王厚成，焦繼宗，曹輝輝，程世紅，程慧波

（1.蘭州大學 資源環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學 實驗室與設備管理處，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站，甘肅 蘭州 730000）

隨著我國高校及科研院所科研事業(yè)的快速發(fā)展，實驗室作為高校、科研院所和相關(guān)企業(yè)的重要創(chuàng)新基地，發(fā)揮著舉足輕重的作用[1-2]。實驗室安全是科研實驗工作的基礎，近年來，我國實驗室安全問題日漸突出，實驗室安全事故時有發(fā)生[3]，實驗室安全越來越得到國家相關(guān)部門的重視，也同時促使相關(guān)單位更加重視實驗室的安全問題[4-6]。關(guān)于實驗室安全管理和教育、實驗室化學品存放和使用、實驗室用電和用氣等管理機制逐漸成熟[7-10]。但實驗室內(nèi)工作環(huán)境則依然較差，室內(nèi)常有各種廢氣、廢液及固體廢棄物[11-12]，這些廢氣及廢物含有不同程度的有毒有害成分。雖然廢液和固體廢棄物已經(jīng)按規(guī)定須進行收集并進行專門處理[13-14]，但實驗室內(nèi)廢氣泄漏現(xiàn)象在實驗室運行過程中時有發(fā)生，廢氣產(chǎn)生過程復雜、產(chǎn)生種類繁多，并且產(chǎn)生時間較隨機，以上因素決定了廢氣的收集和處理比較困難。實驗室內(nèi)去除污染氣體的裝置主要為實驗室通風系統(tǒng)，但由于實驗室通風系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試等專業(yè)程度需求高，而設計及施工單位對通風系統(tǒng)的重視程度較低，導致實驗室內(nèi)通風系統(tǒng)尤其是高層建筑內(nèi)的實驗室通風系統(tǒng)并沒有發(fā)揮出有效的作用。雖然實驗室內(nèi)開啟了通風系統(tǒng)，但室內(nèi)仍然彌漫著不同濃度的污染氣體[15]。此外，實驗室內(nèi)氣體擴散出來對實驗室周圍的空間產(chǎn)生污染，或引起燃燒、爆炸。然而，包括實驗室人員在內(nèi)，人們對實驗室污染氣體的危害程度并沒有量化概念，因此也就沒有具體的防控措施。

針對以上問題，本研究對實驗室危險氣體泄漏、擴散進行數(shù)值模擬，期待得到量化的氣體擴散過程，制定樓層內(nèi)人員撤離方案。以實驗室內(nèi)泄漏危險氣體中危害較大的氨氣作為研究對象，獲得氨氣泄漏、擴散過程中及最終穩(wěn)定狀態(tài)下的含量分布，得出實驗室內(nèi)氨氣擴散規(guī)律，為實驗室內(nèi)氨氣泄漏后人員疏散、安全注意事項等工作提供理論參考，同時為實驗室通風系統(tǒng)設計及建立環(huán)境安全保障體系提供基礎數(shù)據(jù)，有利于采取有效措施避免實驗室安全事故發(fā)生。

1 研究方法

以我校某實驗辦公一體樓的某樓層為研究對象，通過數(shù)值模擬方法研究實驗室內(nèi)危險氣體泄漏、擴散對實驗室外部公共空間的危害情況。研究對象選擇氨氣，因為氨是實驗室常用的化學物質(zhì)，同時在實驗室中經(jīng)常因化學反應產(chǎn)生氨氣。

使用模擬軟件為ANSYS-FLUENT 17.0，應用數(shù)學模型為標準k-ε 模型。研究所用樓層俯視圖見圖1，模擬所用物理模型見圖2。

本模擬所用物理模型各部分相關(guān)參數(shù)見表1。

圖1 研究所用樓層俯視圖

圖2 模擬物理模型圖

表1 物理模型相關(guān)參數(shù)

實驗室內(nèi)污染氣體擴散過程研究所得到的參數(shù)見表2，不同擴散量下污染氣體擴散研究所得參數(shù)見表3，不同進風溫度下污染氣體擴散研究所得參數(shù)見表4。

表2 污染氣體擴散過程參數(shù)

表3 不同擴散量下污染氣體擴散參數(shù)

表4 不同進風溫度下污染氣體擴散參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 樓層內(nèi)危險氣體擴散過程中人員撤離時限及路線分析

實驗室氨氣以0.1 g/s 的質(zhì)量速率泄漏，模擬從0～1 000 s 時間段內(nèi)氨氣在本樓層中的擴散過程。從圖3—7 分析得出，氨氣散發(fā)后，先充滿實驗室空間和2 號位置處走廊空間。擴散10 s 后，氨氣主要分布在靠近實驗室一側(cè)大廳空間，即靠近散發(fā)源處含量較高[16]。40 s 后氨氣進入到全部走廊空間，但大廳有部分空間仍無氨氣擴散，130 s 后氨氣進入到全部空間，隨著氨氣的繼續(xù)擴散，空間氨氣含量持續(xù)升高，160 s時走廊 4 號位置處氨氣含量達到爆炸極限（16%～25%）[17]以上。160 s 后氨氣繼續(xù)向1 號位置處走廊擴散，最終全部走廊空間內(nèi)的氨氣含量達到爆炸極限以上。在1 000 s 后，空間中氨氣分布達到穩(wěn)定，大廳空間中央位置氨氣含量均在10%以下，低于爆炸極限，走廊中的氨氣含量均超過爆炸極限，如遇明火或高溫物體，將產(chǎn)生爆炸和燃燒事故。與圖8 中顯示流線對應分析，從實驗室擴散出來，氨氣沿著2 號位置處走廊進入到3 號位置走廊再進入大廳，在大廳中形成渦旋，最終從大廳頂部排出，可以得出氨氣流動是沿著墻壁進行的，然后再向中央空間擴散，此現(xiàn)象與侯晨雪[18]研究結(jié)論相似。在整個過程中，實驗室和2 號位置處走廊氨氣含量均保持較高水平，高于爆炸極限，其主要原因是氨氣從此區(qū)域擴散到其他空間的。而在大廳靠近實驗室一側(cè)的空間，在擴散初期氨氣含量較高，后期逐漸濃度降低，最終穩(wěn)定后大廳中央空間低于爆炸極限。在這個過程中，走廊中氨氣含量隨時間變化逐漸升高，直到160 s 后，離實驗室最遠的4 號位置處走廊氨氣含量達到爆炸極限。而1 號位置處走廊氨氣含量增長的較慢。

圖3 擴散10 s 后氨氣含量分布圖

圖4 擴散40 s 后氨氣含量分布圖

圖5 擴散130 s 后氨氣含量分布圖

圖6 擴散160 s 后氨氣含量分布圖

圖7 擴散1 000 s 后氨氣含量分布圖

圖8 氨氣擴散流線圖

從以上分析得出，在實驗室內(nèi)氨氣泄漏160 s 內(nèi)，人員必須全部撤離。由于氨氣的泄漏、擴散過程是沿著與泄漏實驗室門洞相通的走廊通道進行的，因此人員的撤離路徑應該遠離泄漏實驗室門洞相通的走廊通道。如果撤離人員較多，最佳方案為先進入到大廳空間，然后由大廳空間進入遠離泄漏實驗室一端的樓梯出口，最終撤離出本樓層。

2.2 不同季節(jié)溫度下人員撤離方案分析

圖9—11 中，隨著室外季節(jié)溫度不同，進風溫度設定為273 K、300 K 和313 K，穩(wěn)定擴散后的氨氣濃度分布規(guī)律基本相同。但對比分析得出，在1 號位置處走廊，進風溫度273 K 和313 K 時的氨氣含量明顯低于進風溫度為300 K 時。由于1 號位置是氨氣最后擴散區(qū)域，可以推斷在進風溫度為273 K 和313 K 時，氨氣向1 號位置擴散的量相對較少。而在實驗室內(nèi)，隨著進風溫度的升高，氨氣含量逐漸降低，說明進風溫度加速了實驗室內(nèi)氨氣向外的擴散速率。對比進風溫度300 K 和313 K，當進風溫度為273 K 時，氨氣主要聚集在泄漏實驗室附近空間。由于進風溫度相對環(huán)境溫度較低時，混合氣體密度相對較大，形成重氣擴散形式[19]，向空間的下方運動，導致擴散速率降低，因此，氨氣主要聚集在實驗室及距離實驗室較近的空間中。在進風溫度相對環(huán)境溫度更高時，混合氣體密度相對較小，氨氣有從下向上與空氣混合的趨勢[20]，氨氣的流動速率加快，部分氨氣沒有來得及擴散就從大廳頂部排出。在進風溫度為300 K 時，與環(huán)境溫度相等，氨氣和進風的混合氣體能夠快速擴散到最遠距離處，最后從大廳頂部排出。

綜上分析，在進氣溫度較低時，氨氣主要聚集在距離泄漏房間門洞相通的走廊通道內(nèi)，而進風溫度較高時，氨氣更容易擴散到其他空間，反而使得在距離泄漏房間較近的空間中氨氣濃度降低，樓層空間內(nèi)氨氣分布范圍更廣。因此，在冬季，人員撤離時避免進入泄漏房間門洞相通的走廊空間。在夏季和春秋季，氨氣泄漏后，全部走廊空間布滿氨氣，人員撤離需要沿著中央大廳空間或者沿著中央大廳靠近泄漏房間一側(cè)的走廊。

圖9 273 K 進氣溫度時氨氣含量分布圖

圖10 300 K 進氣溫度時氨氣含量分布圖

圖11 313 K 進氣溫度時氨氣含量分布圖

2.3 危險氣體擴散后消除危險的應急方案研究

對比分析圖12—15，在0.01 g/s 的氨氣散發(fā)速率下，最終氨氣聚集在實驗室門洞相通走廊通道和部分大廳空間，氨氣含量處于爆炸極限以上，爆炸危險較高，其他空間含量較低。這主要是因為氨氣散發(fā)的質(zhì)量含量有限，沒有能力擴散到更遠的距離。在氨氣散發(fā)速率達到0.05 g/s 時，氨氣擴散到本層樓所有空間，實驗室內(nèi)含量最高，走廊2 號位置處和3 號位置處的走廊氨氣含量次之，均大于爆炸極限。4 號位置和1號位置處走廊中氨氣含量較低，但也處在爆炸極限范圍內(nèi)。大廳中央處的含量最低，低于爆炸極限。隨著氨氣的持續(xù)擴散，本層樓各個位置處的氨氣含量均有所升高，在濃度大于0.1 g/s 時，走廊1、4 號位置處氨氣濃度也均遠超爆炸極限。最終本層樓空間中氨氣含量關(guān)系為實驗室>走廊（2、3 號位置）>走廊（1、4號位置）>大廳。

綜上分析可得，在氨氣泄漏1 000 s 后，雖然本樓層空間均有向外擴散的出口，但隨著實驗室內(nèi)氨氣泄漏速率的變化，最終，均有部分空間或地點達到氨氣爆炸極限。因此，對應以上結(jié)果分析，在氨氣泄漏速率為0.01 g/s 時，除在實驗室內(nèi)設置機械通風以外，應在泄漏實驗室門洞相通的走廊通道設置機械通風裝置，用于降低公共空間空氣中氨氣濃度。當氨氣泄漏速率達到0.05 g/s 時，除在實驗室內(nèi)設置機械通風設置外，還應開啟走廊2 號位置處和3 號位置處的機械通風設置。在氨氣泄漏濃度大于0.1 g/s 時，需要設置全面通風設置，全面降低整個樓層的氨氣濃度。

圖12 0.01 g/s 散發(fā)量的氨氣含量分布圖

圖13 0.05 g/s 散發(fā)量的氨氣含量分布圖

圖14 0.1 g/s 散發(fā)量的氨氣含量分布圖

圖15 1 g/s 散發(fā)量的氨氣含量分布圖

3 結(jié)語

（1）發(fā)生氨氣泄漏后，氨氣泄漏速率為0.1 g/s時，在沒有啟動機械通風系統(tǒng)的情況下，本樓層內(nèi)人員必須在160 s 內(nèi)全部撤離，撤離過程中人員應從遠離泄漏實驗室一側(cè)的樓梯口撤離，處于擴散區(qū)域的人員可以從中央大廳空間或在中央大廳與泄漏實驗室同一側(cè)的走廊撤離。

（2）在室內(nèi)環(huán)境溫度保持300 K 及室外進風溫度較低時，氨氣擴散后主要聚集在距離泄漏房間較近的走廊，而進風溫度更高時，氨氣更容易擴散到其他空間。因此，在冬季，撤離人員盡量避免進入到距離泄漏房間較近的走廊空間。在夏、春、秋季，氨氣泄漏后，全部走廊空間將布滿氨氣，人員撤離可以進入中央大廳或者沿著中央大廳泄漏實驗室一側(cè)的走廊。

（3）樓層氨氣泄漏、擴散穩(wěn)定后，泄漏速率0.01 g/s 以上時，空間中氨氣均能達到爆炸極限。為避免發(fā)生安全事故，須在本樓層加設機械通風系統(tǒng)。因此，在氨氣泄漏速率較低時，除在實驗室內(nèi)設置機械通風以外，還需在泄漏實驗室附近的設置機械通風裝置。當氨氣泄漏濃度達到0.05 g/s 時，除在實驗室內(nèi)設置機械通風設置外，還需開啟走廊2 號位置處和3 號位置處的機械通風設置。在氨氣泄漏濃度大于0.1 g/s 時，需要設置全面通風設置，全面降低整個樓層的氨氣濃度。