煤化工行业泄漏事故发生机理与应急处置技术

引言

煤化工是指以煤为主要原料, 通过化学反应从而生成气体、液体、固体化工产品的工业。我国煤储量丰富, 是世界上少数几个以煤作为主要能源的国家, 缺油少气富煤是我国的基本国情, 在目前已探明的化石能源储量中煤炭约占94.3%, 石油天然气仅占5.7%。进入二十一世纪以来, 国际原油和天然气价格不断上涨, 而我国对化工能源产品的需求日益增加。在此背景下, 加速发展煤化工产业已成为煤炭和化工行业关注的热点。以生产清洁能源和可替代石油化工产品为主的新型煤化工产业异军突起, 煤直接液化制石脑油、汽油及柴油、煤制烯烃、煤制甲醇、煤制天然气等工业化项目, 在我国全面启动, 从而形成了煤炭能源化工一体化的新兴产业, 并取得了显著的成绩。但由于煤化工行业原辅材料中有毒、有害、易燃、易爆物质的大量存在, 物料制造过程中的高温高压, 导致一些较大及以上安全事故的发生, 不但造成人员和财产的损失, 更会对周边环境产生影响, 进而产生负面的社会效应。

煤化工行业安全事故的形式多种多样[1,2,3], 机理错综复杂, 既有一般石油化工行业事故的特点, 还具有煤炭行业某些安全事故的特点。本文所归纳、总结的煤化工泄漏事故发生机理、应急处置技术, 对煤化工企业的安全生产和应急救援的开展有相应的指导作用, 同时对安全管理部门预测此类事故后果及影响具有重要的参考意义。

一、煤化工企业泄漏安全事故成因分析

煤化工企业泄漏安全事故主要集中在管道泄漏、储罐泄漏和储运过程泄漏三个方面[4,5]。

1. 管道泄漏机理分析

主要诱因有设计因素、加工因素、安装因素、密封材料因素、介质对管道腐蚀、磨蚀和冲蚀的因素、工作条件比较苛刻的因素等。

2. 储罐泄漏机理分析

储存容器主要有球罐、立式储罐和卧式储罐三种形式[6,7]。球罐主要应用于液态烃储存, 储罐主要应用于液体介质的储存。储罐泄漏的主要成因包括工况因素、质量因素、受热破裂、人为因素及外在因素等。

3. 储运过程泄漏机理分析

危险化学品储运槽车储存部位主要有罐体、液面计、安全阀、阀门箱 (包括气相阀、液相阀、紧急切断阀等) , 其泄漏原因主要有密封泄漏、安全阀动作排放、交通事故、阀门泄漏、管道罐体泄漏和装、卸中的泄漏等。

总之, 泄漏主要有大孔泄漏WAR (Wide Aperture Release) 和有限孔泄漏LAR (Limited Aperture Release) 两种。WAR主要是在运输事故和工艺过程中的超压、爆炸等原因造成存储容器大面积破裂时, 大量介质的瞬时泄漏;LAR主要是安全阀的泄压排放, 容器、阀门、机泵、法兰管道的磨蚀、冲蚀、腐蚀、疲劳等因素造成上述容器、管道等形成裂纹或孔洞, 从而导致的泄漏[8,9,10]。

二、煤化工企业泄漏安全事故案例分析

煤化工行业泄漏安全事故主要有爆炸、燃烧及毒性介质扩散等形式[11,12,13,14,15]。

爆炸主要为蒸气云爆炸和沸腾液体火球爆炸 (BLEVE) , 两者都能产生冲击波、超压、热辐射、碎片作用等多种破坏效应。其中冲击波的破坏效应最危险, 破坏力也最强;

燃烧的主要形式为池火灾、喷射火及管道燃烧, 主要危害是火焰的热辐射;

毒性介质扩散的主要危害是毒物泄漏后向下风向及下游扩散会引起人员的中毒及环境的污染。

近年来国内外所发生的事故案例如下表1:

现以伊泰罐区泄漏着火事故案例进行分析。

1. 事故概况

2009年4月8日凌晨4时30分, 内蒙古鄂尔多斯市某煤化工企业基地1号、2号轻质油储油罐发生火灾, 4号罐起火, 并迅速向邻近罐蔓延。该罐区共有储罐12个, 其中300m3储罐3个, 500m3储罐4个, 800M3储罐2个, 1000M3储罐3个, 共储存各类油品5000吨左右。

地方消防大队接到报警后, 立即出动消防车7台, 27名官兵进行扑救, 冷却邻近罐体, 并调动当地企业专职消防队到场增援。同时, 消防大队向鄂尔多斯消防支队值班室汇报, 消防支队迅速调集消防特勤中队、经济开发区消防中队进行增援。

16时, 一举将大火扑灭。保住了罐区8个储罐, 此次火灾共调用消防车59台, 消防官兵316名, 共使用普通泡沫灭火剂75吨、A类泡沫灭火剂0.7吨, 用水2000多吨, 经济损失较大。

2. 事故后果分析及危险区域划分

罐区火灾事故主要分为喷射火和池火灾两种形式。其主要伤害形式为热辐射, 各级热辐射初级事故场景下的多米诺效应阈值如表2所示。

通过现场分析, 该事故主要形式为喷射火, 其对人体的伤害主要是通过不同热辐射通量对人体所受的不同伤害程度来表示, 伤害半径有一度烧伤 (轻伤) 、二度烧伤 (重伤) 、死亡半径三种, 使用彼德森 (Pietersen) 提出的热辐射影响模型进行计算。热辐射对建筑物的影响直接取决于热辐射强度的大小及作用时间的长短, 以引燃木材的热通量作为对建筑物破坏的热通量。表3为不同热辐射值对人体的伤害和周围设施的破坏情况。

对此事故进行数值模拟, 并作如下作如下假设:

(1) 流场无障碍物;

(2) 燃烧为单体, 不含其它杂质;

(3) 整个流场内流体的密度等物性参数为常数, 不随温度组分变化;

(4) 忽略辐射换热损失;

(5) 燃烧反应设为单步完全反应;

(6) 空气主要由氧气和氮气组成, 氧气质量含量为23.2%。

其遵循连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程

连续性方程:

动量守恒方程 (N-S方程) :

能量守恒方程

轻质油平均分子量为112, 燃烧47.3MJ/kg, 比热容1.471

利用ANSYS和ALOHA软件, 模拟结果如下:

若轻质油罐泄漏后即点火, 产生喷射火火焰最长可达96m, 火焰热辐射后果见图2。在距离火焰中心58米位置处, 热辐射强度可达10 k W/ (sq m) , 该热辐射强度足以在60秒时间内致人死亡;在距离火焰中心156米位置处, 热辐射强度可达5 k W/ (sq m) , 该热辐射强度足以在60秒时间内致人二度烧伤。在距离火焰中心307米位置处, 热辐射强度可达5 k W/ (sq m) , 人体会有轻微不适, 307米外为安全区域。根据《建筑设计防火规范》4.2条规定, 甲类液体储罐与建筑物的防火间距最少应为50米, 与模拟结果相吻合。

三、煤化工行业泄漏事故发生后的处置措施

通过对上述案例分析, 根据煤化工行业泄漏事故发生机理, 事故发生后要根据实际情况对其进行处置[16.17], 处置措施分为技术措施和管理措施两个方面。

1. 煤化工行业泄漏事故发生后的技术措施

对煤化工行业泄漏事故的处置过程中, 应注意以下几个技术环节:

(1) 泄漏源控制

当发生泄漏事故后, 对危险品的溢出或泄漏应严加控制, 这是整个应急处置是重中之重的。

生产装置或工艺单元发生泄漏后, 可以通过自动报警控制来关闭有关上下游阀门、停止作业或改变工艺流程、物料走副线、局部停车、打循环、减负荷运行等方法控制泄漏源。

而对于容器泄漏, 可采取修补裂缝和堵塞裂口等堵漏措施, 制止危险品的进一步泄漏。

(2) 防护、询情和侦检

根据泄漏介质的毒性和划分的危险区域, 确定相应的防护等级。同时, 对受害人员情况、泄漏容器参数、泄漏量、泄漏时间、扩散范围以及周边地形、电源、火源和居民等情况应加以了解, 并搜寻遇险人员, 确认设施、建筑物险情及可能引发爆炸燃烧的各种危险源, 确定攻防路线、阵地。

(3) 警戒、救生和控险

根据现场情况划分由重危区、中危区、轻危区和安全区组成的警戒区域, 并设立警戒标志, 在安全区外视情况可设立隔离带;在各个区之间设置出入口, 对各区域进出人员、车辆物质进行严格控制, 并进行安全检查, 逐一登记。组成救生小组后配备救生器材迅速进入危险区域, 将所有遇险人员转移至安全区域进行进一步救治。同时, 对救出人员进行登记、标识和现场急救。并启用消防设备进行堵漏, 防止泄漏物向重要目标和危险源扩散, 以控制险情[18]。

(4) 洗消和清理

洗消站应设立在危险区与安全区的交界处, 在站内对不同程度的中毒人员、现场的消防医务人员、其他抢险人员及群众互救人员包括抢救及染毒器具使用相应的药剂进行洗消, 同时清理现场, 确定不留残留, 做到安全撤离和交接。

2. 煤化工行业泄漏事故后的管理措施

煤化工行业泄漏事故发生后, 快速而有效的第一时间处置至关重要。应急预案的每一项任务和处置要求、程序都必须落实到具体责任人, 力求把泄漏事故范围缩小, 并应统一组织指挥和综合协调配合, 明确参与处置泄漏事故的各有关部门及单位的职责和任务, 确保联系畅通以及配合密切。为此, 应建立集预控、监测、预警、应急处置为一体的管理系统, 其应包括七个子系统。

(1) 风险源管理子系统

固定的场所如工厂车间、仓库和运输线, 以及河道、公路等都容易发生危险品的泄漏, 其一般由政府安全管理部门来定义的。煤化工行业生产时所涉及的危险品成分复杂, 在自动化生产的条件下经常牵一发而动全身。因此对风险源进行管理, 在事故发生时迅速定位事故的详细地点, 进一步确定危险品的种类, 才能够及时准确采取应急救援措施并进行后处理工作。

风险源的管理包括以下的几个部分: (1) 运输管理。 (2) 危险品的存储地点管理。 (3) 生产环节的管理。 (4) 消防设施的管理。 (5) 排污通道的管理。

(2) 危险品管理子系统

该系统主要包括:危险品的理化特性、环境影响因素、环境标准、应急处置办法、监测手段 (现场监测及实验室监测) 。通过该系统, 可以查询危险化学品的国际编号、危险品代码、危险品的CAS号等信息, 从而在异常水文、地质和天气条件下对危险化学品泄漏事故进行预警。

(3) 事故应急人员、设备管理子系统

该系统具有应急专家信息查询、应急专家信息编辑、监测人员信息查询、监测人员信息编辑、人员管理分析等多项功能, 通过系统可以对相关专家、现场监测人员以及现场分析人员进行查询和调度, 并和医疗、交通、公安、消防、社区资源、传媒、民政等单位进行互动。其系统功能有以下几种: (1) 应急监测人员、设备信息编辑。 (2) 应急监测人员、设备信息查询。 (3) 应急专家信息编辑。 (4) 应急监测专家信息查询。 (5) 人员、设备管理空间分析。

(4) 在线监测和自动控制子系统

该子系统通常可分为设备传感检测层、安全与自动化过程监控层、安全与生产管理层这三层, 第一层主要完成重大危险源现场各类参数、视频、音效等信息的采集转化传输等功能;第二层主要完成信息的处理、生产过程的调节控制以及报警预警等功能;第三层主要完成生产管理、安全管理等功能。

(5) 事故预测分析子系统

煤化工行业泄漏事故发生后, 该系统通过对各种泄漏事故数据进行空间分析、泄漏扩散模拟, 并将模拟分析所得的结果形成事故模型, 生成报告或图表。从而对事故应急处置提供决策支持。

(6) 事故应急案例管理子系统

案例是为达到某种目标而对以往经验知识的归纳和整理, 应急监测案例不但具有上述特点, 而且还具有案例管理行业的特色, 随着信息产业的不断发展和电子信息档案库的建立, 煤化工行业泄漏事故的反应能力也得到极大的提高。

事故应急案例管理利用案例推理和规划推测的方法把基于地理背景和空间数据的案例管理引入到应急监测中来, 并通过数据挖掘技术从系统中提取有用的信息为应急处置服务, 从而为煤化工行业泄漏事故的决策和处理提出快捷的优化辅助支持。

(7) 事故应急预案生成子系统

使用地理信息系统全面分析煤化工行业事故的泄漏数据和处置方法, 并进一步生成应急预案, 从而有效地进行事故的应急救援。预案的内容包括采样方法、监测方法、空间分析、人员的调动与安排、设备的调用、应急措施及注意事项, 通过预案的实施, 对控制泄漏源, 抢救伤员, 指导居民防护和组织撤离, 减轻事故后果、危害具有十分重要的意义。

结论

通过对煤化工行业泄漏事故成因、影响因素和事故案例的分析, 得出结论如下:

1.煤化工企业应针对不同类型的危险品, 构建适用于不同地理环境、气象状况的泄漏扩散模型以及泄漏预控管理体系, 同时在设计阶段采用HAZOP分析方法, 更好地为泄漏事故的应急处置提供更高层次的决策支持。

2.针对一些已发生的典型事故, 应进行反推研究和数值分析, 并结合生产实际, 对同类危险源采用相应的预警机制。

3. 对事故的后处理阶段要引入生物、化学等交叉学科进行综合治理, 加强对响应、恢复部分的研究。为事故的应急救援提供先进的理论和技术支撑。

4. 科学预测泄漏事故危害后果并进行危险区域的划分, 为设计提供实际安全的信息, 预防泄漏事故, 限制事故扩大, 从而最终实现煤化工行业泄漏事故的预控、监测、预警和应急处置的规范化、科学化的防泄漏管控体系。

摘要：煤化工行业泄漏事故机理的研究是事故应急处置的基础。作为新兴产业, 针对近年来日益增多的泄漏事故, 本文结合自身的日常安全监督管理工作, 对煤化工行业泄漏事故机理进行了归纳和总结, 结合典型事故案例分析, 系统阐述了煤化工泄漏事故应急处置技术, 并对建立煤化工行业泄漏事故的预控、监测、预警和应急处置的管控体系, 提出了自己的看法。

关键词：煤化工,事故机理,处置

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