硝酸銨儲(chǔ)存庫安全間距的確定與探討

吳冰文 中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

1 硝酸銨性質(zhì)及用途

硝酸銨為無色無臭的透明結(jié)晶或呈白色的小顆粒，有潮解性，易溶于水、乙醇、丙酮、氨水等，不溶于乙醚。分子量為80.05，熔點(diǎn)為169.6℃，沸點(diǎn)為210℃(分解)，相對(duì)密度為1.72。主要用作化肥、分析試劑、氧化劑、制冷劑以及煙花爆竹和炸藥的原料。硝酸銨助燃，與易(可)燃物混合或急劇加熱會(huì)發(fā)生爆炸，受強(qiáng)烈震動(dòng)也會(huì)起爆[1]。

硝銨兼具農(nóng)用化肥和炸藥原料雙重特性，受到國家嚴(yán)格監(jiān)管，目前國內(nèi)60%以上的硝銨用于炸藥等民爆器材的生產(chǎn)，另有約40%改性后用于生產(chǎn)硝基復(fù)合肥。

2 硝酸銨的安全事故及影響

硝酸銨是極其鈍感的炸藥，正因?yàn)橄蹁@起爆條件高，企業(yè)及相關(guān)管理單位對(duì)硝銨的安全管理及可能引起的爆炸后果的重視程度不夠，極易造成重大的安全事故。根據(jù)硝酸銨儲(chǔ)存庫類似事故分析，其影響后果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過液化烴類安全事故，事故后短時(shí)間內(nèi)人員傷亡巨大、財(cái)產(chǎn)損失不可估量，會(huì)造成極其惡劣的社會(huì)影響，給國家和人民帶來了長(zhǎng)久的傷害。

2020年8月4日，黎巴嫩首都貝魯特港發(fā)生化學(xué)品大爆炸事故，事故中死亡人數(shù)超過190人、6500人受傷、3人失蹤、造成30萬人無家可歸，損失高達(dá)150億美元。此次化學(xué)品爆炸事故的“罪魁禍?zhǔn)住笔秦愻斕馗鄣?2號(hào)倉庫存放的2750噸硝酸銨。

2015年8月12日，天津港瑞海公司危險(xiǎn)品倉庫發(fā)生火災(zāi)，隨后引發(fā)兩次劇烈爆炸。事故造成遇難165人、失蹤8人、重傷58人、輕傷740人，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)68億元人民幣。調(diào)查主要原因是瑞海公司危險(xiǎn)品倉庫運(yùn)抵區(qū)南側(cè)集裝箱內(nèi)的硝化棉由于濕潤劑散失出現(xiàn)局部干燥，在高溫(天氣)等因素的作用下加速分解放熱，積熱自燃，引起相鄰集裝箱內(nèi)的硝化棉和其他危險(xiǎn)化學(xué)品長(zhǎng)時(shí)間大面積燃燒，導(dǎo)致堆放于運(yùn)抵區(qū)的硝酸銨等危險(xiǎn)化學(xué)品發(fā)生爆炸[2]。

3 硝酸銨行業(yè)政策及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

硝酸銨主要用于民用爆破品和硝基復(fù)合肥的生產(chǎn)，由于硝酸銨特殊的理化性質(zhì)，國家對(duì)硝酸銨的生產(chǎn)、銷售有較嚴(yán)格的管控措施，尤其是民用爆破品的生產(chǎn)，這導(dǎo)致了硝酸銨行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展緩慢，甚至造成相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不完善。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)硝酸銨的設(shè)計(jì)、建設(shè)和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一和規(guī)范帶來了一定的難度。

2021年9月13日，國家應(yīng)急管理部等正式發(fā)表《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)硝酸銨安全管理的通知》。該通知從源頭管控、生產(chǎn)過程安全管理、儲(chǔ)存安全管理、運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)管控、銷售環(huán)節(jié)管理、監(jiān)督管理等方面明確了具體規(guī)定，提出了嚴(yán)格的管理措施。目前，應(yīng)急管理部與有關(guān)部門還正在研究制定《硝酸銨安全管理技術(shù)規(guī)范》[3]。這一系列管控文件對(duì)規(guī)范行業(yè)發(fā)展、保障安全生產(chǎn)起到了積極作用。

從行業(yè)設(shè)計(jì)角度，目前國內(nèi)針對(duì)硝酸銨尤其是硝酸銨儲(chǔ)存?zhèn)}庫的安全防護(hù)間距設(shè)計(jì)有以下6個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)：

3.1 建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范GB 50016—2014

GB 50016—2014[4]將硝酸銨的火災(zāi)危險(xiǎn)類別劃分在甲類中第5項(xiàng)——“遇酸、受熱、撞擊、摩擦以及遇有機(jī)物或硫磺等易燃的無機(jī)物，極易引起燃燒或爆炸的強(qiáng)氧化劑”，根據(jù)建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范“表3.3.2倉庫的層數(shù)及面積”及注4，獨(dú)立建造的硝酸銨儲(chǔ)存?zhèn)}庫的單座倉庫面積不得大于2×750m2，防火分區(qū)不得大于2×250m2。規(guī)范中對(duì)甲類倉庫與周邊設(shè)施的防火間距規(guī)定，“甲類倉庫(儲(chǔ)存物品第1、2、5、6項(xiàng))的距離高層民用建筑及重要公共建筑”50m，其他民用建筑25～30m(跟儲(chǔ)量相關(guān))。

3.2 GB 50160—2008石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)

GB 50160—2008[5]規(guī)定石油化工企業(yè)應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的化學(xué)品及危險(xiǎn)品庫區(qū)。甲類倉庫距離其他設(shè)施的防火間距應(yīng)滿足規(guī)范表4.2.12的規(guī)定。表4.2.12規(guī)定甲類物品倉庫距離一類全廠性重要設(shè)施45m，距離全冷凍式液化烴儲(chǔ)罐最大要求70m。

3.3 石油化工全廠性倉庫及堆場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50475—2008

GB 50475—2008[6]涉及甲類庫的主要有第4.2.1條，規(guī)定獨(dú)立設(shè)置的甲類倉庫區(qū)與居住區(qū)和公共福利設(shè)施防火間距100m，與臨近的重要公共建筑等設(shè)施的防火間距50m，相鄰工廠防火間距30m。

3.4 民用爆炸物品工程設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)GB 50089—2018

GB 50089—2018[7]根據(jù)生產(chǎn)、研制、儲(chǔ)存危險(xiǎn)品的功能，劃分硝酸銨類建筑物的危險(xiǎn)等級(jí)為1.4級(jí)，定義為危險(xiǎn)品不敏感，但不排除在外界強(qiáng)力引燃、引爆條件下的爆炸可能性。規(guī)范規(guī)定危險(xiǎn)區(qū)、總倉庫區(qū)與周圍居住建筑物、企業(yè)、公共交通線路等應(yīng)根據(jù)倉庫的危險(xiǎn)等級(jí)及計(jì)算藥量計(jì)算確定，其中對(duì)于1.4級(jí)倉庫外部距離不小于100m，硝酸銨倉庫的外部距離不小于200m。

3.5 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

GB/T 37243—2019提出使用事故后果法對(duì)涉及爆炸物危險(xiǎn)化學(xué)品的工藝生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施的外部安全防護(hù)距離需要進(jìn)行計(jì)算確定。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于危險(xiǎn)源的安全防護(hù)距離的控制采用了定量計(jì)算的方式進(jìn)行，這與其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求是不一樣的。安全防護(hù)距離的定量計(jì)算公式如下：

(1)

式中，Δp為空氣沖壓波超壓制，單位為105帕斯卡(Pa)；Q為一次爆炸的TNT的炸藥當(dāng)量，單位為千克(kg)；R為爆炸點(diǎn)距防護(hù)目標(biāo)的距離，單位為米(m)。

然后，根據(jù)計(jì)算的沖擊波超壓值對(duì)比針對(duì)不同防護(hù)目標(biāo)超壓閾值選用，規(guī)范指出對(duì)于室外人員一般不會(huì)造成死亡的閾值為9000Pa。

3.6 SAFEX Storage of Solid Technical Grade Ammonium Nitrate規(guī)定

對(duì)于僅儲(chǔ)存硝酸銨的企業(yè)，在將儲(chǔ)存硝酸銨折算成爆炸物當(dāng)量后，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下：

總TNT當(dāng)量(Eo)=化學(xué)TNT當(dāng)量(Ec)×爆炸當(dāng)量(Ey)

(2)

式中，化學(xué)TNT當(dāng)量是基于材料與TNT相比的相對(duì)燃燒熱的比率。為了進(jìn)行計(jì)算，每個(gè)硝酸銨事件場(chǎng)景的化學(xué)當(dāng)量估計(jì)為32%。爆炸當(dāng)量根據(jù)儲(chǔ)存物料性質(zhì)、條件等，取值范圍在10%～100%。

凈爆炸物量NEQ(kg)=硝酸銨儲(chǔ)量(kg)×總TNT當(dāng)量

(3)

安全距離D=17.8×凈爆炸物量NEQ1/3

(4)

式(4)是針對(duì)人員集中住宅區(qū)進(jìn)行的計(jì)算公式，住宅區(qū)最大允許超壓為7kPa。

根據(jù)SAFEX規(guī)定，根據(jù)以上公式計(jì)算取得結(jié)果后，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，住宅和社區(qū)的個(gè)人死亡風(fēng)險(xiǎn)每年小于1×10-6；脆弱或敏感地區(qū)的個(gè)人死亡風(fēng)險(xiǎn)每年小于0.5×10-6；公共使用或工程中的個(gè)人死亡風(fēng)險(xiǎn)每年少于5×10-6，根據(jù)評(píng)估結(jié)果采取相應(yīng)措施，在此不做深入探討。

4 外部安全距離控制及計(jì)算

從上文列出的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來看，針對(duì)硝酸銨儲(chǔ)存設(shè)施的安全防護(hù)間距要求各不相同，這使得設(shè)計(jì)人員很難針對(duì)不同的項(xiàng)目合理確定適用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員為了保證設(shè)計(jì)合規(guī)性，一般會(huì)采用規(guī)范中要求最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

下面以《硝酸銨安全技術(shù)規(guī)范(征求意見稿)》規(guī)定的單個(gè)硝酸銨庫儲(chǔ)存硝酸銨500t，硝酸銨倉庫區(qū)最大存儲(chǔ)量2500t規(guī)定為計(jì)算基準(zhǔn)，分別以“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”和“SAFEX Storage of solid technical grade ammonium nitrate”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全間距試算。

(1)GB/T 37243—2019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)距離確定方法計(jì)算基準(zhǔn)：

根據(jù)相關(guān)參考數(shù)據(jù)，硝酸銨TNT當(dāng)量=0.6×硝酸銨質(zhì)量(kg)當(dāng)量[3]。

500t的硝酸庫發(fā)生爆炸產(chǎn)生的爆炸能量約為300000kgTNT當(dāng)量。根據(jù)規(guī)范中“不同類型防護(hù)目標(biāo)的空氣沖擊波超壓閾值”(表1)，對(duì)于一般防護(hù)目標(biāo)中的三類目標(biāo)，取閾值9000Pa代入公式(1)計(jì)算，爆炸點(diǎn)距離防護(hù)目標(biāo)的距離約為R=1060m。

表1 不同類型防護(hù)目標(biāo)的空氣沖擊波超壓閾值

(2)SAFEX Storage of solid technical grade ammonium nitrate標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)公式(2)，在化學(xué)引爆的條件下，最大總TNT當(dāng)量(Eo)=32%×10%=3.2%(火災(zāi)引爆條件下Ey按10%取值)。

根據(jù)公式(3)，凈爆炸物量NEQ(kg)=500000kg×3.2%=16000kg。

根據(jù)公式(4)，安全距離D=17.8×160001/3=448m。

初步結(jié)論：

以儲(chǔ)存500t硝銨庫為例，根據(jù)不同規(guī)范核算距離人員集中場(chǎng)所的結(jié)果見表1：

綜上所述，《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》和《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》要求偏低，這是因?yàn)檫@兩本規(guī)范主要關(guān)注的是防火而不是防爆，在爆炸安全防護(hù)方面，涉及硝酸銨等爆炸品的規(guī)范要求明顯較高，其中GB/T 37243—2019標(biāo)準(zhǔn)[8]要求最高，但可以通過控制單個(gè)倉庫硝酸銨的儲(chǔ)存量有效減少外部安全防護(hù)距離。

5 結(jié)語

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與國外標(biāo)準(zhǔn)有很大的不同。即使是需要根據(jù)實(shí)際情況核算的標(biāo)準(zhǔn)，由于輸入條件不同，不同的標(biāo)準(zhǔn)得出的結(jié)論也不完全一樣。目前，國內(nèi)化工園區(qū)管理越來越規(guī)范、發(fā)展越來越迅速，?；飞a(chǎn)企業(yè)在現(xiàn)階段以集中布局在化工園區(qū)為主，如盲目地使用一種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，既不利于園區(qū)土地節(jié)約，也對(duì)周邊工礦企業(yè)的規(guī)劃和布置造成巨大的不利影響。如何選用恰當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，且能夠得到相關(guān)專家的認(rèn)可，是目前硝酸銨行業(yè)建設(shè)管理和技術(shù)人員應(yīng)該考慮的問題。

從目前國內(nèi)硝酸銨行業(yè)及整個(gè)化工行業(yè)的發(fā)展來看，短期內(nèi)依然不會(huì)有較為明朗的結(jié)論。但根據(jù)相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)格控制硝酸銨儲(chǔ)存量、加快硝酸銨的周轉(zhuǎn)速度、降低儲(chǔ)存設(shè)計(jì)量，是目前相對(duì)較為可行的方法。對(duì)于硝酸銨儲(chǔ)存區(qū)與周邊的安全防護(hù)距離，在儲(chǔ)存總量控制的前提下，不能僅按照規(guī)范下限進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，應(yīng)綜合考慮建設(shè)成本、土地利用率以及相鄰設(shè)施的功能、性質(zhì)、受損后影響程度等各種因素，并結(jié)合安全評(píng)價(jià)報(bào)告結(jié)論進(jìn)行綜合評(píng)估。