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        液氨泄漏事故的污染擴(kuò)散模擬研究

        2014-09-05 05:49:28劉新星劉忠熳
        黑龍江水利科技 2014年12期
        關(guān)鍵詞:液氨氨氣儲(chǔ)罐

        劉新星,劉忠熳

        (黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,哈爾濱 150080)

        液氨泄漏事故的污染擴(kuò)散模擬研究

        劉新星,劉忠熳

        (黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,哈爾濱 150080)

        氨氣通常采用常溫高壓或低溫加壓的方式液化儲(chǔ)存,而液氨具有特殊毒性和影響,為了了解液氨泄漏擴(kuò)散時(shí)的范圍和影響。文章通過某案例的背景資料利用高斯煙雨模型對(duì)液氨連續(xù)泄漏源進(jìn)行建模,利用MATLAB數(shù)學(xué)軟件對(duì)模型進(jìn)行模擬,定量分析液氨泄漏擴(kuò)散全過程。經(jīng)計(jì)算可得,對(duì)于假定發(fā)生的泄漏事故,重傷半徑為53 m,刺激半徑為200 m,以車間最高允許濃度(MAC)為毒性終點(diǎn),該液氨泄漏事故的影響距離為278 m,這對(duì)液氨的泄漏及擴(kuò)散制定及時(shí)有效的防災(zāi)對(duì)策,減少人員傷亡和降低環(huán)境污染的危害具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        液氨;泄漏擴(kuò)散;高斯煙羽模型;MATLAB

        0 引 言

        氨是一種重要的化工原料,為運(yùn)輸及儲(chǔ)存便利,通常將常溫常壓條件下呈氣體狀態(tài)的氨通過加壓或冷卻變成液體狀態(tài)的氨(即液氨)。液氨在工業(yè)上應(yīng)用廣泛,可起殺菌和降溫制冷作用。

        由于液氨易燃,有毒,且具有刺激性,與空氣混合能形成爆炸性混合物,遇明火、高熱能引起燃燒爆炸,與氟、氯等接觸會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng),若遇高熱,容器內(nèi)壓增大,有開裂和爆炸的危險(xiǎn),所以其化學(xué)事故的發(fā)生率較高[1]。

        因此從理論上研究液氨泄漏擴(kuò)散機(jī)理,預(yù)測其擴(kuò)散范圍,在工業(yè)企業(yè)選址、總平面布置和事故應(yīng)急救援工作中具有重要意義。

        有毒有害氣體發(fā)生泄漏擴(kuò)散以至造成危害一般分為2個(gè)步驟:

        1)第一步是泄漏過程。

        2)第二步為擴(kuò)散過程,下面分別討論。

        1 液氨泄漏擴(kuò)散過程分析

        液氨泄漏擴(kuò)散過程從2個(gè)方面進(jìn)行分析:

        如何實(shí)現(xiàn)人體組織的修復(fù)或者再生一直以來都是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的熱門研究方向,口腔醫(yī)學(xué)界也毫無例外。近年來,關(guān)于口腔組織的修復(fù)或再生無論在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以及臨床運(yùn)用上都取得了令人驚喜的成果。1998年富血小板血漿(platelet-rich plasma,PRP)第一次從人的血液中被成功提取,由于PRP制備過程復(fù)雜,需要添加外來生物制劑,存在倫理學(xué)和免疫排斥,PRP的使用受到了限制[1]。

        1.1 液化氣體泄漏機(jī)理

        液氨泄漏的方式有多種,主要是瞬時(shí)泄漏和連續(xù)泄漏。儲(chǔ)罐的破裂、瞬時(shí)間沖料導(dǎo)致的事故泄漏,壓力容器的安全閥非正常情況下啟動(dòng),放空閥門瞬間地錯(cuò)誤開啟等都會(huì)造成液氨的瞬時(shí)泄漏,此類泄漏的特點(diǎn)是泄漏量大,泄漏時(shí)間短。

        液化氣體連續(xù)泄漏是指液化氣體連續(xù)不間斷的向外泄漏。這種類型的特點(diǎn)是泄漏時(shí)間較長,泄漏量較小的特點(diǎn)[2]。

        氣體或蒸汽經(jīng)小孔泄漏,因壓力降低而膨脹,該過程可視為絕熱過程。假設(shè)氣體符合理想氣體狀態(tài)方程,則根據(jù)柏努利方程可推導(dǎo)出如下的氣體泄漏公式:

        (1)

        式中:Q為泄漏質(zhì)量流量,kg/s;Cdg為泄漏系數(shù),裂口為圓形時(shí)取1.00,三角形時(shí)取0.95,長方形時(shí)取0.90;A為泄漏口面積,m2;P為容器內(nèi)氣體壓力,Pa;k為絕熱指數(shù)(等壓比熱容與等容比熱容的比值);M為氣體的分子量,kg/mL;R為氣體常數(shù),一般取8.314J/(mol·K);T為氣體絕對(duì)溫度,K。

        幾種常見的罐裝氣體具體的絕熱指數(shù)和臨界壓力見表1[3]。

        表1 常見氣體的絕熱指數(shù)和臨界壓力

        1.2 擴(kuò)散模型的建立

        因?yàn)榘睔獾拿芏刃∮诳諝獾拿芏?,屬于非重氣擴(kuò)散,因此采用高斯煙羽擴(kuò)散模型來計(jì)算其泄漏后的濃度。由于本文中所選取企業(yè)的液氨儲(chǔ)罐放置在地面上,因此儲(chǔ)罐泄漏為地面點(diǎn)源,預(yù)測高度為人群呼吸帶大氣層,Z=1.4 m,其(Z2/2δZ2)之值相對(duì)很小,可以忽略,故地面點(diǎn)源的擴(kuò)散模式為[4]:

        (2)

        2 案例分析

        2.1 實(shí)例情況概述

        研究案例為某化工企業(yè)內(nèi),一個(gè)液氨儲(chǔ)罐發(fā)生連續(xù)性泄漏,泄漏口近似為半徑為20 mm的圓形,泄漏源的基本參數(shù)如下表,該企業(yè)所屬城市位于北緯39度,東經(jīng)117°的某市,屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫12.6 ℃,全年風(fēng)向以西、北向居多,春季多風(fēng)少雨,夏季高溫多雨,秋季冷暖適宜,冬季雨雪稀少。假設(shè)發(fā)生液氨儲(chǔ)罐泄漏時(shí)間為3月18日下午4時(shí),天氣睛,有少許云,觀測時(shí)間選擇下午四時(shí),風(fēng)速為2.225 m/s。

        表2 泄漏源的基本參數(shù)

        2.2 泄漏量的計(jì)算

        液氨儲(chǔ)罐泄漏事故的泄漏口近似為半徑為20 mm的圓形,因此泄露的面積即為0.00126 m2。液氨儲(chǔ)罐的內(nèi)裝壓力為1.8 MPa,泄漏時(shí)的溫度為年平均氣溫16 ℃,將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2),經(jīng)計(jì)算液氨的泄漏量:

        (3)

        2.3 擴(kuò)散系數(shù)的估算

        太陽高度角θh、的計(jì)算具體如下所示:

        θh=arcsin[sinφsinδ+cosφcosδcos
        (15t+λ-300)]=arcsin[sin39sin(-2)+cos
        39cos(-2)cos(15×15+117-300)]=33.73

        (4)

        通過查閱該地區(qū)的氣象資料可知,3月中旬下午3時(shí)天空云量大約為5/4,結(jié)合求得的太陽高度角,根據(jù)太陽輻射等級(jí)表,便可確定太陽輻射等級(jí)為+1。然后再根據(jù)假設(shè)的地面風(fēng)速為2.225 m/s,由大氣穩(wěn)定度等級(jí)表可知,大氣穩(wěn)定度為C。

        表3 大氣穩(wěn)定度等級(jí)

        2.4 液氨擴(kuò)散范圍預(yù)測

        將σy、σz的表達(dá)式,人群呼吸帶大氣層高度的風(fēng)速、不同時(shí)間的泄漏量代入公式(4),利用MAILAB數(shù)學(xué)軟件對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算,得到氨氣擴(kuò)散的等濃度曲線圖,簡明直觀地反映了氨氣擴(kuò)散的傷害縱深和傷害范圍,如圖1所示。

        根據(jù)模擬結(jié)果得到下風(fēng)向距泄漏點(diǎn)分別為25 m、50 m、75 m、100 m、125 m、150 m、175 m、200 m、250 m、300 m、350 m、400 m及450 m距離時(shí)氨氣的濃度,以及氨氣濃度分別為350 mg/m3和30 mg/m3時(shí)與泄漏點(diǎn)之間的距離,如表4所示。

        圖1 氨氣擴(kuò)散等濃度曲線圖(0~450m)

        表4 氨氣濃度和與泄漏點(diǎn)之間距離的關(guān)系

        為了更直觀的觀察氨氣濃度隨與泄露點(diǎn)之間距離變化的規(guī)律,將表4中的數(shù)據(jù)以圖形的形式表示出來,具體見圖2。

        圖2 氨氣濃度與泄露點(diǎn)之間距離(0~450m)的變化示意圖

        2.5 結(jié)果分析與討論

        從圖1可以看出氨擴(kuò)散在地面形成的等濃度線表現(xiàn)為蒲扇型,下風(fēng)側(cè)離原點(diǎn)遠(yuǎn)的地方Y(jié)軸上寬度越大,表明X軸方向受風(fēng)力影響擴(kuò)散速度大于Y軸方面氨氣本身在空氣中的傳遞速度,風(fēng)有利氨的擴(kuò)散。

        由圖1、2可知,氨氣濃度隨著與泄露點(diǎn)距離的不斷增加而降低,但在與泄露點(diǎn)相距較近的地點(diǎn)濃度的變化明顯,隨著與泄露點(diǎn)距離的增大,因氨氣濃度也較小,氨氣濃度的變化也隨著變得很小。

        根據(jù)表4的相關(guān)數(shù)據(jù)可知,在距泄漏點(diǎn)為278 m的范圍內(nèi),氨氣的濃度>30 mg/m3,即超過車間最高允許濃度(MAC),若工作人員在此范圍內(nèi)長期工作,會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重傷害。在距泄漏點(diǎn)為200 m的范圍內(nèi),氨氣的濃度>50 mg/m3,處于該范圍內(nèi)會(huì)有明顯的刺激性氣味,對(duì)呼吸器官造成危害,故此液氨泄漏事故所造成的刺激半徑為200 m;若處于距泄漏點(diǎn)為53 m的范圍內(nèi),氨氣的濃度>350 mg/m3,作業(yè)人員在該環(huán)境中30~60 min如果不采取防護(hù)措施,人體健康極有可能受到嚴(yán)重傷害,故該事故的重傷半徑為53 m。

        綜上所述,液氨泄漏事故對(duì)其周圍的作業(yè)人員以及居民的人身安全造成了極大地威脅,對(duì)周圍環(huán)境的影響也是極大的,企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控和制定相應(yīng)的事故應(yīng)急處理措施,控制液氨泄漏擴(kuò)散事故的發(fā)生發(fā)展,以減少人員傷害和對(duì)廠區(qū)周圍環(huán)境的危害。

        3 結(jié) 論

        有毒有害氣體的泄露對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量有直接的影響,同時(shí)也直接影響了周圍居民的身體健康及生活。但由于高成本和相關(guān)實(shí)驗(yàn)的難度,對(duì)污染物濃度進(jìn)行準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)分時(shí)空監(jiān)測不是十分可行,因此大氣污染物擴(kuò)散模式被廣泛地用來模擬預(yù)測有毒有害氣體的擴(kuò)散分布以及危害區(qū)域。

        本文基于高斯煙羽模型對(duì)液氨連續(xù)性泄漏擴(kuò)散進(jìn)行建模,利用MATLAB數(shù)學(xué)軟件對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算液氨的泄漏擴(kuò)散趨勢。該研究具有一定的實(shí)用性,其計(jì)算結(jié)果可為事故現(xiàn)場救援人員在確定事故中毒危險(xiǎn)區(qū)域以及作業(yè)人員疏散范圍時(shí)提供一定的參考依據(jù)。

        [1]平措,尤學(xué)一.大氣污染擴(kuò)散長期模型的應(yīng)用研究[D].天津:天津大學(xué),2006.

        [2]羅艾民,師立晨,多英全,等.液氨泄漏事故模式比較研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2007(03):21-24.

        [3]張建平.液氯泄漏事件的環(huán)境安全防護(hù)距離與監(jiān)測布點(diǎn)方法[J].中國環(huán)境監(jiān)測,2008,24(01):5-6.

        [4]谷清,李云生.大氣環(huán)境模式計(jì)算方法[M].北京:氣象出版社,2002:39-42.

        [5]遲妍妍,張惠遠(yuǎn).大氣污染物擴(kuò)散模式的應(yīng)用研究綜述[J].環(huán)境污染與治,2007,29(05):376-381.

        1007-7596(2014)12-0034-03

        2014-06-09

        劉新星(1986-),女,黑龍江安達(dá)人,助理工程師;劉忠熳(1973-),女,黑龍江樺南人,高級(jí)工程師。

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