閆潔潔，向曉東，霍艷霞

（1. 武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2. 南京南化建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210044）

典型液氯泄漏危害的ALOHA軟件估算

閆潔潔1，向曉東1，霍艷霞2

（1. 武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2. 南京南化建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210044）

以瞬時泄漏和連續(xù)泄漏兩種典型液氯泄漏事故為例，分別運用ALOHA軟件和公式計算兩種方法對液氯泄漏危害進行量化評估。估算結(jié)果表明：ALOHA軟件對泄漏毒物的危害區(qū)域和敏感點毒物濃度的預(yù)測結(jié)果均具有良好的精度；軟件模擬與公式計算的結(jié)果對于液氯瞬時泄漏的相對誤差僅為7%，對于連續(xù)泄漏的相對誤差為8%，二者均在可接受范圍內(nèi)。ALOHA軟件計算過程簡單、表達形象直觀，在泄漏事故應(yīng)急中具實用性。

ALOHA軟件模擬；液氯泄漏；危害區(qū)域分布

氯氣是化工生產(chǎn)的重要原料，可廣泛用于鹽酸、農(nóng)藥、炸藥、塑料、橡膠、造紙、染料等生產(chǎn)工藝過程［1］。但氯氣是高毒性氣體，在使用、儲存過程中易發(fā)生泄漏，如處理不及時，將導(dǎo)致人員中毒甚至死亡。2000年至2004年國家安監(jiān)局發(fā)布的69起液氯泄漏事件報道中，急性中毒事故55起，占79.7%，中毒人數(shù)高達3 073人［2］。為了預(yù)防液氯泄漏危害，開展液氯泄漏風(fēng)險的量化評估是必要的。

泄漏危害的量化分析方法有2種：公式計算和軟件模擬。軟件模擬具有快捷、方便、濃度場分布表達直觀等優(yōu)點，正得到越來越多的應(yīng)用［3］。實際上，軟件模擬結(jié)果是否可信一直是人們普遍關(guān)心的問題。

本工作以典型液氯泄漏事故為例，通過對ALOHA軟件模擬和公式估算結(jié)果的比較分析，檢驗軟件模擬的可行性，以期為液氯泄漏事故的應(yīng)急處理提供依據(jù)。

1 泄漏危害的量化分析方法

1.1 公式計算法

1.1.1 瞬時泄漏估算模型

瞬時液氯泄漏危害區(qū)域采用世界銀行提供的地面點源瞬時排放模型進行估算［4］，見式（1）。

式中：t為污染物的泄漏時間，s；x為下風(fēng)向距離，m；y為橫風(fēng)向距離，m；z為離地面的距離，m；ρ（x，y，z，t）為給定地點（x，y，z）和時間t的污染物質(zhì)量濃度，mg/m3；m為瞬時排放的物料質(zhì)量，mg；u為平均風(fēng)速，m/s；π為圓周率，3.14；δx，δy，δz分別為x，y，z軸方向的擴散參數(shù)。

當(dāng)鋼瓶破裂時，瓶內(nèi)壓力降至大氣壓，處于過熱狀態(tài)的液氯的溫度迅速降至沸點并放出熱量，設(shè)物料泄漏時放出的熱量全部用于液體的蒸發(fā)，可得式（2）［4］。

式中：m0為容器中液氯充裝量即液氯泄露量，kg；T為泄漏時的環(huán)境溫度，K；T0為液氯的沸點，238.55 K；q為液氯的汽化熱，289 kJ/kg；c為液氯的比熱容，0.96 kJ/（kg·K）。

若只考察擴散可能到達的軸方向最遠點，即令y=z=0，且忽略在平均風(fēng)速下氯氣的自由擴散，此時污染物的泄漏時間t=x/u，則式（1）可簡化為：

1.1.2 連續(xù)泄漏估算模型

由于液氯的沸點為238.55 K，且連續(xù)泄漏的泄漏量小，在環(huán)境溫度下可視為液氯泄漏后將瞬間氣化，其泄漏量可按照氣體的泄漏量計算［5］，計算式為：

式中：Qc為泄漏源強，kg/s；K為絕熱系數(shù)，1.330；Cd為氣體泄漏系數(shù)，1.00；A為裂口面積，m2；M為液氯的摩爾質(zhì)量，70.09 g/mol；R為氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；Tc為氣體溫度，K；Y為流出系數(shù)，1.0；p為容器內(nèi)介質(zhì)壓強，Pa。

由于液氯泄漏屬地面源，其排放高度（H，m）可視為0。取泄漏點為原點，與風(fēng)向平行方向為軸線，有界高斯擴散模型為［5］：

令H=0，得地面源的擴散模式為：

令y=z=0，得泄漏點下風(fēng)向軸線濃度擴散式為：

1.2 軟件模擬法

目前用于泄漏事件模擬的軟件主要有CFX，F(xiàn)LUENT，PHOENICS，SAFETI，SLAB，ALOHA等。其中，CFX，F(xiàn)LUENT，PHOENICS軟件均屬于CFD模型，側(cè)重于泄漏過程的模擬，計算過程較復(fù)雜［6］；SAFETI軟件在石油化工、油氣儲運行業(yè)中應(yīng)用較多［7］；SLAB軟件適用于瞬時泄漏模擬，使用簡單、計算快速，但未考慮建筑物對濃度變化的影響［8］。與上述軟件相比，ALOHA軟件更適用于事故應(yīng)急處理研究，并且具備強大的數(shù)據(jù)庫支撐，操作相對簡便。

ALOHA軟件［9］是由美國環(huán)境保護署化學(xué)制品突發(fā)事件和預(yù)備辦公室、美國國家海洋大氣管理局共同開發(fā)的專門用于模擬危險化學(xué)品泄漏后果的軟件，現(xiàn)已成為危險化學(xué)品領(lǐng)域事故災(zāi)害后果預(yù)測和事故應(yīng)急救援的重要工具。它具有包含近千種常見危險化學(xué)品的數(shù)據(jù)庫，能夠預(yù)測化學(xué)品泄漏危害區(qū)域、敏感點毒物濃度和泄漏源強隨時間的變化［10］。1.2.1 泄漏危害區(qū)域預(yù)測

ALOHA軟件根據(jù)事故地點信息、危險化學(xué)品自身理化性質(zhì)和泄漏源狀況來模擬泄漏事故危害區(qū)域分布，模擬前期所需參數(shù)包括：地理位置信息（事故發(fā)生地的經(jīng)緯度、海拔高度）、周圍建筑類型及其覆蓋物、危險化學(xué)品理化性質(zhì)、氣象條件（風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、云層覆蓋量、濕度等）、泄漏狀況、毒物的關(guān)注濃度等。

在ALOHA軟件中，毒物的關(guān)注濃度有急性暴露水平指南濃度（AEGL）、應(yīng)急反應(yīng)指南濃度（ERPG）、立即危害生命和健康濃度（IDLH）3種指標(biāo)［11］。AEGL是由美國國家咨詢委員會與國家研究委員會共同制定的急性暴露指標(biāo)，適用于突發(fā)性、短時間泄漏事故的危害影響評估；ERPG是由美國工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會針對空氣中有毒物質(zhì)制定的應(yīng)急響應(yīng)計劃中的指導(dǎo)濃度，是評估事故防范措施和應(yīng)急響應(yīng)計劃的工具；IDLH是由美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所針對工作場所工人防護用品的選用而制定的職業(yè)暴露濃度限值。此外，該軟件的用戶還可以根據(jù)需要自行設(shè)定關(guān)注濃度，對危害區(qū)域進行預(yù)測。

ALOHA軟件中的預(yù)測模型包括高斯預(yù)測模型和重氣體模型兩部分，根據(jù)模擬氣體不同，用戶可自行選擇；用戶不確定時，可由軟件根據(jù)用戶設(shè)定的物質(zhì)來選擇。液氯擴散屬于重氣體擴散，軟件中以重氣體大氣擴散的DEGADIS模型為基礎(chǔ)，其表達式為［12］：

式中：x，y，z為三維坐標(biāo)值，m；ρ為污染物質(zhì)量濃度，mg/m3；ρ0為表面中心線的污染物質(zhì)量濃度，mg/m3；b為煙羽水平均勻中心區(qū)的半寬度，m；Sy為水平濃度比例系數(shù)；Sz為垂直濃度比例系數(shù)；α為風(fēng)速廓線常數(shù)；z0為風(fēng)速廓線基準(zhǔn)高度，m；u為沿x軸方向的風(fēng)速，m/s；u0為z=z0時的風(fēng)速，m/s。

1.2.2 敏感點毒物濃度預(yù)測

敏感點是指泄漏源周圍的人員密集場所，如村莊、學(xué)校、醫(yī)院等。ALOHA軟件在用戶前期輸入所需參數(shù)、選取擴散模型后，以泄漏點為圓心、下風(fēng)向方向為橫坐標(biāo)建立坐標(biāo)系，顯示指定濃度下危害區(qū)域分布情況，危害區(qū)域內(nèi)任一點濃度隨時間的變化也會相應(yīng)給出，用戶只需選擇該點坐標(biāo)即可。

2 算例與對比分析

軟件模擬法考慮因素全面，計算過程快捷，結(jié)果直觀形象、信息量大，能夠模擬一個連續(xù)完整的過程?，F(xiàn)以液氯瞬時泄漏事故和連續(xù)泄漏事故模型為例，分別用公式計算和ALOHA軟件模擬兩種方法對危害距離及危害濃度進行估算并作分析比較，以闡明ALOHA軟件模擬的有效性。

2.1 瞬時泄漏時危害區(qū)域的比較

選取某地液氯泄漏事故作為案例。該地點位于東經(jīng)115°0′、北緯31°22′，云層覆蓋量25%，環(huán)境溫度25 ℃，大氣濕度50%，西風(fēng)，風(fēng)速2.50 m/s，大氣穩(wěn)定度級別為D類。以m0=500 kg液氯鋼瓶泄漏為例，分別運用瞬時泄漏估算模型和ALOHA軟件計算液氯半致死質(zhì)量濃度850 mg/m3的下風(fēng)向最大擴散距離。

2.1.1 公式計算法

由式（2）計算可得，m=98 kg；將m=98 kg和ρ=850 mg/m3代入式（3），得到δy2δz=1.46×104m3；查Briggs擴散參數(shù)表得到D類大氣穩(wěn)定度下的擴散參數(shù)表達式δy=0.08x（1+0.000 1x）0.5，δy=0.06x（1+0.001 5x）0.5；利用試差法求得下風(fēng)向距離x=437 m。即當(dāng)泄漏量為500 kg時，由公式計算得到的半致死質(zhì)量濃度850 mg/m3的下風(fēng)向最大擴散距離為437 m。

2.1.2 軟件模擬法

ALOHA軟件不僅可以確定危險距離，而且可以確定危險邊界。依上例，用ALOHA軟件模擬可得泄漏量500 kg時半致死濃度850 mg/m3的分布區(qū)域，得危害區(qū)域分布圖，見圖1。由圖1可見，在近似橢圓形的紅色區(qū)域內(nèi)，氯氣的濃度均大于關(guān)注濃度。圖1中的外輪廓線為置信度邊界［13］，表示在擴散過程中，風(fēng)向可能發(fā)生一定程度的偏移，使影響范圍有所擴大。ALOHA軟件模擬得到的下風(fēng)向最大擴散距離為462 m，僅比公式計算結(jié)果高約5%。

圖1 危害區(qū)域分布圖

為進一步判定ALOHA軟件的準(zhǔn)確性，分別用公式計算法和軟件模擬法得到不同泄漏量時的下風(fēng)向最大擴散距離，見圖2。

圖2 不同泄漏量時的下風(fēng)向最大擴散距離

由圖2可見，ALOHA軟件模擬值與公式計算值非常接近，平均相對誤差為7%。對于事故應(yīng)急危害區(qū)域劃分而言，該偏差在可接受范圍內(nèi)。

2.2 連續(xù)泄漏時下風(fēng)向濃度的比較

算例參數(shù)為：東經(jīng)115°0′、北緯31°22′，云層覆蓋量25%，環(huán)境溫度25 ℃，大氣濕度50%，西風(fēng)，風(fēng)速2.75 m/s，大氣穩(wěn)定度級別為C類，泄漏直徑5 mm，泄漏質(zhì)量1 000 kg。

根據(jù)式（4）計算出連續(xù)泄漏源強Qc=1.619 kg/ s，根據(jù)Briggs擴散參數(shù)表求得泄漏源下風(fēng)向500 m處的質(zhì)量濃度為137.4 mg/m3。

在ALOHA軟件中設(shè)定連續(xù)泄漏源強Qc=1.619 kg/s，泄漏時間10 min，其他條件在模擬前期用戶自行輸入，得到下風(fēng)向500 m處氯氣質(zhì)量濃度隨液氯泄漏時間的變化趨勢，見圖3。

圖3 下風(fēng)向500 m處氯氣質(zhì)量濃度隨液氯泄漏時間的變化

由圖3可見，最大質(zhì)量濃度為153.0 mg/m3，且持續(xù)時間與排放時間相接近；該模擬值略大于公式計算值，對液氯事故應(yīng)急是有利的。

上述事故條件不變，采用公式計算法和軟件模擬法得到不同下風(fēng)向距離的氯氣質(zhì)量濃度，見圖4。

圖4 不同下風(fēng)向距離的氯氣質(zhì)量濃度

由圖4可見：在下風(fēng)向2 000 m范圍之內(nèi)，ALOHA軟件模擬值略大于公式計算值；此后，隨下風(fēng)向距離的增大逐漸變?yōu)檐浖M值略小于公式計算值；ALOHA軟件模擬值與公式計算值的平均相對誤差為8%。事故應(yīng)急泄漏源下風(fēng)向2 000 m之內(nèi)一般為重點考慮防護區(qū)域，模擬值偏大更能確保危害區(qū)域內(nèi)的人員安全。

3 結(jié)論

a）ALOHA軟件對泄漏毒物的危害區(qū)域和敏感點毒物濃度的預(yù)測結(jié)果均具有良好的精度。計算實例表明：對于液氯瞬時泄漏，軟件模擬與公式計算結(jié)果的相對誤差僅為7%；對于連續(xù)泄漏的相對誤差為8%。二者均在可接受范圍內(nèi)，即無論是瞬時泄漏還是連續(xù)泄漏，ALOHA軟件的模擬結(jié)果都具有很好的準(zhǔn)確性。

b）與公式計算相比，ALOHA軟件有數(shù)據(jù)庫支撐，操作簡單，更為準(zhǔn)確快捷。模擬前期只需輸入氣象條件及泄漏基本條件，受主觀因素影響較小，結(jié)果形象直觀，在液氯泄漏事故應(yīng)急中更具實用性。

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（編輯 魏京華）

一種含鈦廢液的處理方法

該專利涉及一種含鈦廢液的處理方法，該含鈦廢液中含有四氯化鈦、有機溶劑及鹵代烷氧基鈦和/或酯鈦絡(luò)合物。該處理方法包括將含鈦廢液分離出有機溶劑和四氯化鈦，使分離后廢液中有機溶劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～20%，并對分離后廢液降溫和固液分離。該專利方法能明顯提高四氯化鈦和有機溶劑的回收率，且能在較高的溫度下析出固體，從而提高固體雜質(zhì)的析出率，有效提高廢液的處理效率。/CN 104129812 A，2014-11-05

三氯化鐵蝕刻廢液的回收方法

該專利涉及一種三氯化鐵蝕廢刻液的回收方法。采用膜電解與萃取集成技術(shù)，在電解槽中設(shè)置離子交換膜將電解槽分成陽極室與陰極室，陰極與陽極分別位于離子交換膜兩側(cè)的陰極室與陽極室；在陰極室內(nèi)加入三氯化鐵蝕刻廢液，進行膜電解，將Fe3+還原為Fe2+；對陰極室電解后的溶液進行萃取脫除雜質(zhì)金屬，得到萃取相溶液和脫金屬雜質(zhì)相溶液，脫金屬雜質(zhì)相溶液送至陽極室進行膜電解，將Fe2+氧化為Fe3+；將陽極室電解得到的溶液進行回收。與現(xiàn)行的三氯化鐵蝕刻廢液處理技術(shù)相比，該專利工藝流程短且簡單，無二次污染，無三廢排放，生產(chǎn)成本低，適用于大規(guī)模處理，年處理量可在萬噸以上，具有很好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。/ CN 104131285 A，2014-11-05

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該專利涉及用于從聚酰胺合成工藝回收水的方法和系統(tǒng)。該方法可以包括以下步驟：從蒸發(fā)器獲得包含羧酸和二胺中的至少一種及部分聚合的聚酰胺的水性混合物；將水性混合物通過管式反應(yīng)器，使水性混合物經(jīng)歷足以通過羧酸和二胺的縮合而進一步聚合部分聚合的聚酰胺的溫度和壓力，從而產(chǎn)生氣相的水；使氣相的水通過精餾塔，移除二胺、羧酸和聚酰胺中的一種或多種，得到氣相的純化水；冷凝得到液相的純化水。該系統(tǒng)包括管式反應(yīng)器、精餾塔、冷凝組件和導(dǎo)管網(wǎng)絡(luò)等。/CN 104129880 A，2014-11-05

一種立方結(jié)構(gòu)CuCr2O4可見光光催化劑的制備方法

該專利涉及一種立方結(jié)構(gòu)CuCr2O4可見光光催化劑的制備方法。制備方法如下：將硝酸銅和硝酸鉻溶于去離子水中，加入氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液的pH；將溶液加熱到一定溫度并在該溫度下攪拌均勻得到懸浮液；將懸浮液轉(zhuǎn)移至高壓釜中進行水熱反應(yīng)；反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)離心、洗滌、干燥、研磨得到前軀體，將前軀體在一定的溫度下焙燒一定時間，即可得到立方結(jié)構(gòu)CuCr2O4可見光光催化劑。該專利制備工藝簡單，成本低，制備過程無污染排放，且制備的催化劑具有良好的光催化活性，能有效地降解廢水中的有機染料污染物。/CN 104138762 A，2014-12-12

Hazard Estimation of Typical Liquid Chlorine Leakage by ALOHA Software

Yan Jiejie1，Xiang Xiaodong1，Huo Yanxia2
（1. School of Resource and Environmental Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430081，China；2. Nanjing Chemical Construction Co. Ltd.，Nanjing Jiangsu 210044，China）

Taking instantaneous leakage and continuous leakage，the two typical liquid chlorine leakage accidents，as examples，the hazard of liquid chlorine leakage was quantitatively estimated by ALOHA software simulation and formula calculation respectively. The estimation results show that：ALOHA software simulation on leakage hazard has high accuracy in determining the hazard region and the sensitive point toxicant concentration values；The relative errors of ALOHA software simulation results to formula calculation results are only 7% for instantaneous leakage and 8% for continuous leakage，both of the results are within an acceptable range. In addition，because the calculation process is simple and the result expression is visual，ALOHA software is more applicable in the leakage accident emergency response.

ALOHA software simulation；liquid chlorine leakage；hazard region distribution

X507

A

1006 - 1878（2015）01 - 0069 - 05

2014 - 09 - 15；

2014 - 11 - 18。

閆潔潔（1990—），女，河南省濮陽市人，碩士生，電話 13667289475，電郵 981995890@qq.com。聯(lián)系人：向曉東，電話 15927613679，電郵 drxxd@163.com。