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.

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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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