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青岛科技人学研究生学位论文 中小型氨厂氨合成工段爆炸及氨泄漏危害后果的 估算研究 摘要 近几年，风险评价已成为安全评价研究的热点，而事故危害后果估算是其重 要的组成部分。大量的氨合成装置事故告诉我们合成氨装置的安全形势不容乐 观，因此，对其进行事故危害后果估算具有十分重要的意义。 本文通过对爆炸危害后果及毒性气体扩散危害后果估算方法的研究，得到氨 合成工段爆炸危害后果及氨泄漏危害后果估算方法如下：1 、采用t n t 当量法和 爆炸冲击波超压估算不同程度下爆炸危害半径。2 、采用高斯烟团模型及概率函 数法对氨泄漏危害后果进行估算。 由本法估算出山东某年产1 5 万吨化肥厂氨合成工段的爆炸危害后果，得到 各设备及氨合成工段的爆炸冲击波对人员及建筑的最大危害半径和氨泄漏毒性 危害半径或距离，并根据计算结果对氨合成工段各设备进行了排序。各设备按照 爆炸危害后果由大到小依次为水冷凝器、氨分离器i i 、冷交换器、热交换器、氨 分离器i 、油分离器、氨合成塔、氨冷凝器、废热锅炉、循环器，按照氨泄漏危 中小型氨j 氨合成丁段爆炸及氨泄漏危害后果的估算研究 t h e c o n s e q u e n c e e s t i m a t i o ns t u d i e so nt h e e x p l o s i o na n da m m o n l l e a ko ft h ea m m o n l s y n t h e s i ss e c t i o ni nt h es 【a l la n dm e d i u m s i z e da m m o n i ap l a n t a b s t r a c t r i s ka s s e s s m e n th a sb e c o m eah o ts t u d yi ns a f e t ye v a l u a t i o n si nr e c e n ty e a r s ，a n d t h ec o n s e q u e n c ea n a l y s i si sa ni m p o r t a n tp a r to fi t l o t so fa c c i d e n t so nt h ea m m o n i a s y n t h e s i sp l a n t sp r o v e dt h a tt h es e c u r i t ys i t u a t i o no fa m m o n i as y n t h e s i sp l a n ti ss e r i o u s i no u r c o u n t r y , , s ot h a ti t so f a g r e a ts i g n i f i c a n c eo nt h ea c c i d e n tc o n s e q u e n c ea n a l y s i s b a s e do nt h es t u d yo ft h ec o n s e q u e n c ee s t i m a t i o nm e t h o d so ft h ee x p l o s i o na n d t h et o x i cg a s e s ，t h ee s t i m a t i o nm e t h o d so nt h eh a z a r dc o n s e q u e n c eo ft h ee x p l o s i o n a n dt h ea m m o n i al e a kf r o mt h ea m m o n i as y n t h e s i ss e c t i o ni so b t a i n e da sf o l l o w s ：1 t h eh a z a r dr a d i u so fd i f f e r e n tl e v e l sf r o me x p l o s i o nc a nb ee s t i m a t e du s i n gt h et n t e q u i v a l e n tm e t h o da n dt h eb l a s to v e r p r e s s u r e ；2 t h ec o n s e q u e n c ef r o ma m m o n i al e a k c a nb ee s t i m a t e db yt h eg a u s s i a np u f fm o d e la n d p r o b a b i l i t yf u n c t i o n a c c o r d i n gt ot h em e t h o d sa b o v e ，t h ec o n s e q u e n c ee s t i m a t i o no nt h ea m m o n i a s y n t h e s i ss e c t i o no fa f e r t i l i z e rp l a n ti ns h a n d o n gw i t ht h ep r o d u c t i o no f1 5 00 0 0t o n s a n n u a l l yi sc o m p l e t e d ，a n dt h el a r g e s tb l a s td a m a g er a d i u so nh u m a nb o d ya n d c o n s t r u c t i o ng e n e r a t e df r o me a c hd e v i c ea n dt h ew h o l es e c t i o ni so b t a i n e d t h eo r d e r o fe v e r yd e v i c ei nt h es e c t i o ni sd o n ea c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t e dr e s u l t s t h e d e s c e n d i n go r d e ro ft h ee q u i p m e n ti na c c o r d a n c ew i t ht h es h o c kw a v ei st h ew a t e r c o o l e r , t h ea m m o n i as e p a r a t o ri i ，t h ec o l de x c h a n g e r t h eh e a te x c h a n g e r t h ea m m o n i a s e p a r a t o ri ，t h eo i ls e p a r a t o r , t h ea m m o n i ac o n v e r t e r t h ea m m o n i ac o o l e r , t h ew a s t e h e a tb o i l e r , t h er e c y c l i n gm a c h i n e a n dt h eo r d e ro ft h ed e v i c e si nt h ea m m o n i a s y n t h e s i ss e c t i o ni na c c o r d a n c ew i t ht h ep r o l i f e r a t i o no ft o x i ca m m o n i al e a ki st h ec o l d e x c h a n g e r ，t h ew a t e rc o o l e r , t h eh e a te x c h a n g e r ，t h ea m m o n i as e p a r a t o ri i ，t h e a m m o n i as e p a r a t o ri ，t h ea m m o n i ac o n v e r t e lt h ea m m o n i ac o o l e r , t h eo i ls e p a r a t o r , t h e 青岛科技人学研究生学位论文 w a s t eh e a tb o i l e r , t h er e c y c l i n gm a c h i n e m e a n w h i l e ，t h es o f t w a r e - b a s e dc o n s e q u e n c ee s t i m a t i o no fa m m o n i as y n t h e s i s s e c t i o ni nt h es m a l la n dm e d i u ms i z e da m m o n i ap l a n tu s i n gt h ec o m p u t e rl a n g u a g eo f v i s u a lb a s i c6 0i sr e a l i z e d k e yw o r d s ：a m m o n i as y n t h e s i s s e c t i o n ；e x p l o s i o nc o n s e q u e n c e ；a m m o n i al e a k c o n s e q u e n c e ；e s t i m a t i o nm e t h o d m 青岛科技大学研究生学位论文 目录 1 绪论l 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究进展2 1 2 1 安全评价研究进展2 1 2 2 事故危害后果评价研究进展3 1 3 研究意义5 1 4 研究内容6 2 物料衡算一9 2 1 各设备物料组分计算9 2 2 各设备物料量计算12 3 氨合成工段爆炸危害后果评价研究1 4 3 1 爆炸能量估算1 4 3 1 1 物理爆炸能量估算1 4 3 1 2 化学爆炸能量估算一15 3 2 爆炸冲击波危害半径估算1 5 3 2 1 爆炸冲击波对人员的危害半径估算15 3 2 2 爆炸冲击波对建筑危害半径估算1 6 4 氨合成工段氨泄漏危害后果评价研究l8 4 1 氨泄漏危害半径估算1 8 4 1 1 静风条件下氨泄漏危害半径估算1 8 4 1 2 有风条件下氨泄漏危害距离估算1 9 4 2 人员伤亡百分率估算2 l 5 估算实例2 2 5 1 物料量衡算2 2 5 1 1 各设备物料组分计算2 2 5 1 2 各设备物料量计算2 5 5 2 爆炸能毓危害后果估算3 6 中小型氨厂氨合成工段爆炸及氨泄漏危害后果的估算研究 5 2 1 爆炸能量估算3 6 5 2 2 爆炸冲击波能量危害半径估算5 1 5 3 氨泄漏危害后果估算5 4 5 3 1 氨泄漏危害半径估算5 4 5 3 2 人员伤亡百分率估算一5 7 6 氨合成工段爆炸及氨泄漏危害后果估算软件编制5 9 6 1 软件结构设计5 9 6 2 软件功能5 9 6 2 1 软件适用范围：5 9 6 2 2 软件使用说明6 0 结论与展望6 9 参考文献7 0 致谢7 6 攻读硕士期间已发表( 录用) 论文7 7 声明 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 研究背景 1 绪论 压力容器、压力管道等承压设备广泛应用于各行业，一旦发生火灾、爆炸及 中毒事故，生产将遭到阻碍、生命和财产将蒙受重大损失【1 1 。氨合成工段作为化 工生产的重要组成部分、氮肥生产的重要环节以及其他一些工业的原料生产过 程，是人们日常生活、生产必不可少的生产环节。 氨合成工段是合成氨企业生产的核心，具有高温、高压、易燃、易爆、有毒 等特点。在合成氨生产过程中，如果生产操作不当或设备故障，造成大量高温、 高压、易燃、易爆、有毒气体泄漏，极易发生重大火灾、爆炸和人员中毒等严重 危害后果。因此开展氨合成工段的安全评价、危害后果分析，降低合成氨装置发 生事故的可能性及其危害程度，保护人民的生命财产，增加企业的综合竞争力， 提高企业的经济效益，已成为当前的一个重要任务。 总体来说，我国的合成氨企业安全情况不容乐观。自2 0 世纪7 0 年代我国引 进大型合成氨装置以来，事故频发。1 9 7 7 年到1 9 7 9 年三年间，十一套装置发生 人员伤亡事故4 3 起，重大停车事故2 0 7 次。2 0 0 4 年6 月，河南省某厂氨合成系 统氨分离器出口至冷交换器入口管道在试压时发生爆炸事故，造成1 死1 伤；2 0 0 7 年6 月1 1 日2 0 时3 5 分，湖北宜化合成氨l | ； 系统合成工段热交换器 顶部发生煤气泄漏，泄漏气体因摩擦发生空间爆炸，引发燃烧。此次事故造成4 人轻伤，其中1 人烧伤，3 人轻伤留院查看，直接经济损失达五十力元；2 0 0 9 年 4 月2 3 同1 2 时5 3 分，云天化股份有限公司合成氨装置氨合成塔出口管线焊缝突 然断裂，导致管内高温、高压、可燃气体瞬i 、日j 喷出起火，并产生强大的冲击波， 造成合成氨装置控制楼及附近建筑门窗玻璃损坏，事故导致事发现场7 名员工和 1 0 名附近居民轻伤。一件件以生命和财产为代价的事故警示着我们，对氨合成装 置进行安全评价已迫在眉睫。 中小型氨厂由于其规模小，投资少等优点，成为我国氮肥生产的丰力军。但 由于资金等方面的原因，中小型氨厂在企业的h 常管理、设备维护及安全检测等 方面存在着一定的不足，导致事故多发。因此，为中小型氨厂提供一种方便实用 的安全评价，并编制相应的安全评价软件成为了当前的主要任务。 日自订针对整个氨合成工段进行风险评价的研究尚无相关文献报道。本课题研 究是在山东省科技发展计划项目( 项目编号：2 0 0 6 g g 3 2 l0 0 0 6 ) 化j 一与石油化工 中小型氨厂氨合成工段爆炸及氨泄漏危害后果的估算研究 装置风险评估与基于风险检验技术研究立项的基础上展开进行的。由于时间和 个人能力有限，本文主要对中小型氨厂氨合成工段爆炸及氨泄漏危害后果进行估 算评价，失效概率方面的评价将由山东大学的博士生崔好选等完成。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 安全评价研究进展 安全评价主要有定性、半定量和定量评价三种形式。国外的定性安全评价方 法有安全检查表、事故树定性分析、事件树定性分析、矩阵法危险度评价法、故 障类型和影响分析等；定量安全评价方法包括以物质系数为基础的美国道化学公 司开发的火灾、爆炸危险指数评价法【2 3 】、英国帝国化学公司蒙德分部的i c i m o n d 火灾、爆炸、毒性指数法、同本劳动省的六阶段法、定量风险评价、概率危险评 价、事故树定量分析、事件树定量分析以及上述评价方法的组合方法等【4 捌。 国内的安全评价是从2 0 世纪八十年代丌始的，主要通过引进国外先进安全 评价方法。使用较多的方法主要有安全检查表【l0 1 、事故树分析、故障类型及影响 分析、事件树分析、危险与可操作性分析【1 1 , 1 2 】等，此外，一些石油、化工等易燃 易爆危险性较大的企业，使用了道化学公司火灾、爆炸危险指数评价方法等【l 3 1 。 基于风险检验( r i s k b a s e di n s p e c t i o n ，简称r b i ) 是2 0 世纪3 0 年代起源于 西方发达国家的一种先进的安全评价方法。9 0 年代丌始，欧美和亚洲的一些发达 国家和地区先后开始了r b i 的研究与应用【1 4 。19 1 ，在此基础上建立了各自的r b i 标准 2 0 2 1 1 。我国在近2 0 年引进了相关理论和软件，并进行了一系列的理论和应 用研究【2 2 弓1 1 。根据r b i 标准，风险是事件发生的概率和与事件相关联危害后果的 结合，即风险= 概率后果。事件的发生概率可以通过设备系数、管理系数和同 类设备的平均失效概率估算得到。设备系数根据失效机理由多个次因子组成；管 理系数是对企业管理水平的检验，通过问答的方式进行；平均失效概率通过收集 大量的同类企业的失效数据来完成。事件危害后果评价主要通过对燃爆危害后 果、毒性危害后果、环境危害后果和停产危害后果几个部分进行评价。 经过近些年的发展，部分困家已经研发出一些实用的r b i 软件，例如挪威船 级社( 简称d n v ) o r b i t 软件【3 2 - 3 4 】；法国船级社( 简称b v ) r b e y e 软件【3 2 3 4 】； 英国焊接技术协会( 简称t w i ) r i s kw i s e 软件【3 2 , 3 4 】；英国t i s c h u k 公司t - o c a 软件【3 2 , 3 4 , 3 5 】；美国a p t e c h 公司r d m i p 软件等，但引进的国外软件使用费用高， 而且由于各国的具体生产情况不同，使用时也需要一定的修正j 能在我国的企业 中进行应用。基于上述的考虑，我国部分单位在近些年的基于风险检验研究和对 国外风险评价软件应用的基础上，先后编制了一些适用于我国企业的风险评价软 2 青岛科技大学研究生学位论文 件，如中国合肥通用机械研究所研发的具有自主知识产权的石化装置承压设备 r b i 应用软件，它是合肥通用机械所在近几年应用国外软件对企业进行风险评价 基础上完成的，具有较强的应用性；中国安科院危化所开发的c a s s t - q r a 重大 危险源区域定量风险评价软件v 1 0 ；南京工业大学赵建平等【3 2 】编制的定量风险评 价软件r a n s y s ，后两种软件的实用性还有待进一步的验证。 1 2 2 事故危害后果评价研究进展 化工装置的危害后果评价主要包括燃烧、爆炸危害后果评价和毒性气体泄漏 危害后果评价【3 6 , 3 7 】。 1 2 2 1 燃烧爆炸危害后果评价研究 目前燃烧爆炸危害后果的评价方法主要有道化学公司开发的火灾、爆炸指数 法以及世界银行国际信贷公司( i f c ) 提出的重大事故后果分析法【3 8 】。危害后果 由于可能发生的危害后果模式不同，具体应采用的模型和解决方法也各不相同。 根据燃烧火焰形式，火灾可大致分为池火、喷射火、火球及闪火四种形式【3 9 舯】。 多年来，研究人员通过实验模拟及实践，得到了多种不同的模型。目前，池火模 型有荷兰应用科学研究院的t n o 模型、t h o m a s 模型、h e s k e s t a d 模型、 s c h n e i d e r - h o f m a n n 模型、b r o t z 模型、m o r r h o u s e 模型以及f e r c 模型、s n l 模 型和f a y 模型等【4 1 4 2 1 。喷射火模型包括单点源模型、多点源模型以及圆锥体模型。 具体的模型有a p l 5 2 1 、t h o r n t o n 、w h a z a n 、f l a r e s m 、t h o r i n 、f l a r e 、 t o r c h 、m a j e s t i cs h e l f 2p i p e f i r em a j3 d 等【4 3 1 。火球模型有世界银行 国际信托公司的工业污染评价使用的m o o r h o w s e p r i t c h a r d r o b e r t s 模型、只本的 长谷川模型、美国的g a y l e - h i g h 模型和f a y 模型等m ，4 5 1 。闪火相对危害后果小， 但闪火可能会引起池火或火球等严重灾害，因此也是不容忽视的。 化工企业的主要事故之一为爆炸，无论是火灾引起爆炸还是爆炸引起火灾， 相对于火灾的热辐射，爆炸的危害范围更广。根掘爆炸的性质分类，爆炸可以分 为物理爆炸和化学爆炸。根据爆炸起因分类，可以分为由于操作或设备| 口j 题导致 反应失控引起的装置爆炸、蒸汽云爆炸( u v c e ) 以及沸腾液体扩展蒸汽云爆炸 ( b l e v e ) 1 4 6 】。但无论是何种形式的爆炸，从危害后果分析的角度来看，其主要 危害后果来源于爆炸引起的冲击波危害。 目前，冲击波超压危害距离的估算方法主要有t n t 当量法和t n o 多功能模 型法。在t n t 当量法中，气云中可能存在的能量被转化为t n t 当量，爆炸冲击 波的危害程度主要取决于气云中的可燃成分。而t n o 方法认为只有燃烧的部分 组分会对周围的人员及设备设施起到破坏作用。因此t n o 多功能模型方法更适 用于近场危害距离的估算，而t n t 当量法更适用于远场危告距离的估算【47 1 。从 两种方法的估算模型来看，t n t 当量法较t n o 多功能模型法要更简便，应用较 中小型氨厂氨合成工段爆炸及氨泄漏危害后果的估算研究 为广泛。 f e m a n d od i a za l o n s o 等人【4 8 ，4 9 】分别采用t n o 多功能方法和t n t 当量法，使 用超压冲量一距离曲线( o v e r p r e s s u r e - i m p u l s e d i s t a n c ec u r v e ) 确定蒸汽云爆炸 ( v c e ) 对周围建筑的破坏性以及对建筑内外人员的伤害情况，该方法能够相对 简单快速的完成危害后果评价，但由于是图表形式，估算时存在很大的误差，而 且软件实现存在一定的困难。 1 2 2 2 毒性危害后果评价研究 毒性危害后果评价包括毒性物质泄漏危害半径及人员伤亡概率两个方面的 估算。目前人员伤亡概率的估算主要使用概率函数法，因此毒性危害后果评价研 究主要是对现有毒性物质泄漏模型的研究，选择更适合的模型进行危害后果评价 研究。 关于毒性物质的泄漏模型，国内外学者做了大量的研究工作，提出了多种扩 散模型。应用较广泛的有三维计算流体力学( c f d ) 模型、b m 模型、s u t t o n 模 型、f e m 3 模型、高斯烟团模型和高斯烟羽模型5 0 - 6 2 。 三维计算流体力学模型从微观层面对气体扩散进行仿真，该模型有着不同的 青岛科技人学研究生学位论文 联合开发的g a s s a r 、我国原化工部劳动保护研究所的h l y 软件、化学事故危 害评估与应急救援系统【6 7 1 、王志荣等【6 8 】基于客户机服务器化工过程灾害模拟评 价系统、张亚平等【6 9 】基于e x c e l 平台有毒物质泄漏危害后果分析系统软件t d a l 0 以及阎善郁等【7 0 】基于j a v a 技术易燃易爆毒性云团扩散软件等。 1 2 2 4 涉氨设备爆炸危害后果研究进展 近些年，国内的相关企业及科研人员对涉氨设备进行了一些危害后果评价研 究，获得了一些宝贵的经验。 黄德寅等【7 l 】通过定性及定量方法对合成氨装置中可能产生中毒事故的各因 素进行了分析，给出了一氧化碳泄漏影响范围及危害程度。周德红等【7 2 j 通过对液 氨储罐泄漏过程和事故危害后果模型分析，给出了合成氨厂液氨储罐泄漏的液氨 扩散范围以及半致死浓度、立即致死浓度范围。刘春祥等【_ 7 3 】对某液氨储罐进行了 危害后果分析，估算了氨对人的毒性影响范围，给出了燃烧热辐射对人员和设备 的危害程度和发生爆炸超压对人员和建筑的危害程度。吴爱香等【7 4 】对液氨球罐泄 漏事故进行了危害后果分析，但不足之处在于仅估算了无风条件下危害影响范 围，未估算有风条件下危害影响范围，而实际中无风条件几乎是不存在的，因此 分析结果与实际范围存在很大的误差。李纪云等【67 】采用火球事故危害模型和中毒 事件的连续泄漏模型，并使用化学事故危害评估与应急救援系统软件对氨合 成装置中的气化炉和液氨储罐进行了危害后果分析和评价。刘建龙【7 5 】对某制冷装 置贮氨器的爆炸中毒事故危害后果进行了模拟分析，估算了冲击波危害半径和爆 炸后有毒气体扩散半径。o 1 3 研究意义 目前关于合成氨装置风险评价报道的文献较少，并且主要是针对个别涉氨设 备，例如液氨储罐、气化炉等，而合成氨生产的整套装置、整个系统还没有给出 相应的评价。而现实生活生产中使用的氨又主要通过氨合成装置加工而来，因此 对整个合成氨装置进行安全评价是十分必要的。 对合成氨装置进行风险评价具有十分重要的意义。 ( 一) 安全运行方面 我国的合成氨安全生产形势不容乐观，合成氨企业的安全管理足我国危险化 学品管理的重中之重。多年来，我国合成氨装置先后经过原料路线改造和节能改 造等多次反复，由于装置技术成熟度与资会等多方面制约，合成氨改造后安全质 量水平没有提高，合成氨事故时自发生。通过对合成氨装置进行风险评价，可以 得到设备危害后果排序，通过增强后果严重设备的| 常管理，可降低危害后果， 中小型氨厂氨合成工段爆炸及氨泄漏危害后果的估算研究 减少重大事故的发生概率，延长装置安全运行时间，提高装置的使用效率，提高 企业的经济效益。 ( 二) 经济性方面 无事故运行是化工行业追求的目标，谋求最大经济效益是企业追求的最终目 的。对氨合成装置进行危害后果估算即是实现上述二者的最佳集成，主要表现在 以下两个方面。 ( 1 ) 降低事故危害 众所周知，事故可能会导致整个装置破坏和停产、人员伤亡、环境污染，而 这些最终都会给氨合成企业带来巨大的经济损失，这些损失少则几十万、多则上 亿，后果极为严重。因此，对装置进行危害后果估算并对其进行安全管理，是企 业对员工、周围居民和环境负责任的表现，也是企业在安全生产的i j 提下追求经 济利益最大化的必要手段。 ( 2 ) 减少维修费用和停车造成的经济损失 进行危害后果估算可以识别危害后果严重的设备，以使设备的同常维护更具 有针对性，将原来整个装置的维护集中到个别危害后果严重的设备上，节省设备 青岛科技人学研究生学位论文 物料量衡算包括物料衡算和各设备物料量衡算。物料衡算根据沈浚主编合 成氨【| 7 6 】中物料衡算方法列物料衡算式，并根据液氨和气相氨相平衡关系、溶解 度关系列方程式，最后得到可唯一求解方程组，估算各主要设备( 包括氨合成塔、 冷交换器、热交换器、废热锅炉、水冷却器、氨冷凝器、氨分离器、循环机、油 分离器等) 内物料组分( 包括气相的氨、氢气、氮气、甲烷、氩气以及液相氨和 饱和水) ，再通过设备几何尺寸估算各设备中各组分物料含量。 氨合成工段爆炸危害后果通过爆炸冲击波超压进行估算。爆炸能量包括爆炸 断裂时各设备内物料物理爆炸能量和设备内易燃易爆组分化学爆炸能量。物理爆 炸能量主要考虑设备内混合气体的实际绝热膨胀功、液氨和液态饱和水的爆沸功 两大部分【7 7 】。实际绝热膨胀功通过物料爆炸前设备内的初始状态绝热膨胀到终念 ( 即当时当地大气状态) 过程的理想功乘以校正系数。爆沸功主要是指爆炸后， 氨合成工段部分设备中高压液体突然失压，产生快速沸腾的能量。化学爆炸能量 主要是爆炸后释放出来的氢气、氨气、甲烷与空气中的氧反应放热产生的能量， 也叫做二次爆炸。绺 设备爆炸时，爆炸能量以冲击波能量、碎片能量和容器残余变形能量三种形 式释放出来【67 1 。研究表n 碉 5 , 6 7 】，碎片抛出消耗能量和容器的残余变形能量相对较 小，8 5 - - 9 7 的爆炸能量以冲击波形式释放，造成周围人员伤亡和建筑破坏。由 于氨合成工段爆炸断裂可简化为点源爆炸，文中采用成熟的t n t 当量法，通过冲 击波超压估算氨合成工段危害半径。 氨合成工段爆炸时，设备内物料释放，若未达到爆炸极限，气体会以气云的 “ 形式向四周散去。物料中的氨组分对人体具有毒性作用，不同浓度的氨会对不同 接触人员造成不同程度的伤害，严重的可能导致窒息死亡，因此先对氨扩散浓度 进行估算，进而估算氨泄漏危害范围。本文氨泄漏危害后果评价主要包括氨泄漏 危害半径估算以及人员伤亡百分率估算。氨泄漏危害半径估算首先进行了静风条 件下氨泄漏危害半径估算。但现实中无风状态是几乎不存在的，通过对现有的模 型比较，选择比较成熟的修f 高斯烟刚模型完成了有风条件下氨泄漏危害半径估 算。人员伤亡百分率采用概率函数法估算。 通过爆炸冲击波危害半径和氨泄漏危害半径估算结果，给出氨合成工段的危 害区域以及各设备危害后果排序，以便将有限的设备维护费用，有效地用到高危 害设备上，降低设备发生事故的概率，减小事故危害后果，为企业的同常管理与 维护提供理论依据。 在中小型氨厂氨合成： 段爆炸危害后果估算研究的基础上，对山东省某化肥 厂氨合成工段爆炸与氨泄漏危害后果进行了估算，给出了该企业氨合成二t ：段爆炸 危害半径及氨泄漏危害半径。 中小型氨厂氨合成工段爆炸及氨泄漏危害后果的估算研究 随着计算机技术的发展，将各种评价方法软件化已经成为安全评价的一种趋 势。因此根据上述方法，编制了中小型氨厂氨合成工段爆炸危害后果估算软件， 以为中小型合成氨企业提供更直接、快速的评价手段。 青岛科技大学研究生学位论文 2 1 各设备物料组分计算 2 物料衡算 以中小型氨厂氨合成工段工艺流程为例，列物料衡算方程式。图2 - 1 为常见 的中小型氨合成工段工艺流程示意图，表2 1 给出了流程中各处气量、组分的符 号表示。氢氮比为3 ，根据文献 7 6 1 ，从总摩尔数平衡、氨平衡、惰性气平衡三个 方面出发，列出物料衡算关系式： 图2 - 1 合成氨工艺示意图 f i g 2 1a m m o n i as y n t h e s i sp r o c e s ss c h e m a t i c ( 一) 合成塔物料衡算 总摩尔数平衡： n a = l 一2 氨平衡： n a = n 2 y n h ，2 一n j y n h ，i 解上两式得： 2 苘2 蘅 2 妙mi 缈m 上式中h y n h ，等于j ，n h l 2 一y n i ，即氨净值。 惰性气平衡： n i y l 1 = n 2 y i 2 9 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 中小型氨厂氨合成工段爆炸及氨泄漏危害后果的估算研究 表2 - 1 合成回路各部位气量和组分含量 t a b 2 1g a sa n dc o m p o n e n tc o n t e n to ft h ev a r i o u sp a r t so fs y n t h e s i sl o o p 称雩，。：，氢= 0 1 解撇锄 补充新鲜气0n o 0 1 一帅帅 合成塔入口1 n 1 蜘h 3 ，il y n h 3 , 1 - - y i , ly i 1 合成塔出口2 n e y n h 3 , 2 1 - - y n h 3 , 2 - - y i , 2m 氨分i 出口3 n 3 * y n h 3 , 31 - - y m u , 3 一邶耶 排放气4 n 4 y n m , 4 。y n h 3 , 31 - - y n m , 4 - - y i ，4y i 4 _ 邶 氨冷器出口5 n s y n h 3 , 5 = y n h 3 , 3 l _ 琳m ，s _ 邶肛耶 氨分i 液氨 6 n 6 y n h 3 ，61 _ y n h 3 6 一y i ，6 氨分i i 液氨 7 n 7 y n h 3 ，71 一y n i d , 7 一肋眠7 ( 二) 氨分离器i 物料平衡 总摩尔数平衡： 2 = m + 6 ( 2 - 5 ) 氨平衡： 2 少n h 妒2u y n h 一+ 6 y n h ，6 ( 2 - 6 ) 惰性气平衡： 2 y u = 3 j ，1 3 + 6 y 1 6 ( 2 7 ) ( 三) 排放点物料平衡 总摩尔数平衡： 3 = n 4 + 5 ( 2 8 ) 氨平衡： y n i i ，3 5 y n h ，4 5 y n h 3 ，5 ( 2 _ 9 ) 青岛科技人学研究生学位论文 惰性气平衡： y i 3 = y i 4 = ( 2 - 1 0 ) ( 四) 氨分离器i i 物料平衡 总摩尔数平衡： 5 + n o = l + 7 ( 2 1 1 ) 氨平衡： 5 y n h = n , y n h 3 i + 7 y n h ( 2 - 1 2 ) 惰性气平衡： 5 + o y l o = n l y i ，l + 7 y i ，7 ( 2 1 3 ) 上述方程的变量中工厂设定的或已知的变量有：、o 、y n h ，o 、y i o 、y l 。、 y n h ， 3 = y n h ， 4 = 抵h ，、y u = y i 4 = y i 5 ，可去除9 个变量，共计2 5 个变量，剩余 1 6 个变量，而根据物料衡算仅得到方程1 0 个，因此需要补充6 个方程，以使方 程组可解。 根据文献 7 6 】中式4 1 6 5 液氨与气氨含量平衡关系，可求高压下液氨与气相 氨含量平衡关系： 鼢：h = i = 4 1 8 5 6 + 百1 9 0 6 0 一半 ( 2 其中：y ：h ，与液氨呈平衡的气相氨含量，m 0 1 ： 尸总压，m p a ； 丁气体温度，k 。 可列冷交换器管程和氨冷凝器的液氨与气相氨含量平衡关系式： l g 喊，以燃6 + 百1 9 0 6 0 一t 1 0 9 9 5 像5 ) l g 底一_ 4 1 8 5 6 + 百1 9 0 6 0 一t 1 0 9 9 5 ( 2 - 1 6 ) 溶解于液氨中的氢氮气和惰性气含量，根据文献【7 6 式4 1 6 2 ，由水冷凝器 温度和氨冷凝器温度确定他们的溶解度系数，再根掘其氢氮气和惰性气的分压， 求出6 点和7 点氢氮和惰性气的含量，从而确定y 、虮m 。和y 、y n 一。整个 中小型氨j 一氨合成工段爆炸及氩泄漏危害后果的估算研究 系统的氢氮比以及甲烷和氩气的体积比均为已知条件。 溶解度系数 n m 3 ( i n 3 m p a ) 】与温度t ( ) 的关系为： 巩：= 0 4 5 4 + 7 6 0 1 0 一t ( 2 1 7 ) h n ：= 0 5 0 9 + 7 6 0 1 0 q t ( 2 1 8 ) i ，一_ x 日凹。= 1 5 8 9 + 2 4 0 1 0 t ( 2 1 9 ) h 加= 0 7 2 2 + 8 5 5 x 1 0 一t ( 2 2 0 ) 可以得到6 点和7 点处的溶解度系数h m ，6 、h n 2 ，6 、h c 4 ，6 、h a r , 6 、h m ，7 、- n 2 ，7 、 凰h 4 7 、7 ，由气体分压与气体的摩尔百分比关系： 置= e , y i ( 2 - 2 1 ) 可求得6 点和7 点处各组分分压p m ，6 、p n 2 ，6 、p c h 4 ，6 、p a r , 6 、p m ，7 、辟j 2 7 、p c h 4 ，7 、 尸_ 舡7 ，从而得出液氨中各气体组分的溶解度，单位为k m 0 1 m 一： y - ：盥 ( 2 2 2 ) = = 1 l z 2 2 4 最终得到y i 。6 、y m t 6 、y i 。7 、y n h r 7 四个表达式。 1 6 个方程，1 6 个未知数，可唯一求解。通过m a t l a b 软件编程或其他程序可 方便求解氨合成工段各部位气量和组分含量。 2 2 各设备物料量计算 根据操作条件，将设备内的气量转化为体积流量。考虑到组分内有理想气体 成分和非理想气体成分，因此将其分别处理。理想气体h 2 、n 2 、a r ，使用理想气 体状态方程： p q v = n r t ( 2 - 2 3 ) 非理想气体n h 3 使用范德华方程 ( n 争2 购v 确却胛 ( 2 - 2 4 ) 其中p ：压力，m p a ；q v ：体积流量，m 3 h ；，z ：物质的量，m o l ；尺：理 想气体常数，8 3 1 4 j m o l k ；t ：丌尔文温度，k ；a ，6 ：范德华系数，对于 青岛科技火学研究生学位论文 氨介质，a = 0 4 2 2 4 p a m 6 m o l 之，b = 0 3 7 0 7 1 0 一m 3 t o o l 。 由于c h 4 的质量较轻，为了估算方便，文中假设其为理想气体进行估算【7 8 】。 物料在设备内的停留时间： f ：三 ( 2 2 5 ) g v 因此，设备内的物料量为： n ：t u ：盟 ),(2-26 g v 其中：t ：物料在设备内的停留时间，单位h ；k ：设备的总容积，m 3 ；设备 内的物料量，m o l ；m ：设备内的气量，m 0 1 h 。 由于冷交换器、热交换器的管程和壳程的工艺条件不同，需分别估算管程和 壳程内的物料量。废热锅炉壳程内的高温饱和水及饱和蒸汽在爆炸时，对周围人 员和环境等造成破坏，因此在进行废热锅炉物料估算时，除了要考虑管程物料组 分的估算，还要考虑壳程内饱和水及饱和蒸汽含量，以估算出更符合实际情况的 氨合成工段爆炸释放能量及其危害后果。 中小型氨厂氨合成工段爆炸及氨泄漏危害后果的估算研究 3 氨合成工段爆炸危害后果评价研究 3 1 爆炸能量估算 氨合成工段内的物料主要有h 2 、n 2 、n h 3 、c h 4 、a r 及h 2 0 六种成分，状态 有气相和液相两种。氨合成工段的爆炸能量主要包括物料物理爆炸能量及其化学 爆炸能量。 3 1 1 物理爆炸能量估算 根据设备内物料组分及状态分析，物理爆炸能量主要考虑设备内气相物料的 绝热膨胀功和部分设备内液相物料的爆沸功。 3 1 1 1 绝热膨胀功估算 氨合成工段的物料组分有h 2 、n 2 、n h 3 、c h 4 、a r 及h 2 0 。混合气体实际绝 热膨胀功可以看作是各组分物料由爆炸前设备内的初始状态等熵绝热膨胀至终 态( 即当时当地大气状态) 过程的理想功乘以校正系数s 得到，文中取校正系数 为0 9 4 。前四种组分可看作理想气体组分，其膨胀功可依据式( 3 1 ) 估算，c h 4 的k 值取1 2 5 ，其他三种气体组分取1 4 【7 7 】。n h 3 的绝热膨胀功采用式( 3 2 ) 估 算。由于氨合成工段中部分设备如氨合成塔和废锅等设备温度极高，因此能量估 算中使用的焓熵值除了直接查取相关文献外，还参考了一些文献 8 0 - 8 2 1 中的经验 公式，给出了不同操作条件下氨组分焓熵估算值。比容v 可查询相关文献得到。 4 = 半 ( 3 - 1 ) 4 = ( 啊一吃) 一( 置一s ：) 正】 ( 3 2 ) 式中，p i ：初态压力，m p a ；p 2 ：终态压力，m p a ；y l ：初态比容，m 3 k m o l 一： v 2 ：终念比容，m 3 k m o l 一；后：气体的绝热指数，无量纲；h i ：初态焓值，k j k g - 1 ； 8 1 ：初态熵值，k j ( k g k ) ；, - 9 2 ：终态熵值，k j ( k g k ) 换器壳程、氨分离器i 、氨冷凝器、氨分离器i i 内含有液 程含有液态饱和水。这些高温高压的饱和液态物质在突然 腾过程，即爆沸现象。氨合成工段爆炸后液态物料爆沸是 通常看作是一绝热膨胀过程。因此，氨合成工段的爆沸功 1 4 青岛科技人学研究生学位论文 3 1 2 化学爆炸能量估算 氨合成工段设备爆炸断裂后，设备内的易燃易爆组分h 2 、c h 4 以及n h 3 释放 到大气中，当这些易燃易爆组分在大气中达到一定含量或遇到点火源时就会立即 发生化学爆炸，也, q - 次爆炸。这些易燃易爆组分与空气中的氧反应放热，产生 巨大的破坏能量，对周围人员及设备设施造成极大破坏。为了尽可能安全地估算 出氨合成工段设备爆炸破坏半径，假设气相空间有足够的可供反应的氧气，使设 备内释放出的h 2 、c h 4 以及n h 3 全部反应，从而得到氨合成工段化学爆炸能量。 式( 3 3 ) ( 3 5 ) 为h 2 、c i - h 以及n h 3 与0 2 反应方程式及单位摩尔易燃易爆组 分反应放热量。 1 马( g ) + 丢q ( g ) j h 2 0 ( 1 )