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Microsoft Word - 液氨泄露和蒸汽云爆炸事故后果的模拟计算与应用(7.10)


液氨泄露和蒸汽云爆炸事故的模拟计算与应用
张哲民
(黄石市化工医药煤炭行业协会 湖北 黄石 435000)

摘要: 采用 TNT 当量法和模拟比法对液氨蒸汽云爆炸的严重度以及液氨泄露毒害区进行 计算,方法简单实用,可为液氨生产、储存和使用单位对事故的预防预测、应急救援预案的 编制提供决策依据和理论指导;同时,通过判定冲击波的破坏伤害程度,

亦可反推爆炸中心 的爆炸能量。 关键词:液氨泄露 蒸汽云爆炸 TNT 当量法 模拟比法 爆炸能量 计算

液氨,又称为无水氨,是一种无色液体。氨作为一种重要的化工原料,广泛 应用于化工、医药、冶金、食品加工和家禽养殖业等行业,为运输及储存便利, 通常将气态的氨气通过加压或冷却的方法得到液态氨。氨易溶于水,溶于水后形 成氢氧化铵的碱性溶液。 液氨具有极易燃, 能与空气形成爆炸性混合物, 遇明火、 高热引起燃烧爆炸、具有腐蚀性,且容易挥发的化学特性,被国家安监总局列入 《首批重点监管的危险化学品名录》 。近年来,液氨泄漏事故频发,造成了重大 的人员伤亡,财产损失、环境污染和社会影响。 (见如表 1) 。通过相关模型计算 不仅可预知液氨储罐发生蒸汽云爆炸事故时的 TNT 当量,爆炸时产生的死亡半 径、重伤半径、轻伤半径,而且还可以预测蒸汽云爆炸时冲击波对财产损害的半 径和液氨储罐泄漏产生人体中毒时的蒸汽云体积和扩散半径。因此,开展利用数 学模型,对液氨储罐事故后进行定量分析研究具有重要的现实意义,这不仅为企 业在液氨储罐设计、施工、使用和应急救援时提供技术支撑,而且还可以为政府 部门对涉氨企业实施安全监管、环境保护提供科学的决策依据。 附表 1
序号
1 日

2013 年国内液氨主要事故统计表
事故原因
一只装载 200 公斤液氨的罐体阀芯突 然脱落,罐内液态氨迅速泄漏。

时间
2013 年 1 月 9

地点
浙江省永康市西城街道 永化路 80 号侨朋化工 厂 1?

事故后果
22 名个人迅速撤离,未有造成 人员伤亡。

2

2013 年 4 月 21 日

四川省眉山市仁寿县凤 陵乡金凤食品厂生猪屠 宰场冻库 山东省烟台市 吉林省德惠市禽业公司

液氨制冷设备管道封头脱落, 导致液 氨泄露。 一辆液氨车上液氨钢瓶突然爆炸, 造 成氨气泄漏。 液氨泄露、火灾爆炸事故。

造成 4 人死亡,22 人急性氨中 毒。 造成 9 人中毒。 造成 119 人遇难,60 名伤员住 院,其中 15 人是重症,8 人属 危重。

3 4

2013 年 5 月 20 2013 年 6 月 3 日

5 6 7

2013 年 8 月 31 日 2013 年 11 月 28 日 2013 年 12 月 10 日

上海宝山区丰翔路 1258 号的上海翁牌冷藏库 山东省乳山市合和食品 有限公司 湖北长阳土家族自治县 一冷库厂房

冷库管道破裂液氨外泄。 液氨泄漏。 氨气泄漏。

造成 15 人死亡,30 多人受伤。 造成 7 人死亡,1 人危重,3 人 重伤,2 人轻伤。 未造成人员伤亡。

一、液氨火灾爆炸事故的危险性分析 1、氨的理化特性 常温常压下为无色气体,有强烈的刺激性气味,CAS 编号:7664-41-7 ,危

险货物编号:23003,火灾类别:乙类,在 20℃、891kPa 下即可液化,并放出大 量的热。液氨在温度变化时,体积变化的系数很大。溶于水、乙醇和乙醚。在 20℃水中的溶解度为 34%,1%水溶液 PH 值:11.7 ,分子量为 17.03,熔点-77.7 ℃,沸点-33.5℃,气体密度 0.7708g/L,相对蒸气密度(空气=1)0.59,相对 密度(水=1)0.7(-33℃),临界压力 11.40MPa,临界温度 132.5℃,饱和蒸气 压 1013kPa(26℃),爆炸极限 15%~30.2%(体积比) ,自燃温度 630℃,最大爆 炸压力 0.580MPa。 2、毒性分析与健康危害 氨的危险货物分类:第 2.3 类有毒气体。作业场所允许浓度 PC-TWA(时间加 权平均容许浓度):20mg/m3; PC-STEL(短时间接触容许浓度) : 30 mg/m3。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肿。高浓度氨可致眼 和皮肤灼伤,引起反射性呼吸和心搏停止。 二、液氨蒸气云爆炸事故模型的定量计算 1、采用 TNT 当量法估算蒸汽云爆炸的严重度 a. TNT 当量计算
2?

WTNT=1.8αWfQf/QTNT 式中 1.8 —— 地面爆炸系数 α—— 蒸汽云当量系数,通常取α=0.04; Wf—— 蒸汽云中可燃气体的质量,kg; Qf——可燃气体的爆热,kJ/kg; QTNT—— TNT 的爆热,取 QTNT =4520kJ/kg。 b. 死亡半径 R1 R1=13.6(WTNT/1000)0.37 C、重伤半径 R2 重伤半径 R2 由下列方程式求解: △ps= 0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019 Z=R2(P0/E)1/3 △ps=44000/P0 式中 R——目标到爆源的水平距离,m; p0—— 环境压力,p0=101300Pa。 d.轻伤半径 R3 轻伤半径 R3 由下列方程式求解: △ps= 0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019 Z=R3(P0/E)1/3 △ps=17000/P0 式中 R——目标到爆源的水平距离,m; p0—— 环境压力,p0=101300Pa。 e.财产损失半径 R4 R4=KⅡ(WTNT)1/3/[1+(3175/WTNT)2]1/6 式中 KⅡ——二级破坏系数, KⅡ=4.6

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

破坏状况:砖砌房外表 50%~70%破损,墙壁下部危险,在计算时可 根据实际不同的破坏程度情况,选取破坏系数。

3?

以一个 20 吨液氨储罐发生事故为例,假设储存压力为 1.2MPa,储存温度为 20℃,氨的分子量为 17.033,燃烧热为 18.59MJ/kg,燃烧热值 17250KJ/ m3 根据公式(1) 可计算出液氨储罐发生蒸气云爆炸释放的能量折算成 TNT 爆炸的 释放的能量为: WTNT=aWfQf / QTNT =1.8×[(3%×20000×18.5*1000)/4520] =4420.36 kg 爆炸总能量 E E= WTNT QTNT=4420.36*4520= 19980027.2 KJ R1=13.6(WTNT/1000)0.37=13.6×(4420.36/1000)0.37=23.57 米 解方程组 3,得出 R2=63.39 米 解方程组 4,得出 R3=113.91 米 根据公式(5): R4= KⅡ(WTNT)1/3/[1+(3175/WTNT)2]1/6 =4.6*4420.361/3/[1+(3175/4420.36)2] 1/6=70.56 米。 2、在实际工作中,为了简便计算,可采用模拟比法。 (1)计算 TNT 当量 αWf Hf

式中:α——蒸汽云 TNT 当量系数,取值 0.03; HTNT——TNT 燃烧热,取值 4520 KJ/Kg; Wf——云团中可燃气体的质量,㎏; Hf——可燃气体的燃烧热,以液氨为例 取值 18.59MJ/kg。 按上例计算 WTNT=4420.36 kg

即:单一个 20 吨液氨储罐发生泄漏,蒸汽云爆炸的爆破能量相当于 4420.36kg TNT 爆炸的能量。 (2)计算爆炸的模拟比 α α=(q/q0)1/3=(4420.36/1000)1/3==1.64

4?

(3)根据超压 ΔP 值(表 2、表 3、表 4) ,查表 4 可查出 1000KgTNT 爆炸时的破坏半径 Ro 表?2? 冲击波的超压对人体的伤害作用?
ΔP/MPa? 0.02~0.03? 0.03~0.05? 伤害作用? 轻微损伤? 听觉器官损伤或骨折 ΔP/MPa? 0.05~0.10? >0.10? 伤害作用? 内脏严重损伤或死亡? 大部分人员死亡

表?3? 1000KgTNT?爆炸时的冲击波超压表?
ΔP/MPa? 0.005~0.006? 0.006~0.015? 0.015~0.02? 0.02~0.03? 0.04~0.05? 破坏作用? 门、窗玻璃部分破碎? 受压面的门窗玻璃 大部分破碎? 窗框损坏? 墙裂缝? 墙大裂缝,屋瓦掉下? 0.20~0.30? ΔP/MPa? 0.06~0.07? 0.07~0.10? 0.10~0.20? 破坏作用? 木建筑厂房房柱折断 房架松动? 砖墙倒塌? 防震钢筋混凝土破坏 小房屋倒塌? 大型钢架结构破坏

R0/m?
5 6 7 8 9 10 12 14 16

表4 ΔP/MPa
2.94 2.06 1.67 1.27 0.95 0.76 0.50 0.33 0.235

1000kg TNT 爆炸时的冲击波超压表 R0/m? ΔP/MPa R0/m? ΔP/MPa
18 20 25 30 35 40 45 50 55 0.170 0.126 0.079 0.057 0.043 0.033 0.027 0.0235 0.0205 60 65 70 75 90 109 144 166 201 0.0180 0.0160 0.1430 0.0130 0.0100 0.0075 0.0050 0.0040 0.0030

根据计算的结果,对比表 2、3、4? 的数据可知,一个 20 吨的液氨储罐发生 爆炸,对建筑物及周边人员的伤害见表 5、6。 表?5? 液氨储罐爆炸冲击波超压对建筑物的破坏作用?
冲击波超压?ΔP? (Mpa)? 0.005~0.006? 0.006~0.015? 1000kgTNT 爆炸伤害半 径?R0(m) R01? 382.69? 336.54? R02? 336.54? 67.94? 液氨储罐爆炸伤害半径? R=aR0? R1? 627.6116? 551.9256? R2? 551.9256? 111.4216? 门、窗玻璃部分破碎? 受压面的门窗玻璃大 部分破碎 伤害作用?

5?

0.015~0.02? 0.02~0.03? 0.04~0.05? 0.06~0.07? 0.07~0.10? 0.10~0.20? >0.2?

67.94? 56? 36.5? 29.32? 27.05? 22.77? 17.08?

56? 42.5? 32.5? 27.05? 22.77? 17.08? 0?

111.4216? 91.84? 59.86? 48.0848? 44.362? 37.3428? 28.0112?

91.84? 69.7? 53.3? 44.362? 37.3428? 28.0112? 0?

窗框损坏? 墙裂缝? 墙大裂缝,屋瓦掉下? 木建筑厂房房柱折断 房架松动? 砖墙倒塌? 防震钢筋混凝土破 裂、小房屋倒塌 大型钢架结构破坏

表?6? 液氨储罐爆炸冲击波超压对人体的伤害作用?
冲击波超压?ΔP? (Mpa)? 0.02~0.03? 0.03~0.05? 0.05~0.10? >0.10? 1000kgTNT 爆炸伤害半 径?R0(m) R01? 56? 42.5? 32.5? 0? R02? 42.5? 32.5? 22.77? 22.77? 液氨罐爆炸伤害半径? R=aR0? R1? 91.84? 69.7? 53.3? 0? R2? 56.1? 53.3? 37.34? 37.34? 轻微损伤? 听觉器官损伤或骨折? 内脏严重损伤或伤亡 大部分人员伤亡 伤害作用?

由上分析可知,引起死亡的超压为 0.10 Mpa,因此:死亡半径 R1=37.3428 米;引起重伤的超压为 0.044 Mpa,因此:重伤半径 R2=57.4 米;引起轻伤的超 压为 0.017 Mpa,因此:轻伤半径 R3=104.16 米;从表 5 可看出引起不同程度损 失的财产损失的半径为。 三、液氨泄露毒害区的估算 液氨储罐为三类压力容器,液氨具有毒性,在实际生产和储运过程中容器极 易发生泄漏和爆炸事故,基于此,对液氨贮槽破裂时的事故进行模拟估算,对其 实际危害范围进行全面的量化,可液氨储罐对实施更有效的安全防护。 (1)两相流泄漏速度 在过热液体发生泄漏时,有时会出现气、液两相流动。均匀两相流动的泄 漏速度可按照下式计算:? Q0? = C? r (?P?- P? d?A? 2? c?)? 其中,Cd——两相流泄漏系数,取值 0.8; A——裂口面积; (6)

P——两相混合物的压力,Pa; Pc——临界压力,可取 0.55P; ρ——两相混合物的平均密度,kg/m3
6?

r? =

Fv?

r1?

+

1 1?- F? v?

r 2?

其中,ρ1—— 蒸汽的蒸汽密度,kg/m3; ρ2——液体密度,kg/m3; Fv——蒸发的液体占液体总量的比例,? T? - T? c? F? v = C? P? H? 其中,Cp——两相混合物的比定压热容,J/(kg·K) ; T——两相混合物的温度,K; Tc——液体的沸点,K H——液体的汽化热,J/kg。 (2)毒害区估算 假如不考虑泄漏最初的蒸发情况,泄漏的液氨最终将全部蒸发成气态。 W=W′=Q0×t 其中,Q0——泄漏速度,m/s ; T——泄漏时间,s W——泄漏量,kg ; W′——蒸发量,kg

则液氨在环境温度下蒸发的蒸汽体积:?
V? g = 22? .? 4? W?'? 273?+ t? ? M? 273?

(M 为液氨的摩尔质量)

有毒气体泄漏,扩散到空气中,形成有毒空气,已知有毒气体泄漏的体积 Vg 和有毒物质的危险浓度 C(%) ,则可求出其危险浓度下的有毒空气体积 V: V=Vg/C 假设有毒空气以半球向地面扩散,则可求出该有毒气体扩散的半径为:?
R?= V? g / C? 3? 2? p? 3?

其中,R——有毒气体的半径,m; Vg——有毒介质的蒸气体积,m3; C——有毒介质在空气中的危险浓度值,% 以一个 20 吨液氨储罐发生泄露为例, 环境温度为 20℃, 液氨的沸点 Tc=-33 ℃ , 裂 口 直 径 取 2cm , P=1.2Mp , ρ1=0.6×1.22kg/m3 ,

ρ2=0.82×103kg/m3, Cp=0.67×103J/(kg·K) ,H=1.373×106J/kg,则有:
7?

F? v =?C? P?

T? - T? 273?+ 20? )?- (? 273?- 33? )? 3? (? c? = 0.? 67??10? =0.026? 6? H? 1? .? 373?? 10? 1 = 1?- F? v? 1 0? .? 026? 1?- 0? .? 026? + 0? .? 6?? 1? .? 22? 820?

r? =?

Fv?

=27.25kg/m3?

r1?

+

r 2?

2? 6? Q0? = C? r?(?P?- P? 8?? 3? .? 14?? 0? .? 01? 2?? 27? .? 25? (1???0? .? 55? ) ? 1? .? 2?? 10? d?A? 2? c?)? = 0.?

=4.3kg/s 液氨的物化参数和危险浓度可查表得到: M=17kg/kmol,t=20℃, 氨气的危险 浓 度 为 30mg/m3 , 折 算 成 体 积 百 分 数 约 为 折 算 成 体 积 百 分 数 约 为 30×10-6/17*22.4=3.9×10-3%,假如泄漏时间为 10 分钟后, 裂口即被堵住。则: W=W′=Q0t=4.3×10×60=2580kg?
22? .? 4? W?'? 273?+ t? 2.? 24?? 2580? 273?+ 20? V? ? =? ? =364.8m3? g = M? 273? 17? 273? V? 364.? 8?/(? 3? .? 9?? 10?-3?)? g / C? = =35.49m R?=? 3? 3? 2? 2? ? 3? .? 14? p? 3? 3?

通过计算可以看出, 该贮罐如果出现直径为 2cm 的裂口,泄漏十分钟的危险 距离为 35.49m。用同样的方法,我们还可以计算出液氨泄露 5~10 分钟致死浓 度为 0. 5%(体积浓度)和泄露 0.5-1h 严重中毒危害浓度为 0. 1%(体积浓度) 时的危险距离。 四、结束语 (1)通过对液氨泄露和蒸汽云爆炸事故后果的模拟计算,可预判事故的影响 范围和可能产生的后果,为液氨储罐的设计、安装、施工以及与其它构建筑物安 全间距提供参考依据,为对重大危险源的管理,应急预案的编制以及事故应急救 援科学决策提供数据支持和理论指导。 (2) 通过对液氨事故案例的计算,表明液氨储罐发生泄露中毒事故和爆炸事 故的后果非常严重,且发生泄露中毒事故的伤害范围比爆炸事故范围大得多,实 际上,液氨事故发生的情形比我们计算模拟的情形更为复杂,往往会引起叠加效 应,事故的后果影响更大,应引起液氨生产、储存和使用单位的高度重视。

8?

(3)液氨泄露和蒸汽云爆炸事故的情形很复杂,模拟计算的方法也很多,本 文采用的计算方法简单实用,为项目的安全预评价提供了便利的计算方法;利用 上述的计算方法亦可对其它危险化学品的泄露和蒸汽云爆炸事故后果进行模拟 计算,同时,可以利用已知的距离爆炸中心处冲击波的破坏伤害作用,反推爆炸 中心的爆炸能量。

参考文献: 1、 中国就业培训技术指导中心 ,中国安全生产协会 组织编写。 安全评价师 (国家职 业资格一级,第二版) ,中国劳动社会保障出版社。 2、 傅智敏, 黄金印, 藏娜 。 爆炸冲击波伤害破坏作用定量分析。 消防科学与技术, 2009.(28)6。 3、 魏勇, 许开立。 液氨储罐区重大事故后果分析, 化工安全与环境,2014.16。 4、 任克京, 金萍, 贾晋英 。某冷库与周围环境风险分析研究。 化工安全与环境 , 2014.16 Simulation and application of liquid ammonia leaking and vapor cloud explosion accidents Zhang Ze-ming (Huangshi Chemical Pharmaceutical & Coal Industry Association) Abstract: using the TNT equivalent method and simulation method to calculate the severity of liquid ammonia vapor cloud explosion and the poisoning area of liquid ammonia leaking, the method is simple and practical, it can provide decision-making basis and theoretical guidance to prevent the accidents prediction for liquid ammonia production, storage and use of units, and to prepare emergency rescue plans; at the same time, it can also back-stepping the explosive energy of the explosive center by means of determining the danger degree of shock wave. Key words: liquid ammonia leaking, vapor cloud explosion accident, TNT equivalent method, simulation method, explosive energy, calculation 作者简介:张哲民 (1964--) ,男 , 工程师 ,主要从事化工、医药行业的规划与管理, 危险化学建设项目的风险分析与审查。湖北省黄石市 邮编 435000 通讯地址:黄石市化工医药煤炭行业协会 湖北省黄石市黄石大道 253 号 邮编 435000 联系电话:3086853 13971760202
9?


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