氨气气体泄漏后果分析

1、1、储罐区的情况简介1.1 储罐区的基本情况本次课程设计以沈阳某发电厂为研究对象。 该发电厂采用选择性催化还原法进行烟气脱硝，所 用还原剂为液氨,共有2个液氨储罐,每个液氨储罐最大储存量为90 m3液氨储存温度为30c , 储存压力为1. 1 MPa,密度为750 kg/m3,液氨体积占储罐容积的最大值为 70%供充装系数为 0.70)。则每个贮槽内液氨的总质量为 W=90 m3< 750 kg/m3 乂 0. 7=47.25t 。重大危险源，是指长期地或者临时地生产、搬运、使用或者储存危险物品、且危险物品的数量等于或者超过临界量的单元(包括产所和设施)。危险化学品重大危险源辨识 【2】

2、(GB18218-2009)规定氨的临界量为10t ,该企业布置有两个液氨储罐，每个储罐装存的液氨 为47.25t ,因此构成了该液氨储罐区构成了重大危险源。1.2 液氨的主要危险特性液氨又称为无水氨，是一种无色液体。在温度变化时，液氨体积变化的系数很大。溶于水、乙醇和乙醴，与空气混合能够形成爆炸混合物，火灾危险类别为乙类2项。液氨作为一种重要的化工原料应用广泛，普遍存在于化工生产过程中。为了运输及储存的便利，通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨。液氨在工业上应用广泛，由于具有腐蚀 性，且易挥发，所以其化学事故发生率相当高，是该储罐区的主要危险物料。液氨物料的危 险特性主要体现在燃烧和爆炸

3、、活性反应和健康危害三方面【3】，具体危险特性及理化性质如表1.1所小：表1.1液氨的危险特性及理化性质表危险 特性燃烧和爆 炸危险性极易燃，能与空气形成爆炸性混合物，遇明火、高热引起燃烧 爆炸。活性反应与氟、氯等接触会发生剧烈的化学反应。健康危害对眼、呼吸道粘膜有强烈刺激和腐蚀作用。急性氨中毒引起眼 和呼吸道刺激症状，支气管炎或支气管周围炎，肺炎，重度中毒 者可发生中毒性肺水月中。高浓度氨可引起反射性呼吸和心搏停止。 可致眼和皮肤灼伤。PC-TWA(时间加权平均容许浓度)(mg/m3):20; PC-STEL翘时间 接触容许浓度)(mg/m 3):30。理化性质分子量为17.03 ,熔点-7

4、7.7 C,沸点-33.5 C,液氨密度为 0.7253g/cm3,临界压力11.40MPa,临界温度132.5 C,饱和蒸气 压1013kPa(26C),爆炸极限15%-30.2% (体积比)，自燃温度 630C ,燃点为651C,最大爆炸压力0.580Mpa2、储罐的事故类型分析2.1液氨泄漏事故模式及统计分析通常情况下，液氨在常温下加压压缩，液化储存，一旦泄漏到空气中会在常压下迅速膨胀 大量气化，并扩散到大的空间范围。液氨事故泄漏后通常有几种事故模式：液氨泄漏后在泄漏出口处立即点火形成喷射火；泄漏 处于开放空间且经过一定时间点火形成闪火；泄漏处于局限空间条件且经过一定时间点火形 成蒸气云

5、爆炸；若泄漏过程中没有点火源存在则形成单纯的大气中扩散；储存液氨的储罐有 可能发生BLEVE爆炸。根据事故案例，泄漏事故绝大多数可视为连续点源泄漏模式。因此，本文着重分析和模拟氨 气连续点源泄漏后果。2.2气氨泄漏事故树模型 3氨气泄漏后果定量计算3.1 气氨泄漏模型对于灾难性破坏引起的液氨泄漏，可保守地认为容器内所有的贮存物质瞬间全部泄漏，全部泄漏时一般有爆炸发生，对其发生爆炸后的状况再运用数值模拟进行预测意义不大。因此 ，文中所研究的是液氨储罐连续性 泄漏的数值模拟。通过对建国50年以来我国化工系统所发生的重(特)大、典型事故性泄漏的统计分析表明，阀门或法兰处的密封失效及阀门或管道断裂是造

6、成事故性泄漏的主要原因，因而可以确定液氨储罐下方的液氨出口接管、储罐上方的气氨出口接管以及安全阀为主要泄漏源。气氨泄漏模型对于气氨通过其出口接管的泄漏，情况较复杂。由于出口接管处于气相空间，其泄漏形式主要与泄漏面积的大小有关。在yt漏面积较大的情况下，高压蒸气通过裂缝或孔洞喷出，储罐内压急剧下降，直到环境压力(常温)。由于内压急剧下降，气液平衡遭到破坏，储罐内液氨处于过热状态，过热状态的液氨为 了再次恢复平衡，内部会均匀地产生沸腾核，同时产生大量气泡，液氨体积急剧膨胀，最终导致爆炸；当泄 漏面积不大时，即使有蒸气喷出，但由于储罐内压下降不急剧，液氨不会达到过热状态，因此不会发生蒸气爆炸,其泄漏

7、速率可采用下式计算：Qm =C0AP02rM RgT0( r -1)P P02/ r- P P0r+ 1/ r 1/2( 3)式中:Qm为质量泄漏速率，kg/s;C0为泄漏系数；A为裂口面积，m2 ;P0为储罐内压,Pa;M为气体或蒸气的摩尔质量，kg/mol;Rg为理想气体常数；T0为泄漏源温度,K ； P为泄漏处压力,Pa; r为绝热指数。3.2 气氨扩散模型根据泄漏气体的密度和泄漏源类型，气体的扩散模式可分为烟团扩散和烟羽扩散两种模式。泄漏量较大 且密度比空气的密度大得多的气体扩散呈现烟团式扩散，若泄漏气体密度与空气接近或经很短时间的空气 稀释后密度与空气接近时，其泄漏气体的扩散属于烟羽

8、式扩散，大部分较小流量的连续源易形成烟羽扩散。 因此，氨气的扩散属于烟羽扩散。通过查询沈阳地区的气象资料，沈阳一年内的平均风速为2.84m/s ,根据化工企业定量风险评价导则AQ/T3046-2013表E.5可知，大气稳定度为 C级，根据表 E.7可知：7=0.282x0.914(rz= 0.127x0.961根据Pasquill-Gifford模型扩散方程，位于地面 H r高处的连续稳态源的烟羽C x,y,z =2 二：y：zUexpexp - 2z - Hj 一_ . .1/z + H八+exp I-2(3.6)式中:9M V,z )_一连续排放时，形成稳定的流场后，给定地点(x,y,z)

9、的污染物的浓度，单位为g/m3;Q 连续排放的物料质量流量，单位为g/s ;u风速，单位为 m/s;°z 侧风向和垂直风向的扩散系数，单位为m;x下风向距离，单位为项y侧风向距离，单位为 m;z垂直风向距离，单位为 m>y+ 0) = 一由液体泄漏中的计算可知，当泄漏为小孔泄漏时，连续排放的物料质量流量Q=1106g/so因为液氨储罐水平布置在地面上，所以可以在 x轴方向取10n 50n 100m 200m 400nl y轴取0, z轴取0,具体地点污 染物浓度见表3.1所示：表3.1不同地点液氨扩散的浓度X (m)1050100200400500丫(m)000000Z (m)

10、000000% (m)2.3110.0718.9835.7667.3882.62crz (m)1.165.4510.6120.6640.2149.83C (g/m3)46.262.260.620.170.0460.0301.3 毒负荷 氨气为毒性物质。人类对毒物的反应不仅与所接触的毒物的浓度有关，而且还与暴露在该浓度下的时间有关，因此，为了同时反映毒物浓度和暴露时间对中毒反应的影响，人们提出了毒负荷的概念，其定义如下：TL =ft 2 1 Cn( t)d t(7)式中：TL为毒物的毒负荷，它决定中毒程度；t1、t2分别为开始暴露时刻和结束暴露时刻，min ;C为t时刻暴露环境中毒物的浓度;n为

11、哥指数，对于氨气，n取2。3.3 火灾模型喷射火计算加压气体泄漏时形成射流，如果在裂口处被点燃，形成喷射火。根据射流的方向，可以分成垂直喷射火和 水平喷射火。根据化工企业定量风险评价导则【5】AQT3046-2013第9.2.3条 泄漏方向应根据设备安装的实际情况确定。如果没有准确的信息，泄漏方向宜设为水平方向，与风向相同。所以该企业液氨储罐的泄漏方向 宜设为水平方向，仅水平方向喷射火计算。加压的可燃物泄漏时形成射流，如果在泄漏裂口处被点燃，则形成喷射火。假定火焰为圆锥形，并用 从泄漏处到火焰长度 4/5处的点源模型来表示。(1)火焰长度计算喷射火的火焰长度可用如下方程得到：0.444L _(

12、Hcm)=161.66(3.12 )式中：L火焰长度，单位为项HC-燃烧热，液氨的燃烧热为11053.315 kJ/kg ;m质量流速，单位为 kg/s。1)泄漏场景为小孔泄漏时，泄漏孔径为5mm质量流速 m=1.106kg/s。0.444L =(Hcm)161.66=0.4m2)泄漏场景为中孔泄漏时，泄漏孔径为 25mm质量流速 m=27.67kg/s0.444L =(Hcm)一 161.66 =1.69m3)泄漏场景为完全破裂时，泄漏孔径为50mm质量流速 m=110.69kg/s0.444L _(Hcm)一 161.66 =3.12m(2)热辐射的通量计算距离火焰点源为 X(m)处接收到

13、的热辐射通量可用下式表示：fH Cmq =24 二X2 1000(3. 13 )式中：q距离X处接收的热辐射的通量，单位为kw/m2;f 热辐射率；T大气传输率。大气传输率。按下式计算：1 =1 -0.0565ln X(3.14 )选择泄漏场景为完全破裂时，质量流速m=110.69kg/s，热辐射率f取0.25 ,X分别取10n 50n 100m 200nl不同距离热辐射通量见表3.3所示：X (m)1050100150T0.870.780.740.72q ( kw/m 2)0.217.59 X10-31.80 X 10-37.79 X 10-4表3.3不同距离热辐射通量3.4爆炸模型计算3.

14、4.1沸腾液体扩展为蒸气云爆炸沸腾液体扩展为蒸气云爆炸( 射模型进行计算，步骤如下： (1)火球直径的计算 火球直径计算公式为：BLEVE计算BLEVE计算：采用国际劳工组织建议的沸腾液体扩展为蒸气云爆炸热辐R=2.9W13(3.15)式中：R火球直径，单位为miW-火球中消耗的可燃物质量，单位为kg,对于单罐储存， W取罐容量的50%对于双罐储存， W取罐容量的70%对于多罐储存，W取罐容量的90%已知该企业有三个液氨储罐，容积都为120m3,每个储罐的实际储存量为73.981T。即三个储罐的实际总储存量为 3X 73.981=221.943T所以 W=90%M=90%221.943 X 1

15、03=2.0 X 105kg1 3即 R=2.9W =2.9 X ( 2.0 X 105) 1/3=169.59m(2)火球持续时间的计算火球持续时间按下式计算：t =0.45W13(3.16 )式中：t火球持续时间，单位为s;W-火球消耗的可燃物质量，单位为 kg。即 t =0.45W13=26.32s(3)目标接收到热辐射通量的计算q0R2r 1 -0.0581n rR2r2 3 2(3.17 )式中:q0火球表面的辐射通量，单位为W/m2对于柱形罐取 270 W/m2 ,对于球形罐取 200 W/m2 ;目标到火球中心的平均距离，单位为miq0取270 W/m2,分别取r=10m、15m

16、 20ms 50m 100m来进行目标接收到热辐射通量的计算，具体数据 见下表3.1所示：2q0R r 1 0.0581n r当r=10m时,q r)=(R2 +r2 32R r=13.72 W/m22q()R r 1 -0.0581n r当r=15m时,(R2 +r2 3=19.90 W/m2当r=20m时,qr 二2qoR r 1 -0.0581nr(R2 +r2 3=25.77 W/m2当r=50m时,_ 2_q0R r 1 - 0.0581n rq r :3-2R r2=54.31 W/m2当 r=100m 时,qr =2q°R2r 1 -0.0581n rR r =116

17、W/m2经常发生、且后果十分严重的爆炸事故。通常采用TNT当量法估计蒸气云爆炸的严重度【WTNT=a WQ/ QTNT8】。(3.18)式中WTNT-可燃气体的 TNT a 可燃气体蒸气云当量系数 W-蒸气云中可燃气体质量， Q-可燃气体白燃烧热，J/kg QTNT- TNT 的燃烧热，J/kg（E=1.8 a WQ当量，kg；（一般取值0.04）;kg；一般为 4.52 X 106);(3.19 )各点目标接受的热辐射通量见表3.4所示:表3.4目标接收的热辐射通量r(m)10152050100qr(W/m2)13.7219.9025.7754.311163.4.2蒸气云爆炸（TNT当量法）

18、计算当泄漏到空气中的可燃气体与空气的混合物的浓度处于爆炸范围内时遇到点火源发生的爆炸现象称为蒸气 云爆炸。其主要危害为爆炸产生的冲击波，能导致人员伤亡及设备、设施、建筑、厂房的破坏。它是一类式中E可燃气体的爆炸总能量，J;1.8地面爆炸系数。爆炸伤害半径:R = C(NE y门(3.20 )式中：C为爆炸实验常数，取决于损害等级，取值为0.030.4 ;N为有限空间内爆炸发生系数，取 10%液氨25 C时，单罐实际储存量为 73.981T【1】，即三个罐的总储存量为221.943T,氨的分子量为17, 燃烧热18.59 MJ/kg ,沸点-33 C,液体比热容 4.6 kJ/kg ,气化热 q为1.37 X 103 kJ/ kg氨气的TNT当量计算 WTNT的计算WTNT = WQ/ QTNT=0.04X 221.943 X 103X 18.59 X 106/4.52 X 106=3.7 X 104kg(2)氨气爆炸总能量E的计算根据公式3.15氨气爆炸总能量：E=1.8 a WQ= 1.8 X 0.04 X 221.943 X 103X 18.59=2.97 X 105MJ(3)氨气蒸气云爆炸冲击波的损害半径根据公式3.16计算氨气蒸气云爆炸冲击波的损害半径为：R=C(NE)1/3=0.15 X ( 10%X