徐祥兵

摘要：通過Fluent流體力學(xué)模擬軟件，對(duì)某液氯罐區(qū)泄露事故時(shí)氯氣在封閉罐區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)合模擬結(jié)果對(duì)罐區(qū)封閉的建筑、暖通方案進(jìn)行探討。結(jié)果表明，發(fā)生液氯儲(chǔ)罐泄漏事故時(shí)，越靠近地面，氯氣聚集程度越高，提高對(duì)流風(fēng)速有利于控制氯氣的擴(kuò)散高度和縮小氯氣擴(kuò)散空間。設(shè)計(jì)了一套高效的事故氯收集和吸收處理裝置，并對(duì)事故風(fēng)機(jī)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：液氯罐區(qū);泄露;擴(kuò)散;封閉方案

中圖分類號(hào)：TQ124.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）01-0156-07

氯是工業(yè)生產(chǎn)中常用的劇毒、強(qiáng)腐蝕性化學(xué)品，液態(tài)氯為黃綠色油狀液體，一般使用壓力儲(chǔ)罐或鋼瓶來儲(chǔ)存。液氯泄露后會(huì)氣化形成氯氣，氯氣屬于重質(zhì)氣體，會(huì)隨空氣流動(dòng)沿地面擴(kuò)散，聚集在地勢(shì)低洼處不易消散，嚴(yán)重威脅到周邊人員、動(dòng)植物和水體的安全。隨著國(guó)家對(duì)化工安全生產(chǎn)的日益重視，有關(guān)重氣擴(kuò)散性質(zhì)以及事故氯氣擴(kuò)散的研究也逐漸受到更多關(guān)注。

重質(zhì)氣體（重氣）泄露擴(kuò)散研究始于20世紀(jì)50-60年代，早期的研究主要采用現(xiàn)場(chǎng)泄露試驗(yàn)，在真實(shí)的氣象、地形條件下觀測(cè)氣體擴(kuò)散過程，這種研究手段能夠較準(zhǔn)確的獲得現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)氣體擴(kuò)散理論研究以及驗(yàn)證擴(kuò)散模擬結(jié)果具有重要意義。但現(xiàn)場(chǎng)泄露實(shí)驗(yàn)也存在著不可控因素多、數(shù)據(jù)重復(fù)性差等不足，而風(fēng)洞技術(shù)的進(jìn)步很好的解決了這些問題。Venart、Meroney等在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了氣體擴(kuò)散的風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)，這類實(shí)驗(yàn)研究利用相似準(zhǔn)則，通過控制特定的變量參數(shù)，使得擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性得以提高。近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬成為目前氣體泄漏擴(kuò)散研究的重要研究手段。Mcbride等、Hanna等、王文和等諸多學(xué)者利用數(shù)值模擬技術(shù)，從地形、擴(kuò)散氣象條件、泄漏量等方面對(duì)氯氣泄露擴(kuò)散進(jìn)行了研究，但大部分的研究集中于氯氣擴(kuò)散的毒害效果評(píng)價(jià)和應(yīng)急管理，而較少?gòu)墓迏^(qū)本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行氯氣泄露災(zāi)害防治的研究。

湖北省仙桃市某化工廠以氯氣為生產(chǎn)原料，目前該廠露天罐區(qū)共有6個(gè)20m3液氯臥式儲(chǔ)罐。為預(yù)防液氯儲(chǔ)罐泄露事故對(duì)廠區(qū)及周邊環(huán)境的危害，擬對(duì)該廠液氯罐區(qū)進(jìn)行封閉式改造并新建事故氯氣吸收系統(tǒng)。在液氯罐區(qū)外設(shè)置封閉墻體，用物理屏障防止事故氯氣擴(kuò)散，并在封閉罐區(qū)內(nèi)通過事故風(fēng)機(jī)進(jìn)行負(fù)壓排氣，將事故氯氣抽送至尾氣處理塔吸收，處理過的無害化尾氣從塔頂放空管排空。本研究主要通過Fluent流體力學(xué)模擬軟件，對(duì)泄露事故時(shí)氯氣在封閉罐區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，并結(jié)合模擬結(jié)果對(duì)罐區(qū)封閉的建筑、暖通方案進(jìn)行探討。

1擴(kuò)散理論與基本假設(shè)

1.1重氣擴(kuò)散基本方程

Fluent是目前應(yīng)用最廣泛的CFD（ComputationalFluid Dynamics）模擬軟件之一，其數(shù)值模型遵循基本的守恒定律，泄露擴(kuò)散過程的主要控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和組分輸送方程。方程具體表述如下：密度，取2.94kg/m³，p2為液體密度，取1404kg/m³。

1.3模型基本假設(shè)及條件設(shè)置

假設(shè)液氯為穩(wěn)態(tài)連續(xù)泄露狀態(tài)，由于本文考察的液氯泄露量較小，液氯在噴出泄露口后很快便完全氣化為氯氣，所以可認(rèn)為泄露口處氯氣流動(dòng)狀態(tài)為不可壓縮氣體的湍流流動(dòng)。

封閉廠房?jī)?nèi)的6個(gè)儲(chǔ)罐分兩排均勻布置在廠房?jī)?nèi)，儲(chǔ)罐直徑2m，封頭間長(zhǎng)度5.8m，儲(chǔ)罐下部距地面1m。廠房環(huán)境溫度為20%，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?.1MPa，當(dāng)?shù)啬昶骄L(fēng)速2.7m/s。廠房長(zhǎng)軸方向兩端各有兩個(gè)可在事故狀態(tài)下連鎖關(guān)閉的電控門（寬3.6m，高4m），廠房左側(cè)門為水平進(jìn)風(fēng)口，右側(cè)門為出風(fēng)口，廠房進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速不隨時(shí)間變化，方向始終水平向右。采用前處理軟件Gambit建立封閉廠房剖面的二維幾何模型，本文以通過液氯儲(chǔ)罐中心軸線的封閉廠房剖面為二維空間計(jì)算區(qū)域（長(zhǎng)22m×高7m），廠房頂和地面以及儲(chǔ)罐管壁均按壁面考慮，在儲(chǔ)罐泄露口附近對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，廠房三維模型示意圖如圖1所示。選用隱式分離求解器進(jìn)行計(jì)算，求解器采用k-ε雙方程模型。泄露事故場(chǎng)景參數(shù)列表如表1所示。

2數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1不同泄漏時(shí)間的氯氣濃度分布

設(shè)定泄露發(fā)生在左側(cè)儲(chǔ)罐的下部，泄露口當(dāng)量直徑為0.01m，泄露源強(qiáng)為0.24kg/s，廠房對(duì)流風(fēng)速為0.5m/s。累計(jì)泄露時(shí)間分別為1s、5s、10s、60s時(shí)，廠房?jī)?nèi)的氯氣濃度分布如圖1—4所示。在累計(jì)泄露60s時(shí)，廠房右側(cè)出口處氯氣濃度隨高度的分布如圖5所示。

由圖1-4可知，泄露開始時(shí)，氯氣從泄露口垂直向地面快速噴射，在受到地面的阻擋后水平向四周擴(kuò)散。由于在泄露口下方區(qū)域氯氣噴射動(dòng)能大，空氣流動(dòng)對(duì)氯氣氣團(tuán)擴(kuò)散的作用相對(duì)不明顯，但環(huán)境空氣從左向右流動(dòng)，決定了氯氣氣團(tuán)主體向右擴(kuò)散。當(dāng)氯氣擴(kuò)散至兩排儲(chǔ)罐中間時(shí)，由于空氣在儲(chǔ)罐之間流動(dòng)產(chǎn)生湍流，卷吸起近地面的氯氣向上擴(kuò)散。由于氯氣未完全被空氣稀釋，氣團(tuán)密度比空氣大，升騰起的氯氣氣團(tuán)會(huì)逐漸下降，貼近設(shè)備壁面繼續(xù)擴(kuò)散。當(dāng)氯氣泄露60s后，廠房?jī)?nèi)氯氣濃度分布總體呈現(xiàn)由上至下逐漸升高的趨勢(shì)，這種氣體擴(kuò)散行為符合重氣性質(zhì)。

由圖5可知，在廠房出口處，越靠近地面的地方，氯氣濃度越高，出口處地面以上2m范圍內(nèi)都是氯氣的聚集區(qū)域，近地處氯氣質(zhì)量濃度達(dá)47.5wt%。

2.2不同對(duì)流風(fēng)速對(duì)氯氣擴(kuò)散的影響

設(shè)定泄露發(fā)生在左側(cè)儲(chǔ)罐的下部，泄露口當(dāng)量直徑為0.01m，泄露源強(qiáng)為0.24kg，s，模擬累計(jì)泄露時(shí)長(zhǎng)5s。當(dāng)對(duì)流風(fēng)速分別為0.01m/s，0.5m/s，5m/s時(shí)，廠房?jī)?nèi)的氯氣濃度分布以及右側(cè)出風(fēng)口處濃度分布如圖6～8所示。

由圖6—8可知，在模擬的對(duì)流風(fēng)速值范圍內(nèi)，氯氣流沖擊地面發(fā)生反彈和空氣擾流，均會(huì)使氯氣向上擴(kuò)散。但在風(fēng)速較高（風(fēng)速為5m/s）時(shí)，兩儲(chǔ)罐間氯氣氣團(tuán)向上擴(kuò)散的趨勢(shì)不明顯，出現(xiàn)該現(xiàn)象有兩方面原因，一方面，隨著空氣對(duì)流風(fēng)速的增大，空氣對(duì)氯氣氣團(tuán)的稀釋作用增強(qiáng)，垂直方向上氯氣主體與空氣主體交界區(qū)域的濃度梯度變大，垂直方向上氯氣更集中于近地面處。另一方面，空氣風(fēng)速增大，宏觀上空氣對(duì)氯氣的運(yùn)輸作用增強(qiáng)，氯氣分子更快地被運(yùn)送至下風(fēng)處，故在兩儲(chǔ)罐間氯氣向上擴(kuò)散的趨勢(shì)不明顯。

對(duì)比廠房出風(fēng)口的濃度分布圖可以發(fā)現(xiàn)，在距地面高度0～2m范圍內(nèi)，對(duì)流風(fēng)速越高，氯氣濃度梯度越大，隨著高度的增加，氯氣濃度下降更快，說明提高對(duì)流風(fēng)速有利于控制氯氣的擴(kuò)散高度和影響范圍。

2.3不同泄漏孔徑對(duì)氯氣擴(kuò)散效果的影響

設(shè)定泄露發(fā)生在左側(cè)儲(chǔ)罐的下部，對(duì)流風(fēng)速0.5m/s，模擬累計(jì)泄露時(shí)長(zhǎng)5s。泄露口當(dāng)量直徑分別為0.005m、0.01m、0.05m，廠房?jī)?nèi)的氯氣濃度分布以及速度分布如圖9—11所示。

由圖9～11可知，泄漏口當(dāng)量直徑越大，相同泄露時(shí)間氯氣擴(kuò)散范圍越大，氯氣泄漏量主要由泄露口面積決定?？疾炻葰馑俣确植紙D可知，對(duì)流風(fēng)速較低時(shí)，氯氣會(huì)聚集于儲(chǔ)罐區(qū)下部區(qū)域，增大氯氣的泄露量，氯氣分子的擴(kuò)散作用主要由分子擴(kuò)散決定，氯氣對(duì)流擴(kuò)散效果并不明顯。

2.4不同泄漏方向?qū)β葰鈹U(kuò)散的影響

設(shè)定模擬累計(jì)泄露時(shí)長(zhǎng)5s，泄露口當(dāng)量直徑為0.01m，泄露口位置分別位于左側(cè)儲(chǔ)罐的上部或下部，廠房?jī)?nèi)的氯氣濃度分布以及氯氣速度分布如圖12～13所示。

由圖13可以觀察到，氯氣從泄露口噴射而出，因具有向上的動(dòng)能而向廠房上部空間擴(kuò)散，而后氯氣氣團(tuán)在重力作用下會(huì)有明顯下降趨勢(shì)，同時(shí)由于空氣的對(duì)流流動(dòng)，氯氣氣團(tuán)持續(xù)向右側(cè)出口擴(kuò)散?；谶@兩方面的作用，氯氣在5s內(nèi)快速的充滿廠房的整個(gè)空間。對(duì)比圖12和圖13可知，在相同的泄露孔徑和累計(jì)泄露時(shí)間下，液氯儲(chǔ)罐上部泄漏比下部泄露更容易造成廠房?jī)?nèi)氯氣的大規(guī)模擴(kuò)散?？梢娫诼葰獍l(fā)生泄漏時(shí)，疏散路徑應(yīng)避開泄漏口下風(fēng)方向的低洼處，優(yōu)先選擇泄漏口上風(fēng)方向的高處避險(xiǎn)。

3液氯倉(cāng)庫封閉方案

圖14中，1為液氯封閉罐區(qū)，2為液氯儲(chǔ)罐，3為固定式吸風(fēng)口，4為移動(dòng)式吸風(fēng)口，5為離心通風(fēng)機(jī)，6為事故氯氣吸收塔，7為堿液池，8為堿液循環(huán)泵，9為堿液預(yù)冷器。

根據(jù)泄露事故中氯氣擴(kuò)散行為的研究，設(shè)計(jì)如圖14所示的儲(chǔ)罐區(qū)的封閉方案，封閉罐區(qū)的屋面板選用15CJ63/15CG26中型號(hào)KW6015-1的KST屋面板，墻面板選用15CJ63/15CG26中型號(hào)KQ9010的KST墻板，墻上設(shè)固定窗采光，墻板相應(yīng)位置設(shè)4個(gè)電控密閉門滿足疏散要求，同時(shí)保證封閉后的密封性能。

根據(jù)《氯氣安全規(guī)程》（GBl 1984-2008）、《液氯使用安全技術(shù)要求》（AQ3014-2008）、《液氯泄漏的處理處置方法》（HGT 4684-2014）相關(guān)規(guī)范進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)，正常操作下廠房不封閉，開啟電控密閉門利用穿堂風(fēng)進(jìn)行自然通風(fēng);事故狀態(tài)下關(guān)閉電控門，對(duì)罐區(qū)進(jìn)行封閉，開啟事故氯風(fēng)機(jī)負(fù)壓排風(fēng)。依據(jù)《液氯泄漏的處理處置方法》（HGT 4684-2014）附錄“D.2.1.1液氯作業(yè)場(chǎng)所或密閉廠房發(fā)生泄漏，可通過事故氯風(fēng)機(jī)負(fù)壓將泄漏的氯氣捕集輸送至事故氯吸收（塔）裝置處理”及“D.2.1.2將移動(dòng)軟管吸風(fēng)罩迅速連接至泄漏處，捕集泄漏的氯氣，并輸送至吸收（塔）裝置或現(xiàn)場(chǎng)的文丘里吸收裝置。”液氯罐區(qū)配套吸風(fēng)和事故氯氣緊急吸收處理裝置，并防范產(chǎn)生氣流死角。在液氯罐區(qū)出口、窗戶位置、及可能發(fā)生泄漏的地方安裝固定式氯氣檢測(cè)報(bào)警儀，氯氣檢測(cè)報(bào)警儀探測(cè)器距釋放源不宜大于1m。

如果發(fā)生液氯泄漏事故，立即連鎖液氯事故吸收裝置進(jìn)行緊急處理。按照維持50Pa負(fù)壓計(jì)算室外通過門窗縫隙滲入室內(nèi)的風(fēng)量，并附加泄露液氯的氣化量為氯氣每小時(shí)最大泄漏量，并適當(dāng)考慮安全系數(shù)，合計(jì)為10000m3/h的處理風(fēng)量，全壓為1000Pa。選用防腐離心通風(fēng)機(jī)（型號(hào)：F4-726C，風(fēng)量：10648m/h，全壓：1679Pa）可滿足保持負(fù)壓排風(fēng)要求風(fēng)量。

4結(jié)語

1）氯氣擴(kuò)散行為的模擬研究表明，發(fā)生液氯儲(chǔ)罐泄漏事故時(shí)，越靠近地面，氯氣聚集程度越高，這種濃度分布特性與重氣特性相符。在廠房出口處地面以上2m高度內(nèi)都是氯氣的聚集區(qū)域，近地處氯氣質(zhì)量濃度高達(dá)47.5wt.%。

2）廠房對(duì)流風(fēng)速越高，近地處氯氣濃度梯度越大，更有利于氯氣在水平向擴(kuò)散，因此提高對(duì)流風(fēng)速有利于控制氯氣的擴(kuò)散高度和縮小氯氣擴(kuò)散空間。

3）在相同的泄露孔徑和累計(jì)泄露時(shí)間下，液氯儲(chǔ)罐上部泄漏比下部泄露更容易造成廠房?jī)?nèi)氯氣的大規(guī)模擴(kuò)散。

4）依據(jù)氯氣在廠房?jī)?nèi)的模擬擴(kuò)散特性，設(shè)計(jì)了一套高效的事故氯收集和吸收處理裝置，并對(duì)事故風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。