王 嚴

(青海省西寧市消防救援支隊，青海 西寧 810000)

近年來，光伏產(chǎn)業(yè)進入了發(fā)展快車道。位于光伏產(chǎn)業(yè)鏈上游的多晶硅，作為發(fā)展光伏不可或缺的功能性材料，其需求量也在快速增長。依托青海清潔能源的供應(yīng)優(yōu)勢，青海省某多晶硅生產(chǎn)企業(yè)的多晶硅總產(chǎn)能達到9萬t/a，可實現(xiàn)減少二氧化碳排放量 270萬t/a，有效降低了光伏產(chǎn)業(yè)自身的“碳足跡”。然而，在多晶硅生產(chǎn)過程中，涉及到的主要物料如液氯、氫氣等危險化學品，非常容易引發(fā)火災(zāi)、爆炸、中毒等事故，存在極大的安全隱患[1]。

液氯儲存是多晶硅生產(chǎn)工序中關(guān)鍵的一環(huán)。由于液氯具有劇毒和腐蝕性，在常壓下會汽化成氣體，有劇烈刺激作用，吸入人體即將造成嚴重的中毒事故，后果十分嚴重[2]。2017年5月13日，河北省滄州市利興特種橡膠股份有限公司發(fā)生液氯泄漏事故，導(dǎo)致該公司現(xiàn)場員工及附近人員中毒，周邊群眾1000余人被緊急疏散，造成2人死亡、25人入院治療。2020年8月29日，安徽省蕪湖市鳩江區(qū)蕪湖融匯化工有限公司在充裝液氯槽罐車的過程中發(fā)生液氯泄漏，造成附近群中19人因中毒而住院治療?？梢?，在液氯泄露事故中，氯氣中毒是最主要的危險因素，發(fā)生頻率極高。因此，如何快速準確地預(yù)測液氯泄露事故后果，科學分析其嚴重程度和影響范圍，對多晶硅企業(yè)編制事故應(yīng)急預(yù)案、進行應(yīng)急救援和減少事故損失等均有著重大的意義[3]。但直接使用氯氣泄露事故后果模型進行危害后果分析，不僅需要進行十分復(fù)雜的計算，而且所得結(jié)果不能夠直觀鮮明地反映出危害后果，致使安全工作人員難以快速開展針對性的防護工作[4]。故借助MATLAB軟件可根據(jù)實際狀況建立仿真模型，同時還能對其中數(shù)據(jù)進行調(diào)整，不僅定量分析高效，而且輸出圖形直觀，能夠準確具體地分析評定安全事故對企業(yè)及其他相關(guān)主體所帶來的不利影響，便于其制定和實施更加科學合理的應(yīng)對舉措[5]。

1 不同濃度的液氯泄漏對人員造成的影響

液氯屬劇毒危險化學品，且密度較空氣大，一旦發(fā)生泄漏，不易吹散，并隨風向貼地面朝下風向區(qū)域擴散，危害后果嚴重，波及范圍廣。當液氯鋼瓶或汽化器發(fā)生大量泄漏時，其危及的范圍可迅速達到數(shù)百米，甚至數(shù)公里，在此范圍內(nèi)的人員需緊急疏散，或采取其它防護措施，才能使事故導(dǎo)致的人員傷亡降到最低。

由表1可知，泄露的液氯質(zhì)量濃度在 3000 mg/m3以上時被認定為致死區(qū)，300～3000 mg/m3為重傷區(qū)，90～300 mg/m3為致傷區(qū)，3～ 90 mg/m3為呼吸反應(yīng)區(qū)，安全區(qū)的質(zhì)量濃度在 3 mg/m3以下[6]。

表1 泄露液氯的質(zhì)量濃度對人員造成的影響

2 氯氣泄漏后果模型

常用的大氣擴散模型為高斯(Gaussian)模型，適用于中性氣體。盡管此模型信息量較大，但其內(nèi)容并不復(fù)雜，計算和分析起來也相對更加容易，所以這種方法得到了十分普遍的運用[7]。

如果出現(xiàn)了液氯泄露，液氯在最開始的時候處于液體狀態(tài)，但隨著溫度的不斷上升，液氯會迅速地發(fā)生揮發(fā)，而且在空氣流動的帶動作用之下，將迅速發(fā)生擴散。在實際中，對其進行分析和測定時，主要借助于高斯煙羽模型。

以風速方向為x軸方向，坐標點為泄漏源中心，則濃度分布的數(shù)學模型如(1)式[8]：

(1)

式中，C(x，y，0)為(x，y)位置點所具有的質(zhì)量濃度水平，mg/m3；u是空氣流動速度，m/s；Q是泄露的速度，mg/s；δy為側(cè)風向擴散系數(shù)，m；δz為垂直風向擴散系數(shù)，m。

氣體音速流動：

(2)

氣體泄漏速率為Q(kg/s)：

(3)

式中，Cd為氣體泄漏系數(shù)，圓形是1，三角形是0.95，長方形是0.9；A為裂口面積，m2，仿真用 10 mm 小型孔徑；M為氣體相對分子質(zhì)量，Cl2為71；R為普適氣體常數(shù) 8.314 J/(mol·K)；T為氯氣的儲存溫度K，常溫 298 K；k為氯氣的絕熱指數(shù)1.355。

粗糙度和地面類型之間的關(guān)系如表2所示[9]。則有效粗糙度Z0≥0.1 m 的粗糙地形擴散系數(shù)可表示為：

表2 粗糙度和地面類型的關(guān)系

σy=σy0fy

(4)

σz=σz0fz

(5)

fy(Z0)=1+a0Z0

(6)

(7)

上述式子中，σy0、σz0按照表3中的數(shù)值取值，其它系數(shù)按表4取值[10]。

表3 大氣穩(wěn)定度與σy0、σz0的關(guān)系

表4 不同大氣穩(wěn)定度對應(yīng)的各參數(shù)的值

3 氯氣泄漏后果MATLAB仿真分析

以青海省某多晶硅生產(chǎn)企業(yè)為例，該企業(yè)液氯庫房共計存有液氯鋼瓶50個，每個存儲 1 t 液氯，共計 50 t。依據(jù)中國危險源辨識最新標準GB 18218-2018《危險化學品重大危險源辨識》，液氯儲罐區(qū)屬于重大危險源[11]。氯氣一旦泄露，可能會引發(fā)人員中毒，甚至死亡，這無疑是擺在應(yīng)急救援工作者面前的一道難題。主要原因就是人們對氯氣泄漏擴散規(guī)律掌握不清，尤其是氯氣泄漏擴散后安全距離的實時變化，從而延誤了救人的最佳時機。因此，了解液氯泄漏的質(zhì)量濃度分布、影響區(qū)域及人員中毒概率等，對保證人員疏散安全、降低災(zāi)害損失、指導(dǎo)救援工作都有重大意義。本文采用MATLAB軟件來模擬研究液氯泄漏后的質(zhì)量濃度分布、影響區(qū)域及人員中毒情況。如圖1～圖6所示。

圖1 大氣穩(wěn)定度為A的氣體擴散質(zhì)量濃度分布圖

圖2 大氣穩(wěn)定度為B的氣體擴散質(zhì)量濃度分布圖

圖3 大氣穩(wěn)定度為C的氣體擴散質(zhì)量濃度分布圖

圖4 大氣穩(wěn)定度為D的氣體擴散質(zhì)量濃度分布圖

圖5 大氣穩(wěn)定度為E的氣體擴散質(zhì)量濃度分布圖

圖6 大氣穩(wěn)定度為F的氣體擴散質(zhì)量濃度分布圖

分析圖1～圖6可知，當大氣穩(wěn)定度越穩(wěn)定時，下風向地面中心線擴散濃度最大值與點源的距離不斷擴大。原因是由于泄漏氣云密度大，只能在地表進行擴散，隨著空氣流動性的增加，泄漏的氣云將實現(xiàn)快速地消散。即大氣越穩(wěn)定，泄漏氣云越不易向高空消散而貼近地表擴散；大氣越不穩(wěn)定，空氣垂直對流運動越強，泄漏氣云消散得越快。因此在對液氯泄漏擴散進行應(yīng)急管理時，應(yīng)選取擴散影響范圍最大的情況進行分析，即大氣穩(wěn)定度為F時的液氯泄漏擴散的危害區(qū)域。

4 結(jié)語

針對青海省某多晶硅企業(yè)的液氯泄漏事故風險分析，采用高斯煙羽模型測定液氯擴散后的濃度分布，然后利用MATLAB軟件對液氯泄漏的擴散濃度和擴散距離進行了數(shù)值模擬。仿真結(jié)果不僅可以快速精確地完成原本復(fù)雜的計算，而且依靠其繪圖功能可直觀顯示事故后果，使企業(yè)和相關(guān)安全工作者能夠直觀準確地判定事故后果的傷害區(qū)域及不利影響，根據(jù)分析評定結(jié)果制定和實施更加科學合理的舉措，對企業(yè)的安全規(guī)劃和應(yīng)急管理具有重要的指導(dǎo)意義。