向幸 劉見 徐厚友 郝玉澤 王彪

(中鋼集團武漢安全環(huán)保研究院有限公司 武漢 430081)

0 引言

高斯模型認為氣團的濃度分布服從正態(tài)分布，在許多試驗中被認為合理，是計算釋入大氣中的氣載污染物下風(fēng)向濃度應(yīng)用最廣的方法，主要分為高斯煙羽模型[1-2](適用于點源的連續(xù)擴散)和高斯煙團模型(適用于點源的瞬時擴散)。某鋼鐵公司在設(shè)備檢修、調(diào)試、空載運行和試車后，開始試生產(chǎn)時發(fā)生了一起氣燒石灰窯高爐煤氣泄漏致使3人死亡、6人受傷的較大煤氣中毒事故。該事故高爐煤氣持續(xù)泄漏，本文采用高斯煙羽模型，通過模擬分析結(jié)果得出了事故發(fā)生的原因，針對該起事故提出了預(yù)防建議。

1 事故概況

1.1 事故情況

2017年8月2日上午，某鋼鐵公司氣燒石灰窯承包商(以下簡稱承包商)準備當天點火生產(chǎn)，需要使用高爐煤氣。17時左右，承包商作業(yè)人員李某甲打開通往氣燒石灰窯煤氣主管道上的高爐煤氣眼鏡閥(DN500 mm)；19時49分，李某甲打開燒嘴前的煤氣調(diào)節(jié)總閥，承包商作業(yè)人員方某、李某乙、王某在現(xiàn)場配合。此時圍管煤氣壓力為4.18 kPa；20時09分，氣燒石灰窯圍管煤氣壓力上升至8.63 kPa，李某甲、王某、方某3人將點燃的淋過柴油的棉絮從窯頂上料口丟入作為引火源。隨后李某甲打開氣燒石灰窯第1組燒嘴；21時09分，李某甲打開第2組燒嘴，煤氣壓力出現(xiàn)波動(期間李某丙來到現(xiàn)場，李某乙、王某離開現(xiàn)場)； 23時39分，李某甲打開第3組燒嘴，煤氣壓力再次下降；23時49分，圍管煤氣壓力降至2.90 kPa，燒嘴不能穩(wěn)定燃燒，火焰熄滅，又因窯內(nèi)溫度較低無法使煤氣復(fù)燃，煤氣持續(xù)從燒嘴噴出，經(jīng)窯底出料口外泄并擴散至高爐上料休息室區(qū)域。

期間，李某甲從氣燒石灰窯操作室(以下簡稱操作室)出來至窯出料口處中毒倒地，李某丙在其身后約1 m處中毒倒地，方某在李某丙身后約7 m處中毒倒地。

8月2日23時50分—8月3日2時，煤氣外泄擴散超過2 h后，高爐上料休息室內(nèi)6人中毒。

1.2 事故發(fā)生前后當?shù)貧庀笄闆r

氣象資料顯示，8月3日0—3時，當?shù)販囟仍?6～27 ℃，靜風(fēng)，基本無雨，能見度較好(900～2 400 m)，氣壓在99.3～99.5 kPa，相關(guān)氣象要素如表1所示。事發(fā)區(qū)域氣象情況不利于煤氣擴散。

表1 8月3日0—3時事故現(xiàn)場相關(guān)氣象要素

1.3 事故現(xiàn)場設(shè)施及事發(fā)狀態(tài)

(1)高爐煤氣泄漏部位。事故氣燒石灰窯異常熄火后，因烘窯時間短、窯內(nèi)溫度較低，煤氣不能復(fù)燃且持續(xù)噴出。因高爐煤氣密度比空氣略大，烘窯過程中未運行廢氣抽風(fēng)機，窯內(nèi)石灰石料面距窯頂上料口高度有限，無法形成煙筒效應(yīng)；加之當晚氣壓較低且無風(fēng)，烘窯時的松料操作使下部料層間隙比上部料層大，煤氣主要向氣燒石灰窯下部流散，最終主要從窯下部出料口外泄。

(2)煤氣擴散區(qū)域及影響。通過現(xiàn)場勘驗和計算，高爐煤氣以石灰窯出料口為中心，以0.43 kg/s的泄漏速率、1 200 m3/h的泄漏量向外擴散(高爐煤氣密度為1.296 kg/m3，正常生產(chǎn)時總管流量約7 500 m3/h，事故時管道閥門開度為0.16，根據(jù)閥門前后壓差計算當時流量約1 200 m3/h)。煤氣持續(xù)泄漏10 min后，在擴散半徑10 m處，煤氣體積分數(shù)達1.28%；煤氣持續(xù)泄漏2～2.5 h后，泄漏量約2 400～3 000 m3，在擴散半徑34 m處(上料休息室門口)，煤氣體積分數(shù)約0.046 6%；在擴散半徑30.5 m處(上料休息室朝向石灰窯方向的開窗)，窗戶下沿處煤氣體積分數(shù)約0.052 3%。

(3)事故發(fā)生區(qū)域人員情況。承包商當班人員3人，某鋼鐵公司高爐上料班當班人員6人。

2 事故工藝簡介

2.1 生產(chǎn)工藝

某鋼鐵公司有1座179 m3高爐，配套2臺900 m3/min離心鼓風(fēng)機(1用1備)，1臺54 m2燒結(jié)機，1座240 t/d球團豎爐和1座180型氣燒石灰窯，設(shè)計年產(chǎn)鑄造用生鐵25萬t。具體生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 鑄造用生鐵項目生產(chǎn)工藝流程

2.2 廠區(qū)布局

該企業(yè)廠區(qū)西南角布置1座179 m3高爐，高爐往東依次排列有高爐原料場、燒結(jié)、球團廠房。高爐原料場往北是高爐原料運輸皮帶，皮帶通廊下方布置有高爐上料、燒結(jié)休息室。事故氣燒石灰窯位于高爐原料運輸皮帶通廊北30.5 m，氣燒石灰窯往東21.5 m布置有氣燒石灰窯操作室。氣燒石灰窯包括立窯本體、煤氣和空氣預(yù)熱器及風(fēng)機(西向5.6 m)、除塵器(西向11.8 m)、氣燒石灰窯成品庫(北向)以及操作室。煤氣管道走向及石灰窯周邊環(huán)境示意如圖2所示。

圖2 煤氣管道走向及石灰窯周邊環(huán)境示意(單位：m)

2.3 高爐煤氣運行系統(tǒng)及事故管道情況

2.3.1 高爐煤氣運行系統(tǒng)

該高爐煤氣額定發(fā)生量為32 000 m3/h，主要煤氣用戶為高爐熱風(fēng)爐、燒結(jié)、球團及氣燒石灰窯，其中，熱風(fēng)爐用量為13 000 m3/h，燒結(jié)機用量為5 000 m3/h，球團機用量為4 100 m3/h，石灰窯用量為8 000 m3/h；剩余煤氣經(jīng)放散管(管口高度為30 m)直接對空排放，放散無溫度監(jiān)控和滅火裝置。該煤氣放散管設(shè)置高度和高爐煤氣排放方式不符合《中華人民共和國大氣污染防治法》第四十九條及《工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程》(GB 6222—2005)[3]的相關(guān)要求。

2.3.2 高爐煤氣主要性質(zhì)特性

高爐煤氣是高爐冶煉過程的副產(chǎn)品，是無色、無味、易燃、易爆、有毒的混合氣體，主要成分有N2、CO、CO2等，如表2所示，相對空氣密度約0.9～1.1，熱值約3 349～4 187 kJ/m3，著火溫度約700～800 ℃，燃燒溫度為1 470 ℃，爆炸極限為30.8%～89.5%。

表2 高爐煤氣成分 %

高爐煤氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)式為

C+O2=CO2

(1)

C+CO2=2CO

(2)

3CO+Fe2O3=2Fe+3CO2

(3)

2.3.3 高爐煤氣管道系統(tǒng)

該高爐產(chǎn)生的高爐煤氣經(jīng)重力除塵器、布袋除塵器等裝置除塵后匯入凈煤氣管道，通過架空管道送往高爐熱風(fēng)爐、燒結(jié)、球團及氣燒石灰窯等用戶，總管與各用戶支管間設(shè)置有蝶閥和眼鏡閥隔斷。事故氣燒石灰窯的高爐煤氣主管管徑為DN500 mm、長度約40 m，經(jīng)手動蝶閥(DN500 mm)調(diào)節(jié)后進入煤氣圍管，再經(jīng)手動閘閥(DN100 mm)到達燒嘴燃燒。

2.4 事故氣燒石灰窯情況

2011年7月，某鋼鐵公司自行設(shè)計和組織建設(shè)事故氣燒石灰窯(氣燒石灰窯系統(tǒng)缺乏明確的行業(yè)和地方設(shè)計標準和建設(shè)規(guī)范)，如圖3所示。

圖3 氣燒立窯結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

2012年5月，事故氣燒石灰窯完工，無竣工驗收資料。2014年3月，承包商對該石灰窯電氣控制部分進行建設(shè)安裝，委托某工控公司開發(fā)了“氣燒窯自動化監(jiān)控系統(tǒng)”，主要將助燃風(fēng)機、冷卻風(fēng)機、煤氣電動閥門等電氣設(shè)備操作控制集成到操作室遠程操作，對煤氣、助燃空氣壓力、石灰窯溫度檢測、視頻監(jiān)控等運行參數(shù)集成顯示和監(jiān)控。8月2日，在石灰窯點火生產(chǎn)前，該“自動化監(jiān)控系統(tǒng)”中相關(guān)壓力、溫度等參數(shù)因故障不能反映數(shù)據(jù)，承包商未進行修復(fù)便點火生產(chǎn)。

根據(jù)《工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程》中“7.1.1當燃燒裝置采用強制送風(fēng)的燃燒燒嘴時，煤氣支管上應(yīng)安裝止回裝置或自動隔斷閥，在空氣支管上應(yīng)設(shè)置泄爆膜”以及“7.1.2煤氣、空氣管道應(yīng)安裝低壓報警裝置”的規(guī)定，某鋼鐵公司未按規(guī)程要求安裝止回裝置或自動隔斷閥，未安裝低壓報警裝置。

3 高爐煤氣外泄擴散范圍及影響分析

根據(jù)現(xiàn)場勘驗、數(shù)據(jù)采集、氣象條件、相關(guān)人員問詢，采用相關(guān)數(shù)學(xué)模型分析，判定高爐煤氣持續(xù)外泄擴散后的總量、范圍、濃度以及事故影響。

3.1 高爐煤氣泄漏速率

該事故系統(tǒng)無煤氣流量檢測，無泄漏速率的直接數(shù)據(jù)，此處根據(jù)煤氣總管設(shè)計流量和閥門開度折算。

總管設(shè)計流量M=7 500 m3/h，事故發(fā)生時閥門開度為0.16，則煤氣實際流量m=M×0.16=1 200 m3/h，已知高爐煤氣密度為1.296 kg/m3，則質(zhì)量泄漏速率為0.43 kg/s。

3.2 高爐煤氣擴散范圍及影響分析

高爐煤氣在泄漏源附近擴散，在泄漏源上方形成氣團并在大氣中擴散。氣團的擴散模式與氣團性質(zhì)、大氣穩(wěn)定度、風(fēng)速、風(fēng)向、地表粗糙度等因素有關(guān)。高爐煤氣密度與空氣相近，可不考慮重氣(密度相比空氣大)效應(yīng)，適合使用高斯模型來分析高爐煤氣泄漏點下風(fēng)向的煤氣濃度分布情況。該事故高爐煤氣持續(xù)泄漏，適合采用高斯煙羽模型。

根據(jù)高斯煙羽模型，恒定氣象條件下(風(fēng)向、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度不隨時間變化)高架點源連續(xù)排放，考慮煙羽在地面全反射后，泄漏點下風(fēng)向的某點(x，y，z)煤氣質(zhì)量濃度可計算為

(4)

式中，Q為連續(xù)泄漏流量，kg/s；u為平均風(fēng)速，m/s；x為泄漏點下風(fēng)向距離，m；y為橫風(fēng)向距離，m；z為離地面的距離，m；He為泄漏點高度，m；σy、σz為y、z方向擴散系數(shù)。

若地區(qū)大氣穩(wěn)定度按B級考慮，則σy=0.32x(1+0.000 4x)-1/2，σz=0.24x(1+0.000 1x)-1/2。有關(guān)參數(shù)如下：平均風(fēng)速u取0.9 m/s；高爐煤氣中CO體積分數(shù)取30%；只考慮下風(fēng)向軸線處濃度，y取0 m；石灰窯噴嘴泄漏源高度He取3.2 m。

對于連續(xù)泄漏，根據(jù)以上模型，計算結(jié)果如表3所示。

表3 事故石灰窯高爐煤氣連續(xù)外泄時下風(fēng)向距離及濃度

根據(jù)空氣中CO體積分數(shù)、吸入時間與中毒癥狀的關(guān)系，分析高爐煤氣連續(xù)泄漏形成的氣團引發(fā)人員中毒的影響范圍[4]，結(jié)果如表4所示。

表4 高爐煤氣連續(xù)泄漏形成的氣團引發(fā)中毒的影響范圍

續(xù)表4

根據(jù)現(xiàn)場勘驗，距石灰窯10 m范圍內(nèi)有3人煤氣中毒死亡。根據(jù)以上分析，煤氣以0.43 kg/s的速率長時間持續(xù)泄漏，距泄漏點10 m處體積分數(shù)可達0.237 4%，短時間吸入有眩暈至中毒死亡的危險，分析結(jié)果與現(xiàn)場勘驗基本一致。若煤氣中毒死亡發(fā)生在煤氣泄漏初始階段，接觸到的煤氣體積分數(shù)也有可能高于0.237 4%(見第3.3節(jié)分析)。

根據(jù)現(xiàn)場勘驗，距石灰窯31.5 m處上料值班休息室內(nèi)有2人中毒昏厥。根據(jù)表4，在煤氣以一定速率長時間持續(xù)泄漏的情況下，距泄漏點37 m處CO體積分數(shù)為0.04%，25 m處CO體積分數(shù)為0.08%，34 m處CO體積分數(shù)為0.046 6%。而現(xiàn)場(距石灰窯34 m處值班室外側(cè)門)實際測量CO體積分數(shù)為0.04%，考慮到救援時休息室的門已敞開、煤氣已擴散，認為分析結(jié)果與現(xiàn)場勘驗信息基本一致。根據(jù)表4，判定該事故煤氣泄漏已經(jīng)持續(xù)2 h以上。

另外，休息室面向石灰窯的墻開設(shè)窗戶，窗戶下沿距地面1.8 m，與石灰窯水平間距30.5 m，根據(jù)以上模型，煤氣持續(xù)泄漏時窗戶下沿處CO體積分數(shù)為0.052 3%，而此處地面CO體積分數(shù)為0.053 5%，與上段分析結(jié)果相差不大，因此，煤氣外泄擴散濃度可以排除窗戶高度的影響。

假設(shè)煤氣以0.43 kg/s的速率從石灰窯上料口(距地面高度31.5 m)持續(xù)泄漏，根據(jù)高斯煙羽模型式(4)，其地面體積分數(shù)近似正態(tài)分布，在某一點(94 m)處達到最大，約0.002 5%。而該濃度的煤氣不會導(dǎo)致距石灰窯10 m范圍內(nèi)人員中毒死亡，由此排除高爐煤氣泄漏口在石灰窯頂部的假設(shè)。

3.3 高爐煤氣擴散時間與影響范圍分析

高爐煤氣持續(xù)泄漏，距泄漏源一定距離的某固定點位煤氣濃度隨泄漏時間逐步增大。為了分析泄漏初期人員吸入高濃度煤氣中毒的情況，適合使用半球模型。該模型認為泄漏的煤氣以理想狀態(tài)呈半球狀向外擴散，半球分內(nèi)外兩層，內(nèi)層濃度分布均勻，具有50%的泄漏量，外層呈高斯分布，具有另外50%的泄漏量。設(shè)泄漏時間為t，則泄漏氣體中CO體積為

(5)

根據(jù)CO體積分數(shù)C可計算高爐煤氣形成的有毒氣體體積V為

(6)

根據(jù)得出的V可計算高爐煤氣泄漏影響半徑R為

(7)

根據(jù)式(5)～式(7)，得出高爐煤氣影響半徑與泄漏量(泄漏時間)的關(guān)系為

(8)

可化簡為

(9)

根據(jù)式(9)，由CO體積分數(shù)C和泄漏時間t，可計算出對應(yīng)的中毒影響范圍。

為了分析開始泄漏時人員吸入高濃度煤氣的中毒情況，選擇表2中有代表性的體積分數(shù)(0.32%、0.64%、1.28%)作為危險值。根據(jù)上述計算和分析，氣體泄漏速率持續(xù)為0.43 kg/s，泄漏后以半球形向周圍擴散，根據(jù)上述公式，得到在不同泄漏時間下泄漏氣體形成的毒性氣體范圍，如表5所示。

表5 高爐煤氣泄漏時間與影響范圍的關(guān)系

根據(jù)表5，高爐煤氣泄漏10 min、距泄漏點10 m處CO體積分數(shù)可達1.28%，可使吸入人員3 min內(nèi)死亡，此分析與現(xiàn)場勘驗情況(距泄漏點10 m范圍內(nèi)3人煤氣中毒死亡)一致；泄漏10 min、距泄漏點33 m處CO體積分數(shù)可達0.04%，隨著泄漏時間的增加，距泄漏源一定距離的固定點位煤氣濃度會逐漸增加并趨于穩(wěn)定(見表3和表4長時間連續(xù)泄漏的分析結(jié)果)，此分析與現(xiàn)場勘驗情況(距泄漏點34 m處休息室內(nèi)有2人昏厥)一致。

3.4 小結(jié)

(1)根據(jù)總管設(shè)計流量及閥門開度，計算出高爐煤氣泄漏速率約0.43 kg/s。

(2)根據(jù)高斯煙羽模型，若該事故中高爐煤氣從石灰窯頂部上料口持續(xù)泄漏，到達地面后最大體積分數(shù)為0.002 5%(距石灰窯94 m處)，不會導(dǎo)致?lián)腋G下方地面10 m范圍內(nèi)人員中毒死亡，由此排除泄漏點為石灰窯頂部上料口。

(3)根據(jù)半球模型，高爐煤氣從出料口以0.43 kg/s速率泄漏10 min時，距泄漏點10 m處CO體積分數(shù)可達1.28%，可造成吸入人員短時間內(nèi)中毒死亡；根據(jù)高斯煙羽模型，高爐煤氣從出料口以0.43 kg/s速率長時間持續(xù)泄漏時，距泄漏點34 m處CO體積分數(shù)為0.046 6%，吸入2 h內(nèi)會有頭痛、眩暈等癥狀，分析結(jié)果與現(xiàn)場人員中毒情況基本一致。

(4)據(jù)事故信息，8月3日2時30分，在休息室內(nèi)發(fā)現(xiàn)2人昏厥，測量得到煤氣體積分數(shù)為0.04%；根據(jù)計算，煤氣長時間持續(xù)泄漏、距泄漏點34 m處休息室的CO體積分數(shù)為0.046 6%，又根據(jù)中毒時間與癥狀關(guān)系，判定煤氣泄漏持續(xù)2 h以上。考慮到救援時休息室的門已經(jīng)敞開，利于煤氣擴散，認為分析結(jié)果與現(xiàn)場勘驗基本一致。

(5)高爐煤氣以0.43 kg/s速率持續(xù)泄漏2 h以上，泄漏量至少為3 110 kg(約2 400 m3)。

(6)導(dǎo)致該起煤氣中毒事故的直接原因是承包商在高爐煤氣點火時違反規(guī)程，在煤氣低壓報警、聯(lián)鎖等安全設(shè)施缺失的情況下，烘窯操作不當，窯內(nèi)煤氣燃燒過程中異常熄滅且無法復(fù)燃，煤氣從石灰窯下部出料口持續(xù)外泄，操作人員在無個人防護、無檢測報警儀器狀態(tài)下盲目靠近石灰窯，導(dǎo)致事故發(fā)生。

4 結(jié)語

(1)氣燒石灰窯系統(tǒng)目前應(yīng)用較為廣泛，但缺少相關(guān)的國家、行業(yè)及地方設(shè)計標準和建設(shè)規(guī)范，建議盡快制定頒布，從源頭上加以規(guī)范。

(2)從安全、環(huán)保、節(jié)能減排等方面，進一步規(guī)范冶金企業(yè)高爐煤氣的利用和放散。

(3)冶金企業(yè)應(yīng)嚴格落實新、改、擴建項目“三同時”制度，強化全過程風(fēng)險辨識和隱患排查；嚴格安裝必要的安全設(shè)施設(shè)備并確保其有效運行；在生產(chǎn)、復(fù)產(chǎn)前應(yīng)制定專項方案，并組織專項方案的論證與完善。

(4)應(yīng)積極推廣應(yīng)用安全先進技術(shù)，對煤氣點火等較大危險作業(yè)實施遠程化、自動化操作，減少作業(yè)人員進入煤氣危險區(qū)域的時間和頻次。