时，封闭无水氢氟酸罐区正常通风，可直接外排大气。罐区出现HF泄露事故，HF检测器报警时，需要切断正常工况的通风系统，运行事故通风系统和事故尾气处理系统。

《石油化工采暖通风与空气调节设计规范》(SH/T 3004-2011)以及《化工采暖通风与空气调节设计规范》(HG/T 20698-2009)中都明确提出正常通风和事故通风换气次数不小于12次/h[2][3]。该封闭罐区内无压缩机及泵，不用考虑换气次数的叠加。

《石油化工采暖通风与空气调节设计规范》(SH/T 3004-2011)附录B(针对全面通风量)中列出HF在设备间的换气次数为15～20次/h[2]。

根据上述规范要求，且认为事故工况换气次数不应小于正常工况换气次数。因此，封闭无水氢氟酸罐区的事故通风换气次数按15次/h考虑。

整个无水氢氟酸罐区占地为：34m(长)×18m(宽)×8.5m(高)，考虑到事故通风系统和事故尾气系统的负荷设置，把无水氢氟酸罐区一分为二，设计成两个封闭房间(房间1和房间2)。只考虑单个封闭房间来考虑事故通风系统和事故尾气处理系统(认为两个房间不会同时发生事故工况)。

按照《化工采暖通风与空气调节设计规范》(HG/T 20698-2009)，当房间高度小于或等于6m时，按房间实际容积计算；当房间高度大于6m时，按6m的空间体积计算[3]。

由于无水氢氟酸储槽都布置在6m高度及以下，计算容积为：17×18×6=1836m3。

因此事故通风排风量为：1836×15=27540m3/h。

2 事故尾气处理系统

在事故情况下，无水氢氟酸罐区突然释放大量的HF，HF检测器报警，通风系统从正常工况切换为事故工况，不能直接外排，必须设置事故尾气处理系统以吸收尾气中的HF，处理后达标排放。

如何考虑系统的事故泄露量，是合理设置事故尾气处理系统能力的关键。既要保证发生事故时，事故尾气处理系统的负荷能保证尾气排放要求和安全，又要避免因过度设计，造成经济上的不合理。

该项目事故尾气处理系统只考虑管道、管件(阀门等)法兰连接处和设备口法兰连接处出现孔泄漏的情况，设备本体上的泄漏问题不予考虑。

泄漏量以《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》(GB/T 37243-2019)为计算依据。

无水氢氟酸储槽的底部出酸口(N3 DN80)为焊接形式，N3口与出酸管道的连接处可不考虑孔泄漏的事故工况。无水氢氟酸罐区封闭房间内需要考虑孔泄漏事故工况的管道有：无水氢氟酸的卸车管道、无水氢氟酸储槽泵的入口管道，回无水氢氟酸储槽的回流管道以及无水氢氟酸储槽上方的气相管道。无水氢氟酸储槽泵布置在封闭罐区外，因此该泵送下游用户的输送管道不在考虑范围内。

液体经管道上的孔流出，质量流率可按下式计算(来自《GB/T 37243-2019》的附录D.1式)[4]：

式中，Qm为质量流率，单位为千克每秒(kg/s)；A为泄露孔面积，单位为平方米(m2)；C0为液体泄露系数；P为管道内液体压力，单位为帕斯卡(Pa)；ρ为泄露液体密度，单位为千克每立方米(kg/m3)。

项目情况如下：

(1)无水氢氟酸的卸车管道管径为DN40，只用考虑小孔泄漏，泄漏孔径取值5mm，根据GB/T 37243中附录D中的公式D.1计算，泄漏的质量流量为1.39t/h。

(2)无水氢氟酸储槽泵的入口管道管径为DN80，需要考虑小孔泄漏和中孔泄漏，泄漏孔径取值20mm，根据GB/T 37243中附录D中的公式D.1计算，泄漏的质量流量为10.8t/h。

(3)回无水氢氟酸储槽的回流管道管径为DN50，只用考虑小孔泄漏，泄漏孔径取值5mm，根据GB/T 37243中附录D中的公式D.1计算，泄漏的质量流量为2.01t/h。

(4)无水氢氟酸储槽上方的气相管道最大管径为DN100，需要考虑小孔泄漏和中孔泄漏，泄漏孔径取值20mm，根据GB/T 37243中附录D中的公式D.13、D.14、D.15和D.16计算，气体泄漏的质量流量为10.43kg/h。

事故工况的泄漏量按上述(2)考虑，既事故工况下的HF的最大泄漏量为10.8t/h。

事故工况尾气处理系统的处理气量按27540m3/h考虑，入口HF浓度=10.8/27540=392g/m3，处理后HF排放浓度按环保批复要求执行。

事故尾气处理系统采用填料塔和NaOH溶液做吸收液来吸收尾气中的HF。事故工况下，需要保证有足够的吸收剂来中和泄露的HF。

无水氢氟酸罐区的封闭房间内设有HF检测器，发生事故，HF检测器报警，要求进行人为干预(关闭泄露点前阀门，切断泄露源；堵漏等)通过人为干预，控制泄露时间。本项目考虑1h的泄露时间，认为泄露发生后，1h的时间完全足够处理好泄露事故。因此，发生事故时，HF最大泄露量为=10.8×1=10.8t。

外购的NaOH规格大多为32%，按10.8t的泄露量，考虑10%裕量，得到中和需要的32%NaOH溶液量，据此设计紧急吸收溶剂槽即可。

3 事故喷淋系统

每个卧罐上方设置独立的事故喷淋系统；根据卧罐规格(D=5m，L=10m)，每个卧罐上方按三行六列，平均分布，共设置18个喷头。选择喷射角为90°，流量为31.5L/min的喷头。为保证喷淋液的不间断性，选择工艺水作为喷淋液。四根工艺水管单独供四个卧罐喷淋使用，一一对应，相互独立。四根工艺水管上分别设有开关阀。

若出现事故尾气处理系统也无法处理突发的紧急工况，如储槽出现罐体破损等情况，可开启喷淋系统，水雾隔离无水氢氟酸储槽，防止高浓度HF尾气外溢，避免造成重大环境影响和引发社会事件。

单个卧罐的喷淋系统开启由对应喷淋工艺水管线上的开关阀控制，操作人员根据监控系统，识别事故罐后，DCS开启此事故罐的工艺水管线上开关阀，开启事故喷淋，实现对事故罐的水雾隔离。为了保证喷淋系统的可靠性，四个无水氢氟酸储槽喷淋系统的控制阀(开关阀)均布置在封闭罐区外，且都设置了旁路手阀。

无水氢氟酸罐区设有围堰，启用喷淋系统后，含氟废水通过地槽收集，再由泵送至污水处理站的事故水池。首先采用化学沉淀法处理含氟废水，事故水池上方设有螺旋输送机，由螺旋输送机往事故水池内投料大量石灰，中和生成CaF2沉淀。事故水池内设有搅拌器。含CaF2的事故水由泵送至压滤机压滤，压滤后得到滤渣CaF2，作为一般固废外送；滤液则采用吸附法进一步脱除F离子，处理达标后外排即可。

4 结语

(1)无水氢氟酸具有高危害性、易挥发性，罐区建议按封闭设计，分别考虑正常通风和事故通风，事故尾气收集处理后达标排放。

(2)设计无水氢氟酸罐区时，建议可按小单罐、小封闭房间考虑，这样能减小事故通风和事故尾气处理系统的负荷。

(3)在封闭式无水氢氟酸罐区内，储槽上方的喷淋系统不能随意开启，喷淋系统开启后，水和环境中的HF接触，会产生氢氟酸去腐蚀设备，可能会让泄露情况更加严重。喷淋系统应在罐区已经失控的状态下去做水雾隔离才开启。