干式煤气柜泄漏及中毒事故预测后果分析
32
湖南有色金属
HUNANNONFERROUSMETALS
第24卷第3期2008年6月
·环 保·
干式煤气柜泄漏及中毒事故预测后果分析
王宇新,黄 斌
(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)
摘 要:文章通过对煤气柜煤气泄漏及扩散范围的研究,利用相应的数学模型可以估算出CO扩散影响的范围及相应的中毒人数,可以帮助企业了解煤气柜区域事故后果的影响范围,并对煤气柜这种重大危险源的管理和控制有一个量的概念。关键词:煤气柜;泄漏;中毒;重大危险源
中图分类号:X965 文献标识码:A 文章编号:1003-5540(2008)03-0032-05
为了减少环境污染和节约资源,在现在的大中型冶炼企业一般均设置了煤气柜,一方面可以减少有毒气体CO的排放,另一方面可以回收炼铁高炉及炼钢转炉中的煤气用来作为能源或发电的原料,以达到资源综合利用目的。
煤气的主要成份为CO和H2,CO的主要危害特点是中毒及燃爆,H2的主要危害特点是燃爆,因此一般炼钢企业气柜区的事故为中毒事故和燃爆事故。根据对某企业气柜区过去十年中已发生的11起事故及发现的事故隐患分析情况来看,煤气泄漏事故占了7起,因雷击而引起的燃烧事故只有1起,因煤气泄漏而引起的中毒事故有3起,其中一起事故造成20余人中毒,有4起煤气泄漏事故由于当时仪器报警及时采取了措施,消除了事故隐患,没有造成严重后果。因此煤气中毒是气柜区最容易发生的事故。
根据国家标准GB18218—2000《重大危险源辩识》,煤气的两种主要成份均属于重大危险源的危险物质,而一般大中型企业的煤气柜容量均较大,达到了重大危险源的临界值。煤气柜区中毒事故易发性的特点,构成了安全生产的重大隐患,引起安全生产领域的高度重视,并对大型煤气柜这种重大危险源的管理和控制开展了广泛的研究工作。
煤气柜泄漏及中毒事故分为二步,第一步是泄漏,第二步是CO扩散导致周围人群中毒。
1 煤气泄漏分析
煤气柜泄漏导致中毒的原因有多种,与所处环境和使用的工艺及煤气组成成份有关,但现代炼钢企业的煤气柜的工艺和所处环境大同小异,现在以某炼钢企业为例进行分析。1.1 煤气泄漏原因分析
某炼钢企业动力厂煤气柜区有一座50000m
3
转炉卷帘密封型煤气柜和一座150000m3稀油密封型高炉煤气柜。转炉煤气的成份为:一氧化碳(60%～70%)、二氧化碳(10%～14%)、氢气(1%～2%)、甲烷(23%～27%)、氧气(0.3%～0.8%)、氮气(5%～8%)等;高炉煤气的成份为:一氧化碳(23%～30%)、二氧化碳(10%～25%)、氢气(1%～2%)、氧气(0.3%～0.8%)、氮气(50%～60%)、二氧化硫(0.001%～0.01%)等。
一般情况下,煤气柜区煤气泄漏的原因有以下几点:
1.煤气设备和管道发生破损、各处水封由于系统压力突然升高,可能会造成跑煤气现象从而导致操作人员煤气中毒。
2.加压机管道连接处、阀门处密封不严密,煤气泄漏有可能导致中毒事故。
3.煤气柜放散系统及燃烧放散管,遇煤气压力波动及自然气候的低气压天气,煤气放散管烧嘴因故障熄灭,未能及时发现(排除)隐患,可能引起煤气放散下风侧多人中毒的重大伤亡事故。
作者简介:王宇新(1972-),男,工程师,主要从事安全管理及安全评
价工作。
第3期王宇新,等:干式煤气柜泄漏及中毒事故预测后果分析
气体温度取常温16.6℃,T=289.6Kr值取1.4
将以上数值代入式(1)得:
33
气柜和管道有一定的腐蚀作用,在炼厂冶炼废气较多的环境下,外部的SO2,H2S,CO2均对钢结构有较强的腐蚀作用,特别是SO2腐蚀危害对钢结构有较
大影响。除了大气和煤气中所带的腐蚀因素之外,煤气柜体焊缝等处由于金属与金属、金属与非金属因内外氧浓差不同形成浓差电池,缝隙内为阳极易被腐蚀产生泄漏。大部分冶炼厂中的煤气柜系统均需隔一到二年即进行防腐蚀处理,否则将会因为腐蚀而出现煤气到处泄漏的情况。
1.2 煤气泄漏过程研究
气体或蒸汽经小孔泄漏,因压力降低而膨胀,该过程可视为绝热过程。假设气体符合理想气体状态方程,则根据柏努利方程可推导出如下的气体泄漏公式:
Q=CdAP
Tr+Q=4.406kg/s
半小时煤气泄漏量为7931.28kg。其中CO的量为1961.67kg。1.2.2 转炉煤气计算
转炉煤气计算结果如下:裂口面积A=0.0314m
2
气体泄漏系数Cdg=1
管道内介质压力p=104325Pa环境压力p0=101325Pa
分子量M=28(平均值),转炉煤气分子量按一氧化碳(体积比)65%、二氧化碳12%、氢气1.5%、氧气0.55%、甲烷16%、氮气6.5%的比例进行计算。
R为气体常数,取8314J/kmol·K气体温度取常温16.6℃,T=289.6Kr值取1.4
将以上数值代入式(1)得:
Q=2.641kg/s
半小时煤气泄漏量为4753.40kg。其中CO的量为3089.71kg。
(1)
式中Q为气体泄漏流量/kg·s-1;Cd为排放系数,当裂口形状为圆形时取1.00,三角形时取0.95,长方形时取0.90;A为泄漏口面积/m;P为容器内气体
压力/Pa;P0为环境压力/Pa;r为绝热指数,是等压比热容与等容比热容的比值;M为气体的分子量/kg·mol;R为气体常数,取8.314J/mol·K。
从高炉煤气和转炉煤气的成份来看,转炉煤气的CO含量很高,高炉煤气中的CO虽然稍少,但最高也达到了30%左右,一旦发生泄漏也非常容易引起中毒。下面以高炉煤气柜和转炉煤气柜压力过高击穿水封,煤气泄漏30min事故为基础,进行煤气泄漏后果计算。
计算高炉煤气柜和转炉煤气柜压力过高击穿水封,煤气泄漏30min的泄漏量。
水封高度均以0.5m计,管道直径为200mm,压力按高炉煤气7840Pa,转炉煤气3000Pa计,根据煤气泄漏计算模型进行计算。1.2.1 高炉煤气计算
高炉煤气泄漏计算结果如下:裂口面积A=0.0314m
气体泄漏系数Cdg=1
2
-1
2
2 煤气扩散CO中毒范围估算
2.1 地理位置
煤气柜区东面为煤气救护队办公楼和型带材厂,南面为热轧板厂和三炼钢,西面为环城铁路,环城铁路对面为总厂生产管理中心,北面为市燃气公司煤气柜。整个动力厂煤气柜区域为三角形,占地
面积约为7万m2左右,位于一个较高的山包顶上,地面标高比旁边的厂房和道路高出10～12m左右。区域内有办公楼一座、煤气柜2座、加压站4个。2.2 煤气扩散模型
一般大气扩散主要研究有害物质传播和物质浓度衰减的关系,目前可用梯度输送系统理论、统计工作理论和相似性理论来处理这个问题,从这些理论体系出发可以导出许多扩散模式,其中应用最广的是根据统计理论导出的正态高斯分布假定下的扩散模式,也就是通常所说的高斯扩散模式。
煤气柜一般在地面上,因此煤气柜进出管道泄漏相当于地面连续点源,泄漏后的气体按高斯扩散,管道内介质压力p=1019165Pa环境压力p0=101325Pa
分子量M=30(平均值),高炉煤气分子量按一氧化碳(体积比)26.5%、二氧化碳17.5%、氢气1.5%、氧气0.55%、氮气54%的比例进行计算。
,/
34见下式:
湖南有色金属
对应区域的坐标值均为负值。
Q
y2
z2
第24卷
C(=exp
22(2)x,y,0;0)πσ2σ2σyσzuyz
C(x,y,0;0)
/mg·m-3;σ水平扩散参数);σy为y方向的标准差(z为z方向的标准差(垂直扩散参数);u为平均风速/ -1-1m·s;Q为源强/mg·s。
当煤气通过放散管放散时,则放散浓度按高架点源进行计算:
y(H-z)Q
C(=exp
x,y,0;H)22
πσ2σy2σzyσzu
(3)
其中H为放散管高度,Z为离地面的高度,当
Z等于0时,C(值为地面浓度。x,y,0;H)
从上两式可以看出,扩散参数σy、σZ是估算大气污染物浓度的二个重要参数。扩散参数直接与大气湍流性质有关,它的定量规律可以通过大气扩散理论研究和实验两方面获得。但目前使用的扩散参数仍以实验资料为主要依据,通常σy和σZ都是通过野外现场实验得到,再把这些数据表示为扩散距离、大气稳定度和下垫面粗糙度的函数,从而获得一些经验扩散参数公式。目前所用的主要是Passquill扩散参数、Briggs扩散参数和国标GB3840-91/T《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》推荐的扩散参数,由于计算机应用的原因,只能使用扩散参数幂函数表达式。
2.3 煤气扩散后果分析
将1.2中煤气泄漏30min的数值代入式(3),再利用软件作图,则可以得到管道破损煤气泄漏事故后,CO扩散所影响到的范围(假定烟气不抬升,即抬升高度为0)。我们可以根据泄漏点周围的浓度画出表格,同时也可以根据等浓度图确定CO致死区(大于1250mg/m3)、严重区(625～1250mg/m3)、较重区(625～312.5mg/m)、中度区(312.5～225
33
mg/m)、轻伤区(225～125mg/m)、有影响区(30～125mg/m3)、安全区(小于30mg/m3)等。高炉煤气、转炉煤气泄漏事故CO扩散浓度测试数据分别列于表1、表2。
表1中数据所对应的区域如图1所示,表2中数据所对应的区域如图2所示。均是以泄漏点为原点,刮东北风向时煤气扩散的区域范围,因此图中所
3
2
表1 高炉煤气泄漏事故CO扩散浓度(部分点)
mg/m3
纵向距离y/m
3-48-198-348-498
横向距离x/m
-6630.00050.00630.92987.345314.8099
-5130.00130.02854.8388
-3630.00530.2301
-2130.0491
-637.2660
10.0000
5.83681439.73001.7395
0.02770.00400.0011
29.5403142.400823.2848
0.73150.0762
22.234151.387741.603625.431426.0030
7.4020
表2 转炉煤气泄漏事故CO扩散浓度(部分点)
mg/m3
纵向距离
y/m-50-100-150-200-250
横向距离x/m
-3001.294115.9577
-2504.1619
-200
-150
-100
-50
15.615076.0785554.79693218.5190
43.4431128.7139390.7893888.2030554.7969
55.9145120.7043250.1462412.9299390.789376.078599.8548168.4561240.0083250.1462128.713915.6150120.2629157.6148168.4561120.704343.4431
4.1619
从图1、图2可以看出,高炉煤气泄漏30min后,从转炉煤气柜泄漏点到西南方向(设泄漏时风向
为东北风)100m左右的范围为死亡区,最远扩散到了煤气柜南边的道路上,死亡区的范围大约为2510m2,严重区距泄漏点约141m,范围约为2680m2;较重区距泄漏点约340m,范围约为5450m;中度区距泄漏点约180m,范围约为4270m2;轻伤区距泄漏点约340m,范围约为12300m2;有影响区距泄漏点约670m,范围约为87100m。
转炉煤气泄漏30min后,从转炉煤气柜泄漏点到西南方向130m左右的范围为死亡区,最远扩散到了精制煤气加压机房附近,死亡区的范围大约为4110m。严重区距泄漏点约250m,扩散到了燃气车间的高炉加压机房,范围约为4230m2;较重区距泄漏点约308m,范围约为8620m2。
从以上数据及图形可以看出,转炉煤气因含CO量高,即使在同样泄漏30min的情况下,所影响到的区域比高炉煤气的要大。因此转炉煤气比高炉煤气更加危险,对于转炉煤气柜的管理和日常操作也应更加谨慎。
2
2
2
第3期王宇新,等:干式煤气柜泄漏及中毒事故预测后果分析35
图1 15万高炉煤气柜管道泄漏事故的CO地面等浓度图与地形配合图
图2 5万高炉煤气柜管道泄漏事故的CO地面等浓度图与地形配合图
3 重大危险源分级
国家安全监督总局2007年发布的《重大危险源
分级标准(征求意见稿)》,重大危险源分级具体判别的依据如下:
1.一级重大危险源:可能造成死亡30人(含30人)以上的重大危险源。
2.二级重大危险源:可能造成死亡10～29人的3.三级重大危险源:可能造成死亡3～9人的重大危险源。
4.四级重大危险源:可能造成死亡1～2人的重大危险源。
根据上文所分析的后果显示,在高炉煤气泄漏30min后,距高炉煤气柜泄漏点下风方向100m之内的范围为可能引起死亡的区域。上文中划出的扩散范围是当泄漏时刮东北风的情况。根据煤气柜实,,
36湖南有色金属第24卷
(常在人员约20～25人,以下所示均为常在人员,不包括聚会、开会等人员集中情况)在死亡区内,当刮西北风时,煤气救护队的办公楼(15～25人)大部分在死亡区内。当刮北风时,南边的厂内道路上的人会受到一定影响(可能为1～2人)。
综上所述,高炉煤气柜泄漏所影响到的最多死亡人数为20～25人,根据重大危险源的分级方法,应属于二级重大危险源。
转炉煤气泄漏30min后,距转炉煤气柜泄漏点下风方向130m左右的范围为死亡区。上文中计算所显示的范围是风向为东北风时的影响区域,当刮其它风向时,所影响的区域各不相同。如刮北风时,燃气车间办公楼处于死亡区内,刮东风时,生产调度室一角处于死亡区内,办公楼内日常约有20～30人,受影响的人数约为10～20人,刮西风时,四轧钢有一部分厂房在死亡区内,影响人数约为15～25人。
综上所述,转炉煤气柜泄漏所影响到的最多死亡人数为20～25人,根据重大危险源的分级方法,应属于二级重大危险源。
因为煤气柜区内的2座气柜都在500m范围之内,应属于一个重大危险源区域,因此整个煤气柜区属于二级重大危险源。
影响到的人数,与煤气柜区曾经发生过的最大一起中毒事故非常相似,以事实证明了本方法的可行性。根据CO的特性,对于煤气柜这种重大危险源的管理和控制可以得出以下经验:
1.气柜区各个方向应装设室外自动一氧化碳报警仪,便于工作期间及时发现煤气泄漏情况。2.气柜区应设立醒目的风向标,气压计,可以指导气柜区内外下风向人员加强自我防范意识。当大气压低,雨雪天气时,不能随意进行煤气放散。一般天气煤气放散时特别要提醒下风向人群注意防护。
3.因为CO与空气的平均分子量差不多,如新建煤气柜,选址位于高处有利于CO扩散。
4.煤气柜区要注意定期防腐,防止钢材腐蚀造成泄漏。参考文献:
[1] 国家安全生产监督管理局.安全评价[M].北京:煤炭工业出
版社,2004.
[2] 蒋展鹏.环境工程学[M].北京:高等教育出版社,2004.[3] 刘诗飞,詹予忠.重大危险源辨识及危害后果分析[M].北京:
化学工业出版社,2004.
[4] 潘旭海.重(特)大泄漏事故统计分析及事故模式研究[J].化
学工业与工程,2002,(3):248-252.
[5] 王意冈.关于高斯模式计算范围的讨论[J].环境工程,1990,
(4):44-47.
[6] 张亚平,牛建军,张淑琼.有毒物质泄漏扩散危害后果分析系
统软件的研制[J].海峡预防医学杂志,2007,7:3-5.[7] 潘旭海,蒋军成.重气云团在大气环境中的扩散[J],化学工
程,2003,1:35-39.
4 结 论
从以上分析及煤气扩散后果预测可以看出,高
炉及转炉气柜中的煤气因一氧化碳含量高,一旦发生泄漏,容易造成中毒伤亡事故。文中所采用的煤气泄漏及CO扩散数学模型方法所预测到的范围和
收稿日期:2008-04-10
DryGasTankLeakageandtheForecastConsequences
AnalysisofPoisoningAccident
WANGYu-xin,HUANGBin
(HunanResearchInstituteofNonferrousMetals,Changsha410015,China)
Abstract:Basedonthestudyofthegastankleakanddispersionscope,thepaperusedthemathematicalmodeltoestimatetheimpactoftheproliferationofCOandthescopeofthecorrespondingnumberofpoisoning,whichcouldhelpenterprisesunderstandtheinfluenceareaofthegastankregionaccidentandhaveaquantityconceptto
thiskindofmajorhazard'smanagementandcontrol.Keywords:gastank;leak;poisoning;majorhazards