環(huán)境參數(shù)對硫化氫儲罐泄漏后氣體有毒區(qū)域的影響

張 鑫,郭文杰

(濱州學(xué)院 化工與安全學(xué)院,山東 濱州 256603)

隨著我國工業(yè)化程度的加深，危險(xiǎn)化學(xué)品的種類增多，一旦發(fā)生?；沸孤┦鹿?，就會給人們生命帶來一定的威脅。有毒、有害、易燃、易爆危險(xiǎn)化學(xué)品發(fā)生泄漏，可能引起中毒、火災(zāi)、爆炸三類事故。

硫化氫是一種重要的化學(xué)原料，標(biāo)準(zhǔn)狀況下是一種無色、有毒、易燃的酸性氣體。硫化氫氣體與空氣混合后形成爆炸性混合物，遇到明火、高熱能引起燃燒爆炸。在生產(chǎn)中，如果硫化氫發(fā)生泄漏，極易發(fā)生安全事故。

2008-08-27，某石化分公司煉油廠發(fā)生一起硫化氫氣體泄漏事故，泄漏點(diǎn)位于廠北圍墻外西固喚醒東路，造成5人死亡，45人不同程度中毒。2017-12-27，重慶中邦科技有限公司發(fā)生硫化氫溢出事故，造成8人中毒，其中，6人輕度中毒，2人中度中毒。上述數(shù)據(jù)可以看出，在現(xiàn)代化工企業(yè)中，一旦發(fā)生硫化氫泄漏，將會對人們的生命健康造成嚴(yán)重影響。

利用ALOHA軟件基于危險(xiǎn)化學(xué)品和氣象條件的泄漏來模擬事故，并使用圖像和文字描述不同程度危害的范圍和面積；可以幫助應(yīng)急指揮人員快速、準(zhǔn)確地預(yù)測影響區(qū)域，有效地組織、指揮不同區(qū)域人員疏散。

1 研究方法及參數(shù)數(shù)值的確定

有害大氣空中定位軟件(Areal Locations of Hazardous Atmospheres，ALOHA)可以用來計(jì)算有毒氣體擴(kuò)散產(chǎn)生的毒性、熱輻射和沖擊波，如氣體擴(kuò)散、火災(zāi)和爆炸的影響范圍。

基于ALOHA軟件，對氣體擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，分析硫化氫氣體泄漏后，影響區(qū)域的變化規(guī)律，從而得出結(jié)論。

本文基于ALOHA模擬軟件，采用數(shù)值模擬方法，模擬不同環(huán)境參數(shù)下硫化氫儲罐泄漏后氣體擴(kuò)散的影響區(qū)域，分析風(fēng)速、溫度、濕度對硫化氫氣體有毒區(qū)域的影響，為危險(xiǎn)范圍的確定、制定泄漏事故應(yīng)急撤離、救援方案提供了科學(xué)依據(jù)。

1.1 研究方法

利用控制變量法，在其他參數(shù)不變的情況下，通過改變溫度參數(shù)、風(fēng)速參數(shù)和濕度參數(shù)的大小，ALOHA軟件根據(jù)這些參數(shù)設(shè)定模擬出該事故下硫化氫氣體擴(kuò)散后有毒區(qū)域的影響，觀察分析圖像中致命傷害、嚴(yán)重傷害、輕度傷害范圍的變化。

1.2 數(shù)值模擬的幾何參數(shù)

地點(diǎn)濱州，平均海拔高度11 m，北緯37.22°，東經(jīng)118.02°。

最大頻率風(fēng)向東南風(fēng)，風(fēng)級主要是1～6級風(fēng)，即風(fēng)速0.3～13.8 m/s。

年平均氣溫12.9 ℃，最高溫度40.7 ℃，絕對最低溫度-17.3 ℃。

通過改變大氣條件參數(shù)，模擬得出不同環(huán)境參數(shù)下，儲罐發(fā)生泄漏后硫化氫氣體的影響范圍。設(shè)定初始的模擬參數(shù)為風(fēng)速2.5 m/s，溫度為0 ℃，濕度為50%，分別只改變一個(gè)參數(shù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng),具體模擬梯度數(shù)值如表1所示。

表1 風(fēng)速、溫度、濕度梯度模擬數(shù)值

泄漏對象設(shè)定:選擇垂直式Souree → Tank儲罐，輸入儲罐直徑14.6 m，高6 m，體積1 000 m3，選擇Tank contains gas only，儲存溫度為大氣溫度，常壓，輸入儲罐中硫化氫的質(zhì)量為2.75 t。由于儲罐受硫化氫本身的腐蝕以及外界條件的破壞，可能會發(fā)生破損，設(shè)定儲罐泄漏直徑為0.1 m。由于硫化氫氣體的相對密度大于空氣的相對密度，本文模擬實(shí)驗(yàn)選擇重氣擴(kuò)散模型。

2 利用ALOHA軟件模擬實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 ALOHA的模擬

根據(jù)影響區(qū)域的危害程度，圖像從內(nèi)向外可以把影響區(qū)域依次劃分為：

自主疏散區(qū)受日照、風(fēng)速等條件的影響較大，在事故發(fā)生過程中，風(fēng)向可能會發(fā)生偏移，導(dǎo)致氣體擴(kuò)散影響區(qū)域發(fā)生偏移，因此,該區(qū)域用虛線顯示。

1)風(fēng)速對氣云的有毒區(qū)域變化影響圖像。如圖1～圖5所示，當(dāng)風(fēng)速在1.5～4 m/s時(shí)，氣云有毒影響區(qū)域的緊急避難區(qū)、協(xié)助疏散區(qū)和引導(dǎo)疏散區(qū)隨著風(fēng)速的增加影響區(qū)域逐漸變大，當(dāng)風(fēng)速為4 m/s時(shí)硫化氫氣體有毒影響區(qū)域達(dá)到最大值，當(dāng)風(fēng)速為4～6 m/s時(shí)，緊急避難區(qū)、協(xié)助疏散區(qū)和引導(dǎo)疏散區(qū)隨著風(fēng)速的增加氣體擴(kuò)散的影響區(qū)域隨之減小，當(dāng)風(fēng)速為9 m/s時(shí)，影響區(qū)域最小。

圖1 風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)氣云的有毒區(qū)域

圖2 風(fēng)速為2.5 m/s時(shí)氣云的有毒區(qū)域

圖3 風(fēng)速為4 m/s時(shí)氣云的有毒區(qū)域

圖4 風(fēng)速為6 m/s時(shí)氣云的有毒區(qū)域

圖5 風(fēng)速為9 m/s時(shí)氣云的有毒區(qū)域

2)濕度對氣云的有毒區(qū)域變化影響圖像。由圖6～圖8可知，當(dāng)濕度為5%、55%和99% 3種情況時(shí)，軟件顯示氣云有毒影響區(qū)域的緊急避難區(qū)影響半徑為2.1 km，協(xié)助疏散區(qū)的影響半徑為2.8 km。綜上所述，隨著濕度的增加，氣云有毒影響區(qū)域的緊急避難區(qū)、協(xié)助疏散區(qū)無明顯變化。

圖6 濕度為5%時(shí)氣云的有毒區(qū)域

圖7 濕度為55%時(shí)氣云的有毒區(qū)域

圖8 濕度為99%時(shí)氣云的有毒區(qū)域

3)溫度對氣云的有毒區(qū)域變化影響圖像。由圖9～圖12可知，當(dāng)溫度為-10 ℃時(shí)，氣云有毒影響區(qū)域的緊急避難區(qū)影響半徑為2.1 km，協(xié)助疏散區(qū)的影響半徑為3 km；當(dāng)溫度為0 ℃時(shí)，氣云有毒影響區(qū)域的緊急避難區(qū)影響半徑為2.2 km，協(xié)助疏散區(qū)的影響半徑為3.1 km；當(dāng)溫度為10 ℃時(shí)，氣云有毒影響區(qū)域的緊急避難區(qū)影響半徑為2.3 km，協(xié)助疏散區(qū)的影響半徑為3.2 km；當(dāng)溫度為20 ℃時(shí)，氣云有毒影響區(qū)域的緊急避難區(qū)影響半徑為2.4 km，協(xié)助疏散區(qū)的影響半徑為3.3 km。綜上所述，氣云的有毒影響區(qū)域的緊急避難區(qū)和協(xié)助疏散區(qū)隨著溫度的增加隨之增加，但是變化程度不大。

圖9 溫度為-10 ℃時(shí)氣云的有毒區(qū)域

圖10 溫度為0℃時(shí)氣云的有毒區(qū)域

圖12 溫度為20 ℃時(shí)氣云的有毒區(qū)域

2.2 結(jié)果分析

本文運(yùn)用ALOHA軟件進(jìn)行模擬，硫化氫為主要研究對象，通過改變環(huán)境參數(shù)，進(jìn)而得出硫化氫泄漏后的影響區(qū)域圖像。所得主要成果如下：

1)風(fēng)速對硫化氫氣體的擴(kuò)散有比較顯著的影響。這是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)速增加時(shí)更加利于硫化氫氣體的擴(kuò)散，致使有毒危害區(qū)域增大，但當(dāng)風(fēng)速較大或者達(dá)到一定程度時(shí)，由于風(fēng)速過大，硫化氫氣體容易被稀釋，硫化氫氣體擴(kuò)散較快，難以集聚，氣云有毒影響區(qū)域隨之減小。經(jīng)軟件模擬得風(fēng)速為4 m/s時(shí)硫化氫氣體擴(kuò)散的有毒影響區(qū)域達(dá)到最大值。

2)濕度對硫化氫氣體擴(kuò)散無明顯影響。這是因?yàn)榱蚧瘹涞乃苄圆淮?，?dǎo)致濕度對硫化氫氣體擴(kuò)散無明顯影響。

3) 溫度對硫化氫氣體的擴(kuò)散影響相對較小。這是因?yàn)榉肿舆\(yùn)動與分子的內(nèi)能有關(guān)，當(dāng)溫度升高時(shí)，分子內(nèi)能增加，從而加快分子擴(kuò)散，但是其擴(kuò)散程度遠(yuǎn)不及在外力作用下的擴(kuò)散程度，所以氣云的有毒影響區(qū)域隨著溫度的升高而增大。

3 結(jié)束語

通過環(huán)境因素評估硫化氫泄漏事故的危害，不僅對企業(yè)的安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義，而且有助于制定泄漏事故應(yīng)急疏散和救援方案，為政府和行業(yè)管理者提供科學(xué)依據(jù) 。