梁清荃

【摘 要】廣西防城港電廠脫硝工程采用選擇性催化還原脫硝工藝（SCR），設(shè)置2臺1103的液氨儲罐，文章采用爆炸、中毒模型，對液氨儲罐發(fā)生爆炸事故和泄漏引發(fā)中毒傷害后果進(jìn)行模擬計(jì)算，估算影響范圍，為企業(yè)采取相應(yīng)的安全措施和應(yīng)急預(yù)案的建立提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】脫硝工程；液氨；爆炸；泄漏；中毒；影響范圍；防城港電廠

0.引言

廣西防城港電廠位于防城港市港口區(qū)企沙鎮(zhèn)西面約8km暗埠江口東岸赤沙村西南側(cè)淺海灘涂，地處企沙臨海工業(yè)區(qū)企沙片區(qū)，與防城港市區(qū)隔海相望，工程規(guī)劃容量2520MW，并留有擴(kuò)建余地。工程2×600MW超臨界燃煤機(jī)組于2005年5月29日開工建設(shè)，兩臺機(jī)組分別于2007年9月、2008年1月投產(chǎn)發(fā)電。根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）要求，對防城港電廠進(jìn)行脫硝技術(shù)改造。脫硝工程采用選擇性催化還原脫硝工藝（SCR），設(shè)置2臺1103的液氨儲罐，根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品名錄》（國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局公告2003年第1號）的分類，液氨屬于第2.3類液化有毒氣體且易燃，一旦發(fā)生儲罐爆炸、泄漏事故，將危及企業(yè)內(nèi)部職工以及周邊居民生命安全，下面采用爆炸、中毒模型，對液氨儲罐發(fā)生爆炸事故和液氨儲罐泄漏引發(fā)中毒傷害后果進(jìn)行模擬分析、預(yù)測。

1.脫硝工藝概述

防城港電廠煙氣脫硝系統(tǒng)主要包括脫硝裝置、鍋爐預(yù)熱器改造及相關(guān)的電氣、熱工控制等，采用液氨作為脫硝還原劑，采取選擇性催化還原（SCR）法來達(dá)到去除煙氣中NOX的目的。脫硝裝置入口NOx濃度≤400mg/Nm3，脫硝效率80%，實(shí)施脫硝技改后，氮氧化物排放濃度小于100mg/Nm3，滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）。SCR反應(yīng)器采用高含塵布置（即反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器與空預(yù)器之間），本體內(nèi)裝有蜂窩狀催化劑。

煙氣在鍋爐省煤器出口處被平均分為兩路，每路煙氣并行進(jìn)入一個(gè)垂直布置的SCR反應(yīng)器里，即每臺鍋爐配有2個(gè)反應(yīng)器，煙氣經(jīng)過均流器后進(jìn)入催化劑層，然后進(jìn)入空氣預(yù)熱器、電除塵器、吸風(fēng)機(jī)和脫硫裝置后，排入煙囪。在進(jìn)入煙氣催化劑前設(shè)有氨注入的系統(tǒng)，煙氣與氨氣充分混合后進(jìn)入催化劑發(fā)生反應(yīng)，脫去NOx。

SCR脫硝工藝主要的化學(xué)方程式如下：

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O

2.液氨儲罐爆炸事故后果模擬分析與預(yù)測

液氨的危險(xiǎn)特性為易燃，有毒，具有刺激性，對環(huán)境有嚴(yán)重危害。與空氣混合能形成爆炸性混合物。遇明火、高熱可能引起燃燒爆炸。引燃溫度（℃）：651；爆炸下限%（V/V）：15.7；爆炸上限%（V/V）：27.4；最大爆炸壓力（MPa）：0.580。

2.1 計(jì)算

脫硝工程設(shè)置有2臺1103的液氨儲罐，從事故概率分析，2臺儲罐同時(shí)發(fā)生爆炸的可能性較小，因此，以下僅就其中1臺1103液氨儲罐發(fā)生爆炸造成的損害進(jìn)行計(jì)算。

2.1.1爆炸能量

液氨儲罐中飽和液氨占有容器介質(zhì)質(zhì)量的絕大部分，它的爆破能量比飽和氣體大得多，一般計(jì)算時(shí)考慮氣體膨脹做的功。爆破能量可按下式計(jì)算：

E=[（H1-H2）-（S1-S2）T1]W

式中 E——過熱狀態(tài)液體爆炸能量，kJ；

H1——爆炸前飽和液體的焓，kJ/kg。H1取639.01kJ/kg；

H2——在大氣壓力下飽和液體的焓，kJ/kg。H2取364.76kJ/kg；

S1——爆炸前飽和液體的熵，kJ/（kg·℃）。S1取2.4786kJ/kg·K；

S2——在大氣壓力下飽和液體的熵，kJ/（kg·℃）。S2取1.4775kJ/kg·K；

T1——介質(zhì)在大氣壓力下的沸點(diǎn)，kJ/（kg·℃）。T1=273.15-33.5=239.65K；

W——飽和液體的質(zhì)量，kg。W=ρV=680×110×0.85=63580kg

則：E=[（639.01-364.76）-（2.4786-1.4775）*239.65]*63580=2183337.2kJ

即：單臺110m3液氨儲罐發(fā)生爆炸的爆破總能量為2183337.2kJ；

2.1.2將爆破能量E換算成TNT當(dāng)量q

q=E/qTNT

式中 q——TNT當(dāng)量；

qTNT——lkg TNT爆炸所放出的爆破能量為4230～483610/kg，一般取平均爆破能量為4500kJ/kg。

則：q=E/qTNT=E/4500=2183337.2/4500=485.19kg

即：單臺110m3液氨儲罐發(fā)生爆炸的TNT當(dāng)量為485.19kg；

2.1.3求出爆炸的模擬比α

α=0.1q1/3=0.1*485.191/3=0.792.

1.4計(jì)算沖擊波的超壓及相應(yīng)的傷害、破壞半徑

壓力容器爆炸時(shí)，爆破能量在向外釋放時(shí)以沖擊波能量、碎片能量和容器殘余變形能量3種形式表現(xiàn)出來。后兩者所消耗的能量只占總爆破能量的3%～15%，也就是說大部分能量是產(chǎn)生空氣沖擊波。多數(shù)情況下，沖擊波的傷害、破壞作用是由超壓引起的，只要沖擊波超壓達(dá)到一定值，便會對目標(biāo)造成一定的傷害或破壞。沖擊波超壓對人體的傷害和對建筑物的破壞作用見表1、表2。

由爆炸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，不同數(shù)量的同類炸藥發(fā)生爆炸時(shí)，如果R與Ro之比與q與qo之比的三次方相等，則產(chǎn)生的沖擊波超壓相同，用公式表示如下：

根據(jù)表3提供的1000kg TNT炸藥在空氣中爆炸時(shí)相當(dāng)距離R0和對應(yīng)所產(chǎn)生的沖擊波超壓△P0，用插入法計(jì)算出1000kg TNT爆炸沖擊波超壓特征值△P0所對應(yīng)的距離R0，并通過R=R0×α計(jì)算出R，計(jì)算結(jié)果見表4。

2.2 計(jì)算分析

由計(jì)算結(jié)果（表5）可知，一旦110m3液氨儲罐發(fā)生爆炸，距爆炸中心18m范圍內(nèi)的大部分人員死亡，建筑物鋼筋混凝土破壞、房屋倒塌；距爆炸中心25.7m范圍內(nèi)的人員內(nèi)臟嚴(yán)重?fù)p傷或死亡，廠房房柱折斷，磚墻倒塌；距爆炸中心33.58m范圍內(nèi)的人員聽覺器官損傷或骨折，建筑物墻體出現(xiàn)大裂縫、屋瓦掉下；距爆炸中心44.24m范圍內(nèi)人員輕微損傷、墻體出現(xiàn)裂縫；距爆炸中心53.7m范圍內(nèi)建筑物窗框損壞。

3.液氨儲罐泄漏引發(fā)中毒事故后果模擬分析與預(yù)測

液氨儲罐泄漏后會生成有毒蒸氣云，它在空氣中漂移、擴(kuò)散，直接影響現(xiàn)場人員，并可能波及居民區(qū)。液氨在容器破裂時(shí)會發(fā)生蒸氣爆炸。爆炸后如不燃燒，便會造成大面積的毒害區(qū)域。根據(jù)中毒模型，對本工程液氨儲罐破裂造成的毒害區(qū)估算。

3.1 計(jì)算

設(shè)液氨氧化質(zhì)量為W（單位：kg），容器破裂前器內(nèi)介質(zhì)溫度為t（單位：℃），液體介質(zhì)比熱為C[單位：kJ/（kg·℃）]。當(dāng)容器破裂時(shí)，器內(nèi)壓力降至大氣壓，處于過熱狀態(tài)的液化氣溫度迅速降至標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)t0（單位：℃），此時(shí)全部液體放出的熱量為：

設(shè)這些熱量全部用于器內(nèi)液體的蒸發(fā)，如它的汽化熱為q（單位：kJ/kg），其蒸發(fā)量：

如介質(zhì)的分子量為M，則在沸點(diǎn)下蒸發(fā)蒸氣的體積Vg（單位：m3）為：

假設(shè)在靜風(fēng)條件下，氨氣初始云團(tuán)按半球狀在地面釋放，則可求出氨氣擴(kuò)散后濃度所對應(yīng)的半徑為：

將表中的濃度劃分為4個(gè)等級：（1）30mg/m3為STEL（短時(shí)間接觸容許濃度）；（2）140mg/m3為眼和呼吸道不適（輕度危害）；（3）700mg/m3為可以引起咳嗽、有強(qiáng)烈刺激作用（中度危害）；（4）1750mg/m3為可以引起立即死亡（重度危害）。

3.2 計(jì)算分析

經(jīng)過模擬計(jì)算可知，如果液氨儲罐發(fā)生泄漏，當(dāng)這些有毒氨氣以半球形向地面擴(kuò)散時(shí)，以泄漏點(diǎn)為中心擴(kuò)散半徑在162m的區(qū)域內(nèi)，人員立即死亡；以泄漏點(diǎn)為中心擴(kuò)散半徑在162～220m的區(qū)域內(nèi)，人立即咳嗽、有強(qiáng)烈刺激作用；以泄漏點(diǎn)為中心擴(kuò)散半徑在220～376m的區(qū)域內(nèi)，人眼和呼吸道不適；以泄漏點(diǎn)為中心擴(kuò)散半徑在628m的區(qū)域，為短時(shí)間接觸容許濃度。以上事故后果模擬為理想狀態(tài)下后果情況，儲罐受溫度、風(fēng)向、風(fēng)速等大氣環(huán)境影響會影響擴(kuò)散速度以及傷亡情況。

4.液氨儲罐爆炸、中毒事故后果模擬結(jié)果綜合分析

根據(jù)爆炸事故后果模擬分析和中毒事故后果模擬分析結(jié)果可知，在發(fā)生液氨儲罐爆炸時(shí)，距爆炸中心18m范圍內(nèi)的大部分人員死亡；在發(fā)生液氨儲罐泄漏時(shí)，距泄漏中心154m范圍內(nèi)的人立即死亡。

以上計(jì)算僅為l臺液氨儲罐發(fā)生爆炸、中毒事故的后果模擬分析，而忽略了1臺液氨儲罐發(fā)生爆炸時(shí)，其產(chǎn)生的爆破碎片和沖擊波超壓可導(dǎo)致其他儲罐的損壞而發(fā)生連鎖爆炸，從而造成事故后果的進(jìn)一步擴(kuò)大。

5.安全對策措施

為預(yù)防事故發(fā)生或減少事故發(fā)生后造成的損失，防城港電廠脫硝工程液氨儲罐區(qū)應(yīng)采取以下安全對策措施。

5.1安全技術(shù)對策措施

（1）液氨罐區(qū)罐體之間的防火距離、罐區(qū)與周邊建構(gòu)筑物的防火距離以及罐區(qū)與廠外周邊環(huán)境的距離應(yīng)滿足《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50160-2008）的要求。

（2）液氨儲罐區(qū)地坪宜低于周圍道路標(biāo)高。液氨儲罐區(qū)宜設(shè)環(huán)形消防道路，場地困難時(shí)，可設(shè)盡頭式道路，但應(yīng)設(shè)回轉(zhuǎn)場地，并符合《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50229-2006）的規(guī)定。

（3）液氨儲罐設(shè)置防止陽光直射的遮陽棚，遮陽棚的結(jié)構(gòu)應(yīng)避免形成可集聚氣體的死角。

（4）液氨儲罐區(qū)應(yīng)采用敞開式。液氨儲罐區(qū)建筑物的地面應(yīng)耐酸堿。在液氨儲罐區(qū)防爆區(qū)域內(nèi)，應(yīng)采用防爆設(shè)計(jì)，液氨儲罐區(qū)圍欄和裝飾材料應(yīng)滿足耐火極限要求。

（5）液氨儲罐區(qū)內(nèi)場地應(yīng)設(shè)水沖洗裝置，在低處設(shè)截水溝集中排至廢水坑。

（6）液氨儲罐區(qū)內(nèi)電氣柜小室電纜進(jìn)線溝應(yīng)進(jìn)行隔離處理，防止泄露的氨氣進(jìn)入電氣柜小室。

（7）液氨儲罐區(qū)應(yīng)安裝氨氣泄漏檢測報(bào)警裝置、防雷、防靜電裝置、相應(yīng)的消防設(shè)施、儲罐安全附件、急救設(shè)施設(shè)備和泄漏應(yīng)急處理設(shè)備等，并定期檢查，保持其有效狀態(tài)。

（8）在液氨儲罐區(qū)設(shè)置圍欄及危險(xiǎn)警示標(biāo)志，禁止無關(guān)人員進(jìn)入；設(shè)置風(fēng)向標(biāo)，供現(xiàn)場人員辨識，確保疏散安全。

（9）在液氨儲罐區(qū)、管道和氨氣可能泄漏區(qū)域（如輸送管道系統(tǒng)等）設(shè)置水噴霧系統(tǒng)，噴霧水泵應(yīng)具備雙路電源供電；同時(shí)應(yīng)考慮在液氨儲罐周圍設(shè)置圍堰，以防止吸收氨氣后的污水四處流溢。

（10）液氨儲存與供應(yīng)區(qū)域應(yīng)設(shè)置完善的消防系統(tǒng)、洗眼器及防毒面罩等。

5.2 安全管理對策措施

（1）本工程液氨儲罐已構(gòu)成三級危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源。應(yīng)按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行評估、備案、管理和監(jiān)控。

（2）將液氨儲罐納入電廠重大危險(xiǎn)源管理范疇，修訂并完善現(xiàn)有的重大危險(xiǎn)源安全管理制度、操作規(guī)程以及重大危險(xiǎn)源事故應(yīng)急預(yù)案等，按需增設(shè)必要的防護(hù)設(shè)施及應(yīng)急設(shè)施。

（3）為液氨儲罐配備必要的溫度、壓力、液位、流量、組份等信息的不間斷采集和監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)具備信息遠(yuǎn)傳、連續(xù)記錄、事故預(yù)警、信息存儲等功能以及緊急停車功能。

（4）定期對重大危險(xiǎn)源的安全設(shè)施和安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行檢測、檢驗(yàn)，并進(jìn)行經(jīng)常性維護(hù)、保養(yǎng)，保證安全設(shè)施和安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)有效、可靠運(yùn)行。維護(hù)、保養(yǎng)、檢測應(yīng)當(dāng)作好記錄，并由有關(guān)人員簽字。

（5）對重大危險(xiǎn)源的管理和操作崗位人員進(jìn)行安全操作技能培訓(xùn)。

（6）設(shè)置明顯的安全警示標(biāo)志，寫明緊急情況下的應(yīng)急處置辦法。

（7）電廠應(yīng)當(dāng)制定相應(yīng)的液氨儲罐爆炸、泄漏事故應(yīng)急預(yù)案演練計(jì)劃，每年至少組織一次綜合應(yīng)急預(yù)案演練或者專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案演練，每半年至少組織一次現(xiàn)場處置方案演練。應(yīng)急預(yù)案演練結(jié)束后，應(yīng)急預(yù)案演練組織單位應(yīng)當(dāng)對應(yīng)急預(yù)案演練效果進(jìn)行評估，撰寫應(yīng)急預(yù)案演練評估報(bào)告，分析存在的問題，并對應(yīng)急預(yù)案提出修訂意見。

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