中毒及爆炸模型在钢铁企业事故中的应用.pdf

2 0 1 2 年9 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．0 9 。0 0 5 中毒及爆炸模型在钢铁企业事故中的应用 储莹，孙胜利，郭文晶，张旭凤 北京矿冶研究总院北京国信安科技术有限公司，北京1 0 0 1 6 0 摘要对钢铁企业煤气安全事故进行研究，通过建立煤气在大气中的扩散模型，分析企业常见的泄漏、 中毒、火灾、爆炸事故，为企业的煤气安全运行提供指导和借鉴，为其安全管理体系的建设提供理论依 据。 关键词钢铁；煤气；中毒；爆炸；模型 中图分类号X 9 2 8文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 0 9 0 0 1 5 0 4 A p p l i c a t i o no fP o i s o n i n ga n dE x p l o s i o nM o d e lo n A c c i d e n t si nI r o na n dS t e e lE n t e r p r i s e s C H U Y i n g ，S U NS h e n g l i ，G U OW e n - j i n g ，Z H A N GX u f e n g B e i j i n gG u o x i nA n k eT e c h n o l o g yC o ．，L t d ，B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo f M i n i n g8 LM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 16 0 ，C h i n a A b s t r a c t S e v e r a lc a s e so fc o a lg a sa c c i d e n t so n c eo c c u r r i n gi nC h i n e s ei r o na n ds t e e le n t e r p r i s e sw e r ei n v e s t i g a t e d ．T h ec o m m o n a c c i d e n t so fg a sl e a k a g e ，p o i s o n i n g ，f i r ea n de x p l o s i o ni nd o m e s t i ce n t e r p r i s e sw e r e e x p l o r e dt h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fd i f f u s i o nm o d e l so fc o a lg a si na t m o s p h e r e ．T h ee x p l o r a t i o ns e r v e s t op r o v i d en o to n l yp r a c t i c a lg u i d a n c ea n dr e f e r e n c ef o ras a f e t yp r o d u c t i o ni ni r o na n ds t e e le n t e r p r i s e sb u t a l s oat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ec o n s t r u c t i o no fs a f e t ym a n a g e m e n ts y s t e m ． K e yw o r d s i r o na n ds t e e l ；c o a lg a s ；p o i s o n i n g ；e x p l o s i o n ；m a t h e m a t i c a lm o d e l 钢铁生产是一个从矿石、烧结、焦化、炼铁、炼钢 到精炼以及包括热轧、冷轧在内的复杂的生产系 统[ 1 ] ，“人机料法环”各要素相互作用，产生了危险因 素，危险因素和非危险因素在自控和被控的过程中 相互转化，在一定的时空条件下导致了事故的发生。 在这个系统中，危险化学品造成的事故隐患容易被 冶金企业所忽视。煤气的事故在钢铁冶金企业有4 种表现形式泄漏、中毒、着火或爆炸，并能导致事故 的多米诺效应。本文通过建立事故模型结合企业现 状进行分析，找出企业对危险化学品管理的空白之 处，供企业查缺补漏。 收稿日期2 0 1 2 0 2 2 9 作者简介储莹 1 9 8 6 一 ，女，安徽安庆人，助理工程师。注册安全工程师 1 作业场所煤气事故辨识 近3 年3 6 家大中型钢铁企业各工序伤亡事故 总数的分析表明，钢铁企业伤亡事故发生最多的前 3 个工序分别是轧钢 1 6 ．7 ％ 、炼钢 1 3 ．5 ％ 和炼 铁 9 ．60 A 。2 0 0 5 2 0 0 8 年国内大型钢铁企业发生 的安全生产死亡事故人数共2 4 2 人[ 2 ] ，其中居前五 位的事故类型分别是中毒窒息5 3 人、机械伤害4 9 人、起重伤害3 2 人、高处坠落2 4 人、物体打击2 3 人，可见煤气中毒事故是钢铁企业发生最多的事故。 冶金副产煤气产生于炼焦、炼铁、炼钢等生产过 程中，并用作烧结、炼钢、轧钢、自备电厂等的燃料， 万方数据 1 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 2 0 1 2 年9 期 贯穿于整个冶金流程中，因此钢铁企业的高炉、转 炉、焦炉等主要冶炼场所的危险化学品安全管理重 点要分析的就是煤气。 不管是高炉、焦炉还是转炉反应都会产生大量 的煤气 钢铁企业煤气成分见表1 [ 3 1 ，由于净化后 的煤气无色无味、不易被察觉，又易燃易爆，有毒，高 温高压，量大 某大型钢铁厂年产8 5 ．9 3 2 亿m 3 ，一 旦煤气泄漏，几分钟内就可令人窒息而亡 C O 浓度 与人体反应关系见表2 C 4 3 。因此确保煤气生产、输 配、使用，尤其是生产检修阶段的安全，已经成为钢 铁行业最为关心的问题。 表1各种煤气的组成及在空气中的爆炸极限 T a b l e1C o a lg a sc o m p o n e n t sa n di t se x p l o s i o nl i m i ti na i r／％ 表2C O 浓度、作业时间与人的反应关系 T a b l e2 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n c e n t r a t i o no fC O ， o p e r a t i o nt i m ea n dh u m a n r e a c t i o n 2 煤气泄漏中毒和火灾爆炸事故评 价模型 2 ．1 煤气经小孔泄露模型 根据企业实际，假设在检修过程中煤气管道阀 门打开后未及时插盲板，就会从阀门缝隙处发生泄 漏。因此可以根据煤气经小孔泄露模型‘5 3 确定泄漏 速度Q 。。 Q 。一Y C a A p 馏 南 商 1 Y 参 7 [ ，一 等 _ m 告 半 习] 虿 当万P 0 ≤ 南 向时，为声速流动 此时Y o ； 当等 F 备 南时，为亚声速流动。 式中P 。为环境压强，P a ；P 为管道中绝对压强，P a ； y 为泄漏气体绝热指数；Q 。为泄漏速度，k g ／s ；M 为 气体分子质量，k g ／m o l ；R 为普适气体常量，8 ．3 1 4 J ／ m o l K ；G 为缝隙形状系数，圆形取1 ．0 0 ，三 角形取0 ．9 5 ，长方形取0 ．9 0 ；A 为小孔面积，I T l 2 ；T 为气体温度，K 。 2 ．2 泄露气体在大气中扩散的计算模型 假设流场稳定，即空间某一位置泄漏煤气的浓 度恒定，不随时间变化；在有风条件下，风力产生的 平流输送作用远大于水平方向上的分子扩散作用。 C x , y , z 一老e x p 『一引1 孑y Z 孑Z ．2 ] 丌d v 盯z “ l厶＼盯， 仃z ，l 2 式中C x ，Y ，z 为点 z ，Y ，z 的煤气浓度；z 为下风 向至泄露源点的距离，m ；Y ，z 分别为侧风方向、垂 直向上方向离泄露源点的距离，m ；u 为风速，m ／s ； 拶。、以为扩散参数，m ，O y 一日一，以一c x 。，扩散参数系 数口、b 、C 、d 与大气稳定度等级见表3 ，大气稳定度 等级的划分使用帕斯奎尔 P a s q u i l l 稳定度分类法， 分为A ～F 六级。 表3 不同大气稳定度等级的扩散参数系数 T a b l e3C o e f f i c i e n t so fd i f f u s i o np a r a m e t e r sa t d i f f e r e n tg r a d eo fa t m o s p h e r i cs t a b i l i t y 3 事故模型计算实例 根据实际情况，煤气泄漏事故大部分发生于设 备检修过程中，从表1 可知，焦炉煤气的爆炸下限最 低，即为最易爆炸的煤气，高炉煤气中毒为最常见的 万方数据 2 0 1 2 年9 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s j ，．1 ．b g r i m m ．c n 1 7 煤气中毒事故，因此本文就建立高炉煤气中毒模型 和焦炉煤气爆炸模型进行分析。 以国内某大型钢铁厂为例，高炉煤气的主要成 分为一氧化碳2 6 ％，氮气5 6 ％，二氧化碳1 5 ．7 ％， 氢气1 ．5 ％，甲烷0 ．8 ％，以及微量的氧气，焦炉煤气 的主要成分为氢气5 9 ．9 ％，甲烷2 2 ．5 ％，一氧化碳 1 0 ．8 ％，氮气4 ．6 ％，二氧化碳2 ．2 ％，以及微量的氧 气。一旦高炉或焦炉煤气的管道、阀门或其他设备 出现裂缝，煤气泄露形成具有一定浓度的气团，气团 浓度达到爆炸下限，遇到火源就会发生爆炸事故。 3 ．1 煤气爆炸极限的计算[ 6 3 几种纯净气体的爆炸极限分别为H 。4 ．1 ％～ 7 5 ％、C O1 2 ．5 ％～7 3 ％、C H 45 ．6 ％～1 5 ．1 ％、 C H 。3 ．3 ％～1 0 ．7 ％。因煤气为混合性气体，因此 根据混合气体的组成可计算出混合气体的分子质 量，结果为M 高混 3 0 ．0 2 6 ，M 焦混一1 0 ．0 7 8 。最后， 根据以上数据来计算高炉煤气的爆炸下限 T ，T ，T ， L 高下一1 ／f r V l r V2 ⋯ 广Vn 1 3 8 ．6 3 ％ 、上，1L 2L “ ， 将体积分数换算成质量分数，可得C 高。 5 1 7 ．8 1g ／m 3 。 同理可计算出焦炉煤气的爆炸下限L 焦下 5 ．1 3 ％，C 焦L 一2 3 ．0 8g ／m 3 。 3 ．2 泄漏速度的确定 该厂并非位于高原或盆地，式 1 中环境压强 P 。取标准大气压1 0 1k P a ；管道中绝对压强p 为 1 0 7k P a ；泄漏气体的 ，取氢气、甲烷等平均气体绝 热指数1 ．4 ；缝隙口为长方形，G 取0 ．9 0 ；缝隙口尺 寸一般取管径的2 0 ％～1 0 0 ％，管径为0 ．0 9r n ，A 取 0 ．0 0 02 5m 2 ；T 取常温2 9 8K 。因此，经计算得到 Y 一0 ．4 6 9 ，Q o 一0 ．0 1 56k g ／s 。 3 ．3 目标点的煤气浓度与下风向扩散水平距离的 关系 式 2 中风速“取当地平均风速1 ．6m ／s ；大气 稳定条件当地为中性D ，则c r v 一0 ．1 2 8 x0 。9 0 5 ，以 0 ．2z “”。对式 2 进行编程计算可得泄露气体浓度 与下风向最大扩散水平距离的关系曲线见图1 。 3 ．4 焦炉煤气爆炸模型计算结果 将焦炉煤气C 焦。代入式 2 计算，得到爆炸下限 对应的下风向最大扩散距离为z 焦L 一2 ．7I n ，在当地 平均风速下约2s 即会扩散到2 ．7m 。而焦炉煤气 和混合煤气的着火温度分别为为5 5 0 ～6 5 0 ℃和 6 5 0 7 5 0 ℃。即焦炉煤气管道发生泄漏时，在下风 向水平距离2 ．7m 的范围内，遇5 5 0 ℃以上高温或 f 吕 ● 堂 专 越 嵌 图1焦炉煤气泄露距离和浓度的关系 F i g ．1R e l a t i o n s h i pb e t w e e nl e a k a g ed i s t a n c e a n dc o n c e n t r a t i o no fc o k eo v e ng a s 明火，泄露气团就可能发生火灾并爆炸，而从泄漏到 达到爆炸浓度只需zS 。 3 ．5 高炉煤气中毒模型计算结果 为防中毒，国家规定的作业场所C O 浓度为3 0 m g ／m 3 以下，此时对应的高炉煤气浓度C 高，约为 1 1 5m g ／m 3 。计算得到的z 高l 一6 5 ．3i n ，即发生泄 漏事故后，下风向6 5 ．3m 内的人员可能会发生不 同程度的中毒伤害，需要撤离到6 5 ．3r n 外的安全 区，疏散撤离时间约为4 1S 。 当C 0 浓度为10 0 0m g ／m 3 时人在I ～2m i n 内会中毒死亡，此时对应的高炉煤气浓度C 高。约为 3 ．8 4 6g ／m 3 。相应的z 高2 7 ．9 5m ，即发生泄漏事 故后，人员若未察觉，5s 即会达到足以致死的浓度， 吸入后1 ～Zm i n 内7 ．9 5m 范围内的人员很可能中 毒死亡。 4 模型结果结合企业现状的分析 根据该钢铁厂2 0 0 8 2 0 1 1 年工业生产事故统 计结果，在4 年里，各类生产安全事故按死亡人数排 名，中毒和爆炸、物体打击、车辆伤害、高处坠落并列 排名最高，均占死亡总人数的1 6 ．7 ％，而机械伤害、 起重伤害、触电和其他 跌伤、冻伤、砸伤、挤伤等 的 比例均为8 ．3 ％。可见防止中毒和爆炸事故能很大 程度上减少该厂事故死亡人数。 根据爆炸事故模型结果分析该厂防火防爆现 状该厂高炉、转炉、焦炉等可能发生火灾爆炸的场 所，2 ．7I T l 范围内无变电所、办公室和休息室等重点 防火区，但煤气、氧气等气体输送管道及除尘风管静 电跨接不全，有引发静电火花的可能；在防爆分区内 进行动火作业，未见严格执行动火审批制度，同样可 万方数据 1 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／[ y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年9 期 能出现火花，可能发生火灾爆炸事故。所以需要完 善静电跨接和加强管理，此类场所2 ．7m 范围内严 禁明火、高温或火花。 根据中毒事故模型结果分析该厂防泄漏安全现 状该厂转炉氧枪孑L 及加料孑L 未见氮封装置，不能防 止煤气泄漏；在各炉炉前平台及经常有人作业的地 点，设置的固定式一氧化碳监测报警装置过少，也未 定期测定C 0 浓度，不能及时发现泄漏；进入煤气区 域作业的人员，未严格执行人人携带便携式煤气检 测报警仪器，待确认煤气含量合规后才进入，同样不 能及时发现泄漏。从上述模型计算结果可知，泄漏 后允许疏散时间为5 ～4 1 s ，如此短的反应时间靠人 员自身判断是远远不够的，必须要依靠检测仪器 如 在线浓度监测设备 发布疏散命令，一旦发生煤气泄 漏 特别是检修过程 ，仪器立即报警，7 ．9 5m 范围 内人员5S 内疏散，严禁在该范围内又未佩戴防护 用品的情况下救治伤员。 5结论 1 焦炉煤气管道发生泄漏时，2S 内下风向水平 距离2 ．7m 的范围就可达到爆炸浓度，遇5 5 0 ℃以 上高温或明火，泄露气团就可能发生火灾并爆炸。 2 高炉发生泄漏事故5S 若未疏散，吸人后1 ～ 2m i n 内7 ．9 5m 范围内的人员就可能中毒死亡；下 风向6 5 ．3m 距离内的人员均可能发生不同程度的 中毒，需要撤离到之外的安全区，疏散时间约为 4 1S 。 3 为防止中毒及爆炸事故，企业还应完善煤气 回收、静电跨接、通风换气和监测报警系统。此外， 一些安全技术需要更新，如氮封技术、在线监测仪 表。同时对从事煤气生产、储存、输送、使用、维护检 修的人员进行专门的煤气监测、煤气中毒紧急救护 技术等内容的培训。 参考文献 [ 1 ] 陈家祥．钢铁冶金学[ M ] ．北京冶金工业出版社， 1 9 9 0 1 - 3 ． [ 2 ] 全国大钢安全协作会．全国大钢安全协作会成员单位 安全生产年报 2 0 0 5 2 0 0 8 年度 [ R 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