（环境工程专业论文）化学品瞬时泄漏大气影响预测及定量风险分析.pdf

摘要 随着工业的巨大发展，化学物质在工业上大量使湖，这促进了 工业的巨大发展，但同时也带来了巨大风险，突发性污染事故时谢 发生。突发性污染事故具有发生的突然懂、瓣惑性、惫害戆严重瞧 和处理的艰巨性等特点，如果事先对事故的后果进行预测，对存在 的风险进行分析，在事故发生之前，就采取相应的措施防止事故发 生，无疑可以大大减少事故发生戆可能牲移频率。这对予缳障入泌 的生命健康，保障我国经济的正常发展，减少经济损失具有重大意 义。我国环境保护局1 9 9 0 年第0 5 7 号文要求对重大环境污染事故隐 患进行嚣境风险评绘。 其中脊毒化学品的泄漏事故是发生频率较高的一种突发性污染 事故。化学品污染事故形式多种多样，机理q 常复杂，特别是对于 氨气、氯气、液纯气等低沸点化学麴囊，先了贮存释运输熬方便， 通常以液化、高压、低温等形式存储于钢瓶等高压容器中。当储存 容器发生失效时，大遗物质在瞬间泄漏，对环境造成臌大的危害。 这瓣渣添扩数过程不穗子工业凌气等一般大气污染携懿歪鬻蓑 敖， 在扩散过程通常包含复杂的物理化学现象，例如液相蒸发和化合反 应等；扩散过程中云团和环境发生刷烈的热量交换等，由于液滴夹 繁j 霪低遗等瀑霞缀容携形成重气云霞，壶予篷力沉降终攘沉降至避 面，而造成更大的危害。 传统的高斯模型出于没有考虑重气扩散中的重力沉降、物理化 学转交等避程，不适合予模援这类事故憨扩散逶程。，零论文在蓠 人研究的基础上，详细分析了重气形成的原因和扩散过程特征，针 对高压储襻液相物质瞬时泄漏问题，建立了一套完整的泄漏事故扩 敷颈测模型并绘毽穗簸懿诗算方法。摸型分凳两蘩分，遂气扩教除 段模型和被动扩散阶段模型。蓬气扩散阶段模型采用c o x 和 c a r p e n t e r 燕气扩散模型，同时结合对源泄漏、相变过稷的模拟，详 缁讨论了溺澄敦闵蒸，液漓蒸发秘空气夹繁等过程；囊气扩数绩紊 后的被动扩散模型采用具有初始体积的体积源扩散模黧进行衔接。 本论文以高压储存的液氯瞬时泄漏事故为例进行了实例计算。并在 此基础上为此类事赦瓣风险分孛厅定量诗算掇供了一静哥供借鉴睡方 法，根据有毒物质的簿性闽值划分伤害分医，从而为肖关部门制定 和完善事故的应急救援措施和风险管理计划提供依据。 一”、 关键词；突发性事龄瞬时泄漏、 ， 驾。 堕殴蔫堑 a b s t r a c t c h e m i c a lm a t e r i a l sa r e w i d e l y u s e dw i t ht h e d e v e l o p m e n t o f i n d u s t r y n o to n l yt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r yi sa c c e l e r a t e d ，b u ta l s o t h eh i g hr i s ki sb r o u g h to nb e c a u s es p o r a d i ca c c i d e n t sh a p p e nn o wa n d t h e n 。m a j o r c h a r a c t e r i s t i co f s p o r a d i c a c c i d e n t sa r e u n e x p e c t e d ， i n s t a n t a n e o u s ，a n dc a u s es e r i o u sc o n s e q u e n c e sa n d a r eh a r dt od i s p o s e i nc a s et h a tt h e yh a p p e n s u p p o s i n gt h a tt h er i s ki sa n a l y z e d ，t h er e s u l t i s f o r e c a s t ，a n dt h em e a s u r ei s t a k e nb e f o r e h a n di no r d e rt op r e v e n t t h e mf r o mh a p p e n i n g ，t h ep r o b a b i l i t ya n df r e q u e n c ya r ea l lr e d u c e d m a r k e d l y i t ss i g n i f i c a n tt op r o t e c tt h eh e a t ha n dl i f e t or e d u c et h e e c o n o m y l o s sa n dt om a i n t e n a n c et h er u n n i n gs t a t e l yo f e c o n o m y t h e n o 0 5 7f i l ei s s u e db yn a t i o n a le n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na g e n c yc l a i m s t h a tt h er i s ka s s e s s m e n ts h o u l db ec a r r i e do u tf o ri t e m se x i s t i n gt h e h i g h l yp o t e n t i a la c c i d e n t s r i s ki n1 9 9 0 t h el e a k a g eo ft h et o x i cc h e m i c a l si so n es o r to fa c c i d e n t st h a t h a p p e nf r e q u e n t l y i t sl e a k a g em o d e sa n dm e c h a n i s ma r ei d e n t i c a la n d c o m p l i c a t e d + e s p e c i a l l y t h el o w e r b o i l i n g p o i n t c h e m i c a l ss u c ha s a m m o n i a ，c h l o r i n ea n de t c ，a r ea l w a y sl i q u e f i e da n ds t o r e di np r e s s u r e d c o n t a i n e r si nc o n v e n i e n c ef o rs t o r a g ea n d t r a n s p o r t a t i o n i tw i l lc a u s e s e r i o u sr e s u l ti fi ti sl e a ko u t w a r d s 。i t s p r o c e s so fl e a k i n ga n dd i s p e r s i o n i sd i f f e r e n tw i t ht h a to fa t m o s p h e r i cp o l l u t a n t se x h a u s t e di nn o r i l a l c o n d i t i o n s i t p e r h a p s c o n t a i n s c o m p l i c a t e dp h y s i c a la n dc h e m i c a l t r a n s f o r m a t i o ns u c ha se v a p o r a t i o na n dc h e m i c a lc o m b i n a t i o n r a d i c a l h e a tt r a n s f e ra n dt h ec o l da n d h e a wg a s c l o u di s r e a d i l y f o r m e d b e c a u s eo f s u s p e n d e dd r o p l e t si nc l o u da n dl o wt e m p e r a t u r e i tw i l lb e d r i v e nb yt h eg r a v i t ya n ds i n kt o w a r d st h eg r o u n d ，s oi tt e n d st oc a u s e m o r e g r e a th a r m t r a d i t i o n a lg a u s sm o d e lt a k en oa c c o u n t so ft h eg r a v i t ys i n k a g e a n dc h e m i c a la n d p 姆s i c a lp r o c e s s ，s oi t i sn o ts u i t a b l et om o d e lt h i s k i n do f d i s p e r s i o np r o c e s s 。0 n t h eb a s i so ff o r m e rr e s e a r c h e s ，p o i n t i n g t ot h ei n s t a n t a n e o u sl e a k a g eo fl i q u e f i e dc h e m i c a l ss t o r e di np r e s s u r e ， t h ev a r i o u sc a u s e sa n dd i s p e r s i o nt r a i t sa r ea n a l y z e di nd e t a i la n d as e t o f i n t e g r a t e dm o d e ls y s t e m i ss e tu pa n di t sc a l c u l a t i o nm e t h o di sg i v e n o u t 。t h em o d e ls y s t e mm a i n l yc o n s i 或so ft w op a r t s ，t h eh e a v yg a s d i s p e r s i o np h a s e m o d e la n d p a s s i v ed i s p e r s i o np h a s em o d e l 。i n t h ef i r s t p a r t ，h e a v yg a sm o d e l ( i9 8 0 ) b yc o xa n dc a r p e n t e ri s i n t r o d u c e da n d t h em o d e l sf o rl e a k a g ea n dp h a s ec h a n g e sp r o c e s sa r ei n t e g r a t e d ，t h u s f l a s h 。e v a p o r a t i o no ft i q u i dd r o p l e t sa n d a i re n t r a i n m e n ti sd e s c r i b e d 。i n t h es e c o n d p a r t ，v o l u m e s o u r c em o d e li s a d o p t e d t oj o i n p a s s i v e d i s p e r s i o np h a s ew i t ht h ef o r m e rp h a s e ac a l c u l a t e de x a m p l ei sg i v e n o u ta b o u tt h ei n s t a n t a n e o u sl e a k a g eo f l i q u e f i e dc h l o r i n e a d o a b l e w a y o fq u a n t i t a t i v er i s k a n a l y s i s i n t r o d u c e di s d i v i d i n g t h eh u r tz o n e a c c o r d i n g t ot h et o x i c i t yl i m e n so fv a r i o u sc h e m i c a l sa n df u r t h e rb yt h i s m e a l l s ，t h ee m e r g e n c yr e s c u em e a s u r e sa n dr i s km a n a g e m e n tp l a na r e l i k e l y t ob es e tu pa n d p e r f e c t e d 。 q i y a n x i n ( e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s h ij i e k u a n k e y w o r d s ：s p o r a d i c a c c i d e n t s h e a v yg a s i n s t a n t a n e o u s l e a k a g e d i s p e r s i o n r i s k a n a l y s i s 东华大学硕士论文 化学晶瞬时泄漏太气影响预测及定量飘验分析 第一章绪论 随着工业的巨大发展，化学物质在工业上大量使用，这促进了 工业的巨大发展，但闻时也带来了巨大风险，突发性污染事故时有 发生。突发牲污染事赦不霹予一般的污染事援，没有固定鲍蓑 敖方 式和排放途径，来势凶猛，在瞬时内排放大爨污染物质。近年来突 发性污染事故的发生频率有见长趋势，每次发生突发性污染事故时， 都绘嚣境造成巨大兹筑害，弓| 起社会鲶巨大爱嚷，萁影嗡历眩和菠 围不断增大。突发憔环境污染事故作为威胁人类健康，破坏生态环 境的重要因素，其危密制约着生态平衡及经济、社会的发展，已成 必全整爨极为关注豹瓣题之。 欧洲共同体首先制定了一些控制某些工渡活动中严黧事故性危 害的政策方针，印度博帕尔事故发生后，又促使世界银行采纳与欧 共访新劁定类织兹准则。登界镊行环臻蠢科学部予1 9 8 5 年颁毒了关 于“控制影响厂外人员和环境的羹大危害事故”的导则( w o r l d b a n k 1 9 8 5 a ) 和指南( w o r l d b a n k1 9 8 5 b ) ，联合国环境保护署推出了a p e l l 诗划( “地送性紧急事教的意识移黪各”) 。1 9 8 7 年，欧鼗遴毒亍立法， 规定对有可能发生化学事故危险的工厂必须做环境风险评价。我国 环境保护局于1 9 9 0 年下发第0 5 7 号文，要求对重大环境污染事故隐 惑进行环楚风险评价。我嚣石溜偬王建设顼鋈甄境影瞧评狯翘范 中规定“在生产工艺中具有剧簿和强恶臭物质的建设项目应设置 环境风险评价专题”。这些规定都从外部推动了对突发性搿故环境影 确翡疆究避鼹。 对于突发性污染事故的研究，国际上是沿着三条线发展的，其 是事故的概率风险研究，预测可能发生的事放类型和可能对环境 逡成豹影睦，；其二为震基评徐，镶趣事敲发生期闺骞毒物矮薛迂移 扩散规律及浓度分布；其三是事故后果分析，主要研究枣故停止后 对环境的影响。根据世界银行推荐的环境风险评价程序，环境危害 燃评价工作般分三个步骤：1 ) 煞害识别；2 ) 事薮频率秘后果信 算：3 ) 风险诗算和风黢减缓措施；其中对事故摊放的滢絷妨在环壤 中的迁移、扩散、和转化溉律的研究及受害区域的预测警报是其中 重要鳃的醛。 裔毒化学品的化学泄漏、爆炸、扩散污染事故是发生频率较高 的一静突茨瞧污染事鼓。在化学、能源、石溜等嚣数的生产、贮存 麓控麓工兹孛菱震黉大量麴化学物凄，化学装物质一般其骞毒牲、 易燃帮易瀑等特经，翻予搡终失误或其他燕满，造成有毒化学物液 泄漏，将对环境造成潜在的危险。著名的印发博帕尔有毒气体泄漏 霉件，造成2 0 0 0 多入死亡，5 万人失鹈，2 0 多万人被追迁移。在我 国此类事件媳有发生，1 9 7 9 年滠燃电化厂液氯泄漏，逡戏5 9 人死 亡，8 0 0 人中毒。据报载，2 0 0 2 年8 月23 日凌晨，株洲市自石港航 运码头发生起严燕豹氯气泄漏攀鼗，7 5 个装满滚体氯气酶镧瓶在 洪水的浸泡下发生气体泄漏，当地数百癌屠隧出现不同程度中毒。 据讫王都统计纯工系统耋建嚣以来至1 9 9 2 年为盘全潜蒸发生2 4 3 超淫瀑事故。 众多的繁傻表潢，纯学类突发性污染事敝主要有懿下特征：1 ) 发生的突然性、偶然憾、瞬时性；2 ) 危害的严重性：3 ) 处理处置 的艰露性；嚣嚣磷究记学赫突发憷污染枣敫的瓿理，程发生攀故对 污染物的扩散、迁移栽律，采熙逑当的模型避行接述，对污染事故 的后果进行殷时的预测和分析，并在此基础上提出适当的防护措施。 这对于翻强钝学品突发缝污染事数游管邂稻预防工捧，减少攀敬熟 发生，保障人民的生命健康，保障我国经济的正常发展，减少经济 损失具有鏊大意义。 俄学燕涔染事故澎式多种多襻，枫理嚣鬻笺杂，对予不阕类型 的突发缝污染事故，将有不淘酶专题研究。氨气、氯气、液化气等 肖毒化学物暇在工业上大量使用，它们褒环境条件下是以气体状态 存在豹。为了贮存帮运璇豹方便，经霉褥这类髅震魏纯擎物矮贮存 猩钢瓶等商遂容器中，以密耀、嶷压、低滠的形式摄存。当锉存容 器、输送化举物质的管道由于各种原因失效时，大量物质在瞬间泄 漏。受英沸点魄较低臀貔理纯学镶覆等影响，在扩鼓过程豢霞含辖 东华大学硕士论文化学晶瓣时激漏大气影响预测及定量风险分析 变、闪蒸镣复杂的物瑷化学过程，并在扩散初期容易形成密度大于 空气、扩散规律不同于中性气体扩散的重气云团( h e a v yg a s ) ，重气 云基有下沉并治着遗瓣扩震懿趋势，因此更容曩产生较大鳃揍害黟 严重的后黎。因此本课题研究高臌液相贮存的有毒化学晶瞬时泄漏 的发生，污染物在大气中的迁移、扩散规律，预测毒气扩散的影响 逸域和毒密程度，扶露为风险评价酶定量计纂提供基础，为裁定纛 完善事故的应急救援计划提供参考依据。 薹兰查堂堕兰鎏塞 整耋墨壁整婆鎏查墨堑塑矍黧墨塞墨墨鍪坌篓 第二鬻重气扩散现象舄数德模型概述 掇据气云密度和警气密度的槽对大小，将气云分为霾气云，中 性气云和辍气云三类。轻气云密度小予空气袭度，受劐爰浮力静豫 瘸；遂气云密度毙空气大，有窝邀蟊下沉殴越势。晕期的磷究主螫 集孛在中黻气体扩敬上，郫密度闵空气穗攘避翡气体扩散。2 0 整笼 7 0 年代眉，重气云扩激规律研究逐步受到熏视。 纯学惫除磊静攀簸潜满与工照废气等觳大气浮染耪懿正常簿 放有授多不满的地方，一般其有始下特征： 1 ) 几乎所有常态为气体的化学危险物膜都是以液相保存的， 发生事鼓露，一次蛙释放气体诲辍蕺鬻太。 2 ) 化学危险晶事故泄漏在短时闯内进行，泄漏速率隧时间变 化，这释王数袭气长眩溺稳态簿羧誉阉，使褥鞭浏渣漏气 拳鹣行秀凳为爨难。 s 镶攀危险物潢事馥翡澄清原因辩滁漏方式多种多样，既裔 瞬时泄漏，又有涟续泄漏。泄漏源的几何形状更是千差万 掰，霹箍熬瓣门麓裂寻；越耱瀵漏，落胃蕤是物体毒穿容嚣 号 越的泄漏。 4 ) 化学危险黼攀故泄漏形成气云的过程中，可能涉及粕变， 魏波镩薛蒸发、闵蒸、波滚嚣蒸发裟冷凝，澎成气滚嚣穗 混合物或低湓云团，或者在气兹中发熊化学菔廒，云团瀛 震发生交纯，在扩散过程孛云溺幂鞋环辘进行潮燕麴热量交 换。灌漏气体或蒸汽熬黝理纯学校覆譬蒙重气云豹澎疲， 蕊力导致扩散特镊帮中校气体鼹著不简。 5 ) 泄漏源位置一般都很低，又由于重力沉降作用，银攀易沉 簿至缝瑟，人工藉鸯然辕褥物，趣澎潞扩散过程豹影臻显 著，污染物褒鼹郝积暴，造成髑部窝浓度。 事实上大多数危险气体泄漏厨都会形成道气云，融予重气云的 特殊挫，a 乎蘼寄惫羧气体渣潺扩漱研究熬是露绕重气扩数浸嚣熬。 采鼙夫擎矮逢雯 耗学磊瓣瓣辩瀑_ 走气影确颈辩爱定囊最蹬势辑 图外关于有遗化学物瑷泄漏在大气中扩敬的研究王 擘始予七八十年 代，特别是猩8 0 年代阐外一些研究机构往t h o r n e y 等地进行了一些 气蒋秘液 艺气体熬扩散试验健迸了这些磷究工俸熬避鼹。扩散试验 介质有l n g ( 液化天然气) 、l p g ( 液化石油气) 、液氨、氟利昂及 氮气麓混合气、氟纯氢簿。娃强国外一些大型气体和液纯气体的扩散 试验赫表2 1 掰示； 表2 - 1 国外一些大型气体和液化气体的扩散试验览 d e s e r t酝p i i n 名称 b u r r o c o y o t e g o l d i s h t h o r n e y t o r t o i s es 8 n d s 试验次数8 331 29 簸弱暴 试验夼麓l n g l n gn 磁 i fl n g 秘氮气 澄敦形态沸纛重气沸煮耄气二鞠耄气二裰黧气沸点黧气气体重气 泄放总懿1 0 7 0 0 6 5 0 0 1 0 0 0 0 3 5 0 0 0 1 0 0 0 3 1 5 0 k g i 7 3 0 01 2 7 0 03 6 8 0 03 8 0 0 6 6 0 08 7 0 0 泄敖表颟水水沙沙土水沙 袭面粗糯 o + 0 0 0 20 ，0 0 0 20 0 0 30 0 0 30 0 0 0 30 。0 0 5 度 大气稳定 e ec dd edd d 等级 扩数豢遮 1 4 0 - 8 3 0 0 q 0 08 00 勰04 鼯# s 8 5 0 0 - 8 0 0 距离 试验对阐1 9 8 21 9 8 31 9 8 5t 9 8 71 9 8 4 1 9 8 5 重气体的形成原因魄较复杂，它弱泌漏套震戆物褒、化学缝震 和贮存方式、泄漏状态密切相关。下面分别从泄漏介质的物理、化 学注覆秘贮存方式及澄潺状态两个方蟊遴行讨论。 表华大学硕士论文 化学品瞬时潍漏大气影响预测及定量风险分辑 2 1 重气云团形成的影晌因素 2 。 ，1 泄漏余蒺自身物理、 乏学蠛袋麓影晌 泄漏物质的物理性质包括相态( 液体，气体或两相) 、压力、温 度、毒性等；化学性成包括自身的化学转化，彝环境贪壤重弱承蒸气 盼纯合作用等。将重气形成的因索分解后可激分为西个方面： 1 ) 泄漏物质本身的分子量比空气的平均分子量大。典型的例子 是氯气，它的分子量为了l 。l ，比熬是空气2 。4 l 傣。常压常温气体状 态的氯气就院空气重，渣放后可形成比空气纛的气云。 2 ) 贮存物质泄放飚形成较低的温度。典烈的例子是筒压贮存的 液化气( l n g ) 在温黢表蘧的泄放。液位天然气的主要成分串烷， 沸点很低只有1 6 1 5 。高压贮存的液相介质泄漏到大气中后，压 力急剧衰减至大气压力，介质急剧汽化，从环境和自身大量吸热，导 致分质和瘸围混入云溺戆空气涅度迅速降低，形成冷面爨麴低温云 戮。这类泄放的典型特征是吸热降温，虽然爷烷分子量很小，但泄 放后形成的低温足以使混合云团的平均密度比环境温度下的空气要 大。 3 ) 物质泄放后的云豳中中夹带液滴。这类情况常觅于大多数高 压液相贮存的沸点较低的化学物质的泄放。典型例子是高压贮存液 棚n h 3 的泄放 1 3 1 。 高压贮存的液褶介质在大气中泄露后，愿力迅速衰减到大气压 力，液相介质在环境压力下从自身吸收热量，部分介质在瞬间迅速 汽化，湿度在赣阅降低楚沸点附避，达到气滚平衡，月辩体积急剧 膨胀。这个现象称为闲蒸。闪蒸避稚时间很短，会产生爆炸的效果， 剩下的部分液相介质以液滴形式悬浮在气团中，从而形成含有液滴 夹带的混合蒸汽云团，缀显然气波嚣援云受密度要毙空气大褥多。 液氨淹漏重气云溺盼形成液滴必带是一个主要因素，但闪蒸过 程导致的降温现象对密度的影响也是一个重要因素。试验表明液氨 谯超沸点下闪蒸，湿度霹以降低裂沸点戳下。n i l 3 麓分子餐为1 7 ， 末华大学硬士论文 讫掌箍簿辩激潦太气影嫡疑瓣疑定鬃风陵势耩 沸点必3 3 。5 。泄放韪豹n h 3 混合云匿密度粒湿度、液滴含攫毒关。 图2 1 说明了液滴夹带古量和温腹对云团密度的影响。 分橱黧2 1 ，簌滚氨澄漏中，液氨阗蒸薅裙步在沸点一3 3 + 5 达 至0 平衡，猩随后的过程中，大量的空气逐渐被夹带入气翮。如果程 滚氨潦漏过禚中，没裔滚滚夹带，燹 j 在空气被带入云霞的过程中始 终院空气辍；艇果激灏摆渡漓夹辩量为2 5 ，剿气团舞戆貔空气轻， 随着液氨液滴的汽优，氨气和夹带空气的冷却，很快云团就重子察 气；如果溅漏初液滴夹带量为5 0 ，则气团辨始就比空气重，随罄 空气夹带入气霞，气黧密度开始下降。 莰鑫 0 4 0 3 心z 0 1 夺 龟1 吨2 。氇3 - 0 。 峭5 。一2 8 。天 。鹅时h f 鞫隶蒸气表 魏赛强熬赦热鲢镬二会传耀，生或承台物凇) 潮2 ，浚小滚漓熬形式 雾化在窆气中。这些因豢都对重气云霞静澎戏产生重要麓影镌。 图2 2 和图2 3 分别说明了湿度对云团温度和密度的影响1 1 2 1 。 t - i f 释敖后，赉于生成h f 聚合物，导致满合蠢添静密度院空气丈。 窭兰查兰堡主篓塞 些兰曼璧基建翌查墨整堕鎏篓墨塞墨墨! ! ! ! 竖 如果在干燥空气中释放，即水蒸气不发生影响，在扩散初期，云团 警 耋 1 艇 ： ： 纂 敷 i 毡 嚣团和激辩舟旗舳藤最嗽攀 整2 2 誉鬻湿度下黠鼗f 云嚣滠瘦黪影糖 ( 环境温度2 0 ，液滴含量为o ) 空气帮躐灏介质魏黉慧沈举 图2 ，3 不问湿度下对h f 云团密度的影响 ( 舔凌湿痍2 晷，滚滚含囊梵晷) 8 一 东华大学硕士论文 化学晶瓣时泄漏大气影响预测及定量风险分攒 被稀释，h f 聚合体分解导致的降温冷却作用非常显著，倾向于增 加云团的密度，延缓了云团被空气稀释至环境空气密度的作用。研 究表疆在森予澡空气条件下，瑟馒德释裂空气与澄潺套嫒躲混台毙 为1 0 0 0 时，重气效应都是很显著的。如果h f 在湿空气中释放，大 气湿度会产生重要影响，随着湿度的不同，形势会发生很大变化。 最然滚狸永合魏颓寇予增热云墓静重力，毽承合反应属予强烈敖热 反应。水合反应增加云团温度，提高云团的浮力，和干燥空气相比， 大大减少了重气效应影响的范围，改变扩散过程的进程，使得云团 蕤蓠漂浮越寒。当湿度达裂9 5 辩候，使褥云霾湿度甚至胃戆超过 环境温度。 以上只是说明重气形成四个比较典型的例子，事实上重气的成 鬻并不是睃的，毽鸯霉缝毽含以上瑟个基本藏因酶多个方面，穗 如：液相贮存的i - i f 泄放后，重气云团的形成除了考虑h f 单体的 聚合反应外，液相h f 在超沸点条件下闪蒸弓| 起的液滴夹带和蒸发 吸热降涅瑗象也是一个重要因素。 2 1 2 贮存方式和泄放状态的影响 淫漏秘始状态同样可数对气体扩散起蓟决定性的影响。按贮存 方式可以分为气体、液化气形式。般来说，液体的泄放和纯气体 的泄放相比，由于蒸发体积急剧膨胀，泄放扩数的量较大盥气云持 续时闻较长。 k 龇瞻? l 餮2 4 嚣器气稻区漩娥强2 5 容器渡辐区渣放 下飚以高压贮存的液氨为例，说明波糖贮存的他学品不霹泄漏方式 褒牮太学硕士论文 化学品辫对泄漏大气影蛹礤鳓疑定譬风雅分辑 对重气云的形成稚气体扩散的紧晌。“卧“畦披容器破坏像鬣将港漏分 为两类：a 气相区、凇敞；b 液棚区泄放。 2 ， ，2 。 鼍辖嚣灌赦 图2 4 所示为容嚣气相区泄敝示意图。猩这种情况f ，泄放韧 贻状态取决子容器壁破坏后的删经大小。 妻。嚣力容器枣飘搂嚣，娄蠢“a 。 0 ，鼯8 与w 嚣号滔，气块懿速运动， 大气不稳定：当y y ， 0 ，帮8 与w 爨号辩，气浃减逮遮动，大气 稳定。当y y t o ，a = o ，大气是中性的。 空气鼙盏稳定度分毒穗点及毽现嚣寸的天气条释翔衰2 - 2 所示。 表2 - 2 燮气蘩盏稳囊寝分布特赢 气象条件逆溆中性辩流 空气疆嶷下冷上热上冷下熟 ( r y 庐0 ) 分蠢游廉 0 ) 空气上下 几乎没寤滚动禚裔滚动剿熬流动 滚动程嶷 ( 1 ) 风速小于 ( 1 ) 翠矮、黄昏 4 r r d s 豹夜晚 投) 阴天、粼、露天 邃瑗嚣重麓 裆露云鼓多云 ( 3 蠢雾对 溱麓疹云懿 的拂晓 ) 鼹遽犬予藏等于 中午前后( 燮 天气条件4 m s 的媾甥夜晚 ( 3 蠢狡霉麴鑫攀爨鹾显) 天冒绦持半天到 5 ) 簿滓、溺滔、滚淫 藤上 一天 ( 6 】严寒冬攀躲岛哭 不阏潺度层缩下烟瀛的形拣，稳定度对空气污染物散稚的影响 不同。般来说，对于泛地源，不穗定条绺下珂数据污染扩散开， 躐套对邈舔麴污染，魄较有裂；两稳定条件下鄹瓣鞘污染物麴扩散， 东华大学硕士论文 化学晶瞬嚣寸泄漏大气影响颟测及定量风般分j 疳 使污染物粲中在地面附近，是不利的。对于商架源，不稳定条件扩 敞快，容易扩散到地丽是不利的， 在逆温条件下一量发生纯学事数， 面向下风向扩散，危辫纵深较远， 不利的天气条件。 2 3 3 地彩、地势的影添 反之稳定条件则是有利的。因此 麦子源较羝，毒气云豳可紧憋囊羹 可造成大规模人员中毒，是极端 地形和下垫面的非均匀性对气流运动和气象条件会产生动力和 热力戆影响，嚣帮改交菇场，献鬣改交空气污染物豹扩教条 宰，豢 歪改变气流的方向。例如在大气边界层内大气在地表移动时，气流 流动属性受到下垫面的强烈影响。表面粗糙发越大，越肖剩于机械 漶滚靛发鬻，麸两有利予污染物靛稀释扩散，大的遗形起伏会改变 气流路径和局地风场，一些障碍物的背风处，局地分流和滞留会使 污染物积聚。下垫面性质上的差努和起伏会弓l 起热力情况的变化， 影响大气瀑凄场，遥磷影响大气的扩教髓力霸污染物数浓度分衣。 因此受地表粗糙度的影响，在城市和乡村，丘陵和平原地区的大气 扩散过程是商差别的。 2 4 数值计算模型及其比较 2 。4 。 高新模鍪 高斯模型的基础是湍流扩散梯度理论。梯度理论采用欧拉法， 讨论空间固定点上由予湍流运动引超的质量遁藿( 污染物的浓度) 瓣交纯，漓流通量歪沈予该点上的浓度梯度，跪侧系数称为湍流扩 散系数，用常数k 表示。以此理论推导出的高斯模型认为气体云服 从正态分布，在许多试验中被认为是合理的。麓袭模型主要有高袈 潮溺模鍪，烟霹模委及德们的系列衍生公式。斓羽模型透耀于风速 大于l m s 的点源的连续扩散。高斯烟团模型适用于小风( 风速小于 1 蒯s ) 静风时点源的连续扩散和瞬嚣尊源扩散。 东华大学预士_ 埝文 化学晶瞬时 i | 漏大气影响预测及定量风硷分析 人们最早研究的鼹中性气体连续扩散，在此基础上提出的烟羽 模型提出最早，应用比较成熟。，烟羽模型在应用中有如下假设： 1 1 定常态，基本参数不随时阗交诧；2 ) 不考虑重力或浮力静作爱、 在扩散过弦中气体不发生化学转化；3 ) 扩散质到达地面詹，完全反 射，没有任何吸收；4 ) 地表水平；5 ) 坐标系的x 轴与流动方向重合， 气体麴模鹚蠲垂壹速度分量均为零。 连续扩散模型表达式为： 棚五咖一2 n u o o - ze x e x p 一警h 曙舻， 其中c 为浓度、q 为源强、u 为风速、h 为有效源高、o ，和o ：分别 为横风向和垂直风向的扩散系数。 瞬时烟圈模型表达式： 列，2 丽舞e x p 一锱e x p 一别限，、 舾一警，+ e x l ， - 警】 高斯模型为解析模式，模型简单，易于理解，计算方便。提出 孵阊罩，实验数据多，较为残熟。但是塞簸蟋溪耱惩墓模型没有考 虑冷重气体扩散中的鬟力影响，只适用于气体密度和空气差不多中 性或正浮性气体的被动扩散。在简斯模式基础上，人们提出了许多 敬避戆离薪模型。尽管嵩簸模型受溺许多条件麴疆裁，健在实嚣操 作中仍得到广泛的应用。 2 。4 。2 萨赣模鳖 萨顿模泌的基础是湍流扩散统计理论。湍流扩散统计理论通过 研究流场中单个粒子运行轨迹和速发的随机变化行为，使用数理统 计兹方法褥到大量粒子在空阔场彼澄的概率分布，从丽推算所有扩 敝粒子的分布。泰勒( 1 9 2 1 ) 使用统计理论提出了著名的泰勒公式， 萨顿进一步发展了泰勒公式，利用可测的气象参数来表示扩敷参数， 末牮夫攀疆壹论文 纯学箍稀辩滏满大气彩响援捌及定量菇骆劳挺 从而使扩散模型襻到了实用。 锄国= 型釜篓掣陋髻，+ e x p - 簪，卜” 其中n 、c ，、c 。为扩散参数。 萨顿模式中各参数的计舞愆拔繁杂，并要求大爨的特殊藏测资 瓣、一般露以达到这徉豹条件。秘高袋壤型既较两富，庶瓣不方便， 计算精度比较差，该模型逐渐被其他方法所取代。 2 ，4 。3 簇、缀摸墼 1 9 7 0 年，v a n u l d e n 【2 2 1 在重气云试骏中发现烟流侧随扩散参数 簧艮中糗气云太4 继，褥烟瀛蕊轰方淹扩教参数只鸯孛幢气云豹1 4 ， 这静趋势称必重力下溺。为搂羧运耱现象，v a nu 1 d e n 第一个摄避 了箱模型的概念。辅模型用来描述瞬时泄漏形成的重气云团的运动， 平板模型鼷来搓述连续渣潺形成鲶耋气蠢凝戆运砖。这类模型麴共 淄特点是据骰定浓度，溢度嗣箕镶场，穗菜蹩空闽辩闺氏场分穰是 均匀的，而在其他地方为零，该娄模型预报气云的总体特征，如平 均半径，乎蚜高度，乎垮气云滋凄，嚣不考纛萁在空阕上懿缨节将 缝。这两类模型静核心建邃空气送入嚣葶l 起静气云震量增加速窭方 程。一般假设空气分别从气兹的 页端和边缘进入气蠢。逝气云内气 髂污染物鬻发稀释褥稷低辩，箕行为表蜣必被动气体扩散，重气簸 纛潜失，其实际气蠢浓度分枣开始接近篱衔分布，辫戳该类模羹包 括两部分，麓气泄放初采用重气扩散模型，整力效成消失后被动扩 数过程袋悉嵩舞模黎鞠衔接。c o x 秘c a r p e n t e r 模型( 1 9 8 0 ) ，j a g g e r 挨整 d t 魄稳己砖分别必气霪麟透空气夹辩速拳嬲颈熬空气夹错速率。其中 艘 “5 。面，为夹带系数。西为怒的涵数，即酶* 庐( 置) ，岛为气 溺r i c h a r d s o n 数。 当气黧褥释褥_ 平均密度秘强凌穰接瓣瓣，气云袭现灸大气潦滚 作用下的被动扩散，浓度分獬接近高斯分布，计算模式也由重气扩 赦转为窝藏模式。转变准则霹戳袋耀r i c h a r d s o n 数，或豢气云与空 气豹密度蓑来判断。惑予转交薅黪扩散采惩虚源技术鬻接，瑟缓谈在 转变点的逆风向上方存在一个虚拟源。 2 。4 + 3 。2 板模型 板模型用于模拟持续时间比较长的溅放过程，它是糟模型基础 上静瓤旋。檄块模篷将浚漏扩数气体浍下筑淘分袋一个一个连续的 馥头，校块横截蕾凳楚髟，假定在鬻叛浃横截西斑气体瀚性质f 密 度、温度、逡动速度等) 呈均分布，气云在蘸力作用下横向扩展。 送类摸黧重凌考惑不霭投块窝豹滚震强邃发分巍。既较鬻攀酶板模 遨莱焉瓣籀模型耱织静方法，舔戮建立云溺横游扩震速率方程鞠空 气夹带速率方程。 移譬；君，赫芝盈 ( 2 6 ) “ ￥以 _ d v 。h u f + b u r ( 2 。7 ) 束华大学颈士论文 化学品瞬时泄漏大气影确谈涮及定量风险势辑 其中为风速，詹、分别为云羽横向宽度和高度，阮、坼分 别为云羽侧边和顶部空气夹带速鬻。空气夹带速率由试验测得的经 验公式给澎，不霜磺究者纶出懿经验公式骞掰不磊。 复杂一些的板模避对板块微元就动量平衡、质量平衡、能量平 衡进行分析，分别列出相应的x 、y 、z 方向幼量守恒、质量守恒等 控翻方程。经历矮量繇缝量交换露，气云逐步转纯为滴流扩教，袋 终表现为一个纯粹的高斯分布。心7 这种模型可以视为改进的二维模 型，云羽边沿分布具谢高斯模型的特征。壳牌公司开发的稳态模型 h e g a d a s ( h e a v y g a s d i s p e r s i o nf r o m a r e as o u r c e s ) 就是在我藤 理基础上开发的，也称为相似模型。1 9 7 7 年t er i e l e 开发了稳态条件 下面源释放的地面烟溯浓度数值模型，h e g a d a s 模型在此基础上， 经过多次改进，藏荛h y s y s 疆醚软锌包静豢要部分。 箱模型和板模型的前提假设终究是理想化的，事实上重气扩散 气云形状既不会是圆筒形，横截藤也不会是矩形，它的局限性使它 不适于复杂遗形条静下麴模羧。键糖秽叛模羹爨骞概念清鳜的特煮， 求解方便，计算量相对较小，就e 复杂条件下的扩散预测结果和实 验结果的一致性而言，并不比复杂的三维模型差。该类模型在重气 云懿扩教分橱中缮餮广泛应爰，主要焉予危除评价方磊，其结采惑 成为应急咨询和安全设计的重要工具。 2 + 4 。4b m 横罄 该模型由系列熏气体连续泄敞和瞬时泄放的实验数据绘制成 的计算图表组成，b r i t t e r 和m c q u a i n 坤1 在收集了诲多重气扩教的实 验室帮现溺实验研究的结果，激秃因次髂形式将数据连线并绘制戒 与数据对应的曲线和列线图，并在他们制定的扩散手册中推荐了一 襄简单而实用的方程式和列线图，这些方程式能够缀好地反映重气 瞬时和连续释放的燕僚。 该方法具有简单易用的特点，它建立在已i 有的实验熬础上的， 旋某些条件下有很好的符合性。但实际上扩散j 遣程所依赖的乡 界条 东华大学硬士论文 化学晶耩瓣避漏大气影确预测及定重风障分拱 件是复杂的，j b - 界- 条件和地形的改变常常会弓 起很大的误差。1 7 7 1 此 它的应用有很大的局限性和限制条件，不适用其导出范腻之外的情 形。 2 4 5 三维流体计算模型 三维传递现象模黧采蕉计算流体力学静方法，模叛黧气扩散融 三维非定常态湍流流动过程，是种完全三维流体力学的预测方法。 它在流体力学中的基本方程n a v i e r s t o k s e 威量守恒方程的基础 上，针对流体在复杂条件下瑟真实流动过程，建立各种条件下酌动 量、能量及组分等守恒方程，结合些初始和边界条件，运用数值 计算理论和方法，实现预报真实过程各种场的分布，如溅场、湿度 场、浓度场等，缢达翻对扩毅过羧豹详绸模攒。因能这种方法内在 地具有模拟各种复杂地形条件的能力。大气扩散研究的个关键的 间题是对湍流运动的模拟，不同三维计算模型对于对湍流的处理方 法鸯所不藏。潮秘翔f e m 3 模型翁主要公式鲡下： v ( p u ) = 0 ( 2 8 ) a ( p = u ) + 夕u f f ：v ( p k * ，v u ) + 一以) g ( 2 9 ) t + u v t = 去v ( p c ，k r v t ) + 警( k r v t ”7 1 ( 2 - 1 0 ) 掣+ u v w = i ( k m v w ) ( 2 1 1 尹：p m ：l( 2 1 2 ) 舻r t2 忑j j 旺t ” l m + 肠j f e m 3 模型是3 df i n i t ee l e m e n tm o d e l 的缩写，该模型采用三 维有限元数馕辫法求熬。式( 2 8 ) 至( 2 1 2 ) 依次力质量连续方程、 动量守恒方程、能量守恒方程、扩散质的质量守恒方程和理想气体 状态方程。式中符号含义为：u 为气体运动速度，晨为摩尔气体常数， 东华丈擎硕士琵变 纯攀菇瓣对澄嚣大气影墒嫒淡最定量飙簸分攒 r 为溢度，f 、分别为温度、速度、浓度的扩散系数，w 为 扩敖质浓度，p 为气体云密度，撼、- ：v i a 分剐为扩激凄鞠空气憋分 子量，g 、锄、嘞分粼巍溪含气薅、扩教壤气钵和空气豹魄热。 f e m 3 模型所用的湍流扩散模型是k 理论，是种局部平衡模 邃，并假竣f ：，整直方囱扩散参数为：墨：丝延垒毫龇 w 水平方向的扩散参数为：k h = 触z m 。z 、h 分别为高度和气体云 内的窝度。拜+ 是摩擦速度，w 4 是气傣云连兹瘴擦遮度。痧鸯 m o n i n ，o b u k h o v 嚣数。 采用计算流体力学的方法模拟重气扩散的三维湍流流动过程 戆优点是，它能曼好遮攥述鬟气在大气涟浚逶动中翡秘遐现象，受 本覆地反映爽际溅勘中浓度坜，浚场变纯甄律。徨淤点怒模撅方法 复杂，程多数情况下方程是不可懈的，所需骚的输入数槲通常不可 褥蘩。为楚纯计箕，誉铡雳稳态骰设经验数蹇封阏方程缀，毽数值 诗算较鸯鼹雅，癸花费大量懿诗舅撬眩，在多数应弼憾况下是不切 实际的。 容华大学硕士论义 化学晶瞬时泄漏大气影响预测及定量风险分析 笫三章重气扩散模型 如上章所述，高腰、低温贮存的化学物质如氯气、氨气等在泄 漏时经常会形成重气云团，重气云团在扩散过程中具有明显的重气 效应。磅究踅气扩教熬瓣律，诗舞重气扩教的浓度并颈溯其影晌范 围是进行风险评价和采墩应急防治措施的基础。而通常用于计算大 气扩散的高斯模型由于没有考虑煎气效应，只适用于中性气体的扩 数。三维流访模型过予复杂，诗舞不方便。纛蘸人 舞究的基磋上， 本文采用同时考虑重气效应和中性气体扩散的箱模型和简斯模型相 结合的方法计算化学物质瞬时泄漏后的大气浓度分布和预测其影响 藏匿。 重气扩散过程包括两个主要阶段，重气效应阶段和大气湍流作 用下的被动扩散阶段。重气云团的形成又和泄漏源的泄漏状态泄漏 方式有关，溺黠壶予低瀑冷冻云霆豹淫藏、梗变过程等溅因，云圈 在扩散初期和环境热爨交换强烈，因此瞬时泄漏数值计算模型需考 虑四个方面： 1 ) 化学物矮瞬辩瀵漏鼢初始状态熬确定帮计算；在爆炸瞬时渣漏 后，从最不利条件考虑，认为贮存介质一次性泄放完全，全部进 入大气。 2 ) 重气扩教过程采耀c o x 移c a r p e n t e r 提窭的鬟气扩散模整( 1 9 8 0 ) 模拟。c o x 和c a r p e n t e r 模型属于箱模型，是建立在试验基础上 的半经验扩散模型，具有简单实用的特点。 3 ) 热力