1、1、儲罐區的情況簡介1.1 儲罐區的基本情況本次課程設計以沈陽某發電廠為研究對象。 該發電廠采用選擇性催化還原法進行煙氣脫硝，所 用還原劑為液氨,共有2個液氨儲罐,每個液氨儲罐最大儲存量為90 m3液氨儲存溫度為30c , 儲存壓力為1. 1 MPa,密度為750 kg/m3,液氨體積占儲罐容積的最大值為 70%供充裝系數為 0.70)。則每個貯槽內液氨的總質量為 W=90 m3< 750 kg/m3 乂 0. 7=47.25t 。重大危險源，是指長期地或者臨時地生產、搬運、使用或者儲存危險物品、且危險物品的數量等于或者超過臨界量的單元(包括產所和設施)。危險化學品重大危險源辨識 【2】

2、(GB18218-2009)規定氨的臨界量為10t ,該企業布置有兩個液氨儲罐，每個儲罐裝存的液氨 為47.25t ,因此構成了該液氨儲罐區構成了重大危險源。1.2 液氨的主要危險特性液氨又稱為無水氨，是一種無色液體。在溫度變化時，液氨體積變化的系數很大。溶于水、乙醇和乙醴，與空氣混合能夠形成爆炸混合物，火災危險類別為乙類2項。液氨作為一種重要的化工原料應用廣泛，普遍存在于化工生產過程中。為了運輸及儲存的便利，通常將氣態的氨氣通過加壓或冷卻得到液態氨。液氨在工業上應用廣泛，由于具有腐蝕 性，且易揮發，所以其化學事故發生率相當高，是該儲罐區的主要危險物料。液氨物料的危 險特性主要體現在燃燒和爆炸

3、、活性反應和健康危害三方面【3】，具體危險特性及理化性質如表1.1所?。罕?.1液氨的危險特性及理化性質表危險 特性燃燒和爆 炸危險性極易燃，能與空氣形成爆炸性混合物，遇明火、高熱引起燃燒 爆炸?；钚苑磻c氟、氯等接觸會發生劇烈的化學反應。健康危害對眼、呼吸道粘膜有強烈刺激和腐蝕作用。急性氨中毒引起眼 和呼吸道刺激癥狀，支氣管炎或支氣管周圍炎，肺炎，重度中毒 者可發生中毒性肺水月中。高濃度氨可引起反射性呼吸和心搏停止。 可致眼和皮膚灼傷。PC-TWA(時間加權平均容許濃度)(mg/m3):20; PC-STEL翹時間 接觸容許濃度)(mg/m 3):30。理化性質分子量為17.03 ,熔點-7

4、7.7 C,沸點-33.5 C,液氨密度為 0.7253g/cm3,臨界壓力11.40MPa,臨界溫度132.5 C,飽和蒸氣 壓1013kPa(26C),爆炸極限15%-30.2% (體積比)，自燃溫度 630C ,燃點為651C,最大爆炸壓力0.580Mpa2、儲罐的事故類型分析2.1液氨泄漏事故模式及統計分析通常情況下，液氨在常溫下加壓壓縮，液化儲存，一旦泄漏到空氣中會在常壓下迅速膨脹 大量氣化，并擴散到大的空間范圍。液氨事故泄漏后通常有幾種事故模式：液氨泄漏后在泄漏出口處立即點火形成噴射火；泄漏 處于開放空間且經過一定時間點火形成閃火；泄漏處于局限空間條件且經過一定時間點火形 成蒸氣云

5、爆炸；若泄漏過程中沒有點火源存在則形成單純的大氣中擴散；儲存液氨的儲罐有 可能發生BLEVE爆炸。根據事故案例，泄漏事故絕大多數可視為連續點源泄漏模式。因此，本文著重分析和模擬氨 氣連續點源泄漏后果。2.2氣氨泄漏事故樹模型 3氨氣泄漏后果定量計算3.1 氣氨泄漏模型對于災難性破壞引起的液氨泄漏，可保守地認為容器內所有的貯存物質瞬間全部泄漏，全部泄漏時一般有爆炸發生，對其發生爆炸后的狀況再運用數值模擬進行預測意義不大。因此 ，文中所研究的是液氨儲罐連續性 泄漏的數值模擬。通過對建國50年以來我國化工系統所發生的重(特)大、典型事故性泄漏的統計分析表明，閥門或法蘭處的密封失效及閥門或管道斷裂是造

6、成事故性泄漏的主要原因，因而可以確定液氨儲罐下方的液氨出口接管、儲罐上方的氣氨出口接管以及安全閥為主要泄漏源。氣氨泄漏模型對于氣氨通過其出口接管的泄漏，情況較復雜。由于出口接管處于氣相空間，其泄漏形式主要與泄漏面積的大小有關。在yt漏面積較大的情況下，高壓蒸氣通過裂縫或孔洞噴出，儲罐內壓急劇下降，直到環境壓力(常溫)。由于內壓急劇下降，氣液平衡遭到破壞，儲罐內液氨處于過熱狀態，過熱狀態的液氨為 了再次恢復平衡，內部會均勻地產生沸騰核，同時產生大量氣泡，液氨體積急劇膨脹，最終導致爆炸；當泄 漏面積不大時，即使有蒸氣噴出，但由于儲罐內壓下降不急劇，液氨不會達到過熱狀態，因此不會發生蒸氣爆炸,其泄漏

7、速率可采用下式計算：Qm =C0AP02rM RgT0( r -1)P P02/ r- P P0r+ 1/ r 1/2( 3)式中:Qm為質量泄漏速率，kg/s;C0為泄漏系數；A為裂口面積，m2 ;P0為儲罐內壓,Pa;M為氣體或蒸氣的摩爾質量，kg/mol;Rg為理想氣體常數；T0為泄漏源溫度,K ； P為泄漏處壓力,Pa; r為絕熱指數。3.2 氣氨擴散模型根據泄漏氣體的密度和泄漏源類型，氣體的擴散模式可分為煙團擴散和煙羽擴散兩種模式。泄漏量較大 且密度比空氣的密度大得多的氣體擴散呈現煙團式擴散，若泄漏氣體密度與空氣接近或經很短時間的空氣 稀釋后密度與空氣接近時，其泄漏氣體的擴散屬于煙羽

8、式擴散，大部分較小流量的連續源易形成煙羽擴散。 因此，氨氣的擴散屬于煙羽擴散。通過查詢沈陽地區的氣象資料，沈陽一年內的平均風速為2.84m/s ,根據化工企業定量風險評價導則AQ/T3046-2013表E.5可知，大氣穩定度為 C級，根據表 E.7可知：7=0.282x0.914(rz= 0.127x0.961根據Pasquill-Gifford模型擴散方程，位于地面 H r高處的連續穩態源的煙羽C x,y,z =2 二：y：zUexpexp - 2z - Hj 一_ . .1/z + H八+exp I-2(3.6)式中:9M V,z )_一連續排放時，形成穩定的流場后，給定地點(x,y,z)

9、的污染物的濃度，單位為g/m3;Q 連續排放的物料質量流量，單位為g/s ;u風速，單位為 m/s;°z 側風向和垂直風向的擴散系數，單位為m;x下風向距離，單位為項y側風向距離，單位為 m;z垂直風向距離，單位為 m>y+ 0) = 一由液體泄漏中的計算可知，當泄漏為小孔泄漏時，連續排放的物料質量流量Q=1106g/so因為液氨儲罐水平布置在地面上，所以可以在 x軸方向取10n 50n 100m 200m 400nl y軸取0, z軸取0,具體地點污 染物濃度見表3.1所示：表3.1不同地點液氨擴散的濃度X (m)1050100200400500丫(m)000000Z (m)

10、000000% (m)2.3110.0718.9835.7667.3882.62crz (m)1.165.4510.6120.6640.2149.83C (g/m3)46.262.260.620.170.0460.0301.3 毒負荷 氨氣為毒性物質。人類對毒物的反應不僅與所接觸的毒物的濃度有關，而且還與暴露在該濃度下的時間有關，因此，為了同時反映毒物濃度和暴露時間對中毒反應的影響，人們提出了毒負荷的概念，其定義如下：TL =ft 2 1 Cn( t)d t(7)式中：TL為毒物的毒負荷，它決定中毒程度；t1、t2分別為開始暴露時刻和結束暴露時刻，min ;C為t時刻暴露環境中毒物的濃度;n為

11、哥指數，對于氨氣，n取2。3.3 火災模型噴射火計算加壓氣體泄漏時形成射流，如果在裂口處被點燃，形成噴射火。根據射流的方向，可以分成垂直噴射火和 水平噴射火。根據化工企業定量風險評價導則【5】AQT3046-2013第9.2.3條 泄漏方向應根據設備安裝的實際情況確定。如果沒有準確的信息，泄漏方向宜設為水平方向，與風向相同。所以該企業液氨儲罐的泄漏方向 宜設為水平方向，僅水平方向噴射火計算。加壓的可燃物泄漏時形成射流，如果在泄漏裂口處被點燃，則形成噴射火。假定火焰為圓錐形，并用 從泄漏處到火焰長度 4/5處的點源模型來表示。(1)火焰長度計算噴射火的火焰長度可用如下方程得到：0.444L _(

12、Hcm)=161.66(3.12 )式中：L火焰長度，單位為項HC-燃燒熱，液氨的燃燒熱為11053.315 kJ/kg ;m質量流速，單位為 kg/s。1)泄漏場景為小孔泄漏時，泄漏孔徑為5mm質量流速 m=1.106kg/s。0.444L =(Hcm)161.66=0.4m2)泄漏場景為中孔泄漏時，泄漏孔徑為 25mm質量流速 m=27.67kg/s0.444L =(Hcm)一 161.66 =1.69m3)泄漏場景為完全破裂時，泄漏孔徑為50mm質量流速 m=110.69kg/s0.444L _(Hcm)一 161.66 =3.12m(2)熱輻射的通量計算距離火焰點源為 X(m)處接收到

13、的熱輻射通量可用下式表示：fH Cmq =24 二X2 1000(3. 13 )式中：q距離X處接收的熱輻射的通量，單位為kw/m2;f 熱輻射率；T大氣傳輸率。大氣傳輸率。按下式計算：1 =1 -0.0565ln X(3.14 )選擇泄漏場景為完全破裂時，質量流速m=110.69kg/s，熱輻射率f取0.25 ,X分別取10n 50n 100m 200nl不同距離熱輻射通量見表3.3所示：X (m)1050100150T0.870.780.740.72q ( kw/m 2)0.217.59 X10-31.80 X 10-37.79 X 10-4表3.3不同距離熱輻射通量3.4爆炸模型計算3.

14、4.1沸騰液體擴展為蒸氣云爆炸沸騰液體擴展為蒸氣云爆炸( 射模型進行計算，步驟如下： (1)火球直徑的計算 火球直徑計算公式為：BLEVE計算BLEVE計算：采用國際勞工組織建議的沸騰液體擴展為蒸氣云爆炸熱輻R=2.9W13(3.15)式中：R火球直徑，單位為miW-火球中消耗的可燃物質量，單位為kg,對于單罐儲存， W取罐容量的50%對于雙罐儲存， W取罐容量的70%對于多罐儲存，W取罐容量的90%已知該企業有三個液氨儲罐，容積都為120m3,每個儲罐的實際儲存量為73.981T。即三個儲罐的實際總儲存量為 3X 73.981=221.943T所以 W=90%M=90%221.943 X 1

15、03=2.0 X 105kg1 3即 R=2.9W =2.9 X ( 2.0 X 105) 1/3=169.59m(2)火球持續時間的計算火球持續時間按下式計算：t =0.45W13(3.16 )式中：t火球持續時間，單位為s;W-火球消耗的可燃物質量，單位為 kg。即 t =0.45W13=26.32s(3)目標接收到熱輻射通量的計算q0R2r 1 -0.0581n rR2r2 3 2(3.17 )式中:q0火球表面的輻射通量，單位為W/m2對于柱形罐取 270 W/m2 ,對于球形罐取 200 W/m2 ;目標到火球中心的平均距離，單位為miq0取270 W/m2,分別取r=10m、15m

16、 20ms 50m 100m來進行目標接收到熱輻射通量的計算，具體數據 見下表3.1所示：2q0R r 1 0.0581n r當r=10m時,q r)=(R2 +r2 32R r=13.72 W/m22q()R r 1 -0.0581n r當r=15m時,(R2 +r2 3=19.90 W/m2當r=20m時,qr 二2qoR r 1 -0.0581nr(R2 +r2 3=25.77 W/m2當r=50m時,_ 2_q0R r 1 - 0.0581n rq r :3-2R r2=54.31 W/m2當 r=100m 時,qr =2q°R2r 1 -0.0581n rR r =116

17、W/m2經常發生、且后果十分嚴重的爆炸事故。通常采用TNT當量法估計蒸氣云爆炸的嚴重度【WTNT=a WQ/ QTNT8】。(3.18)式中WTNT-可燃氣體的 TNT a 可燃氣體蒸氣云當量系數 W-蒸氣云中可燃氣體質量， Q-可燃氣體白燃燒熱，J/kg QTNT- TNT 的燃燒熱，J/kg（E=1.8 a WQ當量，kg；（一般取值0.04）;kg；一般為 4.52 X 106);(3.19 )各點目標接受的熱輻射通量見表3.4所示:表3.4目標接收的熱輻射通量r(m)10152050100qr(W/m2)13.7219.9025.7754.311163.4.2蒸氣云爆炸（TNT當量法）

18、計算當泄漏到空氣中的可燃氣體與空氣的混合物的濃度處于爆炸范圍內時遇到點火源發生的爆炸現象稱為蒸氣 云爆炸。其主要危害為爆炸產生的沖擊波，能導致人員傷亡及設備、設施、建筑、廠房的破壞。它是一類式中E可燃氣體的爆炸總能量，J;1.8地面爆炸系數。爆炸傷害半徑:R = C(NE y門(3.20 )式中：C為爆炸實驗常數，取決于損害等級，取值為0.030.4 ;N為有限空間內爆炸發生系數，取 10%液氨25 C時，單罐實際儲存量為 73.981T【1】，即三個罐的總儲存量為221.943T,氨的分子量為17, 燃燒熱18.59 MJ/kg ,沸點-33 C,液體比熱容 4.6 kJ/kg ,氣化熱 q為1.37 X 103 kJ/ kg氨氣的TNT當量計算 WTNT的計算WTNT = WQ/ QTNT=0.04X 221.943 X 103X 18.59 X 106/4.52 X 106=3.7 X 104kg(2)氨氣爆炸總能量E的計算根據公式3.15氨氣爆炸總能量：E=1.8 a WQ= 1.8 X 0.04 X 221.943 X 103X 18.59=2.97 X 105MJ(3)氨氣蒸氣云爆炸沖擊波的損害半徑根據公式3.16計算氨氣蒸氣云爆炸沖擊波的損害半徑為：R=C(NE)1/3=0.15 X ( 10%X