基于aloha重气扩散模型的氯化氢泄漏事故应急救援区域划分

基于aloha重气扩散模型的氯化氢泄漏事故应急救援区域划分

随着我国工商业的发展，日化行业的规模和数量迅速增加。大部分化工企业都涉及有毒有害、易燃易爆的危险化学品。由于设备故障和人为失误等因素,危化品的泄漏事故频频发生,对社会造成巨大的生命危害和财产损失。尤其是有毒有害气体在生产、运输或贮存的过程中意外泄漏扩散,使扩散影响区域中的人员暴露于高浓度毒气下,造成致命的伤害。并且由于有毒重气的泄漏扩散与大尺度的大气扩散有明显不同,毒性物质常常扩散成非常复杂的形状或停留不散,扩散过程特别易受风速、风向以及地形的影响,为分析毒物泄漏类型和扩散规律带来不便。因此,进行危化品泄漏扩散模拟,实施高效的应急管理措施,科学合理地组织救援和疏散方案成为避免泄漏事故扩大的首要任务。而现今危险化学品泄漏扩散过程模拟软件的开发与迅速发展为此类模拟提供了有力的帮助。以江阴“5·11”氯化氢泄漏事故为背景,采用ALOHA(ArealLocationsofHazardousAtmospheres)软件对事故中有毒物质氯化氢在大气中的泄漏扩散进行模拟分析。根据有害气体的环境条件对事故的泄漏过程进行计算和模拟,确定不同程度危害范围的大小和区域,为氯化氢泄漏事故后果分析及应急救援提供重要依据。1模拟试验的材料近年来,市面上设计出许多扩散模型软件,能够运用不同的数学模型对不同的意外泄漏事件进行扩散模拟分析。这些软件可以计算出扩散气体的浓度并确定事故的影响范围。常见的软件有SLAB、DEGADIS、ARCHIE和ALOHA等。我国的研究机构也自行开发了一些应用软件,比较典型的有南京工业大学开发的RDSHM,东北大学开发的NEFECT等。笔者采用ALOHA软件对江阴氯化氢泄漏扩散事故的影响进行模拟分析。ALOHA软件是由美国环保署(EPA)化学制品突发事件和预备办公室(CEPPO)和美国国家海洋和大气管理(NOAA)响应和恢复办公室共同开发的应用程序。ALOHA可以用来计算危险化学品泄漏后的毒气扩散、火灾、爆炸等产生的毒性、热辐射和冲击波等。它包括了一个近1000种常用化学品的数据库,这个数据库的信息包括化学品类型、意外事故位置(市区或者郊区)、天气情况(温度,风速和风向)和意外事故变量(存储物料,泄漏孔尺寸,存储压力)等。ALOHA采用的数学模型有:高斯模型、DEGADIS重气扩散模型、蒸气云爆炸和BELEVE火球等成熟的计算模型。氯化氢属于重气,泄漏后与空气混合形成大型的薄雾云并持续扩散,因此采用重气扩散模型。2氯化氢泄漏的“5.11”2.1氯甲基三氯甲酯私水扩散回气案江阴市某化工厂产品二碳酸二叔丁酯(BOC)的生产原料中包含氯甲酸三氯甲酯。2009年5月11日9时许,该厂操作人员在生产过程中将高位槽内剩余的氯甲酸三氯甲酯滴加到3号反应釜内,并在输送管道的控制阀门打开的情况下用水冲洗反应釜,导致氯甲酸三氯甲酯遇水放出大量的氯化氢气体并扩散到大气中,造成距离厂区的70m处某中学操场上多名师生出现氯化氢轻度中毒反应。事故当日气温34℃,风速5.3m/s,西南风,太阳辐射强度等级为强。事故现场地形为平原,海拔6m,纬度北纬32°16′,经度东经120°2′。2.2氯甲酸三氯甲酯流速计算公式的确定高位槽与反应釜滴加处的垂直距离为0.8m,水平距离为5.5m,管道阀门处的直径为7mm。近似认为高位槽内液面下降速度为零且槽内液体在卸料过程中不会流空。用氯甲酸三氯甲酯滴加处液体的流速计算公式(1)和滴加量公式(2),计算出滴加处的氯甲酸三氯甲酯流速和滴加量。2gh=v2+λ1dv2+ξv2(1)gh=v2+λ1dv2+ξv2(1)式中:ξ为局部阻力系数,取0.42;λ为沿程阻力系数;v为滴加处的氯甲酸三氯甲酯流速,m/s;h为高位槽与反应釜滴加处的垂直距离,m;d为管道阀门处的直径,m。其中v和λ均为未知参数,需要反复试算确定。经计算,滴加处的氯甲酸三氯甲酯流速为0.4m/s。m=ρπr2vt(2)式中:ρ为氯甲酸三氯甲酯密度,kg/m3;r为氯甲酸三氯甲酯液滴半径,m;v为滴加处的氯甲酸三氯甲酯流速,m/s;t为氯甲酸三氯甲酯滴加时间,s(假设滴加3min)。经计算,氯甲酸三氯甲酯的滴加量为4.57kg。滴加入反应釜内的氯甲酸三氯甲酯经大量水冲洗产生氯化氢气体。假设滴加3min到反应釜内的氯甲酸三氯甲酯全部与水发生反应,可生成3.59kg的氯化氢气体。由于氯化氢溶于水可生成盐酸,假设有2/3的氯化氢气体泄漏,则氯化氢气体泄漏量为2.4kg。3aloha软件的模拟和结果分析3.1显著影响拟结果的原因在ALOHA模拟计算的过程中,毒气扩散浓度正比于源的释放率,因此对源的强度和泄漏持续时间的估计将对最终模拟结果产生重要影响。因事故中工作人员误将水倒入反应釜,使其与釜中残留氯甲酸三氯甲酯瞬间反应,并且此时管道间的控制阀门为打开状态,产生的氯化氢气体瞬时放出。因此该事故判定为瞬时泄漏源。由于是瞬时泄漏源,因此源的强度在泄漏的前1min内几乎无变化。根据软件的模拟计算,泄漏的前1min内该泄漏源的强度值为40g/s。3.2泄漏危险区域的划分危险化学品事故危害对人身的伤害程度可以分三个级别,即致命伤害、严重伤害和轻度伤害。每种危害的极限值是不一样的。ALOHA软件以AIHI美国工业卫生协会制定的美国应急行动计划指南(ERPG)中给出的ERPG-2、ERPG-3标准体积分数值确定影响区域。ERPG的毒气影响表示,毒气体积分数在ERPG-1值和ERPG-2值之间会对人体造成轻度伤害;毒气体积分数在ERPG-2值和ERPG-3值之间会严重影响人员身体健康,主要是对某些器官的伤害;毒气体积分数在ERPG-3值以上会造成严重的、持久的威胁生命的影响。氯化氢气体的ERPG-2值为20×10-6,ERPG-3值为150×10-6。考虑日照、风向和风速等条件的影响模拟出毒气的影响区域,如图1所示。从图1可以看出,该化工厂氯化氢气体泄漏影响范围较大,易造成中毒事故,产生不良后果。在人员的应急疏散中根据模拟出的影响区域的危害程度,从内向外可以把影响区域依次划分为紧急避难区、协助疏散区、引导疏散区和自主疏散区。具体按照ERPG-2、ERPG-3浓度划分危害范围:氯化氢体积分数高于150×10-6的区域为紧急疏散区,应紧急疏散存留人群,疏散人员和事故处理的人员应配带有相应的安全防护用具;体积分数在20×10-6～150×10-6的区域应设为协助疏散区,禁止人员在该区域随意流动,尽量避免人员逗留;体积分数低于20×10-6的区域为引导和自主疏散区,人员可自行疏散。划分疏散区域后可确定疏散方案,指挥人员撤离。厂区东侧约70m处的中学处于紧急疏散区内,应紧急疏散存留人群。3.3每相线度至2.扩散前的60min内,室内浓度始终低于ERPG-1;而室外浓度在扩散刚开始的几分钟迅速升高,超过了ERPG-1,但没有超过ERPG-2,然后很快降低到ERPG-1以下。因此,在扩散的前几分钟内,室内浓度始终未超过人体轻度伤害数值;而室外浓度达到了人体轻度伤害数值,之后浓度很快降低到该数值以下。3.4模拟结论分析在扩散的前几分钟内,室外的人接触到的氯化氢剂量很快达到某特定值,此后保持这个数值不变;室内的人接触到的氯化氢剂量曲线随时间推移平缓增加,并且剂量大小低于室外。因此,室外的人体接触剂量将达到轻度伤害值,而室内的人受到的伤害低于室外,可近似看成没有伤害。根据事故报道,中学操场上的部分师生出现咳嗽、胸闷和气急等轻度中毒现象。模拟结论与事故实际情况基本吻合。根据事故分析结果,在此次氯化氢气体泄漏扩散的紧急情况下,应将泄漏影响区域内的室外人员应急疏散到室内,进入密闭空间就地避难。4紧急疏散区的模拟结果(1)根据氯化氢扩散影响区域图可以把影响区域依次划分为紧急避难区、协助疏散区、引导疏散区和自主疏散区,并根据相应疏散方案组织人员撤离。厂区东侧的中学处于紧急疏散区内,应组织人员紧急撤离。(2)根据敏感点处氯化氢浓度随时间的变化图,