液氨儲罐泄漏危險性分析評價

張秀華， 趙志紅

（山東正信安全評價有限責(zé)任公司，山東 聊城 252000）

液氨（液體無水氨）的化學(xué)成分為NH3，主要用于生產(chǎn)硝酸、無機(jī)和有機(jī)化工產(chǎn)品、化學(xué)肥料以及冷凍、冶金、醫(yī)藥等工業(yè)原料，用途廣泛。液氨在儲存過程中發(fā)生過多起泄漏中毒事故，甚至引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。

1 液氨的毒性［1］

液氨人類經(jīng)口TDLo：0.15mL／kg。

液氨人類吸入LCLo：5.0×10－3／（5m）。

急性毒性：LD50 350mg／kg（大鼠經(jīng)口）；LC50 1 390mg／m，4h，（大鼠吸入）。

氨進(jìn)入人體后會阻礙三羧酸循環(huán)，降低細(xì)胞色素氧化酶的作用，致使腦氨增加，可產(chǎn)生神經(jīng)毒作用。高濃度氨可引起組織溶解壞死。

2 評價模型

中毒模型［2］：液氨在容器爆裂時會產(chǎn)生蒸汽爆炸，爆炸后不燃燒會造成大面積的毒害區(qū)域。

爆炸模型［2］：液氨是液態(tài)儲存，如果瞬間泄漏后遇到延遲點(diǎn)火或氣態(tài)儲存時泄漏到空氣中，遇到火源時可能發(fā)生蒸汽云爆炸。

3 液氨泄漏中毒事故模擬分析

3.1 液氨儲罐容器破裂時的毒害區(qū)估算

假定，建設(shè)單位儲罐區(qū)有2個液氨球罐，儲存量為4×500m3。若發(fā)生容器破裂，液氨泄漏不燃燒，則會造成大面積毒害區(qū)域。

液氨儲罐爆炸破裂前介質(zhì)溫度為常溫，取20℃，氨的比熱［3］Cp＝2.1kJ／（kg·℃），液氨氣化熱［3］q＝1 370kJ／kg，處于過熱狀態(tài)的氨的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為t0＝－33℃。

查有毒氣體的危險濃度表可知，氨吸入5min～10min，人致死的濃度為0.5%。

假設(shè)這些有毒氣體以半球形向外擴(kuò)散，有毒氣體擴(kuò)散半徑為：

根據(jù)上述計算結(jié)果可知，液氨儲罐爆炸短時間內(nèi)距爆炸中心146m范圍內(nèi)的人員吸入有毒空氣5min～10min將會死亡。

數(shù)學(xué)模型是在一系列的假設(shè)前提下按理想的情況建立的，有些模型經(jīng)過小型試驗的驗證，有的則可能與實際情況有較大的出入，但對辨識危險性來說是可參考的。本擴(kuò)散模型是在靜態(tài)下進(jìn)行計算，實際上還存在風(fēng)力、環(huán)境溫度、地形和湍流等因素對氣團(tuán)飄移、擴(kuò)散的影響，在下風(fēng)側(cè)實際數(shù)據(jù)應(yīng)比計算值大得多。

3.2 液氨泄漏達(dá)到人的接觸最高限值需要的時間

液氨發(fā)生泄漏后生成有毒蒸氣云，在空氣中飄移、擴(kuò)散，直接影響現(xiàn)場人員。毒物對人員的危害程度取決于毒物的性質(zhì)、毒物的濃度和人員與毒物接觸時間等因素。

建設(shè)項目儲存區(qū)內(nèi)有4個500m3的液氨球罐，直徑9.8m，罐內(nèi)壓力1.6MPa，操作溫度為40℃。

當(dāng)液氨球罐發(fā)生泄漏時，假定設(shè)備裂口為圓形，根據(jù)流體力學(xué)的柏努利方程計算泄漏速度。液體泄漏速度按式（1）計算。

式中：Q0為液體泄漏速度，kg／s；Cd為液體泄漏系數(shù)，0.5；A為裂口面積；假定裂口面積0.001m2；ρ為泄漏液體密度，取0.82kg／m3；P為容器內(nèi)介質(zhì)壓力，1.3MPa～1.6MPa，取1.45×106Pa；P0為環(huán)境壓力，1.013×105Pa；g為重力加速度，9.8m／s；h為裂口之上液位高度；儲罐直徑9.8m，充裝系數(shù)按0.85計算，假定裂口在儲罐中部為3.43m。由式（1）計算得泄漏速度為800 000mg／s。

由《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值 化學(xué)有害因素》（GBZ2.1－2007）可知，氨的職業(yè)接觸限值：PC－TWA（平均容許接觸質(zhì)量濃度）為20mg／m3，PC－STEL（在遵守PC－TWA前提下容許15min接觸質(zhì)量濃度）為30mg／m3。可見，本項目液氨只要發(fā)生泄漏不到1s，泄漏源周邊即可達(dá)到人的接觸最高限值。

4 液氨泄漏后蒸汽云爆炸事故模擬分析

4.1 蒸汽云爆炸的沖擊波傷害和破壞半徑

爆炸性氣體以液態(tài)儲存，如果瞬間泄漏后遇到延遲點(diǎn)火或泄漏到空氣中遇到火源，則可能發(fā)生蒸汽云爆炸。導(dǎo)致蒸汽云形成的力來自容器內(nèi)含有的能量或可燃物含有的內(nèi)能，或兩者兼而有之。

根據(jù)荷蘭應(yīng)用研究院TNO（1979）建議，可按式（2）預(yù)測蒸汽云爆炸的沖擊波的損壞半徑［3］。

式中：R為損害半徑，m；E為爆炸能量，E＝V·HC，kJ；V為參與反應(yīng)的可燃?xì)怏w的體積，m3；HC為可燃?xì)怏w的高燃燒值，kJ／m3；N為效率因子，一般取10%；CS為經(jīng)驗常數(shù)。

建設(shè)項目儲存區(qū)內(nèi)有4個500m3的液氨球罐，直徑9.8m，罐內(nèi)壓力1.6MPa，操作溫度為40℃。

損壞等級為1級時，損壞半徑R＝2.86m。

損壞等級為2級時，損壞半徑R＝5.72m。

損壞等級為3級時，損壞半徑R＝14.3m。

損壞等級為4級時，損壞半徑R＝38.1m。

損壞等級及對應(yīng)損壞半徑［2］見表1。

表1 損壞學(xué)級表

4.2 預(yù)防蒸汽云爆炸的關(guān)鍵控制因素

液氨一旦發(fā)生泄漏后，隔絕空氣比較困難，關(guān)鍵因素就是加強(qiáng)火源的管理，杜絕火源的產(chǎn)生。

［1］ 張維凡.常用化學(xué)危險物品安全手冊［M］.北京：中國石化出版社，1998.

［2］ 趙鐵錘.化學(xué)品安全評價［M］.北京：中國石化出版社，2003.

［3］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督總局.安全評價［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.