液氯罐區(qū)泄露擴散分析以及罐區(qū)封閉方案的探討

徐祥兵

摘要：通過Fluent流體力學(xué)模擬軟件，對某液氯罐區(qū)泄露事故時氯氣在封閉罐區(qū)內(nèi)的擴散規(guī)律進行研究，結(jié)合模擬結(jié)果對罐區(qū)封閉的建筑、暖通方案進行探討。結(jié)果表明，發(fā)生液氯儲罐泄漏事故時，越靠近地面，氯氣聚集程度越高，提高對流風(fēng)速有利于控制氯氣的擴散高度和縮小氯氣擴散空間。設(shè)計了一套高效的事故氯收集和吸收處理裝置，并對事故風(fēng)機進行了選型設(shè)計。

關(guān)鍵詞：液氯罐區(qū);泄露;擴散;封閉方案

中圖分類號：TQ124.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）01-0156-07

氯是工業(yè)生產(chǎn)中常用的劇毒、強腐蝕性化學(xué)品，液態(tài)氯為黃綠色油狀液體，一般使用壓力儲罐或鋼瓶來儲存。液氯泄露后會氣化形成氯氣，氯氣屬于重質(zhì)氣體，會隨空氣流動沿地面擴散，聚集在地勢低洼處不易消散，嚴重威脅到周邊人員、動植物和水體的安全。隨著國家對化工安全生產(chǎn)的日益重視，有關(guān)重氣擴散性質(zhì)以及事故氯氣擴散的研究也逐漸受到更多關(guān)注。

重質(zhì)氣體（重氣）泄露擴散研究始于20世紀(jì)50-60年代，早期的研究主要采用現(xiàn)場泄露試驗，在真實的氣象、地形條件下觀測氣體擴散過程，這種研究手段能夠較準(zhǔn)確的獲得現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對氣體擴散理論研究以及驗證擴散模擬結(jié)果具有重要意義。但現(xiàn)場泄露實驗也存在著不可控因素多、數(shù)據(jù)重復(fù)性差等不足，而風(fēng)洞技術(shù)的進步很好的解決了這些問題。Venart、Meroney等在實驗室條件下進行了氣體擴散的風(fēng)洞模擬實驗，這類實驗研究利用相似準(zhǔn)則，通過控制特定的變量參數(shù)，使得擴散實驗的重復(fù)性得以提高。近年來計算機技術(shù)的快速發(fā)展，使計算機數(shù)值模擬成為目前氣體泄漏擴散研究的重要研究手段。Mcbride等、Hanna等、王文和等諸多學(xué)者利用數(shù)值模擬技術(shù)，從地形、擴散氣象條件、泄漏量等方面對氯氣泄露擴散進行了研究，但大部分的研究集中于氯氣擴散的毒害效果評價和應(yīng)急管理，而較少從罐區(qū)本質(zhì)安全設(shè)計的角度進行氯氣泄露災(zāi)害防治的研究。

湖北省仙桃市某化工廠以氯氣為生產(chǎn)原料，目前該廠露天罐區(qū)共有6個20m3液氯臥式儲罐。為預(yù)防液氯儲罐泄露事故對廠區(qū)及周邊環(huán)境的危害，擬對該廠液氯罐區(qū)進行封閉式改造并新建事故氯氣吸收系統(tǒng)。在液氯罐區(qū)外設(shè)置封閉墻體，用物理屏障防止事故氯氣擴散，并在封閉罐區(qū)內(nèi)通過事故風(fēng)機進行負壓排氣，將事故氯氣抽送至尾氣處理塔吸收，處理過的無害化尾氣從塔頂放空管排空。本研究主要通過Fluent流體力學(xué)模擬軟件，對泄露事故時氯氣在封閉罐區(qū)內(nèi)的擴散規(guī)律進行研究，并結(jié)合模擬結(jié)果對罐區(qū)封閉的建筑、暖通方案進行探討。

1擴散理論與基本假設(shè)

1.1重氣擴散基本方程

Fluent是目前應(yīng)用最廣泛的CFD（ComputationalFluid Dynamics）模擬軟件之一，其數(shù)值模型遵循基本的守恒定律，泄露擴散過程的主要控制方程包括連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程和組分輸送方程。方程具體表述如下：密度，取2.94kg/m³，p2為液體密度，取1404kg/m³。

1.3模型基本假設(shè)及條件設(shè)置

假設(shè)液氯為穩(wěn)態(tài)連續(xù)泄露狀態(tài)，由于本文考察的液氯泄露量較小，液氯在噴出泄露口后很快便完全氣化為氯氣，所以可認為泄露口處氯氣流動狀態(tài)為不可壓縮氣體的湍流流動。

封閉廠房內(nèi)的6個儲罐分兩排均勻布置在廠房內(nèi)，儲罐直徑2m，封頭間長度5.8m，儲罐下部距地面1m。廠房環(huán)境溫度為20%，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?.1MPa，當(dāng)?shù)啬昶骄L(fēng)速2.7m/s。廠房長軸方向兩端各有兩個可在事故狀態(tài)下連鎖關(guān)閉的電控門（寬3.6m，高4m），廠房左側(cè)門為水平進風(fēng)口，右側(cè)門為出風(fēng)口，廠房進風(fēng)口風(fēng)速不隨時間變化，方向始終水平向右。采用前處理軟件Gambit建立封閉廠房剖面的二維幾何模型，本文以通過液氯儲罐中心軸線的封閉廠房剖面為二維空間計算區(qū)域（長22m×高7m），廠房頂和地面以及儲罐管壁均按壁面考慮，在儲罐泄露口附近對模型網(wǎng)格進行加密處理，廠房三維模型示意圖如圖1所示。選用隱式分離求解器進行計算，求解器采用k-ε雙方程模型。泄露事故場景參數(shù)列表如表1所示。

2數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1不同泄漏時間的氯氣濃度分布

設(shè)定泄露發(fā)生在左側(cè)儲罐的下部，泄露口當(dāng)量直徑為0.01m，泄露源強為0.24kg/s，廠房對流風(fēng)速為0.5m/s。累計泄露時間分別為1s、5s、10s、60s時，廠房內(nèi)的氯氣濃度分布如圖1—4所示。在累計泄露60s時，廠房右側(cè)出口處氯氣濃度隨高度的分布如圖5所示。

由圖1-4可知，泄露開始時，氯氣從泄露口垂直向地面快速噴射，在受到地面的阻擋后水平向四周擴散。由于在泄露口下方區(qū)域氯氣噴射動能大，空氣流動對氯氣氣團擴散的作用相對不明顯，但環(huán)境空氣從左向右流動，決定了氯氣氣團主體向右擴散。當(dāng)氯氣擴散至兩排儲罐中間時，由于空氣在儲罐之間流動產(chǎn)生湍流，卷吸起近地面的氯氣向上擴散。由于氯氣未完全被空氣稀釋，氣團密度比空氣大，升騰起的氯氣氣團會逐漸下降，貼近設(shè)備壁面繼續(xù)擴散。當(dāng)氯氣泄露60s后，廠房內(nèi)氯氣濃度分布總體呈現(xiàn)由上至下逐漸升高的趨勢，這種氣體擴散行為符合重氣性質(zhì)。

由圖5可知，在廠房出口處，越靠近地面的地方，氯氣濃度越高，出口處地面以上2m范圍內(nèi)都是氯氣的聚集區(qū)域，近地處氯氣質(zhì)量濃度達47.5wt%。

2.2不同對流風(fēng)速對氯氣擴散的影響

設(shè)定泄露發(fā)生在左側(cè)儲罐的下部，泄露口當(dāng)量直徑為0.01m，泄露源強為0.24kg，s，模擬累計泄露時長5s。當(dāng)對流風(fēng)速分別為0.01m/s，0.5m/s，5m/s時，廠房內(nèi)的氯氣濃度分布以及右側(cè)出風(fēng)口處濃度分布如圖6～8所示。

由圖6—8可知，在模擬的對流風(fēng)速值范圍內(nèi)，氯氣流沖擊地面發(fā)生反彈和空氣擾流，均會使氯氣向上擴散。但在風(fēng)速較高（風(fēng)速為5m/s）時，兩儲罐間氯氣氣團向上擴散的趨勢不明顯，出現(xiàn)該現(xiàn)象有兩方面原因，一方面，隨著空氣對流風(fēng)速的增大，空氣對氯氣氣團的稀釋作用增強，垂直方向上氯氣主體與空氣主體交界區(qū)域的濃度梯度變大，垂直方向上氯氣更集中于近地面處。另一方面，空氣風(fēng)速增大，宏觀上空氣對氯氣的運輸作用增強，氯氣分子更快地被運送至下風(fēng)處，故在兩儲罐間氯氣向上擴散的趨勢不明顯。

對比廠房出風(fēng)口的濃度分布圖可以發(fā)現(xiàn)，在距地面高度0～2m范圍內(nèi)，對流風(fēng)速越高，氯氣濃度梯度越大，隨著高度的增加，氯氣濃度下降更快，說明提高對流風(fēng)速有利于控制氯氣的擴散高度和影響范圍。

2.3不同泄漏孔徑對氯氣擴散效果的影響

設(shè)定泄露發(fā)生在左側(cè)儲罐的下部，對流風(fēng)速0.5m/s，模擬累計泄露時長5s。泄露口當(dāng)量直徑分別為0.005m、0.01m、0.05m，廠房內(nèi)的氯氣濃度分布以及速度分布如圖9—11所示。

由圖9～11可知，泄漏口當(dāng)量直徑越大，相同泄露時間氯氣擴散范圍越大，氯氣泄漏量主要由泄露口面積決定。考察氯氣速度分布圖可知，對流風(fēng)速較低時，氯氣會聚集于儲罐區(qū)下部區(qū)域，增大氯氣的泄露量，氯氣分子的擴散作用主要由分子擴散決定，氯氣對流擴散效果并不明顯。

2.4不同泄漏方向?qū)β葰鈹U散的影響

設(shè)定模擬累計泄露時長5s，泄露口當(dāng)量直徑為0.01m，泄露口位置分別位于左側(cè)儲罐的上部或下部，廠房內(nèi)的氯氣濃度分布以及氯氣速度分布如圖12～13所示。

由圖13可以觀察到，氯氣從泄露口噴射而出，因具有向上的動能而向廠房上部空間擴散，而后氯氣氣團在重力作用下會有明顯下降趨勢，同時由于空氣的對流流動，氯氣氣團持續(xù)向右側(cè)出口擴散?；谶@兩方面的作用，氯氣在5s內(nèi)快速的充滿廠房的整個空間。對比圖12和圖13可知，在相同的泄露孔徑和累計泄露時間下，液氯儲罐上部泄漏比下部泄露更容易造成廠房內(nèi)氯氣的大規(guī)模擴散?？梢娫诼葰獍l(fā)生泄漏時，疏散路徑應(yīng)避開泄漏口下風(fēng)方向的低洼處，優(yōu)先選擇泄漏口上風(fēng)方向的高處避險。

3液氯倉庫封閉方案

圖14中，1為液氯封閉罐區(qū)，2為液氯儲罐，3為固定式吸風(fēng)口，4為移動式吸風(fēng)口，5為離心通風(fēng)機，6為事故氯氣吸收塔，7為堿液池，8為堿液循環(huán)泵，9為堿液預(yù)冷器。

根據(jù)泄露事故中氯氣擴散行為的研究，設(shè)計如圖14所示的儲罐區(qū)的封閉方案，封閉罐區(qū)的屋面板選用15CJ63/15CG26中型號KW6015-1的KST屋面板，墻面板選用15CJ63/15CG26中型號KQ9010的KST墻板，墻上設(shè)固定窗采光，墻板相應(yīng)位置設(shè)4個電控密閉門滿足疏散要求，同時保證封閉后的密封性能。

根據(jù)《氯氣安全規(guī)程》（GBl 1984-2008）、《液氯使用安全技術(shù)要求》（AQ3014-2008）、《液氯泄漏的處理處置方法》（HGT 4684-2014）相關(guān)規(guī)范進行通風(fēng)設(shè)計，正常操作下廠房不封閉，開啟電控密閉門利用穿堂風(fēng)進行自然通風(fēng);事故狀態(tài)下關(guān)閉電控門，對罐區(qū)進行封閉，開啟事故氯風(fēng)機負壓排風(fēng)。依據(jù)《液氯泄漏的處理處置方法》（HGT 4684-2014）附錄“D.2.1.1液氯作業(yè)場所或密閉廠房發(fā)生泄漏，可通過事故氯風(fēng)機負壓將泄漏的氯氣捕集輸送至事故氯吸收（塔）裝置處理”及“D.2.1.2將移動軟管吸風(fēng)罩迅速連接至泄漏處，捕集泄漏的氯氣，并輸送至吸收（塔）裝置或現(xiàn)場的文丘里吸收裝置?！币郝裙迏^(qū)配套吸風(fēng)和事故氯氣緊急吸收處理裝置，并防范產(chǎn)生氣流死角。在液氯罐區(qū)出口、窗戶位置、及可能發(fā)生泄漏的地方安裝固定式氯氣檢測報警儀，氯氣檢測報警儀探測器距釋放源不宜大于1m。

如果發(fā)生液氯泄漏事故，立即連鎖液氯事故吸收裝置進行緊急處理。按照維持50Pa負壓計算室外通過門窗縫隙滲入室內(nèi)的風(fēng)量，并附加泄露液氯的氣化量為氯氣每小時最大泄漏量，并適當(dāng)考慮安全系數(shù)，合計為10000m3/h的處理風(fēng)量，全壓為1000Pa。選用防腐離心通風(fēng)機（型號：F4-726C，風(fēng)量：10648m/h，全壓：1679Pa）可滿足保持負壓排風(fēng)要求風(fēng)量。

4結(jié)語

1）氯氣擴散行為的模擬研究表明，發(fā)生液氯儲罐泄漏事故時，越靠近地面，氯氣聚集程度越高，這種濃度分布特性與重氣特性相符。在廠房出口處地面以上2m高度內(nèi)都是氯氣的聚集區(qū)域，近地處氯氣質(zhì)量濃度高達47.5wt.%。

2）廠房對流風(fēng)速越高，近地處氯氣濃度梯度越大，更有利于氯氣在水平向擴散，因此提高對流風(fēng)速有利于控制氯氣的擴散高度和縮小氯氣擴散空間。

3）在相同的泄露孔徑和累計泄露時間下，液氯儲罐上部泄漏比下部泄露更容易造成廠房內(nèi)氯氣的大規(guī)模擴散。

4）依據(jù)氯氣在廠房內(nèi)的模擬擴散特性，設(shè)計了一套高效的事故氯收集和吸收處理裝置，并對事故風(fēng)機進行選型設(shè)計。