液氨泄漏事故的污染扩散模拟研究

刘新星，刘忠熳

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

液氨泄漏事故的污染扩散模拟研究

刘新星，刘忠熳

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

氨气通常采用常温高压或低温加压的方式液化储存，而液氨具有特殊毒性和影响，为了了解液氨泄漏扩散时的范围和影响。文章通过某案例的背景资料利用高斯烟雨模型对液氨连续泄漏源进行建模，利用MATLAB数学软件对模型进行模拟，定量分析液氨泄漏扩散全过程。经计算可得，对于假定发生的泄漏事故，重伤半径为53 m，刺激半径为200 m，以车间最高允许浓度(MAC)为毒性终点，该液氨泄漏事故的影响距离为278 m，这对液氨的泄漏及扩散制定及时有效的防灾对策，减少人员伤亡和降低环境污染的危害具有重要的现实意义。

液氨；泄漏扩散；高斯烟羽模型；MATLAB

0 引 言

氨是一种重要的化工原料，为运输及储存便利，通常将常温常压条件下呈气体状态的氨通过加压或冷却变成液体状态的氨(即液氨)。液氨在工业上应用广泛，可起杀菌和降温制冷作用。

由于液氨易燃，有毒，且具有刺激性，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸，与氟、氯等接触会发生剧烈的化学反应，若遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险，所以其化学事故的发生率较高[1]。

因此从理论上研究液氨泄漏扩散机理，预测其扩散范围，在工业企业选址、总平面布置和事故应急救援工作中具有重要意义。

有毒有害气体发生泄漏扩散以至造成危害一般分为2个步骤：

1)第一步是泄漏过程。

2)第二步为扩散过程，下面分别讨论。

1 液氨泄漏扩散过程分析

液氨泄漏扩散过程从2个方面进行分析：

如何实现人体组织的修复或者再生一直以来都是医学领域的热门研究方向，口腔医学界也毫无例外。近年来，关于口腔组织的修复或再生无论在细胞实验、动物实验以及临床运用上都取得了令人惊喜的成果。1998年富血小板血浆(platelet-rich plasma，PRP)第一次从人的血液中被成功提取，由于PRP制备过程复杂，需要添加外来生物制剂，存在伦理学和免疫排斥，PRP的使用受到了限制[1]。

1.1 液化气体泄漏机理

液氨泄漏的方式有多种，主要是瞬时泄漏和连续泄漏。储罐的破裂、瞬时间冲料导致的事故泄漏，压力容器的安全阀非正常情况下启动，放空阀门瞬间地错误开启等都会造成液氨的瞬时泄漏，此类泄漏的特点是泄漏量大，泄漏时间短。

液化气体连续泄漏是指液化气体连续不间断的向外泄漏。这种类型的特点是泄漏时间较长，泄漏量较小的特点[2]。

气体或蒸汽经小孔泄漏，因压力降低而膨胀，该过程可视为绝热过程。假设气体符合理想气体状态方程，则根据柏努利方程可推导出如下的气体泄漏公式：

(1)

式中：Q为泄漏质量流量，kg/s；Cdg为泄漏系数，裂口为圆形时取1.00，三角形时取0.95，长方形时取0.90；A为泄漏口面积，m2；P为容器内气体压力，Pa；k为绝热指数(等压比热容与等容比热容的比值)；M为气体的分子量，kg/mL；R为气体常数，一般取8.314J/(mol·K)；T为气体绝对温度，K。

几种常见的罐装气体具体的绝热指数和临界压力见表1[3]。

表1 常见气体的绝热指数和临界压力

1.2 扩散模型的建立

因为氨气的密度小于空气的密度，属于非重气扩散，因此采用高斯烟羽扩散模型来计算其泄漏后的浓度。由于本文中所选取企业的液氨储罐放置在地面上，因此储罐泄漏为地面点源，预测高度为人群呼吸带大气层，Z=1.4 m，其(Z2/2δZ2)之值相对很小，可以忽略，故地面点源的扩散模式为[4]：

(2)

2 案例分析

2.1 实例情况概述

研究案例为某化工企业内，一个液氨储罐发生连续性泄漏，泄漏口近似为半径为20 mm的圆形，泄漏源的基本参数如下表，该企业所属城市位于北纬39度，东经117°的某市，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温12.6 ℃，全年风向以西、北向居多，春季多风少雨，夏季高温多雨，秋季冷暖适宜，冬季雨雪稀少。假设发生液氨储罐泄漏时间为3月18日下午4时，天气睛，有少许云，观测时间选择下午四时，风速为2.225 m/s。

表2 泄漏源的基本参数

2.2 泄漏量的计算

液氨储罐泄漏事故的泄漏口近似为半径为20 mm的圆形，因此泄露的面积即为0.00126 m2。液氨储罐的内装压力为1.8 MPa，泄漏时的温度为年平均气温16 ℃，将相关数据代入式(2)，经计算液氨的泄漏量：

(3)

2.3 扩散系数的估算

太阳高度角θh、的计算具体如下所示：

θh=arcsin[sinφsinδ+cosφcosδcos
(15t+λ-300)]=arcsin[sin39sin(-2)+cos
39cos(-2)cos(15×15+117-300)]=33.73

(4)

通过查阅该地区的气象资料可知，3月中旬下午3时天空云量大约为5/4，结合求得的太阳高度角，根据太阳辐射等级表，便可确定太阳辐射等级为+1。然后再根据假设的地面风速为2.225 m/s，由大气稳定度等级表可知，大气稳定度为C。

表3 大气稳定度等级

2.4 液氨扩散范围预测

将σy、σz的表达式，人群呼吸带大气层高度的风速、不同时间的泄漏量代入公式(4)，利用MAILAB数学软件对模型进行模拟计算，得到氨气扩散的等浓度曲线图，简明直观地反映了氨气扩散的伤害纵深和伤害范围，如图1所示。

根据模拟结果得到下风向距泄漏点分别为25 m、50 m、75 m、100 m、125 m、150 m、175 m、200 m、250 m、300 m、350 m、400 m及450 m距离时氨气的浓度，以及氨气浓度分别为350 mg/m3和30 mg/m3时与泄漏点之间的距离，如表4所示。

图1 氨气扩散等浓度曲线图(0～450m)

表4 氨气浓度和与泄漏点之间距离的关系

为了更直观的观察氨气浓度随与泄露点之间距离变化的规律，将表4中的数据以图形的形式表示出来，具体见图2。

图2 氨气浓度与泄露点之间距离(0～450m)的变化示意图

2.5 结果分析与讨论

从图1可以看出氨扩散在地面形成的等浓度线表现为蒲扇型，下风侧离原点远的地方Y轴上宽度越大，表明X轴方向受风力影响扩散速度大于Y轴方面氨气本身在空气中的传递速度，风有利氨的扩散。

由图1、2可知，氨气浓度随着与泄露点距离的不断增加而降低，但在与泄露点相距较近的地点浓度的变化明显，随着与泄露点距离的增大，因氨气浓度也较小，氨气浓度的变化也随着变得很小。

根据表4的相关数据可知，在距泄漏点为278 m的范围内，氨气的浓度>30 mg/m3，即超过车间最高允许浓度(MAC)，若工作人员在此范围内长期工作，会对人体造成严重伤害。在距泄漏点为200 m的范围内，氨气的浓度>50 mg/m3，处于该范围内会有明显的刺激性气味，对呼吸器官造成危害，故此液氨泄漏事故所造成的刺激半径为200 m；若处于距泄漏点为53 m的范围内，氨气的浓度>350 mg/m3，作业人员在该环境中30～60 min如果不采取防护措施，人体健康极有可能受到严重伤害，故该事故的重伤半径为53 m。

综上所述，液氨泄漏事故对其周围的作业人员以及居民的人身安全造成了极大地威胁，对周围环境的影响也是极大的，企业应加强监控和制定相应的事故应急处理措施，控制液氨泄漏扩散事故的发生发展，以减少人员伤害和对厂区周围环境的危害。

3 结 论

有毒有害气体的泄露对大气环境质量有直接的影响，同时也直接影响了周围居民的身体健康及生活。但由于高成本和相关实验的难度，对污染物浓度进行准确的动态分时空监测不是十分可行，因此大气污染物扩散模式被广泛地用来模拟预测有毒有害气体的扩散分布以及危害区域。

本文基于高斯烟羽模型对液氨连续性泄漏扩散进行建模，利用MATLAB数学软件对模型进行数值模拟，计算液氨的泄漏扩散趋势。该研究具有一定的实用性，其计算结果可为事故现场救援人员在确定事故中毒危险区域以及作业人员疏散范围时提供一定的参考依据。

[1]平措，尤学一.大气污染扩散长期模型的应用研究[D].天津：天津大学，2006.

[2]罗艾民，师立晨，多英全，等.液氨泄漏事故模式比较研究[J].中国安全生产科学技术，2007(03):21-24.

[3]张建平.液氯泄漏事件的环境安全防护距离与监测布点方法[J].中国环境监测，2008,24(01)：5-6.

[4]谷清，李云生.大气环境模式计算方法[M].北京:气象出版社，2002：39-42.

[5]迟妍妍,张惠远.大气污染物扩散模式的应用研究综述[J].环境污染与治,2007,29(05):376-381.

1007-7596(2014)12-0034-03

2014-06-09

刘新星(1986-)，女，黑龙江安达人，助理工程师；刘忠熳(1973-)，女，黑龙江桦南人，高级工程师。

X932

B