干式煤气柜泄漏及中毒事故预测后果分析

第２４卷第３期　３２　湖南有色金属　ＨＵＮＡＮ　Ｎ０ＮＦＥＲＲ０ＵＳ　ＭＥＴＡＬＳ　２００８年６月　・环保・　干式煤气柜泄漏及中毒事故预测后果分析　王宇新，黄斌　（湖南有色金属研究院，湖南长沙４１００１５）　摘要：文章通过对煤气柜煤气泄漏及扩散范围的研究，利用相应的数学模型可以估算出ＣＯ扩散　影响的范围及相应的中毒人数，可以帮助企业了解煤气柜区域事故后果的影响范围，并对煤气柜这　种重大危险源的管理和控制有一个量的概念。　关键词：煤气柜；泄漏；中毒；重大危险源　中图分类号：Ｘ９６５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—５５４０（２００８）０３—００３２—０５　为了减少环境污染和节约资源，在现在的大中　型冶炼企业一般均设置了煤气柜，一方面可以减少　１煤气泄漏分析　有毒气体ＣＯ的排放，另一方面可以回收炼铁高炉　煤气柜泄漏导致中毒的原因有多种，与所处环　及炼钢转炉中的煤气用来作为能源或发电的原料，　境和使用的工艺及煤气组成成份有关，但现代炼钢　以达到资源综合利用目的。　企业的煤气柜的工艺和所处环境大同小异，现在以　煤气的主要成份为ＣＯ和Ｈ　，ＣＯ的主要危害特　某炼钢企业为例进行分析。　点是中毒及燃爆，Ｈ：的主要危害特点是燃爆，因此　１．１煤气泄漏原因分析　一般炼钢企业气柜区的事故为中毒事故和燃爆事　某炼钢企业动力厂煤气柜区有一座５０　０００　ｉｎ　故。根据对某企业气柜区过去十年中已发生的１１　转炉卷帘密封型煤气柜和一座１５０　０００　ｍ　稀油密封　起事故及发现的事故隐患分析情况来看，煤气泄漏　型高炉煤气柜。转炉煤气的成份为：一氧化碳（６０％　事故占了７起，因雷击而引起的燃烧事故只有１起，　～７０％）、二氧化碳（１０％～１４％）、氢气（１％～２％）、　因煤气泄漏而引起的中毒事故有３起，其中一起事　甲烷（２３％～２７％）、氧气（０．３％～０．８％）、氮气（５％　故造成２０余人中毒，有４起煤气泄漏事故由于当时　～８％）等；高炉煤气的成份为：一氧化碳（２３％～　仪器报警及时采取了措施，消除了事故隐患，没有造　３０％）、二氧化碳（１０％～２５％）、氢气（１％～２％）、氧　成严重后果。因此煤气中毒是气柜区最容易发生的　气（０．３％～０．８％）、氮气（５０％～６０％）、二氧化硫　事故。　（０．００１％～０．０１％）等。　根据国家标准ＧＢ１８２１８－－２０００（（重大危险源辩　一般情况下，煤气柜区煤气泄漏的原因有以下　识》，煤气的两种主要成份均属于重大危险源的危险　几点：　物质，而一般大中型企业的煤气柜容量均较大，达到　１．煤气设备和管道发生破损、各处水封由于系　了重大危险源的临界值。煤气柜区中毒事故易发性　统压力突然升高，可能会造成跑煤气现象从而导致　的特点，构成了安全生产的重大隐患，引起安全生产　操作人员煤气中毒。　领域的高度重视，并对大型煤气柜这种重大危险源　２．加压机管道连接处、阀门处密封不严密，煤气　的管理和控制开展了广泛的研究工作。　泄漏有可能导致中毒事故。　煤气柜泄漏及中毒事故分为二步，第一步是泄　３．煤气柜放散系统及燃烧放散管，遇煤气压力　漏，第二步是ＣＯ扩散导致周围人群中毒。　波动及自然气候的低气压天气，煤气放散管烧嘴因　故障熄灭，未能及时发现（排除）隐患，可能引起煤气　作者简介：王字新（１９７２一），男，工程师，主要从事安全管理及安全评　放散下风侧多人中毒的重大伤亡事故。　价工作。　４．煤气柜和管道都用钢材建设，储存的气体对　维普资讯 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第３期　王宇新，等：干式煤气柜泄漏及中毒事故预测后果分析　３３　气柜和管道有一定的腐蚀作用，在炼厂冶炼废气较　多的环境下，外部的ｓＯ２，Ｈ２Ｓ，ＣＯ２均对钢结构有较　强的腐蚀作用，特别是ｓＯ　腐蚀危害对钢结构有较　大影响。除了大气和煤气中所带的腐蚀因素之外，　煤气柜体焊缝等处由于金属与金属、金属与非金属　因内外氧浓差不同形成浓差电池，缝隙内为阳极易　被腐蚀产生泄漏。大部分冶炼厂中的煤气柜系统均　需隔一到二年即进行防腐蚀处理，否则将会因为腐　蚀而出现煤气到处泄漏的情况。　１．２煤气泄漏过程研究　气体或蒸汽经小孔泄漏，因压力降低而膨胀，该　过程可视为绝热过程。假设气体符合理想气体状态　方程，则根据柏努利方程可推导出如下的气体泄漏　公式：　厂———————　Ｑ＝ｃ　√　【　］　（１）　式中Ｑ为气体泄漏流量／ｋｇ・ｓ～；Ｃｄ为排放系数，当　裂口形状为圆形时取１．００，三角形时取０．９５，长方　形时取０．９０；Ａ为泄漏口面积／ｍ　；Ｐ为容器内气体　压力／Ｐａ；Ｐ　为环境压力／Ｐａ；ｒ为绝热指数，是等压　比热容与等容比热容的比值；Ｍ为气体的分子量／　ｋｇ・ｍｏｌ　；Ｒ为气体常数，取８．３１４　Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ。　从高炉煤气和转炉煤气的成份来看，转炉煤气　的ＣＯ含量很高，高炉煤气中的ＣＯ虽然稍少，但最　高也达到了３０％左右，一旦发生泄漏也非常容易引　起中毒。下面以高炉煤气柜和转炉煤气柜压力过高　击穿水封，煤气泄漏３０　ｍｉｎ事故为基础，进行煤气　泄漏后果计算。　计算高炉煤气柜和转炉煤气柜压力过高击穿水　封，煤气泄漏３０　ｍｉｎ的泄漏量。　水封高度均以０．５　ｍ计，管道直径为２００　ｍｍ，　压力按高炉煤气７　８４０　Ｐａ，转炉煤气３　０００　Ｐａ计，根　据煤气泄漏计算模型进行计算。　１．２．１　高炉煤气计算　高炉煤气泄漏计算结果如下：　裂口面积Ａ＝０．０３１　４　ｍ　气体泄漏系数Ｃｄ　＝１　管道内介质压力Ｐ＝１　０１９　１６５　Ｐａ　环境压力ＰＯ＝１０１　３２５　Ｐａ　分子量Ｍ＝３０（平均值），高炉煤气分子量按一　氧化碳（体积比）２６．５％、二氧化碳１７．５％、氢气　１．５％、氧气０．５５％、氮气５４％的比例进行计算。　为气体常数，取８　３１４　Ｊ／ｋｍｏｌ・Ｋ　气体温度取常温１６．６　ｏＣ，Ｔ＝２８９．６　Ｋ　ｒ值取１．４　将以上数值代人式（１）得：　Ｑ＝４．４０６　ｋｇ／ｓ　半小时煤气泄漏量为７　９３１．２８　ｋｇ。其中ＣＯ的　量为１　９６１．６７　ｋｇ。　１．２．２转炉煤气计算　转炉煤气计算结果如下：　裂口面积Ａ：０．０３１　４　ｍ　气体泄漏系数Ｃｄ　＝１　管道内介质压力ｐ＝１０４　３２５　Ｐａ　环境压力ｐｏ＝１０１　３２５　Ｐａ　分子量Ｍ＝２８（平均值），转炉煤气分子量按一　氧化碳（体积比）６５％、二氧化碳１２％、氢气１．５％、　氧气０．５５％、甲烷１６％、氮气６．５％的比例进行　计算。　为气体常数，取８　３１４　Ｊ／ｋｍｏｌ・Ｋ　气体温度取常温１６．６℃，Ｔ＝２８９．６　Ｋ　ｒ值取１．４　将以上数值代入式（１）得：　Ｑ＝２．６４１　ｋｇ／ｓ　半小时煤气泄漏量为４　７５３．４０　ｋｇ。其中ＣＯ的　量为３　０８９．７１　ｋｇ。　２煤气扩散ＣＯ中毒范围估算　２．１地理位置　煤气柜区东面为煤气救护队办公楼和型带材　厂，南面为热轧板厂和三炼钢，西面为环城铁路，环　城铁路对面为总厂生产管理中心，北面为市燃气公　司煤气柜。整个动力厂煤气柜区域为三角形，占地　面积约为７万ｉｎ　左右，位于一个较高的山包顶上，　地面标高比旁边的厂房和道路高出１０～１２　ｉｎ左右。　区域内有办公楼一座、煤气柜２座、加压站４个。　２．２煤气扩散模型　一般大气扩散主要研究有害物质传播和物质浓　度衰减的关系，目前可用梯度输送系统理论、统计工　作理论和相似性理论来处理这个问题，从这些理论　体系出发可以导出许多扩散模式，其中应用最广的　是根据统计理论导出的正态高斯分布假定下的扩散　模式，也就是通常所说的高斯扩散模式。　煤气柜一般在地面上，因此煤气柜进出管道泄　漏相当于地面连续点源，泄漏后的气体按高斯扩散　模式的地面连续点源扩散模式进行分析，数学模型　维普资讯 http://www.cqvip.com ３４　湖南有色金属　第２４卷　见下式：　ｏ－ｏ　＝　丁ｃ　ｖ　ｚＵ　Ｌ…ｐ【　＼一　割　ｖ　／Ｌａｚ　Ｊ　ｃ（　０．ｏ）为下风向空间某一位置的污染物浓度　／ｍｇ・ｍ～；　为Ｙ方向的标准差（水平扩散参数）；　为ｚ方向的标准差（垂直扩散参数）；五为平均风速／　ｍ・ｓ一　；Ｑ为源强／ｍｇ・ｓ～。　当煤气通过放散管放散时，则放散浓度按高架　点源进行计算：　其中日为放散管高度，ｚ为离地面的高度，当　ｚ等于０时，ｃ（　ｏ；Ｈ）值为地面浓度。　从上两式可以看出，扩散参数　、　是估算大　气污染物浓度的二个重要参数。扩散参数直接与大　气湍流性质有关，它的定量规律可以通过大气扩散　理论研究和实验两方面获得。但目前使用的扩散参　数仍以实验资料为主要依据，通常　和　ｚ都是通　过野外现场实验得到，再把这些数据表示为扩散距　离、大气稳定度和下垫面粗糙度的函数，从而获得一　些经验扩散参数公式。目前所用的主要是Ｐａｓｓｑｕｉｌｌ　扩散参数、Ｂｒｉｇｇｓ扩散参数和国标ＧＢ３８４０—９１／Ｔ　《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》推荐的　扩散参数，由于计算机应用的原因，只能使用扩散参　数幂函数表达式。　２．３煤气扩散后果分析　将１．２中煤气泄漏３０　ｍｉｎ的数值代人式（３），再　利用软件作图，则可以得到管道破损煤气泄漏事故　后，ＣＯ扩散所影响到的范围（假定烟气不抬升，即抬　升高度为０）。我们可以根据泄漏点周围的浓度画出　表格，同时也可以根据等浓度图确定ＣＯ致死区（大　于１　２５０　ｉｎｇ／ｉｎ　）、严重区（６２５～１　２５０　ｉｎｇ／ｍ　）、较重　区（６２５～３１２．５　ｍｇ／ｍ　）、中度区（３１２．５～２２５　ｍｇ／ｍ　）、轻伤区（２２５～１２５　ｍｇ／ｍ　）、有影响区（３０～　１２５　ｉｎｇ／ｉｎ　）、安全区（小于３０　ｉｎｇ／ｉｎ　）等。高炉煤　气、转炉煤气泄漏事故ＣＯ扩散浓度测试数据分别　列于表１、表２。　表１中数据所对应的区域如图１所示，表２中　数据所对应的区域如图２所示。均是以泄漏点为原　点，刮东北风向时煤气扩散的区域范围，因此图中所　对应区域的坐标值均为负值。　表１　高炉煤气泄漏事故ＣＯ扩散浓度（部分点）　ｍｇ／ｍ３　３　０．ｏｏ０　５　０．００１　３　０．ｏｏ５　３　０．０４９　１　７．２６６　０　０．０００　０　４８　０．ｏｏ６　３　０．０２８　５　０．２３０　１　５．８３６　８　１　４３９．７３０　０　１．７３９　５　—１９８　０．９２９　８　４．８３８　８　２９．５４０　３　１４２．４００　８　２３．２８４　８　０．０２７　７　３４８　７．３４５　３　２２．２３４　１　５１．３８７　７　４１．６０３　６　０．７３１　５　０．００４　０　４９８　１４．８０９　９　２５．４３１　４　２６．００３　０　７．４０２　０　０．０７６　２　０．００１　１　表２　转炉煤气泄漏事故ＣＯ扩散浓度（部分点）　ｍｇ／ｍ３　—５０　１．２９４　ｌ　４．１６ｌ　９　ｌ５．６ｌ５　０　７６．０７　５　５５４．７　９　３　２１８．５ｌ　０　—１ｏｏ　１５．９５７　７　４３．４４３　１　１２８．７１３　９　３９０．７８９　３　８８８．２０３　０　５５４，７９６　９　—１５Ｏ　５５．９１４　５　１２Ｏ．７ｏ４　３　２５０．１４６　２　４１２．９２９　９　３９０．７８９　３　７６．０７８　５　２００　９９．８５４　８　１６８．４５６　１　２４０．００８　３　２５０．１４６　２　１２８．７１３　９　１５．６１５　０　—２５０　１２０．２６２　９　１５７．６１４　８　１６８　４５６　１　１２０．７０４　３　４３．４４３　１　４．１６１　９　从图１、图２可以看出，高炉煤气泄漏３０　ｍｉｎ　后，从转炉煤气柜泄漏点到西南方向（设泄漏时风向　为东北风）１００　ｉｎ左右的范围为死亡区，最远扩散到　了煤气柜南边的道路上，死亡区的范围大约为２　５１０　ｉｎ２，严重区距泄漏点约１４１　ｍ，范围约为２　６８０　ｍ　；　较重区距泄漏点约３４０　ｉｎ，范围约为５　４５０　ｉｎ　；中度　区距泄漏点约１８０　ｉｎ，范围约为４　２７０　ｉｎ　；轻伤区距　泄漏点约３４０　ｉｎ，范围约为１２　３００　ｉｎ　；有影响区距泄　漏点约６７０　ｍ，范围约为８７　１００　ｉｎ　。　转炉煤气泄漏３０　ｍｉｎ后，从转炉煤气柜泄漏点　到西南方向１３０　ｉｎ左右的范围为死亡区，最远扩散　到了精制煤气加压机房附近，死亡区的范围大约为　４　１　１０　ｉｎ　。严重区距泄漏点约２５０　ｉｎ，扩散到了燃气　车间的高炉加压机房，范围约为４　２３０　ｉｎ　；较重区距　泄漏点约３０８　ｉｎ，范围约为８　６２０　ｉｎ２。　从以上数据及图形可以看出，转炉煤气因含ＣＯ　量高，即使在同样泄漏３０　ｍｉｎ的情况下，所影响到　的区域比高炉煤气的要大。因此转炉煤气比高炉煤　气更加危险，对于转炉煤气柜的管理和日常操作也　应更加谨慎。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　王宇新，等：干式煤气柜泄漏及中毒事故预测后果分析　３５　－５０　１００　１５０　－－—２ｏｏ　２５０　Ｅ　－一３ｏｏ　－３５０　４００　－－４５０　距离／ｍ　图１　１５万高炉煤气柜管道泄漏事故的ＣＯ地面等浓度图与地形配合图　ｙ　一　Ｅ　＼　重　距离／ｍ　图２　５万高炉煤气柜管道泄漏事故的ＣＯ地面等浓度图与地形配合图　３重大危险源分级　监督总局２００７年发布的《重大危险源　３．三级重大危险源：可能造成死亡３～９人的重　大危险源。　４．四级重大危险源：可能造成死亡１～２人的重　分级标准（征求意见稿）》，重大危险源分级具体判别　的依据如下：　１．一级重大危险源：可能造成死亡３０人（含３０　人）以上的重大危险源。　２．二级重大危险源：可能造成死亡１０～２９人的　重大危险源。　大危险源。　根据上文所分析的后果显示，在高炉煤气泄漏　３０　ｒａｉｎ后，距高炉煤气柜泄漏点下风方向１００　ｍ之　内的范围为可能引起死亡的区域。上文中划出的扩　散范围是当泄漏时刮东北风的情况。根据煤气柜实　际所处的地理环境，当刮东南风时，燃气车间办公楼　维普资讯 http://www.cqvip.com ３６　湖南有色金属　第２４卷　（常在人员约２０～２５人，以下所示均为常在人员，不　影响到的人数，与煤气柜区曾经发生过的最大一起　包括聚会、开会等人员集中情况）在死亡区内，当刮　中毒事故非常相似，以事实证明了本方法的可行性。　西北风时，煤气救护队的办公楼（１５～２５人）大部分　根据ＣＯ的特性，对于煤气柜这种重大危险源的管　在死亡区内。当刮北风时，南边的厂内道路上的人　理和控制可以得出以下经验：　会受到一定影响（可能为１～２人）。　１．气柜区各个方向应装设室外自动一氧化碳报　综上所述，高炉煤气柜泄漏所影响到的最多死　警仪，便于工作期间及时发现煤气泄漏情况。　亡人数为２０～２５人，根据重大危险源的分级方法，　２．气柜区应设立醒目的风向标，气压计，可以指　应属于二级重大危险源。　导气柜区内外下风向人员加强自我防范意识。当大　转炉煤气泄漏３０　ｍｉｎ后，距转炉煤气柜泄漏点　气压低，雨雪天气时，不能随意进行煤气放散。一般　下风方向１３０　ｍ左右的范围为死亡区。上文中计算　天气煤气放散时特别要提醒下风向人群注意防护。　所显示的范围是风向为东北风时的影响区域，当刮　３．因为ＣＯ与空气的平均分子量差不多，如新　其它风向时，所影响的区域各不相同。如刮北风时，　建煤气柜，选址位于高处有利于ＣＯ扩散。　燃气车间办公楼处于死亡区内，刮东风时，生产调度　４．煤气柜区要注意定期防腐，防止钢材腐蚀造　室一角处于死亡区内，办公楼内日常约有２０～３０人，　成泄漏　受影响的人数约为１０～２０人，刮西风时，四轧钢有一　部分厂房在死亡区内，影响人数约为１５～２５人。　参考文献：　综上所述，转炉煤气柜泄漏所影响到的最多死　［１］生产监督管理局．安全评价［Ｍ］．北京：煤炭工业出　亡人数为２０～２５人，根据重大危险源的分级方法，　版社，２００４．　应属于二级重大危险源。　［２］蒋展鹏．环境工程学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００４．　［３］刘诗飞，詹予忠．重大危险源辨识及危害后果分析［Ｍ］．北京：　因为煤气柜区内的２座气柜都在５００　ｍ范围之　化学工业出版社，２００４．　内，应属于一个重大危险源区域，因此整个煤气柜区　［４］潘旭海．重（特）大泄漏事故统计分析及事故模式研究［Ｊ］．化　属于二级重大危险源。　学工业与工程，２００２，（３）：２４８—２５２．　［５］王意冈．关于高斯模式计算范围的讨论［Ｊ］．环境工程，１９９０，　４结论　（４）：４４—４７．　［６］张亚平，牛建军，张淑琼．有毒物质泄漏扩散危害后果分析系　从以上分析及煤气扩散后果预测可以看出，高　统软件的研制［Ｊ］．海峡预防医学杂志，２００７，７：３—５．　炉及转炉气柜中的煤气因一氧化碳含量高，一旦发　［７］　潘旭海，蒋军成．重气云团在大气环境中的扩散［Ｊ］，化学工　生泄漏，容易造成中毒伤亡事故。文中所采用的煤　程，２００３，１：３５—３９．　气泄漏及ＣＯ扩散数学模型方法所预测到的范围和　收稿日期：２００８—０４—１０　Ｄｒｙ　Ｇａｓ　Ｔａｎｋ　Ｌｅａｋａｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｆｏｒｅｃａｓｔ　Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｐｏｉｓｏｎｉｎｇ　Ａｃｃｉｄｅｎｔ　ＷＡＮＧ　Ｙｕ—ｘｉｎ，ＨＵＡＮＧ　Ｂｉｎ　（Ｈｕｎａｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ　Ｍｅｔａｌｓ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００１５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇａｓ　ｔａｎｋ　ｌｅａｋ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ｓｃｏｐｅ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｕｓｅｄ　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｔｏ　ｅｓｔｉｍａｔｅ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｌｉｆｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＯ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｃｏｐｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｐｏｉｓｏｎｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｕｌｄ　ｈｅｌｐ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇａｓ　ｔａｎｋ　ｒｅｇｉｏｎ　ａｃｃｉｄｅｎｔ　ａｎｄ　ｈａｖｅ　ａ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｔｏ　ｔｈｉｓ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｍａｊｏｒ　ｈａｚａｒｄ’ｓ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇａｓ　ｔａｎｋ；ｌｅａｋ；ｐｏｉｓｏｎｉｎｇ；ｍａｊｏｒ　ｈａｚａｒｄｓ