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中毒及爆炸模型在鋼鐵企業(yè)事故中的應(yīng)用

文檔作者：儲瑩，孫勝利，郭文晶，張旭鳳文檔來源：北京礦冶研究總院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年11月30日
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2012年9期 有色金屬(冶煉部分)(http：／／ysy1．bgrimm．cn) · 15 ·
doi：10．3969／j．issn．1007—7545．2012．09．005
中毒及爆炸模型在鋼鐵企業(yè)事故中的應(yīng)用
儲瑩，孫勝利，郭文晶，張旭鳳
(北京礦冶研究總院北京國信安科技術(shù)有限公司，北京100160)
摘要：對鋼鐵企業(yè)煤氣安全事故進行研究，通過建立煤氣在大氣中的擴散模型，分析企業(yè)常見的泄漏、
中毒、火災(zāi)、爆炸事故，為企業(yè)的煤氣安全運行提供指導(dǎo)和借鑒，為其安全管理體系的建設(shè)提供理論依
據(jù)。
關(guān)鍵詞：鋼鐵；煤氣；中毒；爆炸；模型
中圖分類號：X928 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007—7545(2012)09—0015—04
Application of Poisoning and Explosion M odel on
Accidents in Iron and Steel Enterprises
CHU Ying，SUN Sheng—li，GUO Wen-j ing，ZHANG Xu—feng
(Beijing Guoxin Anke Technology Co．，Ltd，Beijing General Research Institute of
Mining 8L Metallurgy，Beijing 100160，China)
Abstract：Several cases of coal gas accidents once occurring in Chinese iron and steel enterprises were inves—
tigated． The com mon accidents of gas leakage，poisoning，fire and explosion in domestic enterprises were
explored through the establishment of diffusion models of coal gas in atmosphere．The exploration serves
to provide not only practical guidance and reference for a safety production in iron and steel enterprises but
also a theoretiea1 basis for the construction of safety management system．
Key words：iron and steel；coal gas；poisoning；explosion；mathematical model
鋼鐵生產(chǎn)是一個從礦石、燒結(jié)、焦化、煉鐵、煉鋼
到精煉以及包括熱軋、冷軋在內(nèi)的復(fù)雜的生產(chǎn)系
統(tǒng)l】]，“人機料法環(huán)”各要素相互作用，產(chǎn)生了危險因
素，危險因素和非危險因素在自控和被控的過程中
相互轉(zhuǎn)化，在一定的時空條件下導(dǎo)致了事故的發(fā)生。
在這個系統(tǒng)中，危險化學(xué)品造成的事故隱患容易被
冶金企業(yè)所忽視。煤氣的事故在鋼鐵冶金企業(yè)有4
種表現(xiàn)形式：泄漏、中毒、著火或爆炸，并能導(dǎo)致事故
的多米諾效應(yīng)。本文通過建立事故模型結(jié)合企業(yè)現(xiàn)
狀進行分析，找出企業(yè)對危險化學(xué)品管理的空白之
處，供企業(yè)查缺補漏。
收稿日期：2012—02—29
作者簡介：儲瑩(1986一)，女，安徽安慶人，助理工程師，注冊安全工程師
1 作業(yè)場所煤氣事故辨識
近3年36家大中型鋼鐵企業(yè)各工序傷亡事故
總數(shù)的分析表明，鋼鐵企業(yè)傷亡事故發(fā)生最多的前
3個工序分別是軋鋼(16．7％)、煉鋼(13．5 )和煉
鐵(9．6 )。2005—2008年國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)發(fā)生
的安全生產(chǎn)死亡事故人數(shù)共242人口]，其中居前五
位的事故類型分別是中毒窒息53人、機械傷害49
人、起重傷害32人、高處墜落24人、物體打擊23
人，可見煤氣中毒事故是鋼鐵企業(yè)發(fā)生最多的事故。
冶金副產(chǎn)煤氣產(chǎn)生于煉焦、煉鐵、煉鋼等生產(chǎn)過
程中，并用作燒結(jié)、煉鋼、軋鋼、自備電廠等的燃料，
· 16 · 有色金屬(冶煉部分)(http：／／ysy1．bgrimm．cn) 2012年9期
貫穿于整個冶金流程中，因此鋼鐵企業(yè)的高爐、轉(zhuǎn)
爐、焦?fàn)t等主要冶煉場所的危險化學(xué)品安全管理重
點要分析的就是煤氣。
不管是高爐、焦?fàn)t還是轉(zhuǎn)爐反應(yīng)都會產(chǎn)生大量
的煤氣(鋼鐵企業(yè)煤氣成分見表1l3])，由于凈化后
的煤氣無色無味、不易被察覺，又易燃易爆，有毒，高
溫高壓，量大(某大型鋼鐵廠年產(chǎn)85．932億m。)，一
旦煤氣泄漏，幾分鐘內(nèi)就可令人窒息而亡(CO濃度
與人體反應(yīng)關(guān)系見表2E )。因此確保煤氣生產(chǎn)、輸
配、使用，尤其是生產(chǎn)檢修階段的安全，已經(jīng)成為鋼
鐵行業(yè)最為關(guān)心的問題。
表1 各種煤氣的組成及在空氣中的爆炸極限
Table 1 Coal gas components and its explosion limit in air ／％
表2 CO 濃度、作業(yè)時間與人的反應(yīng)關(guān)系
Table 2 Relationship between concentration of CO，
operation time and human reaction
2 煤氣泄漏中毒和火災(zāi)爆炸事故評
價模型
2．1 煤氣經(jīng)小孔泄露模型
根據(jù)企業(yè)實際，假設(shè)在檢修過程中煤氣管道閥
門打開后未及時插盲板，就會從閥門縫隙處發(fā)生泄
漏。因此可以根據(jù)煤氣經(jīng)小孔泄露模型 確定泄漏
速度Q。。
Q0一YCaAp T t r+l、)巖 (1)
Y ==
(磐)÷[ 一( )r-1 )( ) r+1]吉
當(dāng)譬≤( )卉時，為聲速流動，litH,~Y一。；
當(dāng)譬>( 2玎)南時，為亞聲速流動。
式中： 。為環(huán)境壓強，Pa；P為管道中絕對壓強，Pa；
)，為泄漏氣體絕熱指數(shù)；Q。為泄漏速度，kg／s；M 為
氣體分子質(zhì)量，kg／mol；R為普適氣體常量，8．314
J／(tool·K)；C 為縫隙形狀系數(shù)，圓形取】．00，=
角形取0．95，長方形取0．90；A 為4,TL面積，m。；T
為氣體溫度，K。
2．2 泄露氣體在大氣中擴散的計算模型
假設(shè)流場穩(wěn)定，即空間某一位置泄漏煤氣的濃
度恒定，不隨時間變化；在有風(fēng)條件下，風(fēng)力產(chǎn)生的
平流輸送作用遠(yuǎn)大于水平方向上的分子擴散作用。
ccx,y,z 一 丌 expf一 ( Gy+G之z)] v盯 J ＼ ， J
(2)
式中：C(I，Y， )為點(z，Y，z)的煤氣濃度；z為下風(fēng)
向至泄露源點的距離，m；Y，z分別為側(cè)風(fēng)方向、垂
直向上方向離泄露源點的距離，m；u為風(fēng)速，m／s；
口 、 為擴散參數(shù)，1TI， 一口z ， 一CX ，擴散參數(shù)系
數(shù) 、b、C、d與大氣穩(wěn)定度等級見表3，大氣穩(wěn)定度
等級的劃分使用帕斯奎爾(Pasquil1)穩(wěn)定度分類法，
分為A～F六級。
表3 不同大氣穩(wěn)定度等級的擴散參數(shù)系數(shù)
Table 3 Coefficients of diffusion parameters at
different grade of atmospheric stability
3 事故模型計算實例
根據(jù)實際情況，煤氣泄漏事故大部分發(fā)生于設(shè)
備檢修過程中，從表1可知，焦?fàn)t煤氣的爆炸下限最
低，即為最易爆炸的煤氣，高爐煤氣中毒為最常見的
2012年9期 有色金屬(冶煉部分)(http：／／ysy1．bgrimm．cn) · 17 ·
煤氣中毒事故，因此本文就建立高爐煤氣中毒模型
和焦?fàn)t煤氣爆炸模型進行分析。
以國內(nèi)某大型鋼鐵廠為例，高爐煤氣的主要成
分為一氧化碳26 ，氮氣56 ，二氧化碳15．7 ，
氫氣1．5 9，6，甲烷0．8 9／6，以及微量的氧氣，焦?fàn)t煤氣
的主要成分為氫氣59．9 ，甲烷22．5 ，一氧化碳
1O．8 ，氮氣4．6 ，二氧化碳2．2％ ，以及微量的氧
氣。一旦高爐或焦?fàn)t煤氣的管道、閥門或其他設(shè)備
出現(xiàn)裂縫，煤氣泄露形成具有一定濃度的氣團，氣團
濃度達到爆炸下限，遇到火源就會發(fā)生爆炸事故。
3．1 煤氣爆炸極限的計算[6
幾種純凈氣體的爆炸極限分別為H 4．1％ ～
75 、CO 12．5 ～ 73 、CH 5．6 ～ 15．1 、
C H 3．3 ～10．7 。因煤氣為混合性氣體，因此
根據(jù)混合氣體的組成可計算出混合氣體的分子質(zhì)
量，結(jié)果為M高混一30．026，M焦混==：10．078。最后，
根據(jù)以上數(shù)據(jù)來計算高爐煤氣的爆炸下限：
T， T， T，
L高下一1／f + +?+廣V n 1=38．63
、 1 L 2 “ ，
將體積分?jǐn)?shù)換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可得C高 =
517．81 g／m。。
同理可計算出焦?fàn)t煤氣的爆炸下限L焦下一
5．13 ，C焦I 一23．08 g／m 。
3．2 泄漏速度的確定
該廠并非位于高原或盆地，式(1)中環(huán)境壓強
p。取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 kPa；管道中絕對壓強P為
107 kPa；泄漏氣體的y取氫氣、甲烷等平均氣體絕
熱指數(shù)1．4；縫隙口為長方形，C 取0．90；縫隙口尺
寸一般取管徑的20 ～100 ，管徑為0．09 m，A取
0．000 25 m ；T取常溫298 K。因此，經(jīng)計算得到
Y===0．469，Qo===0．015 6 kg／s。
3．3 目標(biāo)點的煤氣濃度與下風(fēng)向擴散水平距離的
關(guān)系
式(2)中風(fēng)速“取當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速1．6 m／s；大氣
穩(wěn)定條件當(dāng)?shù)貫橹行訢，則 一0．128x ∞ ， 一
0．2 z 。對式(2)進行編程計算可得泄露氣體濃度
與下風(fēng)向最大擴散水平距離的關(guān)系曲線見圖1。
3．4 焦?fàn)t煤氣爆炸模型計算結(jié)果
將焦?fàn)t煤氣C焦 代入式(2)計算，得到爆炸下限
對應(yīng)的下風(fēng)向最大擴散距離為z焦 ：==2．7 m，在當(dāng)?shù)?
平均風(fēng)速下約2 S即會擴散到2．7 m。而焦?fàn)t煤氣
和混合煤氣的著火溫度分別為為550～ 650 oC和
65O～750℃ 。即焦?fàn)t煤氣管道發(fā)生泄漏時，在下風(fēng)
向水平距離2．7 ITI的范圍內(nèi)，遇550℃ 以上高溫或
彳、
g
●
圖1 焦?fàn)t煤氣泄露距離和濃度的關(guān)系
Fig．1 Relationship between leakage distance
and concentration of coke oven gas
明火，泄露氣團就可能發(fā)生火災(zāi)并爆炸，而從泄漏到
達到爆炸濃度只需2 S。
3．5 高爐煤氣中毒模型計算結(jié)果
為防中毒，國家規(guī)定的作業(yè)場所CO濃度為30
mg／m。以下，此時對應(yīng)的高爐煤氣濃度C高 約為
115 mg／m。。計算得到的z高1===65．3 In，即發(fā)生泄
漏事故后，下風(fēng)向65．3 120內(nèi)的人員可能會發(fā)生不
同程度的中毒傷害，需要撤離到65．3 in外的安全
區(qū)，疏散撤離時間約為41 S。
當(dāng)CO濃度為1 000 mg／m。時人在1～2 min
內(nèi)會中毒死亡，此時對應(yīng)的高爐煤氣濃度C高 約為
3．846 g／m。。相應(yīng)的 高2—7．95 hi．，即發(fā)生泄漏事
故后，人員若未察覺，5 S即會達到足以致死的濃度，
吸入后1～2 min內(nèi)7．95 1TI范圍內(nèi)的人員很可能中
毒死亡。
4 模型結(jié)果結(jié)合企業(yè)現(xiàn)狀的分析
根據(jù)該鋼鐵廠2008—2011年工業(yè)生產(chǎn)事故統(tǒng)
計結(jié)果，在4年里，各類生產(chǎn)安全事故按死亡人數(shù)排
名，中毒和爆炸、物體打擊、車輛傷害、高處墜落并列
排名最高，均占死亡總?cè)藬?shù)的16．7 9／6，而機械傷害、
起重傷害、觸電和其他(跌傷、凍傷、砸傷、擠傷等)的
比例均為8．3 。可見防止中毒和爆炸事故能很大
程度上減少該廠事故死亡人數(shù)。
根據(jù)爆炸事故模型結(jié)果分析該廠防火防爆現(xiàn)
狀：該廠高爐、轉(zhuǎn)爐、焦?fàn)t等可能發(fā)生火災(zāi)爆炸的場
所，2．7 rn范圍內(nèi)無變電所、辦公室和休息室等重點
防火區(qū)，但煤氣、氧氣等氣體輸送管道及除塵風(fēng)管靜
電跨接不全，有引發(fā)靜電火花的可能；在防爆分區(qū)內(nèi)
進行動火作業(yè)，未見嚴(yán)格執(zhí)行動火審批制度，同樣可
· 18 · 有色金屬(冶煉部分)(http：／／ysy1．bgrimm．cn) 2012年9期
能出現(xiàn)火花，可能發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。所以需要完
善靜電跨接和加強管理，此類場所2．7 m 范圍內(nèi)嚴(yán)
禁明火、高溫或火花。
根據(jù)中毒事故模型結(jié)果分析該廠防泄漏安全現(xiàn)
狀：該廠轉(zhuǎn)爐氧槍孔及加料孔未見氮封裝置，不能防
止煤氣泄漏；在各爐爐前平臺及經(jīng)常有人作業(yè)的地
點，設(shè)置的固定式一氧化碳監(jiān)測報警裝置過少，也未
定期測定CO濃度，不能及時發(fā)現(xiàn)泄漏；進入煤氣區(qū)
域作業(yè)的人員，未嚴(yán)格執(zhí)行人人攜帶便攜式煤氣檢
測報警儀器，待確認(rèn)煤氣含量合規(guī)后才進入，同樣不
能及時發(fā)現(xiàn)泄漏。從上述模型計算結(jié)果可知，泄漏
后允許疏散時間為5～41s，如此短的反應(yīng)時間靠人
員自身判斷是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須要依靠檢測儀器(如
在線濃度監(jiān)測設(shè)備)發(fā)布疏散命令，一旦發(fā)生煤氣泄
漏(特別是檢修過程)，儀器立即報警，7．95 m 范圍
內(nèi)人員5 S內(nèi)疏散，嚴(yán)禁在該范圍內(nèi)又未佩戴防護
用品的情況下救治傷員。
5 結(jié)論
1)焦?fàn)t煤氣管道發(fā)生泄漏時，2 S內(nèi)下風(fēng)向水平
距離2．7 m的范圍就可達到爆炸濃度，遇550℃ 以
上高溫或明火，泄露氣團就可能發(fā)生火災(zāi)并爆炸。
2)高爐發(fā)生泄漏事故5 S若未疏散，吸入后1～
2 min內(nèi)7．95 m范圍內(nèi)的人員就可能中毒死亡；下
風(fēng)向65．3 m距離內(nèi)的人員均可能發(fā)生不同程度的
中毒，需要撤離到之外的安全區(qū)，疏散時間約為
41 s。
3)為防止中毒及爆炸事故，企業(yè)還應(yīng)完善煤氣
回收、靜電跨接、通風(fēng)換氣和監(jiān)測報警系統(tǒng)。此外，
一些安全技術(shù)需要更新，如氮封技術(shù)、在線監(jiān)測儀
表。同時對從事煤氣生產(chǎn)、儲存、輸送、使用、維護檢
修的人員進行專門的煤氣監(jiān)測、煤氣中毒緊急救護
技術(shù)等內(nèi)容的培訓(xùn)。
參考文獻
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