防城港电厂脱硝工程液氨储罐发生爆炸、中毒事故后果模拟分析

梁清荃

【摘 要】广西防城港电厂脱硝工程采用选择性催化还原脱硝工艺（SCR），设置2台1103的液氨储罐，文章采用爆炸、中毒模型，对液氨储罐发生爆炸事故和泄漏引发中毒伤害后果进行模拟计算，估算影响范围，为企业采取相应的安全措施和应急预案的建立提供参考依据。

【关键词】脱硝工程；液氨；爆炸；泄漏；中毒；影响范围；防城港电厂

0.引言

广西防城港电厂位于防城港市港口区企沙镇西面约8km暗埠江口东岸赤沙村西南侧浅海滩涂，地处企沙临海工业区企沙片区，与防城港市区隔海相望，工程规划容量2520MW，并留有扩建余地。工程2×600MW超临界燃煤机组于2005年5月29日开工建设，两台机组分别于2007年9月、2008年1月投产发电。根据《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）要求，对防城港电厂进行脱硝技术改造。脱硝工程采用选择性催化还原脱硝工艺（SCR），设置2台1103的液氨储罐，根据《危险化学品名录》（国家安全生产监督管理总局公告2003年第1号）的分类，液氨属于第2.3类液化有毒气体且易燃，一旦发生储罐爆炸、泄漏事故，将危及企业内部职工以及周边居民生命安全，下面采用爆炸、中毒模型，对液氨储罐发生爆炸事故和液氨储罐泄漏引发中毒伤害后果进行模拟分析、预测。

1.脱硝工艺概述

防城港电厂烟气脱硝系统主要包括脱硝装置、锅炉预热器改造及相关的电气、热工控制等，采用液氨作为脱硝还原剂，采取选择性催化还原（SCR）法来达到去除烟气中NOX的目的。脱硝装置入口NOx浓度≤400mg/Nm3，脱硝效率80%，实施脱硝技改后，氮氧化物排放浓度小于100mg/Nm3，满足《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）。SCR反应器采用高含尘布置（即反应器布置在锅炉省煤器与空预器之间），本体内装有蜂窝状催化剂。

烟气在锅炉省煤器出口处被平均分为两路，每路烟气并行进入一个垂直布置的SCR反应器里，即每台锅炉配有2个反应器，烟气经过均流器后进入催化剂层，然后进入空气预热器、电除尘器、吸风机和脱硫装置后，排入烟囱。在进入烟气催化剂前设有氨注入的系统，烟气与氨气充分混合后进入催化剂发生反应，脱去NOx。

SCR脱硝工艺主要的化学方程式如下：

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O

2.液氨储罐爆炸事故后果模拟分析与预测

液氨的危险特性为易燃，有毒，具有刺激性，对环境有严重危害。与空气混合能形成爆炸性混合物。遇明火、高热可能引起燃烧爆炸。引燃温度（℃）：651；爆炸下限%（V/V）：15.7；爆炸上限%（V/V）：27.4；最大爆炸压力（MPa）：0.580。

2.1 计算

脱硝工程设置有2台1103的液氨储罐，从事故概率分析，2台储罐同时发生爆炸的可能性较小，因此，以下仅就其中1台1103液氨储罐发生爆炸造成的损害进行计算。

2.1.1爆炸能量

液氨储罐中饱和液氨占有容器介质质量的绝大部分，它的爆破能量比饱和气体大得多，一般计算时考虑气体膨胀做的功。爆破能量可按下式计算：

E=[（H1-H2）-（S1-S2）T1]W

式中 E——过热状态液体爆炸能量，kJ；

H1——爆炸前饱和液体的焓，kJ/kg。H1取639.01kJ/kg；

H2——在大气压力下饱和液体的焓，kJ/kg。H2取364.76kJ/kg；

S1——爆炸前饱和液体的熵，kJ/（kg·℃）。S1取2.4786kJ/kg·K；

S2——在大气压力下饱和液体的熵，kJ/（kg·℃）。S2取1.4775kJ/kg·K；

T1——介质在大气压力下的沸点，kJ/（kg·℃）。T1=273.15-33.5=239.65K；

W——饱和液体的质量，kg。W=ρV=680×110×0.85=63580kg

则：E=[（639.01-364.76）-（2.4786-1.4775）*239.65]*63580=2183337.2kJ

即：单台110m3液氨储罐发生爆炸的爆破总能量为2183337.2kJ；

2.1.2将爆破能量E换算成TNT当量q

q=E/qTNT

式中 q——TNT当量；

qTNT——lkg TNT爆炸所放出的爆破能量为4230～483610/kg，一般取平均爆破能量为4500kJ/kg。

则：q=E/qTNT=E/4500=2183337.2/4500=485.19kg

即：单台110m3液氨储罐发生爆炸的TNT当量为485.19kg；

2.1.3求出爆炸的模拟比α

α=0.1q1/3=0.1*485.191/3=0.792.

1.4计算冲击波的超压及相应的伤害、破坏半径

压力容器爆炸时，爆破能量在向外释放时以冲击波能量、碎片能量和容器残余变形能量3种形式表现出来。后两者所消耗的能量只占总爆破能量的3%～15%，也就是说大部分能量是产生空气冲击波。多数情况下，冲击波的伤害、破坏作用是由超压引起的，只要冲击波超压达到一定值，便会对目标造成一定的伤害或破坏。冲击波超压对人体的伤害和对建筑物的破坏作用见表1、表2。

由爆炸实验数据表明，不同数量的同类炸药发生爆炸时，如果R与Ro之比与q与qo之比的三次方相等，则产生的冲击波超压相同，用公式表示如下：

根据表3提供的1000kg TNT炸药在空气中爆炸时相当距离R0和对应所产生的冲击波超压△P0，用插入法计算出1000kg TNT爆炸冲击波超压特征值△P0所对应的距离R0，并通过R=R0×α计算出R，计算结果见表4。

2.2 计算分析

由计算结果（表5）可知，一旦110m3液氨储罐发生爆炸，距爆炸中心18m范围内的大部分人员死亡，建筑物钢筋混凝土破坏、房屋倒塌；距爆炸中心25.7m范围内的人员内脏严重损伤或死亡，厂房房柱折断，砖墙倒塌；距爆炸中心33.58m范围内的人员听觉器官损伤或骨折，建筑物墙体出现大裂缝、屋瓦掉下；距爆炸中心44.24m范围内人员轻微损伤、墙体出现裂缝；距爆炸中心53.7m范围内建筑物窗框损坏。

3.液氨储罐泄漏引发中毒事故后果模拟分析与预测

液氨储罐泄漏后会生成有毒蒸气云，它在空气中漂移、扩散，直接影响现场人员，并可能波及居民区。液氨在容器破裂时会发生蒸气爆炸。爆炸后如不燃烧，便会造成大面积的毒害区域。根据中毒模型，对本工程液氨储罐破裂造成的毒害区估算。

3.1 计算

设液氨氧化质量为W（单位：kg），容器破裂前器内介质温度为t（单位：℃），液体介质比热为C[单位：kJ/（kg·℃）]。当容器破裂时，器内压力降至大气压，处于过热状态的液化气温度迅速降至标准沸点t0（单位：℃），此时全部液体放出的热量为：

设这些热量全部用于器内液体的蒸发，如它的汽化热为q（单位：kJ/kg），其蒸发量：

如介质的分子量为M，则在沸点下蒸发蒸气的体积Vg（单位：m3）为：

假设在静风条件下，氨气初始云团按半球状在地面释放，则可求出氨气扩散后浓度所对应的半径为：

将表中的浓度划分为4个等级：（1）30mg/m3为STEL（短时间接触容许浓度）；（2）140mg/m3为眼和呼吸道不适（轻度危害）；（3）700mg/m3为可以引起咳嗽、有强烈刺激作用（中度危害）；（4）1750mg/m3为可以引起立即死亡（重度危害）。

3.2 计算分析

经过模拟计算可知，如果液氨储罐发生泄漏，当这些有毒氨气以半球形向地面扩散时，以泄漏点为中心扩散半径在162m的区域内，人员立即死亡；以泄漏点为中心扩散半径在162～220m的区域内，人立即咳嗽、有强烈刺激作用；以泄漏点为中心扩散半径在220～376m的区域内，人眼和呼吸道不适；以泄漏点为中心扩散半径在628m的区域，为短时间接触容许浓度。以上事故后果模拟为理想状态下后果情况，储罐受温度、风向、风速等大气环境影响会影响扩散速度以及伤亡情况。

4.液氨储罐爆炸、中毒事故后果模拟结果综合分析

根据爆炸事故后果模拟分析和中毒事故后果模拟分析结果可知，在发生液氨储罐爆炸时，距爆炸中心18m范围内的大部分人员死亡；在发生液氨储罐泄漏时，距泄漏中心154m范围内的人立即死亡。

以上计算仅为l台液氨储罐发生爆炸、中毒事故的后果模拟分析，而忽略了1台液氨储罐发生爆炸时，其产生的爆破碎片和冲击波超压可导致其他储罐的损坏而发生连锁爆炸，从而造成事故后果的进一步扩大。

5.安全对策措施

为预防事故发生或减少事故发生后造成的损失，防城港电厂脱硝工程液氨储罐区应采取以下安全对策措施。

5.1安全技术对策措施

（1）液氨罐区罐体之间的防火距离、罐区与周边建构筑物的防火距离以及罐区与厂外周边环境的距离应满足《石油化工企业设计防火规范》（GB50160-2008）的要求。

（2）液氨储罐区地坪宜低于周围道路标高。液氨储罐区宜设环形消防道路，场地困难时，可设尽头式道路，但应设回转场地，并符合《火力发电厂与变电站设计防火规范》（GB50229-2006）的规定。

（3）液氨储罐设置防止阳光直射的遮阳棚，遮阳棚的结构应避免形成可集聚气体的死角。

（4）液氨储罐区应采用敞开式。液氨储罐区建筑物的地面应耐酸碱。在液氨储罐区防爆区域内，应采用防爆设计，液氨储罐区围栏和装饰材料应满足耐火极限要求。

（5）液氨储罐区内场地应设水冲洗装置，在低处设截水沟集中排至废水坑。

（6）液氨储罐区内电气柜小室电缆进线沟应进行隔离处理，防止泄露的氨气进入电气柜小室。

（7）液氨储罐区应安装氨气泄漏检测报警装置、防雷、防静电装置、相应的消防设施、储罐安全附件、急救设施设备和泄漏应急处理设备等，并定期检查，保持其有效状态。

（8）在液氨储罐区设置围栏及危险警示标志，禁止无关人员进入；设置风向标，供现场人员辨识，确保疏散安全。

（9）在液氨储罐区、管道和氨气可能泄漏区域（如输送管道系统等）设置水喷雾系统，喷雾水泵应具备双路电源供电；同时应考虑在液氨储罐周围设置围堰，以防止吸收氨气后的污水四处流溢。

（10）液氨储存与供应区域应设置完善的消防系统、洗眼器及防毒面罩等。

5.2 安全管理对策措施

（1）本工程液氨储罐已构成三级危险化学品重大危险源。应按相关规定进行评估、备案、管理和监控。

（2）将液氨储罐纳入电厂重大危险源管理范畴，修订并完善现有的重大危险源安全管理制度、操作规程以及重大危险源事故应急预案等，按需增设必要的防护设施及应急设施。

（3）为液氨储罐配备必要的温度、压力、液位、流量、组份等信息的不间断采集和监测系统，该系统应具备信息远传、连续记录、事故预警、信息存储等功能以及紧急停车功能。

（4）定期对重大危险源的安全设施和安全监测监控系统进行检测、检验，并进行经常性维护、保养，保证安全设施和安全监测监控系统有效、可靠运行。维护、保养、检测应当作好记录，并由有关人员签字。

（5）对重大危险源的管理和操作岗位人员进行安全操作技能培训。

（6）设置明显的安全警示标志，写明紧急情况下的应急处置办法。

（7）电厂应当制定相应的液氨储罐爆炸、泄漏事故应急预案演练计划，每年至少组织一次综合应急预案演练或者专项应急预案演练，每半年至少组织一次现场处置方案演练。应急预案演练结束后，应急预案演练组织单位应当对应急预案演练效果进行评估，撰写应急预案演练评估报告，分析存在的问题，并对应急预案提出修订意见。

【参考文献】

[1]张海峰.危险化学品安全技术全书（第二版）[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2]陈冠荣，等.化工百科全书（第六册）[M].北京：化学工业出版社，1994.

[3]赵铁锤，杨富，等.危险化学品安全评价[M].北京：中国石化出版社，2003.

[4]HJ562-2010，火电厂烟气脱硝工程技术规范选择性催化还原法[S].

[5]DL5000-2000，火力发电厂设计技术规程[S].

[6]DL5053-1996，火力发电厂劳动安全和工业卫生设计规程[S].

[7]GB50160-2008，石油化工企业设计防火规范[S].

[8]GB50229-2006，火力发电厂与变电站设计防火规范[S].