火电厂液氨事故影响及安全措施分析

火电厂液氨事故影响及安全措施分析

蒙奇

广西桂能工程咨询集团有限公司广西南宁530023

摘要：火电厂安装脱硝装置是减少NOx气体排放的有效措施，根据《火电厂大气污染物排放标准》的要求，火电发电机组将陆续加装脱硝装置。液氨是火电机组常用的脱硝还原剂，是一种有毒、易燃的化学危险品，属火灾危险性乙类液体，具有挥发性强，毒性大，一旦发生泄漏，容易导致人员中毒、环境污染、设备设施损坏甚至着火、爆炸、致死等重大事故，对生命和财产造成很大的危害。因此，针对火电厂液氨储存的风险分析十分必要。本文以广西某化工自备电厂为例，从安全距离、爆炸事故后果和中毒事故后果三个方面分析液氨事故危险性。

关键词：液氨；安全距离；爆炸事故后果；中毒事故后果

1、液氨脱硝项目概况

1.1、液氨脱硝工艺简介

本项目脱硝工艺采用工艺较为成熟的选择性催化还原法（SCR）。SCR脱硝工艺是向锅炉烟气中喷入氨气（NH3）作为还原剂，在300～400℃工作温度下，并在反应器内催化剂作用下，将烟气中的NOx还原为无害的N2和H2O。从而达到净化烟气的目的。其中，选择性是指还原剂NH3和烟气中的NOx发生还原反应，而不与烟气中的氧气发生反应。主要的化学方程式如下：

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O

本项目采用液氨来制备还原剂氨气。系统运行时，液氨从液氨槽车由卸料压缩机送入液氨储槽，再经过蒸发槽蒸发为氨气后通过氨缓冲槽和输送管道进入炉后SCR反应区，通过与空气均匀混合后通过喷氨格栅喷入SCR反应器上游的烟气中，混合均匀后进入反应器内在催化剂的作用下进行脱硝反应，去除NOx后的烟气经锅炉空气预热器、脱硫装置和除尘器后由烟囱排入大气。

1.2、液氨罐区概况

本项目采用一套氨储存及供应系统，布置于自备电厂北部、冷却塔西侧的空地上。厂内周围建构筑物主要有冷却塔、干煤棚、堆煤场和烧结工艺厂房；场外建构筑物主要有城镇道路、乡村、其他化工厂等。

2、液氨罐区事故危险性分析

2.1、液氨氨气安全距离

根据《火力发电厂烟气脱硝设计技术规范》（DL/T5480-2013）对防火距离进行判别，液氨储罐与自备电厂周围建（构）筑物之间的防火距离见下表2.1-1。

液氨储存及氨气制备系统区电厂外部敏感点距离详见下表2.1-2。

由上表可知，本项目液氨储罐和卸氨区距离电厂和周围敏感点距离均大于《火力发电厂脱硝设计技术规程》（DL/T5480-2013）防火间距的规定。但事故发生时并非静止的状态，而是动态扩张的过程，下文针对液氨爆炸和泄漏事故进行分析。

2.2、爆炸事故后果模拟分析

液氨爆炸事故后果模拟分析采用《安全评价》（第3版）P566推荐的爆炸TNT当量计算模型。

1）爆炸能量

液氨储罐中饱和液氨占有容器介质质量的绝大部分，它的爆破能量比饱和气体大得多，一般计算时考虑气体膨胀做的功。爆破能量可按下式计算：

E=[（H1-H2）-（S1-S2）T1]W

查表可知

H1=639.01kJ/kg，H2=364.76kJ／kg，

S1=2.4786kJ／kg•K，S2=1.4775kJ／kg•K

T1=273.15-33.5=239．65K

W=V×ρ×0.85=15300kg（0.85为充装系数；V为单罐体积，30m3；ρ为密度，取0.6kg/L）

计算结果：

E=[（639.01-364.76）-（2.4786-1.4775）×239.65]×15300=525402kJ

2）TNT当量q

将爆炸能量q换算成TNT当量qTNT.因为1kgTNT爆炸所放出的爆破能量为4230~4836kJ/kg，一般取平均爆炸能量为4500kJ/kg，故其关系为：

q=E/qTNT=E/4500=525402/4500=116.8kg

3）求出爆炸的模拟比α，即：

α=0.1q1/3=0.1×116.81/3=0.49

4）计算爆炸冲击波超压△P对人体和建筑物的破坏作用

（1）爆炸冲击波超压△p=0.013时，对建筑物的危害程度为受压面的门窗玻璃大部分破碎。

△p=0.013，查表（《安全评价》（第3版）P568表28-11）得R0=75m

R=R0×α=75×0.49=36.75m

（式中R为目标与爆炸中心距离R0为目标与基准爆炸中心的相当距离，下同）

（2）爆炸冲击波超压△p=0.015～0.02时，对建筑物的危害程度为窗框损坏。

△p=0.015，查表得R0=67.94m

R=67.94×0.49=32.29m

（3）爆炸冲击波超压△p=0.02～0.03时，对人的危害程度为轻微损伤，对建筑物的危害程度为墙裂缝。

△p=0.02，查表得R0=56m

R=56×0.49=27.44m

（4）爆炸冲击波超压△p=0.03～0.05时，对人的危害程度为听觉器官损伤或骨折，对建筑物的危害程度为墙大裂缝，屋瓦掉下。

△p=0.03，查表得R0=42.5m

R=42.5×0.49=20.83m

（5）爆炸冲击波超压△p=0.05～0.10时，对人的危害程度内脏严重损伤或死亡，对建筑物的危害程度为房架松动甚至砖墙倒塌。

△p=0.05，查表得R0=32.5m

R=32.5×0.49=15.93m

（6）爆炸冲击波超压△p>0.10时，对人的危害程度为在大部分人员死亡的范围内，对建筑物的危害程度为防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌。

△p=0.10，查表得R0=22.77m

R=22.77×0.49=11.16m

评价小结：

计算可知，一旦单个液氨储罐发生爆炸，距爆炸中心11.16m范围内的大部分人员死亡；距爆炸中心15.93m范围内的人员内脏严重损伤或死亡；距爆炸中心20.83m范围内的人员听觉器官损伤或骨折；距爆炸中心27.44m范围内人员轻微损伤；距爆炸中心32.29m范围内建筑的窗框损坏；距爆炸中心36.75m范围内建筑的门窗玻璃大部分破碎。

液氨储罐区内设有2个储罐，若其中一个储罐发生爆炸，另1个储罐将会受到影响，有可能导致事故进一步扩大。

2.3、中毒事故后果模拟分析评价

液氨大量泄漏有可能导致中毒事故，下面根据《安全评价》（第三版）P571推荐的计算模型，对本项目氨罐破裂造成的毒害区估算。

1）氨对人体的毒性反应

引自《常见毒物急性中毒抢救处理》（化学工业部劳动安全司编）

2）液氨储罐破裂瞬时低温有毒区域的估算

设单罐液氨质量为W：15300kg，容器破裂前器内介质温度为t：25℃，液氨比热为C：4.6（kJ/（kg•℃））。当容器破裂时，器内压力降至1atm（0.1MPa），处于过热状态的液氨温度迅速降至标准沸点t0：-33℃，此时液氨所放出的热量为：

Q=WC（t－t0）=15300×4.6×[25－（－33）]=4082040（kJ）

设这些热量全部用于器内液氨的蒸发，液氨的汽化热q（kJ/kg）为1370，则其蒸发量为：W＇=Q/q=4082040/1370=2979.6（kg）

氨分子量为M：17，则在沸点下蒸发蒸气的体积Vg（m3）为：Vg=（22.4W＇/M）×[（273+t0）/273]=3451.4（m3）

假设在静风条件下，氨气初始云团按半球状在地面释放，则可求出氨气扩散后浓度所对应的半径为：

R=

R---有毒气体的半径，m；

C---有毒介质在空气中的危险浓度值，%，

按表2.3-1中的浓度划分为3个等级：（1）140mg/m3为眼和呼吸道不适（轻度危害）；（2）700mg/m3为可以引起咳嗽、有强烈刺激作用（中度危害）；（3）3500mg/m3为可以引起立即死亡（重度危害）。

扩散后浓度为上述3个等级的半径如下表2.3-2：

经过模拟计算可知，如果单个液氨储罐发生泄漏，当这些有毒氨气以半球形向地面扩散时，以泄漏点为中心扩散半径在77m的区域内，人立即死亡，这个区域属液氨罐区范围内，不涉及其他建构筑物；以泄漏点为中心扩散半径在77~133m的区域内，人立即咳嗽、有强烈刺激作用；以泄漏点为中心扩散半径在133~227m的区域内，人眼和呼吸道不适。以上事故后果模拟为静风理想状态下后果情况，项目液氨储罐泄漏时，受温度、风向、风速等大气环境影响会影响扩散速度以及伤亡情况。

3、安全对策措施

从预测结果可以看出，火电厂一旦发生液氨储罐泄漏事故，影响范围将会非常大，仅在理想状态下发生爆炸和中毒危害的范围较广。因此必须采取以下安全措施。

（1）液氨罐区应布局合理、响应迅速的泄漏自动报警装置、能在短时间完成异常工况或重大事故状况时的安全联锁保护的安全仪表系统（SIS）、完善的喷淋设施、设置围堰等事故减缓设施。

（2）现场配备堵漏材料和防护用品（防毒面具、呼吸器等），减小氨扩散造成的影响。

（3）在明显高处设风向标指明液氨泄漏后的扩散方向，便于操作人员现场工作方位选择及发生泄漏事故后人员疏散。

（4）火电厂应对氨区制定详细的规章制度及工作手册并严格执行。

（5）特种作业人员及其相关管理人员，应当按照国家有关规定经特种设备安全监督管理部门考核合格，取得国家统一格式的特种作业人员证书，方可从事相应的作业或者管理工作。

（6）液氨储罐有较大的火灾、爆炸、中毒危险性，电厂应制定完善的事故应急预案并定期演练。

4、结语

本文火电厂装机容量为2×135MW，通过对安全距离、爆炸事故后果和中毒事故后果三方面对液氨事故危险性进行分析，为火电厂编制应急预案及事故发生后的应急救援提供一定的参考依据。本文模拟计算基于某些假定条件，且计算中各种参数的取值也有一定误差，因而是一种非常理想化的泄漏状态数值。在实际事故中存在诸多不确定性因素，因此，对液氨泄漏的分析应结合项目现场的实际情况，对模拟分析结果进行必要的修正，确保事故应急救援可靠性。

参考文献：

[1].煤炭工业出版社《安全评价》2005年.第3版.

[2]国家能源局发布《火力发电厂烟气脱硝设计技术规范》2013年.

[3]中国水利水电出版社《火电厂烟气脱硫及脱硝实用技术》2009年.

[4]环境保护部《火电厂烟气脱硝工程技术规范选择性催化还原法》2010年.

[5]国家安全监管总局办公厅《关于印发首批重点监管的危险化学品安全措施和应急处置原则的通知》2011年.