劉玉成，李印秋，陳曉亭，毛曼蓉

（山東魯新設(shè)計(jì)工程股份有限公司，山東 淄博 255000）

氯氣泄漏事故是每個(gè)涉氯企業(yè)都要認(rèn)真對待的問題， 生產(chǎn)企業(yè)在上馬相關(guān)項(xiàng)目前需要有安全評價(jià)資質(zhì)的單位進(jìn)行安全預(yù)評價(jià)， 再結(jié)合安全預(yù)評價(jià)單位的意見需要有資質(zhì)的單位做安全設(shè)施的設(shè)計(jì)，在建設(shè)的過程中需要有壓力容器設(shè)計(jì)資質(zhì)的單位做壓力容器設(shè)計(jì)、需要有GC1 管道設(shè)計(jì)資質(zhì)的單位做壓力管道的設(shè)計(jì)。 在安全設(shè)施設(shè)計(jì)過程中需要對工藝過程進(jìn)行工藝模擬和計(jì)算，以降低液氯/氯氣泄漏的概率。 早期投運(yùn)的液氯設(shè)施部分尾氣處理設(shè)施缺少相應(yīng)的模擬和計(jì)算，泄漏事故仍時(shí)有發(fā)生，為了進(jìn)一步降低泄漏事故對企業(yè)職工的身體健康和對周邊環(huán)境的影響，事故氯的處理設(shè)施設(shè)計(jì)日趨重要。

以3 個(gè)50 m3液氯儲(chǔ)罐的液氯庫為例， 通常的廠房長度在18～24 m，寬度在16～24 m，目前常規(guī)設(shè)計(jì)的液氯庫層高在8 m，本文以相對經(jīng)濟(jì)的長18.5 m、寬16.5 m，層高8 m 為例，儲(chǔ)罐相關(guān)參數(shù)見表1。

結(jié)合以上參數(shù)， 按照山東省人民政府安全生產(chǎn)委員會(huì)辦公室關(guān)于印發(fā)《〈山東省液氯儲(chǔ)存裝置及其配套設(shè)施安全改造和液氯泄漏應(yīng)急處置指南 （試行）〉的通知》魯安辦發(fā)〔2020〕35 號（以下簡稱35 號文）中附件2 的《液氯泄漏的處理處置方法》（HG/T4684-2014）要求，進(jìn)行工藝核算。

1 液氯泄漏量的計(jì)算

1.1 管道泄漏量

通常情況下液氯在噴口內(nèi)不存在急驟蒸發(fā)，故適用柏努力方程來對液體泄漏量進(jìn)行計(jì)算， 公式如下：

式中：Cd—液體泄漏；

A—裂口面積，m2；

ρ—泄漏液體密度，kg/m3；

P—容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；

P0—環(huán)境壓力，Pa；

g—重力加速度，m/s2；

h—裂口之上液位高度，m；

QL—液體泄漏速率，kg/s。

式中：Cd取值0.65，A取值0.001 6，ρ 取值1 425，P取值600 000，P0取值101 325，g取值9.81，h取值3.45，QL取值40。

即通過管道裂縫泄漏的最大液氯量QL=40 kg/s，折合液氯質(zhì)量流量為145 115 kg/h，按未氣化的密度進(jìn)行折算，則體積流量為102 m3/h，一罐50 m3液氯儲(chǔ)罐理論上在0.5 h 內(nèi)可以完全泄漏。單次事故的最大泄漏量為50 m3×1 425 kg/m3×80%=57 000 kg，完全氣化后折合標(biāo)況下為17 757 m3（已知標(biāo)況下氯氣的密度為3.21 kg/m3）。

1.2 安全閥泄放量

安全泄放量的計(jì)算參考（GB150-2011）盛裝液化氣體的容器安全釋放量的計(jì)算公式， 本項(xiàng)目中相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 安全閥泄放量相關(guān)計(jì)算參數(shù)

由表2 可知， 保溫全缺失狀態(tài)下最大泄放量WS=72 333.54 kg/h，若保溫狀況良好，最大泄放量為967.50 kg/h，目前行業(yè)內(nèi)均采用聚氨酯做保溫材料。

1.3 液氯泄漏最大蒸發(fā)量的相關(guān)參數(shù)

已知標(biāo)況下氯氣的密度為3.21 kg/m3，相關(guān)參數(shù)包括閃蒸蒸發(fā)、熱量蒸發(fā)、質(zhì)量蒸發(fā)、液體蒸發(fā)總量，見表3，表4，表5，表6。

表3 閃蒸蒸發(fā)估算

表4 熱量蒸發(fā)估算

表5 質(zhì)量蒸發(fā)估算

表6 液體蒸發(fā)總量

其中Fv和Q1、Q2、Q3的計(jì)算公式如下。

（1）液體中閃蒸部分：

過熱液體閃蒸蒸發(fā)速率可按下式估算：

（2）熱量蒸發(fā)估算

當(dāng)液體閃蒸不完全， 有一部分液體在地面形成液池，并吸收地面熱量而氣化，其蒸發(fā)速率按下式計(jì)算，并應(yīng)考慮對流傳熱系數(shù)。

ɑ 取值見表7。

表7 ɑ取值

（3）質(zhì)量蒸發(fā)估算

按下式計(jì)算：

ɑ，n 取值見表8。

表8 ɑ，n取值

液池最大直徑取決于泄漏點(diǎn)附近的地域構(gòu)型、泄漏的連續(xù)性或瞬時(shí)性。有圍堰時(shí)，以圍堰最大等效半徑為液池半徑；無圍堰時(shí)，設(shè)定液體瞬間擴(kuò)散到最小厚度時(shí)，推算液池等效半徑。

從上述公示計(jì)算可知

第1 小時(shí)內(nèi)累計(jì)蒸發(fā)總量Wp=24 467 kg/h=77 19 m3/h（標(biāo)況）

最大蒸發(fā)速度=Q1+Q2+Q3=12.63 kg/s=45 478 kg/h=14 348 m3/h（標(biāo)況）。

1.4 暖通專業(yè)事故通風(fēng)風(fēng)量核算

按照GBZ1-2010 《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》第6.5.1.2 條，事故通風(fēng)換氣次數(shù)不宜<12 次/h，即最小換氣量為12 次/h 的換氣量， 即有液氯庫房事故通風(fēng)最小換氣量為18.5 m×16.5 m×8 m×12 次/h=29 034 m3/h

密閉卸車區(qū)通風(fēng)最小換氣量為6 m×16.5 m×8 m×12 次/h=9 504 m3/h（單車裝卸）

參考江蘇省地標(biāo)， 需要做能同時(shí)滿足兩輛車裝卸的封閉卸車區(qū)，取12 m×16.5 m×8 m，密閉卸車區(qū)通風(fēng)最小換氣量為12 m×16.5 m×8 m×12 次/h=19 008 m3/h（兩輛車裝卸）。

綜上可知， 即暖通專業(yè)核算的事故通風(fēng)最小換氣量為V=29 034 m3/h。

1.5 工藝排風(fēng)的最終風(fēng)量核定

管道泄漏量最大量為145 115 kg/h，單次事故的最大泄漏量為57 000 kg， 完全氣化后折合標(biāo)況下為17 757 m3； 安全閥泄放量為72 333.54 kg/h，若完全氣化，折合標(biāo)況為22 821 m3/h；最大蒸發(fā)速度為45 478 kg/h，折合標(biāo)況為14 348 m3/h；事故排風(fēng)的最小換氣為V=29 034 m3/h。

綜上所述，按照相關(guān)設(shè)計(jì)原則，事故排風(fēng)的最終風(fēng)量應(yīng)不低于29 034 m3/h， 使用單位可以結(jié)合自身的實(shí)際情況進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型， 如本裝置根據(jù)自身需求取事故排風(fēng)風(fēng)量29 500 m3/h。

2 風(fēng)管的管道設(shè)計(jì)

2.1 吸風(fēng)口的定位

已知標(biāo)況下氯氣的密度為3.21 kg/m3，密度比空氣重，液氯泄漏后即使氣化也會(huì)向下自流，碰到外圍有隔堤等圍擋后，液氯和氯氣最終會(huì)在地面富集，因此液氯庫房設(shè)計(jì)過程中均會(huì)設(shè)計(jì)事故集液坑， 一旦發(fā)生泄漏，會(huì)自流到事故集液坑中，事故排風(fēng)的吸風(fēng)口會(huì)優(yōu)先在事故集液坑附近進(jìn)行選址。

儲(chǔ)罐的進(jìn)出料口閥門、 法蘭位置為經(jīng)常檢維修和操作區(qū)域， 儲(chǔ)罐的檢修人孔等區(qū)域也存在檢維修操作風(fēng)險(xiǎn)，在做相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，也需要在附近根據(jù)檢維修需要適當(dāng)設(shè)計(jì)檢維修專用軟風(fēng)管， 檢維修時(shí)開啟排風(fēng)以保障操作人員的人身安全。

卸車區(qū)的鶴管、 氣化區(qū)的氣化器緩沖罐等設(shè)施的進(jìn)出物料閥門附近可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)一個(gè)或多個(gè)檢維修專用軟風(fēng)管， 檢維修時(shí)開啟排風(fēng)以保障操作人員的人身安全。

結(jié)合空氣流動(dòng)性的特征， 通常會(huì)在角落等位置的空氣流動(dòng)性差，若為氣流擾動(dòng)，該區(qū)域富集風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增加，為能更好將環(huán)境中氯氣排走，通常會(huì)在角落等氣流流動(dòng)性差的位置設(shè)置部分應(yīng)急事故排風(fēng)軟管，提升房間換氣效果。

2.2 材質(zhì)選型

在事故排風(fēng)狀態(tài)下， 事故風(fēng)機(jī)風(fēng)管抽取的風(fēng)中除了有環(huán)境中氣化和正在氣化的氯氣，還有空氣，通常狀態(tài)下，水的含量不超過0.03%?？紤]到水與氯會(huì)反應(yīng)生成鹽酸和次氯酸，有強(qiáng)腐蝕性，行業(yè)選型比較傾向于性價(jià)比頗高的難燃有機(jī)玻璃鋼的管道、彎頭、三通等材質(zhì)， 選用同等材質(zhì)， 為了進(jìn)一步加強(qiáng)其強(qiáng)度，行業(yè)內(nèi)通常選用FRP/PVC 加強(qiáng)管道。 在強(qiáng)度上比FRP 更高，耐腐蝕上比PVC 性能更好。

風(fēng)口采用單層百葉風(fēng)口， 材質(zhì)通常選型為鋁合金材質(zhì)，也可以選擇玻璃鋼等材質(zhì)，吸風(fēng)罩采用UPVC 材質(zhì)，非金屬軟管采用U-PVC 鋼絲風(fēng)管。

2.3 風(fēng)管風(fēng)量設(shè)計(jì)原則

事故排風(fēng)是按照最大泄漏單元進(jìn)行的核算，以本項(xiàng)目為例，罐區(qū)的事故排風(fēng)量最大，主風(fēng)管按照液氯罐區(qū)的風(fēng)量進(jìn)行設(shè)計(jì)。 其他區(qū)域的風(fēng)管按照其風(fēng)量進(jìn)行設(shè)計(jì)后作為分支接入主管， 主管管徑不做調(diào)整。

2.4 風(fēng)管管徑的選型（見表9）

表9 風(fēng)管管徑的選型

風(fēng)管風(fēng)速以10～15 m/s 為設(shè)計(jì)依據(jù)， 依據(jù)風(fēng)量核算風(fēng)管直徑， 核算出的風(fēng)管直徑通常會(huì)偏離公稱直徑，需要對風(fēng)管直徑進(jìn)行二次選型，確保排風(fēng)管道內(nèi)風(fēng)速滿足10～15 m/s。

關(guān)鍵故障：故障一旦發(fā)生將導(dǎo)致元?jiǎng)幼鲉卧?，以致系統(tǒng)功能受到較大影響，經(jīng)濟(jì)損失巨大，處理不當(dāng)甚至?xí){到相關(guān)人員的生命安全。

2.5 吸風(fēng)口的匹配

吸風(fēng)口的設(shè)計(jì)按照各區(qū)域的風(fēng)量進(jìn)行合理分配，吸入口的面積符合《石油化工手冊》和《空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)選型手冊要求》按照規(guī)范要求進(jìn)行選擇，各個(gè)吸風(fēng)口根據(jù)風(fēng)量進(jìn)行匹配。

2.6 風(fēng)系統(tǒng)的止逆及防串味

因風(fēng)機(jī)在事故狀態(tài)時(shí)才開啟，各區(qū)域的風(fēng)管相互串聯(lián)，形成了完整的風(fēng)系統(tǒng)，存在一個(gè)風(fēng)口有輕微泄漏時(shí)，泄漏的氯氣和環(huán)境氯氣會(huì)通過風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)在其他風(fēng)口， 造成其他區(qū)域的操作環(huán)境變差，為了能保證其他區(qū)域的環(huán)境安全，在吸風(fēng)口管線或各單元的吸風(fēng)口主管上加設(shè)止逆閥來控制風(fēng)系統(tǒng)，防止串氣。

按照GB50016 要求，穿越防火墻的風(fēng)管要加設(shè)70 ℃常開防火閥，用于事故狀態(tài)下阻斷不同防火分區(qū)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)也可以在各個(gè)區(qū)域分別加設(shè)切斷閥，實(shí)現(xiàn)分離。

2.7 煙囪選型（見表10）

表10 煙囪的選型

按照氣速不小于15 m/s 目前煙氣排放要求，核算出的風(fēng)管直徑通常會(huì)偏離公稱直徑， 需要對風(fēng)管直徑進(jìn)行二次選型， 確保排風(fēng)管道內(nèi)風(fēng)速滿足10～15 m/s。

2.8 風(fēng)壓設(shè)計(jì)

管道壓損可以根據(jù)管道規(guī)格、 彎頭數(shù)量和管道直管段長度以及風(fēng)速等綜合因素對管道內(nèi)的風(fēng)阻進(jìn)行核算， 通過相關(guān)軟件做風(fēng)管設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)有對應(yīng)的每米壓損。

設(shè)備壓損則根據(jù)塔的內(nèi)徑、流速、填料等參數(shù)造成的壓損進(jìn)行工藝核算。 常規(guī)散堆填料塔的壓損通常不會(huì)大于1 000 Pa。

管道壓損和設(shè)備壓損核算完成后進(jìn)一步結(jié)合泄漏等因素對系統(tǒng)風(fēng)壓進(jìn)行選型。

3 設(shè)備選型

3.1 事故風(fēng)機(jī)選型

3.2 塔內(nèi)徑核算

結(jié)合事故風(fēng)機(jī)風(fēng)量， 按照空塔氣速1.0～1.5 m/s的流速進(jìn)行工藝計(jì)算， 一級吸收塔的直徑選擇在2.65～3.25 m，一級吸收塔選擇2.8 m，則對用的塔內(nèi)氣速為1.33 m/s。滿足空塔氣速1.0～1.5 m/s 的要求。

3.3 堿液的需求量

按照GBT31856-2015 《廢氯氣處理處置規(guī)范》中規(guī)定處理用稀堿液的濃度為15%～20%。

通常情況下按照化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行質(zhì)量計(jì)算， 按照液氯的最大泄漏量進(jìn)行計(jì)算事故泄放液氯量為145 115 kg/h；20%液堿質(zhì)量流量為817 549 kg/h；20%液堿密度為1 220 kg/m3；20%液堿體積流量為670 m3/h。 即20%液堿體積流量瞬間最少需求量為670 m3/h。

按照最大泄漏量計(jì)算， 安全閥泄放氣量為57 000 kg/次；20%液堿質(zhì)量流量為321 127 kg/次；20%液堿密度為1 220 kg/m3；20%液堿體積流量為263 m3/次。即按照單次最大泄漏量計(jì)算，20%液堿體積流量瞬間最少需求量為263 m3/h。

3.4 泵循環(huán)量的選擇

通過ASPEN 等軟件，結(jié)合尾氣的排放濃度要求進(jìn)行選型，通常計(jì)算的數(shù)據(jù)會(huì)是數(shù)倍的液堿需求量。

可以按照一級吸收效率90%，二級吸收10%進(jìn)行工藝核算，也可以按照一級吸收60%，二級吸收40%進(jìn)行工藝核算等多種核算模式。

3.5 換熱器的選擇

出于成本的考慮，使用單位會(huì)優(yōu)先淘汰板式換熱器，選擇石墨換熱器，按照氯氣與堿液的反應(yīng)焓值核算出放熱量和溫差的變化， 核算出換熱面積后，按照一定的比例考慮余量，最終完成設(shè)備的選型。

3.6 二吸塔的選型

因一吸塔已經(jīng)吸收了較大部分的氯氣， 尾氣中氯氣的含量降低，進(jìn)入二吸塔的尾氣會(huì)大幅下降，需要結(jié)合吸收方案重新核算二吸塔的塔徑。 即滿足空塔氣速1.0～1.5 m/s 的要求。

二吸塔對應(yīng)的泵的循環(huán)量和換熱器的換熱面積參考一吸塔的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行選型。

4 自動(dòng)化控制

（1）液堿濃度配比。 分別在補(bǔ)水、補(bǔ)堿液管線上采用調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)，以補(bǔ)堿流量為依據(jù)，設(shè)定補(bǔ)水的聯(lián)鎖值，可以在管道上加設(shè)靜態(tài)混合器，待混合后進(jìn)入堿液罐或相關(guān)塔。

（2）補(bǔ)堿的過程中，當(dāng)堿液達(dá)到高高時(shí)關(guān)閉堿液和水的進(jìn)料切斷閥，防止溢流。

（3）在邏輯上進(jìn)行設(shè)計(jì)，泵和風(fēng)機(jī)均為1 用1備，報(bào)警信號到達(dá)風(fēng)機(jī)和泵后， 泵先開啟實(shí)現(xiàn)全循環(huán)一定的秒數(shù)后，風(fēng)機(jī)開啟，保障有效的噴淋效果，也可以泵與風(fēng)機(jī)同步開啟。

（4）風(fēng)機(jī)頻率與對應(yīng)的報(bào)警點(diǎn)聯(lián)鎖，若封閉卸車區(qū)的報(bào)警器報(bào)警，對應(yīng)的閥門開啟，風(fēng)機(jī)開啟至對應(yīng)頻率，保證風(fēng)量與該區(qū)域的事故排風(fēng)量一致。

若液氯庫的報(bào)警器報(bào)警， 液氯庫區(qū)對應(yīng)的閥門開啟，風(fēng)機(jī)全開，保證事故排風(fēng)。

（5）風(fēng)壓變頻聯(lián)鎖。風(fēng)機(jī)與有毒氣體報(bào)警儀聯(lián)鎖后，待對應(yīng)報(bào)警區(qū)域的室內(nèi)壓力低于室外壓力10 Pa時(shí)，風(fēng)機(jī)與室內(nèi)外差壓進(jìn)行聯(lián)鎖。

（6）尾吸塔及相關(guān)設(shè)備中設(shè)置了電導(dǎo)率儀或氧化還原電位儀表， 通過電導(dǎo)率等儀表來測定對應(yīng)的堿液濃度，一吸塔堿液濃度較低時(shí)輸入界外，由二吸塔向一吸塔中補(bǔ)入堿液， 并由界外或液堿罐向二吸塔中補(bǔ)充堿液，保證二吸塔中堿液濃度高于一吸塔。補(bǔ)堿的過程中， 當(dāng)堿液達(dá)到高高時(shí)關(guān)閉堿液和水的進(jìn)料切斷閥，防止溢流。

5 結(jié)語

綜上所述，通過工藝核算排放量，完成塔、換熱器的計(jì)算， 通過工藝模擬進(jìn)一步核算出循環(huán)泵的參數(shù)數(shù)據(jù)。通過工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的排風(fēng)，保障工作環(huán)境的安全。