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中毒及爆炸模型在鋼鐵企業事故中的應用

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：	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事故中的應用
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有限公司，北京100160)
摘要：對鋼鐵企業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，分析企業常見的泄漏、
中毒、火災、爆炸事故，為企業的煤氣安全運行提供指導和借鑒，為其安全管理體系的建設提供理論依
據。
關鍵詞：鋼鐵；煤氣；中毒；爆炸；模型
中圖分類號：X928 文獻標識碼：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
鋼鐵生產是一個從礦石、燒結、焦化、煉鐵、煉鋼
到精煉以及包括熱軋、冷軋在內的復雜的生產系
統l】]，“人機料法環”各要素相互作用，產生了危險因
素，危險因素和非危險因素在自控和被控的過程中
相互轉化，在一定的時空條件下導致了事故的發生。
在這個系統中，危險化學品造成的事故隱患容易被
冶金企業所忽視。煤氣的事故在鋼鐵冶金企業有4
種表現形式：泄漏、中毒、著火或爆炸，并能導致事故
的多米諾效應。本文通過建立事故模型結合企業現
狀進行分析，找出企業對危險化學品管理的空白之
處，供企業查缺補漏。
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 作業場所煤氣事故辨識
近3年36家大中型鋼鐵企業各工序傷亡事故
總數的分析表明，鋼鐵企業傷亡事故發生最多的前
3個工序分別是軋鋼(16．7％)、煉鋼(13．5 )和煉
鐵(9．6 )。2005—2008年國內大型鋼鐵企業發生
的安全生產死亡事故人數共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發生最多的事故。
冶金副產煤氣產生于煉焦、煉鐵、煉鋼等生產過
程中，并用作燒結、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，因此鋼鐵企業的高爐、轉
爐、焦爐等主要冶煉場所的危險化學品安全管理重
點要分析的就是煤氣。
不管是高爐、焦爐還是轉爐反應都會產生大量
的煤氣(鋼鐵企業煤氣成分見表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85．932億m。)，一
旦煤氣泄漏，幾分鐘內就可令人窒息而亡(CO濃度
與人體反應關系見表2E )。因此確保煤氣生產、輸
配、使用，尤其是生產檢修階段的安全，已經成為鋼
鐵行業最為關心的問題。
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、作業時間與人的反應關系
Table 2 Relationship between concentration of CO，
operation time and human reaction
2 煤氣泄漏中毒和火災爆炸事故評
價模型
2．1 煤氣經小孔泄露模型
根據企業實際，假設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生泄
漏。因此可以根據煤氣經小孔泄露模型 確定泄漏
速度Q。。
Q0一YCaAp T t r+l、)巖 (1)
Y ==
(磐)÷[ 一( )r-1 )( ) r+1]吉
當譬≤( )卉時，為聲速流動，litH,~Y一。；
當譬>( 2玎)南時，為亞聲速流動。
式中： 。為環境壓強，Pa；P為管道中絕對壓強，Pa；
)，為泄漏氣體絕熱指數；Q。為泄漏速度，kg／s；M 為
氣體分子質量，kg／mol；R為普適氣體常量，8．314
J／(tool·K)；C 為縫隙形狀系數，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
假設流場穩定，即空間某一位置泄漏煤氣的濃
度恒定，不隨時間變化；在有風條件下，風力產生的
平流輸送作用遠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
向至泄露源點的距離，m；Y，z分別為側風方向、垂
直向上方向離泄露源點的距離，m；u為風速，m／s；
口 、 為擴散參數，1TI， 一口z ， 一CX ，擴散參數系
數 、b、C、d與大氣穩定度等級見表3，大氣穩定度
等級的劃分使用帕斯奎爾(Pasquil1)穩定度分類法，
分為A～F六級。
表3 不同大氣穩定度等級的擴散參數系數
Table 3 Coefficients of diffusion parameters at
different grade of atmospheric stability
3 事故模型計算實例
根據實際情況，煤氣泄漏事故大部分發生于設
備檢修過程中，從表1可知，焦爐煤氣的爆炸下限最
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
和焦爐煤氣爆炸模型進行分析。
以國內某大型鋼鐵廠為例，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，焦爐煤氣
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。一旦高爐或焦爐煤氣的管道、閥門或其他設備
出現裂縫，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
根據混合氣體的組成可計算出混合氣體的分子質
量，結果為M高混一30．026，M焦混==：10．078。最后，
根據以上數據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 “ ，
將體積分數換算成質量分數，可得C高 =
517．81 g／m。。
同理可計算出焦爐煤氣的爆炸下限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)中環境壓強
p。取標準大氣壓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，經計算得到
Y===0．469，Qo===0．015 6 kg／s。
3．3 目標點的煤氣濃度與下風向擴散水平距離的
關系
式(2)中風速“取當地平均風速1．6 m／s；大氣
穩定條件當地為中性D，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
與下風向最大擴散水平距離的關系曲線見圖1。
3．4 焦爐煤氣爆炸模型計算結果
將焦爐煤氣C焦 代入式(2)計算，得到爆炸下限
對應的下風向最大擴散距離為z焦 ：==2．7 m，在當地
平均風速下約2 S即會擴散到2．7 m。而焦爐煤氣
和混合煤氣的著火溫度分別為為550～ 650 oC和
65O～750℃ 。即焦爐煤氣管道發生泄漏時，在下風
向水平距離2．7 ITI的范圍內，遇550℃ 以上高溫或
彳、
g
●
圖1 焦爐煤氣泄露距離和濃度的關系
Fig．1 Relationship between leakage distance
and concentration of coke oven gas
明火，泄露氣團就可能發生火災并爆炸，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果
為防中毒，國家規定的作業場所CO濃度為30
mg／m。以下，此時對應的高爐煤氣濃度C高 約為
115 mg／m。。計算得到的z高1===65．3 In，即發生泄
漏事故后，下風向65．3 120內的人員可能會發生不
同程度的中毒傷害，需要撤離到65．3 in外的安全
區，疏散撤離時間約為41 S。
當CO濃度為1 000 mg／m。時人在1～2 min
內會中毒死亡，此時對應的高爐煤氣濃度C高 約為
3．846 g／m。。相應的 高2—7．95 hi．，即發生泄漏事
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7．95 1TI范圍內的人員很可能中
毒死亡。
4 模型結果結合企業現狀的分析
根據該鋼鐵廠2008—2011年工業生產事故統
計結果，在4年里，各類生產安全事故按死亡人數排
名，中毒和爆炸、物體打擊、車輛傷害、高處墜落并列
排名最高，均占死亡總人數的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 ?？梢姺乐怪卸竞捅ㄊ鹿誓芎艽?
程度上減少該廠事故死亡人數。
根據爆炸事故模型結果分析該廠防火防爆現
狀：該廠高爐、轉爐、焦爐等可能發生火災爆炸的場
所，2．7 rn范圍內無變電所、辦公室和休息室等重點
防火區，但煤氣、氧氣等氣體輸送管道及除塵風管靜
電跨接不全，有引發靜電火花的可能；在防爆分區內
進行動火作業，未見嚴格執行動火審批制度，同樣可
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能出現火花，可能發生火災爆炸事故。所以需要完
善靜電跨接和加強管理，此類場所2．7 m 范圍內嚴
禁明火、高溫或火花。
根據中毒事故模型結果分析該廠防泄漏安全現
狀：該廠轉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常有人作業的地
點，設置的固定式一氧化碳監測報警裝置過少，也未
定期測定CO濃度，不能及時發現泄漏；進入煤氣區
域作業的人員，未嚴格執行人人攜帶便攜式煤氣檢
測報警儀器，待確認煤氣含量合規后才進入，同樣不
能及時發現泄漏。從上述模型計算結果可知，泄漏
后允許疏散時間為5～41s，如此短的反應時間靠人
員自身判斷是遠遠不夠的，必須要依靠檢測儀器(如
在線濃度監測設備)發布疏散命令，一旦發生煤氣泄
漏(特別是檢修過程)，儀器立即報警，7．95 m 范圍
內人員5 S內疏散，嚴禁在該范圍內又未佩戴防護
用品的情況下救治傷員。
5 結論
1)焦爐煤氣管道發生泄漏時，2 S內下風向水平
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，泄露氣團就可能發生火災并爆炸。
2)高爐發生泄漏事故5 S若未疏散，吸入后1～
2 min內7．95 m范圍內的人員就可能中毒死亡；下
風向65．3 m距離內的人員均可能發生不同程度的
中毒，需要撤離到之外的安全區，疏散時間約為
41 s。
3)為防止中毒及爆炸事故，企業還應完善煤氣
回收、靜電跨接、通風換氣和監測報警系統。此外，
一些安全技術需要更新，如氮封技術、在線監測儀
表。同時對從事煤氣生產、儲存、輸送、使用、維護檢
修的人員進行專門的煤氣監測、煤氣中毒緊急救護
技術等內容的培訓。
參考文獻
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