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干式高爐煤氣柜火災(zāi)爆炸及中毒危害事故后果模擬分析

文檔作者：范玉佼文檔來(lái)源：北京國(guó)石安康安全評(píng)價(jià)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年11月30日
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化 工 設(shè) 計(jì) 通 訊 工業(yè)生產(chǎn)
Chemical Engineering Design Communications Industrial Production
·189·
第43卷第11期
2017年11月
目前國(guó)產(chǎn)新型干式高爐煤氣柜已經(jīng)具備技術(shù)穩(wěn)定性強(qiáng)、儲(chǔ)
氣壓力高、操作穩(wěn)定性強(qiáng)、制造和安裝工藝成熟的特點(diǎn)，在
國(guó)內(nèi)鋼鐵冶金行業(yè)均有應(yīng)用，比如韶鋼、水鋼、武鋼、鞍鋼、
湛鋼等企業(yè)。
高爐煤氣因泄漏造成中毒、火災(zāi)、爆炸等危害事故是煤
氣柜站內(nèi)系統(tǒng)區(qū)域存在的主要危險(xiǎn)有害因素。高爐煤氣為煉
鐵過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，主要成分為CO、CO2、N2、H2，其
中CO 含量約23.28%，是主要可燃成分，還含有少量的H2、
CH4，也是主要危險(xiǎn)源。高爐煤氣爆炸極限一般在4.2%~12.5%，
煤氣柜儲(chǔ)存區(qū)等由于設(shè)備、管道、閥門(mén)等損壞、或密封不嚴(yán)密，
或有毒氣體報(bào)警裝置失效，或人員操作不當(dāng)、管理不善等引
起煤氣泄漏，就可發(fā)生中毒事故；當(dāng)空氣中煤氣濃度達(dá)到爆
炸極限時(shí)遇點(diǎn)火源（明火、火花等）就會(huì)發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故，
一旦發(fā)生，火勢(shì)得不到有效控制，極有可能引發(fā)站區(qū)內(nèi)相鄰
煤氣柜受熱起火，發(fā)生事故多米諾現(xiàn)象。
本文選取廣東省某鋼鐵企業(yè)近期新增上的一臺(tái)2 號(hào)高爐
煤氣柜（為廠(chǎng)內(nèi)氣柜編號(hào)）為研究對(duì)象，基于安全事故考慮，
對(duì)該氣柜可能發(fā)生的火災(zāi)、爆炸及中毒危害事故后果進(jìn)行了
模擬分析。
1 干式高爐煤氣柜情況介紹
本文2 號(hào)高爐煤氣柜主要技術(shù)參數(shù)：公稱(chēng)容積30×104m3，
圓筒形， 直徑D=64.8m， 儲(chǔ)氣壓力9±0.2kPa， 煤氣溫度
≯ 65℃ ；儲(chǔ)存煤氣成分（體積比）：23.28%CO、25.05%CO2、
5.35%H2、46.3%N2、0.02%CH4；煤氣計(jì)算低熱值：（3 260±5%
kJ/m3，含塵量：≤ 10mg/m3。
2 煤氣中毒危害后果分析
高爐煤氣中毒危害主要是由煤氣泄漏引起的CO 中毒，所
以選用毒物泄漏擴(kuò)散及傷害模型對(duì)煤氣泄漏造成的CO 中毒后
果進(jìn)行評(píng)價(jià)。
2.1 氣體泄漏量計(jì)算
發(fā)生泄漏的設(shè)備裂口按規(guī)則的裂口形狀考慮，不規(guī)則的
裂口以等效的尺寸折合。假設(shè)氣體符合理想氣體狀態(tài)方程，
從裂口泄漏過(guò)程視為絕熱過(guò)程，首先根據(jù)氣體的泄漏速度判
定其泄漏時(shí)流動(dòng)狀態(tài)，是屬于音速還是亞音速流動(dòng)，前者稱(chēng)
為臨界流，后者稱(chēng)為次臨界流。
當(dāng)式（1）成立時(shí)，氣體流動(dòng)屬音速流動(dòng)：
（1）
當(dāng)式（2）成立時(shí)，氣體流動(dòng)屬亞音速流動(dòng)：
（2）
式中p 為容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa ；
p0 為環(huán)境壓力，Pa ；
k 為氣體的絕熱指數(shù)，即比定壓熱容Cp 與比定容熱容Cv
之比。
氣體呈音速流動(dòng)時(shí)，其泄漏量為：
（3）
氣體呈亞音速流動(dòng)時(shí)，其泄漏量為：
（4）
式中Cd 為氣體泄漏系數(shù)，當(dāng)裂口形狀為圓形時(shí)取1.00，
三角形時(shí)取0.95，長(zhǎng)方形時(shí)取0.90 ；
Y 為氣體膨脹因子，它由下式計(jì)算：
（5）
式中M 為分子量；
R 為氣體常數(shù)，J/（mol · K）；
T 為氣體溫度，K。
2.2 氣柜破裂時(shí)的毒害區(qū)估算
泄漏物料雖然特性不一，但大多數(shù)物質(zhì)從容器中泄漏出
來(lái)后，都可發(fā)展成彌散的氣團(tuán)向周?chē)臻g擴(kuò)散，故建立半球
形向外擴(kuò)散模型；若已知混合氣體中某種有毒物質(zhì)的危險(xiǎn)濃
度，便可求出混合氣體中該種有毒氣體的體積。假設(shè)有毒氣
體以半球形向地面擴(kuò)散，則該有毒氣體擴(kuò)散半徑為：
（6）
式中R 為有毒氣體的半徑，m ；
V 為有毒介質(zhì)的體積，m3 ；V=m/C。
2.3 CO泄漏量計(jì)算過(guò)程
高爐煤氣主要因含有CO 而具備毒性。根據(jù)煤氣柜儲(chǔ)氣
情況，取煤氣的k=1.3，M=30.61g/mol，R=8.314J/（mol · K），
T=338K，該煤氣柜的壓力p=110 000Pa，p0=101 000Pa，根據(jù)
公式（1）、（2）可知，該p0/p=0.92， =0.55，故該氣
柜的泄漏氣體流動(dòng)屬亞音速流動(dòng)，事故模擬考慮泄漏裂口形
摘 要：高爐煤氣具有毒性、燃燒、爆炸等特性，是煤氣站煤氣貯存潛在的主要危險(xiǎn)源。采用事故后果定量模擬計(jì)算的方法，
通過(guò)對(duì)高爐煤氣柜煤氣泄漏引發(fā)煤氣中毒、火災(zāi)爆炸后果的分析，為企業(yè)事故預(yù)防工作提供理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：高爐煤氣柜；泄漏；事故模擬；后果分析
中圖分類(lèi)號(hào)：TQ548 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003–6490（2017）11–0189–02
Simulation Analysis on the Consequences of Fire，Explosion and
Poisoning Accident of Dry Blast Furnace Gas
Fan Yu-jiao
Abstract ：Blast furnace gas has the characteristics of poisoning，burning and explosion，which is the main dangerous source
of gas storage in gas station.In this paper，the method of quantitative simulation of accident consequences is used to analyze the
consequences of gas poisoning and fire explosion caused by gas leakage from blast furnace gas tank，which provides the theoretical basis
for enterprise accident prevention.
Key words ：blast furnace gas tank ；leakage ；accident simulation ；consequence analysis
干式高爐煤氣柜火災(zāi)、爆炸及中毒危害事故后果模擬分析
范玉佼
（北京國(guó)石安康安全評(píng)價(jià)有限公司，北京 100101）
收稿日期：2017–09–10
作者簡(jiǎn)介： 范玉佼（1986—），女，河南漯河人，主要研究方向?yàn)榛?
學(xué)工業(yè)安全生產(chǎn)管理與防護(hù)。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
工業(yè)生產(chǎn)化 工 設(shè) 計(jì) 通 訊
Industrial Production Chemical Engineering Design Communications
·190·
第43卷第11期
2017年11月
狀為圓形，裂口面積取A=0.02m2，根據(jù)公式（4），則：
=2.25kg/s
取1min、5min、10min、30min 及60min 的泄漏時(shí)間，分
別算出泄漏煤氣中CO 的質(zhì)量，見(jiàn)下表。
表1 不同時(shí)間煤氣中CO的泄漏量
CO 泄漏時(shí)間1min 5min 10min 30min 60min
CO 泄漏量（kg） 31.49 157.44 314.87 944.61 1 889.23
2.4 泄漏毒害半徑計(jì)算
我國(guó)車(chē)間空氣中CO 的最高容許濃度為30mg/m3。據(jù)已有
資料證明，CO 濃度達(dá)292.5mg/m3 時(shí)，可使人產(chǎn)生嚴(yán)重的頭痛、
眩暈等癥狀，COHb 可增高至25% ；CO 濃度達(dá)1 170mg/m3
時(shí)，吸入超過(guò)60min 可使人發(fā)生昏迷，COHb 可增高至60% ；
CO 濃度達(dá)11 700mg/m3 時(shí)，數(shù)分鐘內(nèi)可使人致死，COHb 可
增高至90%。假定在無(wú)風(fēng)、無(wú)上下氣流的氣象條件下，根據(jù)公
式（6）分別計(jì)算CO 濃度為30mg/m3、292.5mg/m3、1 170mg/
m3、11 700mg/m3 時(shí)有毒空氣在1min、5min、10min、30min
及60min 的擴(kuò)散半徑，見(jiàn)下表。
表2 有毒氣體泄漏半徑（m）
時(shí)間
濃度 泄漏半徑
1min 5min 10min 30min 60min 毒害后果
30mg/m3 79 136 171 247 311 最高允許濃度
292.5mg/m3 37 64 80 116 146
使人產(chǎn)生嚴(yán)重的頭
痛、眩暈等癥狀
1 170mg/m3 23 40 50 73 92
吸入超過(guò)60min
可使人發(fā)生昏迷
11 700mg/m3 11 19 23 34 43 數(shù)分鐘內(nèi)可使人致死
注：根據(jù)實(shí)際情況，表中模擬計(jì)算值均近似為整數(shù)值。
3 煤氣泄漏爆炸后果分析
根據(jù)荷蘭應(yīng)用研究院TNO（1979）建議，按照下式預(yù)測(cè)
蒸氣云爆炸的沖擊波的損害半徑：
R=CS(N E)1/3 （7）
式中R 為損害半徑，m ；
E 為爆炸能量，kJ，E=V0 · HC ；
V0 為參與反應(yīng)的可燃?xì)怏w的體積，m3 ；
HC 為可燃?xì)怏w的高燃燒熱值，kJ/m3 ；
N 為效率因子；
CS 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取決于損害等級(jí)。
按照上述煤氣泄漏中毒模型計(jì)算泄漏5min 的煤氣量為
675kg，取高爐煤氣的濃度C0=1.37kg/m3，其體積為V0=675/
1.37=492.70m3，則爆炸能量E=3 260×492.70=1 606 202kJ。
代入公式（7）計(jì)算，則高爐煤氣泄漏形成蒸氣云爆炸的
沖擊波的損害半徑見(jiàn)下表。
表3 損害等級(jí)及損害半徑（m）
損害等級(jí)Cs 設(shè)備損壞人員傷害損壞半徑
1 0.03 重創(chuàng)建筑物的加工設(shè)備
1% 死亡于肺部傷害，>50%
耳膜破裂，>50% 被碎片擊傷
1.6m
2 0.06
損壞建筑物外表
可修復(fù)性破壞
1% 耳膜破裂，
1% 被碎片擊傷
3.3m
3 0.15 玻璃破碎被碎玻璃擊傷8.2m
4 0.4 10% 玻璃破碎/ 21.7m
4 結(jié)論
本文采用事故后果定量模擬計(jì)算的方法，計(jì)算出企業(yè)新
增2 號(hào)高爐煤氣柜發(fā)生煤氣泄漏事故后，可能引發(fā)的不同時(shí)間
下發(fā)生煤氣中毒事故的半徑范圍，以及遇點(diǎn)火源，發(fā)生火災(zāi)
爆炸后果的不同損害等級(jí)下的覆蓋半徑范圍，可為企業(yè)事故
預(yù)防工作提供一定的理論依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
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（上接第188頁(yè)）
一個(gè)完整的信息反饋系統(tǒng)，使相關(guān)部門(mén)能夠針對(duì)危險(xiǎn)源的變
動(dòng)情況及時(shí)采取措施，做到提前預(yù)防，合理治理。與此同
時(shí)，相關(guān)部門(mén)要定期整理收集危險(xiǎn)源變化信息，向安全管理
部門(mén)反饋，以便更好地調(diào)整管理措施，從而減少不必要的損
失和傷亡。
2.3 危險(xiǎn)源控制的途徑
對(duì)壓力容器檢驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的控制，首先是要控制物的不安全
狀態(tài)，對(duì)于可以盡快消除的缺陷，要通過(guò)設(shè)備維護(hù)、檢修及
時(shí)消除；對(duì)于無(wú)法盡快消除的缺陷和無(wú)法消除的問(wèn)題，應(yīng)采
取隔離、警告等措施予以控制。其次是要控制人的不安全行
為，采取編制安全規(guī)范、技術(shù)要求以及作業(yè)指導(dǎo)書(shū)、危險(xiǎn)源
預(yù)控卡等措施予以控制，同時(shí)加強(qiáng)培訓(xùn)，提高人員的防范意識(shí)。
再次要控制管理上的缺陷，既要保證管理制度的完善性、有
效性、準(zhǔn)確性、及時(shí)性，更要保證管理制度的有效執(zhí)行。還
有對(duì)環(huán)境不利因素的控制，應(yīng)以檢驗(yàn)前的現(xiàn)場(chǎng)勘查為主，對(duì)
影響現(xiàn)場(chǎng)安全的各類(lèi)因素如天氣、交通、施工帶電等進(jìn)行分析，
采取實(shí)地教育等手段，提高檢驗(yàn)人員對(duì)危險(xiǎn)因素的辨識(shí)能力。
在檢驗(yàn)實(shí)踐中，通常采取的風(fēng)險(xiǎn)控制措施有：①改變?cè)O(shè)計(jì)以
消除危險(xiǎn)源；②用低危害物質(zhì)替代或降低系統(tǒng)能量；③采用
安全聯(lián)鎖、機(jī)械防護(hù)等工程控制措施；④設(shè)立標(biāo)識(shí)、警告和
管理控制措施；⑤佩戴個(gè)體防護(hù)裝備等。
3 結(jié)語(yǔ)
壓力容器是在許多行業(yè)廣泛使用的一類(lèi)特種設(shè)備，其使
用安全性得到了越來(lái)越多的重視。壓力容器檢驗(yàn)作為壓力容
器使用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其實(shí)施過(guò)程同樣存在著諸多安全隱
患，這就需要引起相關(guān)部門(mén)和檢驗(yàn)人員的高度重視。在壓力
容器檢驗(yàn)時(shí)，既要嚴(yán)格遵守有關(guān)監(jiān)管制度，也要努力提高自
身職業(yè)技能，及時(shí)辨識(shí)和控制危險(xiǎn)源，確保壓力容器檢驗(yàn)工
作的安全有效。
參考文獻(xiàn)
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中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，7（7）：187-191.
（上接第182頁(yè)）
完成石油鉆井施工的任務(wù)。建立石油鉆井施工的檔案資料，
加強(qiáng)HSE體系的管理，并實(shí)施井控管理措施，防止井噴及井噴
失控事故的發(fā)生，提高石油鉆井施工的質(zhì)量，達(dá)到油田勘探
開(kāi)發(fā)的技術(shù)要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 連平. 淺談鉆井工程作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全管理[J]. 石化技術(shù)，2016，23（11）：
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進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到最佳的管理狀態(tài)，提高天然氣站場(chǎng)生產(chǎn)的安
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