淺析封閉式無水氫氟酸罐區(qū)事故工況處理系統(tǒng)

吳 熠 徐金橋 中國(guó)五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

氫氟酸沸點(diǎn)低，易揮發(fā)，具有滲透性和腐蝕性，泄露后具有高危害性。除直接接觸會(huì)使人體中毒外，還會(huì)迅速?gòu)浬⒌娇諝庵校挛胄該p傷，造成支氣管黏膜和肺組織緩慢進(jìn)行性破壞，可使呼吸道嚴(yán)重?fù)p傷和急性肺水腫[1]。氫氟酸中的氫離子對(duì)人體組織有脫水和腐蝕作用，而氟是最活潑的非金屬元素之一，皮膚與氫氟酸接觸后，氟離子不斷解離而滲透到深層組織，溶解細(xì)胞膜，造成表皮、真皮、皮下組織乃至肌層液化壞死。

國(guó)內(nèi)已多次發(fā)生氫氟酸泄露事故。如2011年浙江一化工企業(yè)20噸氫氟酸泄露，數(shù)百人被緊急疏散。2015年廣西玉林一輛裝載20噸化學(xué)品氫氟酸的大貨車發(fā)生側(cè)翻。2019年江西一氟化工公司發(fā)生氫氟酸泄露事故，該公司立即組織應(yīng)急隊(duì)伍進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處置，并在第一時(shí)間通知并疏散了周邊群眾，經(jīng)過半個(gè)小時(shí)左右的處置，泄露才得到全面控制。因此，設(shè)置無水氫氟酸罐區(qū)泄露事故處理系統(tǒng)非常重要。

以某項(xiàng)目為例，無水氫氟酸罐區(qū)設(shè)有4個(gè)臥罐，單個(gè)臥罐規(guī)格為D=5m，L=10m。結(jié)合無水氫氟酸的易揮發(fā)性及高危害性，該項(xiàng)目采納安全專篇審查意見，無水氫氟酸罐區(qū)按封閉設(shè)計(jì)考慮。

下文就以該項(xiàng)目為例，對(duì)封閉式無水氫氟酸罐區(qū)發(fā)生事故泄露工況時(shí)，如何設(shè)置和考慮事故通風(fēng)、事故尾氣處理系統(tǒng)和事故噴淋系統(tǒng)等方面進(jìn)行討論。

1 事故通風(fēng)

封閉的無水氫氟酸罐區(qū)應(yīng)考慮機(jī)械通風(fēng)，按正常通風(fēng)系統(tǒng)和事故通風(fēng)系統(tǒng)分別考慮。罐區(qū)設(shè)置有HF檢測(cè)器。正常工況HF檢測(cè)器未報(bào)警時(shí)，封閉無水氫氟酸罐區(qū)正常通風(fēng)，可直接外排大氣。罐區(qū)出現(xiàn)HF泄露事故，HF檢測(cè)器報(bào)警時(shí)，需要切斷正常工況的通風(fēng)系統(tǒng)，運(yùn)行事故通風(fēng)系統(tǒng)和事故尾氣處理系統(tǒng)。

《石油化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH/T 3004-2011)以及《化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(HG/T 20698-2009)中都明確提出正常通風(fēng)和事故通風(fēng)換氣次數(shù)不小于12次/h[2][3]。該封閉罐區(qū)內(nèi)無壓縮機(jī)及泵，不用考慮換氣次數(shù)的疊加。

《石油化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH/T 3004-2011)附錄B(針對(duì)全面通風(fēng)量)中列出HF在設(shè)備間的換氣次數(shù)為15～20次/h[2]。

根據(jù)上述規(guī)范要求，且認(rèn)為事故工況換氣次數(shù)不應(yīng)小于正常工況換氣次數(shù)。因此，封閉無水氫氟酸罐區(qū)的事故通風(fēng)換氣次數(shù)按15次/h考慮。

整個(gè)無水氫氟酸罐區(qū)占地為：34m(長(zhǎng))×18m(寬)×8.5m(高)，考慮到事故通風(fēng)系統(tǒng)和事故尾氣系統(tǒng)的負(fù)荷設(shè)置，把無水氫氟酸罐區(qū)一分為二，設(shè)計(jì)成兩個(gè)封閉房間(房間1和房間2)。只考慮單個(gè)封閉房間來考慮事故通風(fēng)系統(tǒng)和事故尾氣處理系統(tǒng)(認(rèn)為兩個(gè)房間不會(huì)同時(shí)發(fā)生事故工況)。

按照《化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(HG/T 20698-2009)，當(dāng)房間高度小于或等于6m時(shí)，按房間實(shí)際容積計(jì)算；當(dāng)房間高度大于6m時(shí)，按6m的空間體積計(jì)算[3]。

由于無水氫氟酸儲(chǔ)槽都布置在6m高度及以下，計(jì)算容積為：17×18×6=1836m3。

因此事故通風(fēng)排風(fēng)量為：1836×15=27540m3/h。

2 事故尾氣處理系統(tǒng)

在事故情況下，無水氫氟酸罐區(qū)突然釋放大量的HF，HF檢測(cè)器報(bào)警，通風(fēng)系統(tǒng)從正常工況切換為事故工況，不能直接外排，必須設(shè)置事故尾氣處理系統(tǒng)以吸收尾氣中的HF，處理后達(dá)標(biāo)排放。

如何考慮系統(tǒng)的事故泄露量，是合理設(shè)置事故尾氣處理系統(tǒng)能力的關(guān)鍵。既要保證發(fā)生事故時(shí)，事故尾氣處理系統(tǒng)的負(fù)荷能保證尾氣排放要求和安全，又要避免因過度設(shè)計(jì)，造成經(jīng)濟(jì)上的不合理。

該項(xiàng)目事故尾氣處理系統(tǒng)只考慮管道、管件(閥門等)法蘭連接處和設(shè)備口法蘭連接處出現(xiàn)孔泄漏的情況，設(shè)備本體上的泄漏問題不予考慮。

泄漏量以《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》(GB/T 37243-2019)為計(jì)算依據(jù)。

無水氫氟酸儲(chǔ)槽的底部出酸口(N3 DN80)為焊接形式，N3口與出酸管道的連接處可不考慮孔泄漏的事故工況。無水氫氟酸罐區(qū)封閉房間內(nèi)需要考慮孔泄漏事故工況的管道有：無水氫氟酸的卸車管道、無水氫氟酸儲(chǔ)槽泵的入口管道，回?zé)o水氫氟酸儲(chǔ)槽的回流管道以及無水氫氟酸儲(chǔ)槽上方的氣相管道。無水氫氟酸儲(chǔ)槽泵布置在封閉罐區(qū)外，因此該泵送下游用戶的輸送管道不在考慮范圍內(nèi)。

液體經(jīng)管道上的孔流出，質(zhì)量流率可按下式計(jì)算(來自《GB/T 37243-2019》的附錄D.1式)[4]：

式中，Qm為質(zhì)量流率，單位為千克每秒(kg/s)；A為泄露孔面積，單位為平方米(m2)；C0為液體泄露系數(shù)；P為管道內(nèi)液體壓力，單位為帕斯卡(Pa)；ρ為泄露液體密度，單位為千克每立方米(kg/m3)。

項(xiàng)目情況如下：

(1)無水氫氟酸的卸車管道管徑為DN40，只用考慮小孔泄漏，泄漏孔徑取值5mm，根據(jù)GB/T 37243中附錄D中的公式D.1計(jì)算，泄漏的質(zhì)量流量為1.39t/h。

(2)無水氫氟酸儲(chǔ)槽泵的入口管道管徑為DN80，需要考慮小孔泄漏和中孔泄漏，泄漏孔徑取值20mm，根據(jù)GB/T 37243中附錄D中的公式D.1計(jì)算，泄漏的質(zhì)量流量為10.8t/h。

(3)回?zé)o水氫氟酸儲(chǔ)槽的回流管道管徑為DN50，只用考慮小孔泄漏，泄漏孔徑取值5mm，根據(jù)GB/T 37243中附錄D中的公式D.1計(jì)算，泄漏的質(zhì)量流量為2.01t/h。

(4)無水氫氟酸儲(chǔ)槽上方的氣相管道最大管徑為DN100，需要考慮小孔泄漏和中孔泄漏，泄漏孔徑取值20mm，根據(jù)GB/T 37243中附錄D中的公式D.13、D.14、D.15和D.16計(jì)算，氣體泄漏的質(zhì)量流量為10.43kg/h。

事故工況的泄漏量按上述(2)考慮，既事故工況下的HF的最大泄漏量為10.8t/h。

事故工況尾氣處理系統(tǒng)的處理氣量按27540m3/h考慮，入口HF濃度=10.8/27540=392g/m3，處理后HF排放濃度按環(huán)保批復(fù)要求執(zhí)行。

事故尾氣處理系統(tǒng)采用填料塔和NaOH溶液做吸收液來吸收尾氣中的HF。事故工況下，需要保證有足夠的吸收劑來中和泄露的HF。

無水氫氟酸罐區(qū)的封閉房間內(nèi)設(shè)有HF檢測(cè)器，發(fā)生事故，HF檢測(cè)器報(bào)警，要求進(jìn)行人為干預(yù)(關(guān)閉泄露點(diǎn)前閥門，切斷泄露源；堵漏等)通過人為干預(yù)，控制泄露時(shí)間。本項(xiàng)目考慮1h的泄露時(shí)間，認(rèn)為泄露發(fā)生后，1h的時(shí)間完全足夠處理好泄露事故。因此，發(fā)生事故時(shí)，HF最大泄露量為=10.8×1=10.8t。

外購(gòu)的NaOH規(guī)格大多為32%，按10.8t的泄露量，考慮10%裕量，得到中和需要的32%NaOH溶液量，據(jù)此設(shè)計(jì)緊急吸收溶劑槽即可。

3 事故噴淋系統(tǒng)

每個(gè)臥罐上方設(shè)置獨(dú)立的事故噴淋系統(tǒng)；根據(jù)臥罐規(guī)格(D=5m，L=10m)，每個(gè)臥罐上方按三行六列，平均分布，共設(shè)置18個(gè)噴頭。選擇噴射角為90°，流量為31.5L/min的噴頭。為保證噴淋液的不間斷性，選擇工藝水作為噴淋液。四根工藝水管單獨(dú)供四個(gè)臥罐噴淋使用，一一對(duì)應(yīng)，相互獨(dú)立。四根工藝水管上分別設(shè)有開關(guān)閥。

若出現(xiàn)事故尾氣處理系統(tǒng)也無法處理突發(fā)的緊急工況，如儲(chǔ)槽出現(xiàn)罐體破損等情況，可開啟噴淋系統(tǒng)，水霧隔離無水氫氟酸儲(chǔ)槽，防止高濃度HF尾氣外溢，避免造成重大環(huán)境影響和引發(fā)社會(huì)事件。

單個(gè)臥罐的噴淋系統(tǒng)開啟由對(duì)應(yīng)噴淋工藝水管線上的開關(guān)閥控制，操作人員根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，識(shí)別事故罐后，DCS開啟此事故罐的工藝水管線上開關(guān)閥，開啟事故噴淋，實(shí)現(xiàn)對(duì)事故罐的水霧隔離。為了保證噴淋系統(tǒng)的可靠性，四個(gè)無水氫氟酸儲(chǔ)槽噴淋系統(tǒng)的控制閥(開關(guān)閥)均布置在封閉罐區(qū)外，且都設(shè)置了旁路手閥。

無水氫氟酸罐區(qū)設(shè)有圍堰，啟用噴淋系統(tǒng)后，含氟廢水通過地槽收集，再由泵送至污水處理站的事故水池。首先采用化學(xué)沉淀法處理含氟廢水，事故水池上方設(shè)有螺旋輸送機(jī)，由螺旋輸送機(jī)往事故水池內(nèi)投料大量石灰，中和生成CaF2沉淀。事故水池內(nèi)設(shè)有攪拌器。含CaF2的事故水由泵送至壓濾機(jī)壓濾，壓濾后得到濾渣CaF2，作為一般固廢外送；濾液則采用吸附法進(jìn)一步脫除F離子，處理達(dá)標(biāo)后外排即可。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)無水氫氟酸具有高危害性、易揮發(fā)性，罐區(qū)建議按封閉設(shè)計(jì)，分別考慮正常通風(fēng)和事故通風(fēng)，事故尾氣收集處理后達(dá)標(biāo)排放。

(2)設(shè)計(jì)無水氫氟酸罐區(qū)時(shí)，建議可按小單罐、小封閉房間考慮，這樣能減小事故通風(fēng)和事故尾氣處理系統(tǒng)的負(fù)荷。

(3)在封閉式無水氫氟酸罐區(qū)內(nèi)，儲(chǔ)槽上方的噴淋系統(tǒng)不能隨意開啟，噴淋系統(tǒng)開啟后，水和環(huán)境中的HF接觸，會(huì)產(chǎn)生氫氟酸去腐蝕設(shè)備，可能會(huì)讓泄露情況更加嚴(yán)重。噴淋系統(tǒng)應(yīng)在罐區(qū)已經(jīng)失控的狀態(tài)下去做水霧隔離才開啟。