焦炉煤气柜重大危险源评估技术方法及实例分析

赵 勇

(四川劳研科技有限公司，四川 攀枝花 617023)

·治理技术·

焦炉煤气柜重大危险源评估技术方法及实例分析

赵 勇

(四川劳研科技有限公司，四川 攀枝花 617023)

以《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》为依据，通过实例对某15万m3焦炉煤气柜进行了危险化学品重大危险源辨识并分析其存在的危险有害因素，同时运用危险度分析、有毒物质泄漏扩散事故模拟分析、蒸汽云爆炸事故模拟分析等多种安全评价技术方法定性和定量描述煤气泄漏、爆炸事故发生的可能性及其危害程度，从而实现了危险化学品重大危险源定量风险评估的目标。

焦炉煤气柜; 重大危险源; 有毒物质泄漏扩散; 蒸汽云爆炸

随着经济快速发展和技术水平的不断提升，大容量干式煤气柜由于具有占地小、工作重量轻、工作压力稳定、没有大量污水排放、使用年限长等优势，在冶金、石化等行业得到越来越多的应用。这类储柜由于储存量大且储存介质易燃易爆有毒，一旦发生火灾爆炸等事故后果十分严重。因此，如何针对大型煤气柜的火灾爆炸危险性，寻求合适的方法开展安全评价，定量分析其事故发生的可能性和危害程度，显得十分必要[1]。

由于煤气柜重大危险源定量风险评估技术复杂，评价方法多样，见表1。为提高定量风险评估技术的可操作性，本文在全面分析 “安监总局令第40号”规定的基础上，以某钢铁企业焦炉15万m3煤气柜危险化学品重大危险源评估为例，研究确定了危险源分级、危险度分析、有毒物质泄漏扩散事故模拟分析、蒸汽云爆炸事故模拟分析等多种定量评价方法和实施途径，建立了实用性较强的危险化学品重大危险源定量风险评估技术方案。

1 焦炉煤气柜概况

某钢铁企业15万m3焦炉煤气柜为圆简稀油密封型煤气柜。其柜体与密封结构的主要特点为圆简型的筒体，桁架式锥形柜顶，桁架式平面活塞，采用可靠的稀油密封，密封部件为补强丁睛橡胶，配重压紧。

该煤气柜的外形是圆简形的焊接筒体，外壳由等距离的立柱和侧板围成，顶部换气，周围全密封，内部装一个罩形活塞，随着煤气出入量的多少，活塞上下沉浮，以达到平衡煤气用量之目的。活塞采用稀油密封，即在活塞外围设有活塞油沟，油沟内装液体密封油，通过保持油沟内一定的油位高度产生的净压力来达到封存煤气柜内的煤气。密封油在活塞油沟中通过柜体侧板与密封滑板之间的极微小的间隙沿侧板内壁缓缓流下，汇聚于煤气柜的底部油沟中，通过连接管道流入油泵站之油箱，经油水分离后，将脱水后的密封油用油泵打上柜顶的预备油箱中，然后经油箱的溢流孔流出，沿侧板内壁补充于活塞油沟内，依此密封油就按一定的周期循环运转，达到密封效果。焦炉煤气柜主要设计参数见表2。

表1 定量风险评估技术方法比较Tab.1 Comparison of quantitative analysis methods of risk assessment

表2 15万m3焦炉煤气柜主要设计参数Tab.2 Main design parameters of 150 000 cubic meters of coke oven gas tank main design parameters

2 重大危险源源辨识

重大危险源是指长期或临时的生产、加工、使用或贮存危险物质，且危险物质的数量等于或超过临界量的单元[2]。这类单元一旦发生事故，将造成重多人员伤亡和重大财产损失。

15万m3焦炉煤气柜焦炉煤气最大储量为14.2万m3，气体密度约为0.48kg/m3，折算后最大储量约为68.16t，远大于其20t的临界量，构成重大危险源。

R=2×(2×68.16/20)=13.632

15万m3焦炉煤气柜危险化学品重大危险源辨识结果见表3。

表3 重大危险源辨识结果汇总表Tab.3 Summary of major dangerous sources identification results

3 危险有害因素辨识

15万m3焦炉煤气柜主要承担煤气输送和缓冲平衡任务，整个生产工艺过程中，存在“易燃、易爆、易中毒”的危险，一旦在生产过程中发生泄漏，易导致作业人员中毒；遇火源会引发燃烧；与空气混合达到爆炸极限，遇到激发能源，会导致爆炸事故产生，造成严重的人员伤害，影响煤气供出、停产、损坏设备；夏季柜体内作业由于空气不畅或煤气、氮气泄漏易造成作业人员中暑、中毒和窒息。

煤气柜主要的危险有害因素辨识如下：

(1)火灾爆炸

煤气柜内爆炸性物质为煤气。煤气属易燃易爆物质，爆炸下限低，爆炸极限范围大，以煤气为例爆炸极限范围可达4.5%～40%，能与泄漏处周围空气接触而形成爆炸性混合物，构成气体爆炸危险场所，在此环境中，如果存在或发生足以点燃爆炸性混合物的火源、高热、静电火花及其它激发能源，将会发生爆炸事故，导致人身伤亡和设备、设施受损的严重后果。

煤气在输出入过程中，如管道、阀门、阀兰、排水器等发生泄漏遇明火以及激发能源而导致火灾、爆炸危险。

(2)高处坠落

煤气柜柜体设置多层平台，存在立体作业，作业人员在进行一些高处设备、设施的巡视、检修等作业时，若作业场所的扶梯、平台、围栏等附属设施不够、不牢、腐蚀、检修后未及时恢复其防护设施或踩滑，就有可能发生高处坠落等伤害事故。

(3)中毒窒息

在作业过程中如果发生煤气柜及管道、阀门、阀兰等煤气泄漏或作业人员操作失误，可能引起作业人员中毒或职业病的危害。

煤气设施检修时使用氮气吹扫如使用操作不当(置换不彻底或未进行有害气体含量分析)及管道、阀门、阀兰等泄漏均可造成作业人员窒息。

(4)雷击

雷电是一种自燃放电的现象，雷击在建、构筑物、线路、电力设备等物体间，可产生雷电过电压，导致雷击。焦炉煤气柜总高100m，在避雷设施失效、无避雷设施及其它一些原因，可引起雷击事故。

4 重大危险源定性、定量风险评估技术

重大危险源定性、定量风险评估技术方法较多，目前国内普遍采用的有危险度评价法、Dow化学火灾、爆炸危险指数评价法、ICI/Mond火灾爆炸毒性指标评价法、有毒物质泄漏扩散事故模拟分析法和蒸汽云爆炸事故模拟分析法等。本文在上述实例分析的基础上，着重讨论和运用危险度评价、有毒物质泄漏扩散事故模拟分析和蒸汽云爆炸事故模拟分析等三种评价分析方法进行定量风险评估。

4.1 危险度分析

焦炉煤气主要成分氢气、一氧化碳爆炸下限(V%) ：4.5、4.1(爆炸下限<10%的气体，为甲类可燃气体)

温度：≦55℃

压力：6.3±0.2kPa

贮存物质状态：气态

贮罐数量：1个

最大贮存量：V=14.2万m3

操作：系统进入空气或不纯物质，可能发生的危险、操作,见表4。

表4 15万m3焦炉煤气储柜危险度评价表Tab.4 Dangerous degree assessment of 150 000 cubic meters of coke oven gas coffer

4.2 有毒物质泄漏扩散事故模拟分析

15万m3焦炉煤气柜为圆简稀油密封型煤气柜，主要用于有效回收剩余煤气，稳定煤气管网压力，提高煤气利用率。生产工艺过程中如柜体缺陷、材料疲劳、腐蚀、热应力、压应力、操作不当等原因有引发有毒物质泄漏扩散事故的可能，对周边环境造成不良影响，采用南京安元科技有限公司的安全评价与风险分析系统软件对其有毒物质泄漏扩散事故做如下模拟分析。

安全评价与风险分析系统软件(定量风险评价版)，是南京工业大学与南京安元科技有限公司总结了多位博士、硕士研究生多年来的研究成果，针对化工区域，精心研发的定量风险评价专用软件。该软件能对石油、化工等涉及危险化学品生产、储存的区域进行火灾、爆炸、泄漏等多种灾难事故的叠加风险分析与定量计算，充分满足不同用户的需求。软件包含的功能主要有：(1)重大危险源辨识与分级系统；(2)重大事故概率风险定量评价；(3)重大事故后果模拟分析；(4)区域定量风险评价[3]。

(1)焦炉煤气组成及其危险评价参数

焦炉煤气涉及到的主要危险有害物质有一氧化碳、氮气、氢气、甲烷、煤焦油等有害物质，其主要成分见表5。

表5 焦炉煤气主要成分Tab.5 Main ingredients of coke oven gas

(2)泄漏扩散模拟评价

假设煤气储柜发生瞬时泄漏时裂口面积为0.02m2，泄漏时间和扩散时间分别为300s的煤气泄漏到大气环境中，则其造成的影响范围如图1所示。

图1 泄漏面积0.02m2、泄漏时间300s时近地面有害物质浓度分布曲线Fig.1 Leakage area 0.02square meters、leakage time 300 seconds close to the ground harmful material concentration distribution curve

(1)泄漏模拟计算结果

泄漏速度=1.68 kg/s

气体流动情况分析：音速流动

(2)扩散模拟计算结果

下风向中毒危害距离=202.6m

下风向可燃爆距离=11.2m

横风向中毒危害距离=28.9m

横风向可燃爆距离=1.6 m

假设煤气储柜发生瞬时泄漏时开口面积为0.08m2，泄漏时间和扩散时间分别为600s的煤气泄漏到大气环境中，则其造成的影响范围如图2所示。

图2 泄漏面积0.08m2、泄漏时间600s时近地面有害物质浓度分布曲线Fig.2 Leakage area 0.08square meters、leakage time 600 seconds close to the ground harmful material concentration distribution curve

(1)泄漏模拟计算结果

泄漏速度=6.73 kg/s

气体流动情况分析：音速流动

(2)扩散模拟计算结果

下风向中毒危害距离=434.7m

下风向可燃爆距离=23.2m

横风向中毒危害距离=62.1m

横风向可燃爆距离=3.3m

4.3 蒸汽云爆炸事故模拟分析

假设15万m3焦炉煤气储柜发生蒸汽云爆炸事故，采用南京安元科技有限公司的安全评价与风险分析系统软件对其进行模拟分析，焦炉煤气柜蒸汽云爆炸事故模拟见图3。

图3 焦炉煤气柜蒸汽云爆炸事故模拟图Fig.3 Mimic diagram of vapor cloud explosion accident of coke oven gas tank

15万m3焦炉煤气储柜蒸汽云爆炸事故危害半径近似结果统计如表6。

表6 焦炉煤气柜蒸汽云爆炸事故危害半径近似计算结果Tab.6 Approximate calculation of hazardous radius of coke oven gas tank vapor cloud explosion

5 结 论

(1)危险化学品事故定量风险评估具有复杂的理论和计算体系，仅靠人工进行数据计算的困难较大，目前多借助于国际上公认的历史统计数据和计算机化数学模型来完成，但是对定量风险评估技术的理解和掌握是正确运用这些数据和模型，确保定量风险评估结果科学性、可靠性的基础。

(2)本文采用有毒物质泄漏扩散事故模拟分析、蒸汽云爆炸事故模拟分析对构成危险化学品重大危险源的焦炉煤气柜进行定量分析、评价，计算方法简便、计算结果准确，在安全评价定量评价计算过程中可广泛应用。

(3)焦炉煤气储柜有毒物质泄漏扩散事故、蒸汽云爆炸事故后果严重，一旦发生将导致多数人员死亡或重伤，应严格按照重大危险源要求进行管理和监控。

[1] 唐晓文，王国忠，金康定.干式煤气柜火灾爆炸危险性评价与对策[ J].工业安全与环保，2008,12(12):33-35.

[2] GB 18218—2000，重大危险源辨识[S].

[3] 南京安元科技有限公司.安全评价与风险分析系统软件技术说明文档[Z].2004.

Major Hazards Assessment Method of Coke Oven Gas Tank and Case Study

ZHAO Yong

(SichuanLaoyanScience&TechnologyCo,Ltd.,Panzhihua,Sichuan617023,China)

On the basis of “Provisional Stipulation of Supervision and Management for the Major Dangerous Source of Dangerous Chemicals”, taking the example of a 150 000 m3coke oven gas tank, major dangerous sources of dangerous chemicals are identified and the dangerous and harmful factors are analyzed. Meanwhile qualitatively and quantitatively described the possibility and harmful degree of gas leakage and explosion by risk analysis method toxic substances leakage and diffusion simulation model analysis method and vapor cloud explosion simulation model analysis method , which realize the target of quantitative risk assessment of major hazards of dangerous chemicals.

Coke oven gas tank; major hazards; leakage and diffusion of toxic substances; vapor cloud explosion

2016-10-14

赵 勇(1982-)，男，辽宁营口人，2005年毕业于哈尔滨工程大学环境工程专业和国际经济与贸易专业(辅修)，高级工程师，研究方向为环境影响评价、环境工程设计、环保管理和安全评价、安全管理等。

X701

A

1001-3644(2017)01-0100-05