液氨泄漏范围影响因素的研究.pdf

第4 6 卷第2 期 2 0 1 7 年4 月 爆破器材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s V 0 1 ．4 6N o ．2 A p r ．2 0 1 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 7 ．0 2 ．0 0 5 液氨泄漏范围影响因素的研究米 徐鹏方国强饶国宁 南京理工大学化工学院 江苏南京，2 1 0 0 9 4 [ 摘要]液氨是一种常见的化工原料，由于具有腐蚀性且易挥发，通常储存于耐压储罐中。以液氨泄漏后几种 事故情况中的毒气扩散为研究重点，运用A L O H A 软件对立式储罐的泄漏情况进行模拟，对泄漏点的孔径大小和高 度这两个冈素展开分析．分别改变泄漏点的孔径和高度，结合数据和效果图中泄漏范围变化的趋势，比较泄漏结 果。分析结果表明，氨气扩散范围随着泄漏点孔径的增大而增大，在孔径达到一定值后保持不变，并随泄漏点距地 面高度的上升而降低。 [ 关键词]A I ， H A ；液氨；泄漏；孑L 径；高度 [ 分类号] 7 r Q l13 ．5 I n f l u e n c i n gF a c t o r so nL e a kR a n g eo fL i q u i dA m m o n i a X UP e n g ，F A N GG u o q i a n g ，R A OG u o n i n g S c h o o lo tC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ．N a n j i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y J i a n g s uN a n j i n g ，210 0 9 4 [ A B S T R A C T ] A sac o m m o nr a wc h e m i c a l ，l i q u i da m m o n i ai su s u a l l ys t o r e di nap r e s s u r ec o n t a i n i n gs t o r a g et a n kd u et o i t sn a t u r eo f o r r o s i v ea n dv o l a t i l e ．I nt h i sp a p e r ，t h et o x i cs p r e a dw a sd i s c u s s e da st h ek e yp o i n ta m o n gt h es e v e r a la c c i d e n ts i t u a t i o n sb yl i q u i da m l n o n i al e a k a g e ．A L O H As o f t w a r ew a su s e dt os i m u l a t et h ev e r t i c a ls t o r a g et a n kl e a k a g ea n d e x t e n d e dl ot i l e f a ’t o ra n a l y s i so fp o r es i z ea n dp o r eh e i g h to fl e a kp o i n t ．T h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e di nc o m b i n g w i t ht h el e a k a g er a n g ei nd e s i g ns k e t c hb ya l t e r n a t i n gt h ep o r es i z ea n dp o r eh e i g h tc o r r e s p o n d i n g l y ．A n a l y s i sr e s u l t si n d i e a t et h a tt i l es c o p eo fa m m o n i ad i f f u s i o ni n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fp o r es i z eo ft h el e a kp o i n ta n dr e m a i n su n c h a n g e d t h e r e a f t e r ．b u t o n s i s t e n t l yd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fp o r eh e i g h t ． [ K E Y W O R D S ]A L O H A ；l i q u i da m m o n i a ；l e a k a g e ；p o r es i z e ；h e i g h t 引言 液氨是一种无色液体，具有强烈的刺激性气味， 是重要的化T 原料，可用于生产尿素、硝酸等化学肥 料，也可应用于制冷剂、医药、火箭发射等领域[ 1 引。 由于液氨极易挥发 沸点一3 3 ．4 2 ℃ ，所以，在运 输和储存过程中需要处于低温或者高压环境下。若 充装过量或者压力过大，易发生罐体裂缝甚至爆炸。 液氨属于高度危险物[ 3 ] ，一旦泄漏到大气中，会在 常温常压下迅速膨胀气化，生成大量氨气，氨气具有 毒性，与空气混合，遇明火会发生燃烧和爆炸，极易 引发事故，且有害气体将对人员和环境造成重大 威胁4 引。 近年来。液氨广泛的用途和其固有的危害共存， 使得液氨泄漏事故频繁发生[ 7 - 8 ] ，仅在2 0 1 3 年就发 生了8 起。其中，2 0 1 3 年8 月3 1 日，上海宝山区某 冷藏库发生的液氨泄漏事件造成了1 5 人死亡，3 0 多人受伤[ 9 ] 。泄漏事故每年都造成了巨大的人员 和财产的损失．因此，针对液氨泄漏事故进行风险分 析，模拟液氨泄漏事故的后果．可以为各个涉氨环节 的安全以及事故的应急救援工作提供重要的科学 依据。 2 0 0 6 年．湖北孝感某公司发生液氨泄漏，泄漏 出的氨气扩散至居民区并造成1 死6 伤。针对这一 事故，假定在对储罐的保养及检修不足的情况下，液 氨的腐蚀及储罐原本的锈蚀共同作用引发了罐壁穿 孑L ，分析影响毒性扩散范围的因素。 米收稿日期2 0 1 6 - 0 6 ．2 4 作者简介徐鹏 1 9 9 1 一 ，男，硕士研究，| 三’主要研究方向为安全评价E - m a i l n u s t x p s i n a ．c o n l 通信作者饶旧。九1 9 7 8 一 ，男，博士研究，E ．讲师．主要研究方向为安全1 二程 万方数据 爆破器材第4 6 卷第2 期 1 模拟软件A L O H A 简介 A L O H A a r i a ll o c a t i o n so fh a z a r d o u sa t m o s p h e r e s ， 有害大气空中定位软件 是由美国环保署 E P A 化 学制品突发事件和预备办公室 C E P P O 与美国国 家海洋和大气管理局 N O A A 响应和恢复办公室共 同开发的应用程序[ 1 ⋯，主要用来模拟危险化学品泄 漏而产生的毒气扩散、火灾、爆炸等事故后果。 A L O H A 内置的危险化学品数据库中含有近10 0 0 种常见的危险化学品的物理性质、化学性质和毒性 数据；并且该软件计算结果精确，能够应用于危险化 学品的实际泄漏情况预测和敏感点处化学品浓度的 预测[ 1 1 | 。该软件可与C A M E O 软件配套使用，直接 从C A M E O 的数据库中读取泄漏物质的理化性质数 据[ I2 I 。目前，A L O H A 已经成为危险化学品事故的 应急救援、安全培训及学术研究使用的重要工 具[ 1 3 ] 。 本文中。将使用A L O H A 对液氨泄漏后氨气的 扩散范围进行模拟评估。 2 液氨泄漏模拟 由于液氨泄漏后会形成包括喷射火焰、闪火、蒸 气云爆炸和气体扩散在内的几种事故[ I4 I ，其中，气 体扩散的影响范围最广。本文中。重点研究泄漏高 度和泄漏孔径大小对气体扩散范围的影响。 2 ．1 孔径大小对气体扩散范围的影响 试验模拟假定1 个高3m 、直径1m 的立式圆 柱体储罐发生液氨泄漏，泄漏口为圆形。泄漏发生 时，风速为3m ／s ，风向为西风，空气湿度为5 0 ％，环 境温度为2 0c c ，地面粗糙度选择O p e nC o u n t r y 空 旷地域 ，储罐内温度为一4 0 ℃，液氨1 0 0 ％装满储 罐，泄漏未发生燃烧。 试验中。浓度标准选择美国工业卫生协会 A I H A 制定的应急响应计划指南 E R P G 。 E R P G ．1 人员暴露于有毒气体环境中约1h ，除 了短暂的不良健康效应或不当的气味之外，不会有 其他不良影响的最大容许浓度。 E R P G - 2 人员暴露于有毒气体环境中1h ，不会 对身体造成不可恢复之伤害的最大浓度。 E R P G ．3 人员暴露于有毒气体环境中约1h ，不 会对生命造成威胁的最大气体浓度。 利用高斯 G a u s s i a n 模型一1 5 ] ，对蒸气云的蔓延 区域进行模拟，得到模拟效果见图1 。 要 一，一’ 、风 ‘。。。●● ／ ，， ＼ ／ 一‘- ，一 ＼＼． 卅 、 I 、～ ， ＼ ／ 、 、、一 一， 图1液氨泄漏蒸气云扩散区域 F i g ．1 D i f f u s i o nr e g i o no fv a p o rc l o u d o fl e a k e dl i q u i da m m o n i a 图1 为所设定条件下液氨泄漏后毒害区域的模 拟结果。红色区域表示体积分数大于7 5 0 1 0 “ E R P G ．3 ；橙色区域表示体积分数大于1 5 0 1 0 “ E R P G ．2 ；黄色区域表示体积分数大于2 5 1 0 “ E R P G ．1 。由于环境条件的变化，风向在不同时间 可能略有不同，从而导致氨气的扩散区域的偏移。图 1 中的虚线表示由于风向影响扩散区域的浮动范 围。在设置的特定风向中，泄漏的液氨蒸气云在 9 5 ％的时间会处于此区域．即扩散区域的浮动范 围㈨。 由图1 可以看出泄漏后氨气体积分数大于 7 5 0 1 0 “ 即达到E R P G ．3 标准 ，区域的最大扩散 范围的长度为沿下风向直线2 5 0m ．宽度为下风向 直线两侧各2 4m ，区域形状类似纺锤形体积分数 达到1 5 0 1 0 “ 即达到E R P G ．2 标准 ，区域最大 范围的长度为沿下风向直线约6 1 0m ，宽度为中心 线两侧各8 0m ，区域形状同为纺锤形；体积分数达 到2 5 1 0 “ 即达到E R P G ．1 标准 ，区域最大范围 的长度为沿下风向直线约15 4 0m ，宽度为中心线两 侧各2 0 0m ，区域形状同为纺锤形。 模拟计算的数据见表1 。 为了较为直观地表现出泄漏范围的变化趋势， 将表1 用折线图的方式呈现，见图2 。蓝色曲线表 示体积分数为7 5 0 1 0 “ E R P G 一3 ；红色曲线表示 体积分数为1 5 0 1 0 “ E R P G ．2 ；黄色曲线表示体 积分数为2 5 1 0 “ E R P G ．1 。 由图2 和表1 可以看出，当液氨泄漏以后，随着 泄漏孔径的扩大，气体扩散范围也相应地扩大，而且 当孔径达到一定值时，扩散范围相对稳定，不再继续 扩散。 为了避免偶然性，在环境条件保持不变的情况 下，改变储罐的参数，再次进行模拟，对模拟结果进 万方数据 2 0 1 7 年4 月液氨泄漏范围影响因素的研究徐鹏，等2 3 行检验。 罐体改为直径1m 、高度5m 。液氨泄漏范围见 表2 。 表1直径1m 、高度3m 的罐体泄漏范围 T a b ．1 L e a k a g er a n g ef o rt a n k1 m i nd i a m e t e ra n d3mi nh e i g h t 点 田 授 凝 辖 1 随 扩 糕 泄漏孔直径／c m 图2 不同泄漏孑L 直径下蒸气云扩散范围 F i g ．2 D i f f u s i o nr a n g eo fv a p o rc l o u du n d e r d i f f e r e n tp o r es i z e s 表2直径1m 、高度5m 的罐体泄漏范围 T a b ．2 L e a k a g er a n g ef o rt a n k1m i nd i a m e t e ra n d5mi nh e i g h t 罐体改为直径2m 、高度5m ，液氨泄漏范围见 表3 。 表3 直径2m 、高度5m 的罐体泄漏范围 T a b ．3 L e a k a g er a n g ef o rt a n k2m i nd i a m e t e ra n d5mi nh e i g h t 当不同罐体之间进行比较时发现，按罐体由小 到大，液氨扩散范围达到稳定不变时的孑L 径分别为 5 0 、5 5 、5 7c m 。由此可见，罐体越大，扩散范围越远， 泄漏范围达到稳定的孔径也越大。 2 ．2 泄漏高度对泄漏范围的影响 试验模拟假定1 个高3m 、直径1m 的立式圆 柱体储罐发生液氨泄漏，泄漏口为圆形。泄漏发生 时，风速为3m ／s ，风向为西风，空气湿度为5 0 ％，地 面粗糙度选择O p e nC o u n t r y ，环境温度为2 0 ℃，储 罐内温度为一4 0 ℃，液氨1 0 0 ％装满储罐，泄漏未发 生燃烧。 表4 为泄漏点不同高度下蒸气云的扩散范围， 表4 泄漏点不同高度下蒸气云的扩散范围 T a b ．4 D i f f u s i o nr a n g eo fv a p o rc l o u d u n d e rd i f f e r e n tl e a k a g eh e i g h t s 万方数据 2 4 爆破器材 第4 6 卷第2 期 姜 匝 罐 凝 b 1 Ⅺ F 撼 泄露点距地面高度／c m 图3 泄漏点不同高度下的蒸气云扩散范围 F i g ．3 D i f f u s i o nr a n g eo fv a p o rc l o u d u n d e rd i f f e r e n tl e a k a g eh e i g h t s 图3 为表4 的折线图。蓝色曲线表示体积分数为7 5 0 1 0 “ E R P G ．3 ；红色曲线表示体积分数为1 5 0 1 0 “ E R P G ．2 ；黄色曲线表示体积分数为2 5 1 0 ‘6 E R P G ．1 。 由表4 和图3 可以看出，在其他条件相同的情 况下，E R P G ．1 、E R P G ．2 、E R P G ．3 代表的3 个体积分 数范围的扩散距离均随着泄漏高度的升高而大幅减 小；其中，尤以E R G P 一1 最为明显。这是由于泄漏高 度越高，液氨在泄漏时受到的压力越小。泄漏速度 慢，扩散效应不佳。 3结论 由H L O H A 软件模拟结果可以看出，当储罐中 的液氨出现泄漏时，蒸气云的泄漏距离随着泄漏孔 径的扩大而增长，当孔径达到一定值时，泄漏距离保 持稳定不变同时．泄漏范围也与泄漏点距地面的高 度有关，高度越高则泄漏范围越小。 由此可见，在日常运行及维护时．尤其要加强罐 体底部的检查及保养，一旦发现裂缝等要迅速采取 措施，防止其扩大。在遇到紧急事故时，要会根据泄 漏点大小及位置初步判断泄漏影响范围及严重性， 做好危机应急处理。安全保障人员也可对不同泄漏 情况进行梳理备案。当险情发生时，可根据现场测得 数据迅速做出预测判断。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 1 ]李竹霞，秦言杰，夏昕．液氨装卸站泄漏事故分析及后 果模拟[ J ] ．中国安全生产科学技术，2 0 0 8 ，4 5 1 1 8 ． 1 2 0 ． UZX ，Q I NYJ ，X I AX ．A n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no f l e a k a g ea c c i d e n ti nl i q u i da m m o n i as t a t i o n [ J ] ．J o u r n a lo f[ 9 ] S a f e t yS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 8 ，4 5 1 1 8 1 2 0 ． 孙晖，张树海，吴明亮．液氨泄漏蒸气云爆炸的风险分 析[ J ] ．安全与环境工程，2 0 1 0 ，1 7 4 6 4 - 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1 9 0 ． 徐维维．专家号脉上海液氨事故对冷冻冷藏行业监 管存漏洞[ J ] ．安全与健康月刊，2 0 1 3 1 0 2 4 ．2 5 ． 万方数据 2 0 1 7 年4 月液氨泄漏范围影响因素的研究徐鹏．等 2 5 [ 1 0 ] U ．S ．E n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o nA g e n c y ，N a t i o n a lO c e a n i c a n da t m o s p h e r i cA d m i n i s t r a t i o n ．A L O H A A r e al o c a t i o n s o fh a z a r d o u sa t m o s p h e r e su s e r ’sm a n u a l [ M ] ．W a s h i n g t o n ，2 0 0 6 2 4 - 2 7 ． 『1 1 ]杨玉胜．基于大气扩散模型的危险化学品事故疏散 模拟训练方法[ J ] ．武警学院学报，2 0 0 9 ，2 5 2 5 1 5 3 ． Y A N GYS ．T h em e t h o do ft h ee v a c u a t i o ns i m u l a t i o n a n dt r a i n i n ga b o u th a z a r d o u sc h e m i c a la c c i d e n t sb a s e d o ng a sd i s p e r s i o ns o f t w a r e [ J ] ．J o u r n a lo fA r m e dP o l i c e F o r c e ，2 0 0 9 ，2 5 2 5 1 5 3 ． 『1 2 ]沈阳．A L O H A 在放射性污染物的G a u s s i a n 扩散模型 中的应用[ J ] ．中国安全生产科学技术，2 0 1 2 ，8 8 1 4 7 ．1 5 2 ． S H E N GY ．A L O H Ar a d i o a c t i v ep o l l u t a n t si nt h es p r e a d o ft h ea p p l i c a t i o no ft h eG a u s s i a nm o d e l [ J ] ．J o u r n a lo f S a f e t yS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 1 2 ，8 8 1 4 7 - 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