H2S 制硫酸裝置外部安全防護(hù)距離設(shè)計(jì)

李 冬

（中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 210000）

《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)、儲(chǔ)存裝置個(gè)人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)和社會(huì)可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)》（國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局公告[2014 年]第13 號(hào)），外部安全防護(hù)距離是指危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)、儲(chǔ)存裝置危險(xiǎn)源在發(fā)生火災(zāi)、爆炸、有毒氣體泄漏時(shí)，為避免事故造成防護(hù)目標(biāo)處人員傷亡而設(shè)定的安全防護(hù)距離。

本文以某酸性氣制硫酸裝置為例，使用PHAST 軟件和LEAK 軟件進(jìn)行有毒氣體擴(kuò)散和爆炸計(jì)算，結(jié)合當(dāng)?shù)囟喾N氣象，將結(jié)果應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中，并和《石油化工工廠布置設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50984-2014）中的建議值進(jìn)行比對(duì)。

1 裝置介紹

1.1 工藝說(shuō)明

焚燒工段，從上游來(lái)的酸性氣（H2S）經(jīng)管廊送至硫化氫緩沖罐，然后送至硫化氫焚燒爐，經(jīng)由爐前空氣鼓風(fēng)機(jī)輸送的空氣混合燃燒生成含SO2的爐氣和少量的SO3，爐氣中同時(shí)還含有N2以及酸性氣中其它組份燃燒生成的CO2、H2O等，出硫化氫焚燒爐的爐氣經(jīng)火管式廢熱鍋爐和過(guò)熱器回收廢熱，使?fàn)t氣溫度降低后進(jìn)入凈化系統(tǒng)。

凈化工段，對(duì)SO2進(jìn)行凈化；轉(zhuǎn)化工段，SO2在催化劑作用下轉(zhuǎn)化為SO3；吸收工段，使用硫酸吸收SO3，生成硫酸。

1.2 選用設(shè)備說(shuō)明

考慮H2S 毒性大于SO2和SO3，同時(shí)焚燒工段之后設(shè)備為微正壓或者微負(fù)壓，泄漏后影響范圍有限，選用酸性氣緩沖罐作為計(jì)算示例。見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備一覽表

1.3 硫化氫濃度說(shuō)明

在泄漏模擬中，對(duì)H2S 的幾個(gè)關(guān)鍵濃度參考值進(jìn)行確認(rèn)和辨識(shí)，標(biāo)識(shí)不同濃度的影響范圍：

1） 《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值第1部分化學(xué)有害因素》 （GBZ 2.1-2007），H2S 的MAC 值為10mg/m3。

2）美國(guó)應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃指南（ERPGs）中采用的毒性指標(biāo)、生命和健康的急性風(fēng)險(xiǎn)（IDLH）指標(biāo)及急性暴露指導(dǎo)水平值。利用事故后果模擬軟件繪制各評(píng)價(jià)指標(biāo)等值線，等值線所示區(qū)域內(nèi)濃度大于該指標(biāo)濃度[1]。

ERPGs 和IDLH 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具體釋義見(jiàn)表2。

表2 H2S 氣體急性中毒風(fēng)險(xiǎn)三大評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 泄漏孔徑確定

1）設(shè)備的泄漏點(diǎn)統(tǒng)計(jì)如下：

酸性氣緩沖罐共有8 條管線，靠近設(shè)備均為手動(dòng)閥門(mén)，其中最大連接管徑DN500。

2）泄漏場(chǎng)景各泄漏孔徑的取值范圍和代表值如表3 所示。

利用LEAK 軟件進(jìn)行失效頻率分析，法蘭處泄漏頻率見(jiàn)表4。

表3 泄漏孔徑取值

根據(jù)《中國(guó)石化生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患排查治理雙重預(yù)防機(jī)制管理規(guī)定》（中國(guó)石化安[2018]268號(hào)）要求，中孔25mm 泄漏頻率3.71944×10-4，發(fā)生的可能性等級(jí)為4，即類似的事件在中國(guó)石化曾經(jīng)發(fā)生過(guò)，因此選取中孔25mm 泄漏作為本次計(jì)算要求。

表4 設(shè)備泄漏頻率統(tǒng)計(jì)（單位：次/年）

3 模擬計(jì)算結(jié)果

3.1 氣象說(shuō)明

所在地平均氣溫16.7℃，最高月平均氣溫28.8℃，最低月平均氣溫3.5℃；全年平均風(fēng)速1.9m/s，最大風(fēng)速平均值11.9m/s；全年相對(duì)平均濕度78%。

3.2 泄漏位置說(shuō)明

酸性氣緩沖罐頂部管線法蘭泄漏高度6.9m，底部管線法蘭泄漏高度1.9m，分別考慮兩種不同位置泄漏對(duì)結(jié)果的影響。

3.3 有毒氣體擴(kuò)散結(jié)果

1）平均氣溫16.7℃，平均風(fēng)速1.9m/s，平均濕度78%，H2S 分別考慮6.59mg/kg、30mg/kg 和100mg/kg 影響范圍，酸性氣緩沖罐頂部管線法蘭6.9m 處高度發(fā)生25mm 孔徑泄漏結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 泄漏影響范圍

圖2 泄漏影響側(cè)視圖

通過(guò)圖1 和圖2 可知，平均氣溫16.7℃，平均風(fēng)速1.9m/s，平均濕度78%，H2S 分別考慮6.59mg/kg、30mg/kg 和100mg/kg 影響范圍，酸性氣緩沖罐頂部管線法蘭6.9m 處高度發(fā)生25mm孔徑泄漏的結(jié)果見(jiàn)表5。

酸性氣緩沖罐中心距離東北側(cè)消防大隊(duì)辦公樓（240 人·h/d）160.8m，距離東南側(cè)質(zhì)檢站（＞300 人·h/d）117.7m。通過(guò)表7 看出，酸性氣緩沖罐發(fā)生設(shè)定條件的泄漏后，消防大隊(duì)辦公樓和東南側(cè)質(zhì)檢站將受到H2S 濃度30mg/kg 的影響。

表5 平均氣象下6.9m 處高度發(fā)生25mm 孔徑泄漏的結(jié)果

2）其他氣象組合計(jì)算結(jié)果

計(jì)算其他氣象條件下的結(jié)果見(jiàn)表6。

3.4 爆炸計(jì)算結(jié)果

酸性氣緩沖罐發(fā)生H2S 泄漏后爆炸，采用多能法進(jìn)行模擬計(jì)算，該計(jì)算方法不受天氣和泄漏高度影響，不同沖擊波峰值影響范圍見(jiàn)圖3。

由圖5 可知，消防大隊(duì)辦公樓在6.9kPa 范圍之外，質(zhì)檢站在6.9～12kPa 的區(qū)域。

由圖4 和圖5 可知，消防大隊(duì)辦公樓和質(zhì)檢站爆炸計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

4 結(jié)論

1）根據(jù)表6 可知，消防大隊(duì)辦公樓和質(zhì)檢站均受6.59mg/kg 和30mg/kg 的H2S 毒性影響，大部分氣象下，消防大隊(duì)辦公樓和質(zhì)檢站受到100mg/kg 的H2S 毒性影響。

圖3 不同沖擊波峰值影響范圍

圖4 不同距離對(duì)應(yīng)的沖擊波峰值入射超壓最大值

2）結(jié)合表6 中擴(kuò)散結(jié)果分析，在氣象相同時(shí)，大多數(shù)情況下，酸性氣緩沖罐1.9m 高度發(fā)生泄漏的影響范圍大于酸性氣緩沖罐6.9m 高度發(fā)生泄漏的影響范圍，即泄漏點(diǎn)越靠近地面，影響范圍越大。

3）結(jié)合表6 中擴(kuò)散結(jié)果分析，其他泄漏設(shè)定條件相同，風(fēng)速越小，H2S 泄漏影響范圍越大，即風(fēng)速和H2S 泄漏影響范圍成反比關(guān)系；其他泄漏設(shè)定條件相同，環(huán)境溫度越高，H2S 泄漏影響范圍越大，即環(huán)境溫度和H2S 泄漏影響范圍成正比關(guān)系?？梢酝茢喑?，高溫靜風(fēng)天氣條件下，H2S 泄漏影響范圍會(huì)比較嚴(yán)重。

圖5 不同距離對(duì)應(yīng)的正壓作用時(shí)間

表7 消防大隊(duì)辦公樓和質(zhì)檢站爆炸計(jì)算結(jié)果

4）根據(jù)表7 可知，質(zhì)檢站布置在爆炸超壓6.9～12kPa 的區(qū)域，建筑應(yīng)采用單層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，面向沖擊波方向的墻體應(yīng)為混凝土實(shí)體墻。建筑的門(mén)應(yīng)采用抗爆防護(hù)門(mén)，外窗應(yīng)選用抗爆防護(hù)窗。

消防大隊(duì)辦公樓在6.9kPa 范圍之外，需要按照標(biāo)準(zhǔn)中表7 中沖擊波峰值入射超壓最大值6.20kPa和正壓作用時(shí)間47.3ms 進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5）根據(jù)《石油化工工廠布置設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50984-2014）條文4.8.2 解釋，H2S 大于3000mg/kg，構(gòu)成高度危險(xiǎn)源，即本裝置酸性氣緩沖罐構(gòu)成高度危險(xiǎn)源；由于H2S 存量小于5噸，不構(gòu)成重大高毒危險(xiǎn)源。其中，消防大隊(duì)辦公樓為240 人·h/d，質(zhì)檢站＞300 人·h/d。酸性氣緩沖罐距離消防大隊(duì)辦公樓的建議值100m，距離質(zhì)檢站的建議值為150m。而根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中表7中擴(kuò)散結(jié)果，在溫度16.7℃、風(fēng)速1m/s 和濕度78%的氣象情況下，酸性氣緩沖罐底部管線法蘭1.9m 高度發(fā)生H2S 泄漏后，100mg/kg 影響范圍為312.2m，消防大隊(duì)辦公樓和質(zhì)檢站均受100mg/kg的H2S 毒性影響。即計(jì)算值大于《石油化工工廠布置設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50984-2014）條文4.8.2 解釋建議值，按照計(jì)算值進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。

5 建議措施

1）在進(jìn)行外部安全防護(hù)距離計(jì)算時(shí)，采用定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法，應(yīng)結(jié)合不同泄漏位置，各種氣象組合，找到其中影響范圍最大的計(jì)算。

2）使用定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法計(jì)算外部安全防護(hù)距離，在項(xiàng)目進(jìn)行可行性研究階段，為項(xiàng)目位置的確定提供參考；在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段，結(jié)合防毒間距和防爆間距，對(duì)項(xiàng)目?jī)?nèi)部人員集中場(chǎng)所位置進(jìn)行確定；在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，結(jié)合防毒間距和抗爆計(jì)算結(jié)果，可以對(duì)人員集中場(chǎng)所進(jìn)行防毒和抗爆設(shè)計(jì)。

3）將有毒氣體擴(kuò)散結(jié)果應(yīng)用于企業(yè)應(yīng)急救援中，根據(jù)ERPGs 公布的原則：偵測(cè)或評(píng)估數(shù)值低于毒性化學(xué)物質(zhì)濃度ERPG-1 或未達(dá)危害之濃度時(shí)，不進(jìn)行疏散動(dòng)作；偵測(cè)或評(píng)估數(shù)值介于毒性化學(xué)物質(zhì)濃度ERPG-1 與ERPG-2 間，則發(fā)布警戒管制區(qū)及就地避難警報(bào)；偵測(cè)或評(píng)估數(shù)值超過(guò)毒性化學(xué)物質(zhì)濃度ERPG-2，則發(fā)布警戒管制區(qū)及疏散警報(bào)，或做適當(dāng)?shù)木偷乇茈y；偵測(cè)或評(píng)估數(shù)值超過(guò)毒性化學(xué)物質(zhì)濃度ERPG-3，則發(fā)布疏散。根據(jù)《呼吸防護(hù)用品的選擇、使用與維護(hù)》（GB/T 18664-2002）的有關(guān)要求，在IDLH環(huán)境中為進(jìn)入此區(qū)域的人員配備合適的防護(hù)用品，如全面罩的正壓式攜氣式呼吸防護(hù)用品（SCBA）；或在配備適合的輔助逃生型呼吸防護(hù)用品的前提下，配全面罩或送氣頭罩的正壓供氣式呼吸防護(hù)用品。