环境监测
Environmental Monitoring
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液氨泄漏事故的大气环境危害性模拟预测研究
3
李发荣1李冰晶2，
（1. 湖南省环境保护科学研究院，湖南长沙410004；2. 兰州大学大气科学学院，甘肃兰州730000；
3. 兰州大学环境质量评价研究中心，甘肃兰州730000）
摘要：以液氨储罐泄漏事故对大气环境的影响为研究对象，分析了典型化学品泄漏的大气扩散特征，简要介绍了高斯烟团
模型，并使用基于该模型的RiskSystem1.2软件对某假定一次液氨储罐发生灾害性事故状态下的泄漏进行模拟。预测出在一定稳定不同风速不同时刻下液氨的半致死浓度、重度及轻度伤害范围等的下风向距离和不同风速条件下液氨的最大落地浓度，以期为度、
使用RiskSystem1.2进行大气环境风险评价提供一定帮助，并在此基础上提出具体的防范措施及应急预案，为该类事故的应急救援工作提供一定参考。
关键词：液氨泄漏；大气扩散；高斯烟团模型；R iskSystem1.2Abstract ：Liquid ammonia storage tank spill impacts on atmospheric environment as the study subject ，the paper
analyzed the atmospheric dispersion characteristics of typical chemical spills ，introduced the Gaussian plume model briefly ，based on the model ，by using RiskSystem1.2software to simulate the assumed leakage of liquid ammonia storage tank under severe accident conditions, predict the lethal concentration range of liquid ammonia and downwind distance of severe and mild injury range under a certain stability condition ，different wind speed and different time ；as well the maximum ground concentration of the liquid ammonia at different wind speed conditions. It is expected to provide some helps for atmospheric environmental risk assessment by using RiskSystem1.2software ，and proposed specific preventive measures and emergency plans for providing a reference on the type of accident emergency rescue work.
Key words ：liquid ammonia leak ；atmospheric dispersion ；Gaussian plume model ；RiskSystem1.2
中图分类号：X51
文献标识码：A
文章编号：1674-1021（2014）01-0055-04
1引言
氨是重要的化工原料，常用于生产硝酸、尿素和
类型和扩散规律，以便及时、准确地预测毒气扩散危减少险区域，对于消防人员有效组织抢险救援活动、
事故的损失是非常重要的。本文主要对兰州市西固区某液氨储罐泄漏的大气环境危害性进行模拟预测研究，并使用RiskSystem1.2软件对某假定一次液氨储罐发生灾害性事故状态下的泄漏进行模拟, 以计算其在大气中不同条件下的扩散及浓度分布。本次预测事故为假设压力液化气储罐发生液相瞬时小孔泄漏导致液氨进入大气的灾害事故情况［2-3］。
其他化学肥料，在国防工业中，用于制造火箭、导弹的推进剂。为了储存和运输的方便，通常采用加压或冷却得到液态氨，但液氨有毒，汽化后挥发性大，刺激性强，刺激鼻黏膜后会引起窒息。在氨的生产、运储存中，如遇到管道、阀门、储罐等损坏时导致液输、
氨发生泄漏，极易引起人员中毒事故，并且会对大气环境造成严重危害。
据不完全统计，建国以来我国化工系统发生的51起重（特）大典型泄漏事故中，液氨泄漏发生次数死亡人数与受伤人数均居第三位，居首位，为8次；分别是42人和259人。液氨泄漏事故的发生，不仅对人类的生命造成威胁，还会影响周围的环境和空气，使更多的人受到伤害［1］。
事故的发生是很难预料的，但是分析氨气泄漏
2典型化学品泄漏大气扩散特征
大多数的化学品具有易燃、腐蚀、毒性、污染性
故化等多种危险性，并且数量大，品种多，性质各异。
学品泄露事故形式多种多样，机理非常复杂，对于不同种类的突发性泄露事故，将有不同的处理方法。2.1
化学品泄漏类型
化学品的大气扩散是与它的泄漏方式紧密联系
收稿日期：2013－10－31；修订日期：2013-12-30。作者简介：李发荣，男，1985年生，工程师，主要从事环境影响评价工作。
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环境保护与循环经济
的。化学品事故泄漏的时间往往较短, 可将其大致分
连续泄漏、瞬时泄漏和连续泄为三类，即瞬时泄漏、
漏并存。瞬时泄漏是指在极短暂的时间内有毒气体
爆炸就泄放完毕, 如贮罐或其他容器的灾难性破裂、
导致有毒气体瞬间释放完毕，瞬时泄漏可导致有毒气体的物理性质在极短的时间内发生剧烈的变化, 它往往与灾难性泄漏相联系；连续泄漏是指有毒气体连续的不间断泄放；瞬时泄漏和连续泄漏并存的情况称作非典型性泄漏。2.2化学品泄漏事故特点
（1）突发性强：化学品事故往往突如其来，事先没有明显预兆，而且发展迅猛。
（2）危害性大：危险化学品随大气、水流扩散，影响面积广，直接危及人和动物的生存环境。
（3）应急处理难度大：危险品种类繁多，性质及毒害作用各不相同，因而其突发事故的情况复杂，应急救援难度大。
3.3
多烟团模式的计算公式对于短时间泄漏，可采用多烟团模式，计算公式2Q i C （y ，0，t-t ）×i x ，i =x y z
x -u ·（t-t ）y 2He 2i --exp -exp exp
x y z 如下：
y
n
y y y y y
C=ΣC （y ，0，t-t ）i x ，i
i =1
式中，C （y ，0，t-t ）（x ，y ，0）处i x ，i 为第i 个烟团t 时刻在的浓度，mg/m3；Q i 为第i 个烟团的排放量，mg ；u 为排
放高度处的风速，m/s；t i 为第i 个烟团的释放时刻；
He 为有效源高，m ；σx ，σy ，σz 分别为x ，y ，z 方向的扩散参数，m ；n 为烟团个数［5-8］。
4一次液氨泄漏事故的扩散模拟及环境影响评价
本次模拟主要以兰州市西固区内某生产液氨的厂址为模拟区域，假设储运区某压力液化气储罐发生液相小孔泄漏导致液氨进入大气的灾害事故情况。使用环境影响评价系统（RiskSystem ）1.2.0.2，对一次液氨泄漏事故的大气扩散进行分析评价。4.1RiskSystem1.2简介
RiskSystem1.2版是在《建设项目环境风险评价
（HJ/T169-2004）的基础上，结合安全评技术导则》
价中与环境风险评价关系密切的部分内容编制而
成。软件主要分为源项分析、火灾爆炸事故模型预测和泄漏事故模型预测3个功能模块。可预测不同风速、不同稳定度、不同时刻、不同下风向距离污染物浓度及多个关心点浓度。本文主要使用其功能里面的泄漏事故模型预测在事故状态下进入大气的液氨在大气中的扩散情况，模拟的主要原理基于高斯烟团模型里的多烟团模型［9］。4.2
评价标准
本文查阅了各种液氨对人的伤害标准及分级标
3
3.1
高斯烟团模型
高斯烟团模型的适用性高斯模型模拟机理简单，易于理解，运算量较小，适用于中性气体，可以模拟瞬时泄露，由于提出时间
《建设项目环境早，实验数据多，因而较为成熟。根据
风险评价技术导则》（HJ/T169-2004）中的规定［4］，对
并且由于使用方于瞬时或短时间事故采用烟团模式。
便、计算结果与实验值能较好吻合等特点，使得该模
因此，本次模拟主要采用高斯型能得到广泛地应用。
烟团模型中的多烟团模型对事故进行模拟。3.2高斯模式的有关假定3.2.1坐标系
高斯模式的坐标系原点为污染物排放点（无界点源或地面源）或高架源排放点在地面的投影点，x 轴正向为平均风向，y 轴在水平面上垂直于x 轴，正向在x 轴的左侧，z 轴垂直于水平面xoy ，向上为正向，即为右手坐标系。在这种坐标系中，烟流中心线或与x 轴重合，或在xoy 面上的投影为x 轴。3.2.2四点假设
大量的实验和理论研究证明，特别是对于连续点源的平均烟流，其浓度分布是符合正态分布的。因
）污染物浓度在y ，z 轴上的此可以做出如下假设：（1
分布符合高斯分布（正态分布）；（2）在全部空间中风速是均匀的、稳定的；（3）源强是连续均匀的；（4）在扩散过程中污染物质的质量是守恒的。
准的资料，综合后将液氨对人体伤害定为3种级别，具体见表1。
表1
浓度值（/mg ·m -3）
[1**********]
液氨浓度评价标准
危害程度
上呼吸道不适，恶心，头痛强刺激感，只可耐受很短时间即刻死亡
危害分级轻度危害重度危害致死浓度
57
4.3液氨泄漏事故的模拟预测4.3.1参数设置及预测方案
为符合风险事故发生的不确定性，本次模拟预测即软风0.8m/s，选取3个具有代表性的风速进行预测，
轻风3m/s，和风7m/s，结合相关参数的设置，具体见表2，利用软件RiskSystem1.2即可预测出液氨的最大落地浓度及出现距离，以及不同风速不同时刻下的致死浓度、重度及轻度伤害范围等。
表2
压力液化气储罐液相小孔泄漏的主要参数设置
参数选取液氨2511700050.[1**********]00多烟团
模型D E 0.0178200.78-33水泥503060662
工业区或城区泄漏到地面后的挥发
物理参数备注
假设液氨储罐的储量为10m 3
假设为理想状态假设为理想状态假设裂口为圆形假设裂口之上液位高度为2
假设为理想状况
相应条件下液氨的密度为820g/m3
以西固区夏季平均气温为准以西固区平均气压为准烟团间隔时间为10s 以西固区夏季主要稳定度为主以西固区夏季主要风向为主
73
液氨储罐假设只有1个液氨储罐发生泄漏
参数名装置单元物料名称罐内温度/℃容器压力/Pa裂口高度/m液体泄漏系数Cd 液氨储存量/kg环境温度/℃大气压强/Pa预测模型大气稳定度风向摩尔质量/（kg ·mol -1）液体密度/（kg ·m -3）蒸气密度/（kg ·m -3）液体常压沸点/℃地面情况围堰面积/m2蒸发时间/min环境温度下液体表面蒸气压/Pa地面特征的数据为准。
不同风速不同时刻各预测项目的结果值见表4。
表4
不同风速不同时刻各预测项目的结果值
重度危害范围/m42.9≤L ≤77.043.1≤L ≤77.744.1≤L ≤77.844.3≤L ≤78.0
轻度危害范围/m77.0≤L ≤212.877.7≤L ≤248.677.8≤L ≤254.678.0≤L ≤256.2
风速/预测致死浓度
时刻/
范围/m（m ·s -1）min
5
0.8
[***********]20
L ≤42.9L ≤43.1L ≤44.1L ≤44.3L ≤16.2L ≤16.7L ≤17.6L ≤18.1未出现未出现未出现未出现
16.2≤L ≤113.5113.5≤L ≤442.016.7≤L ≤114.1114.1≤L ≤444.617.6≤L ≤114.8114.8≤L ≤446.818.1≤L ≤115.8115.8≤L ≤448.2
L ≤72.0L ≤72.8L ≤73.6L ≤74.1
72.0≤L ≤276.472.8≤L ≤277.273.6≤L ≤278.174.1≤L ≤278.5
裂口面积/m20.0000785
注：L 为预测点到事故中心的位置。
结合表3和表4及液氨的环境阈值，可得出以下
结论：
（1）由表3可看出，在风速为0.8m/s的情况下液氨的最大落地浓度最大，为7122.3mg/m3，出现位置为下风向17m ，在风速为7m/s的情况下液氨的最大落地浓度最小，为2657.9mg/m3，出现位置为下风向13m ，分析后得知引起上述现象的主要原因为：风速越大，湍流越激烈，越有利于污染物的扩散；反之，风速越小，湍流越小，越不利于污染物的扩散，所以在风速较小的情况下，污染物在大气中浓度偏大。
（2）由表4可看出同一泄漏源在风速不同条件下浓度下降的梯度和扩散范围不同。例如当风速为0.8m/s时，在事故发生5min 后，致死浓度半径为42.9m ，重度伤害范围为距离事故中心的42.9m 至77.0m 范围内，轻度危害范围为距离事故中心77.0m 至212.8m 范围内。同理可以分析在不同风速不同时刻下，污染物的致死浓度、重度危害、轻度危害范围。值得注意的是，由于预测时间和预测间隔比较短，因此预测结果在同一风速不同时间段内数据的变化比较小。
（3）综合分析表3和表4得知，在一定范围内，风速越小，湍流作用越小，浓度下降越慢，危害时间越长，但危害范围越小；风速越大, 湍流作用越大，浓度下降的梯度也大, 危害时间较短，其危害范围越大。但当风速达到一定大小后，在经过一定时间通过大气对污染物的分解和扩散作用，影响范围也有可能变小，如表4所示，当风速达到7m/s时，由于污染物被
注：由于夏季是事故多发季节，因此很多参数的选取都以夏季
4.3.2事故模拟结果及分析
不同风速下的最大落地浓度的具体预测结果见
表3。
表3
风速（/m ·s -1）
0.83.07.0
不同风速下的最大落地浓度
最大落地浓度（/mg ·m -3）出现位置/m
7122.36989.22657.9
171359
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环境保护与循环经济
分解得较快，其影响范围反而变小, 因此在事发后应急处理方法应视情况具体而定。
区，属于兰州市的工业区集中带，容易发生事故，比较有代表性。
（3）本次预测参数设置比较理想化，故模拟出来的结果与实际的情况会有差异。并且本次模拟评价
的是单一风向不同风速环境影响下污染物的扩散，在实际运用中须根据实际的风速风向进行调整。
5
5.1
环境风险防范措施和应急预案
环境风险防范措施
为了最大程度减少风险事故的发生，依据《石油
化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》（SH 3063-1999）标准的要求，新建罐区应安装可燃气体报警器，储罐设置导除人体静电的装置。根据《石油化工防火规范》（GB 50160-1999）：“罐区防火堤内的有效容量，应符合下列规定：对于固定顶罐，，并在存储危不应小于罐组内最大一个储罐的容积”
险物质的罐区设置防火堤。防火堤最好采用非燃烧材料建造，并使各罐区防火堤有效容积符合规范要求等［10］。
应急预案
当发生环境污染事故时，应立即利用身边的通讯工具最快最有效地向有关部门报警。对重大的污染事故和可能严重影响周边单位或社会的事故，要按照职责分工，由事故发生方立即向当地政府部门进行汇报，以尽早争取时间，迅速采取响应，以便尽快控制事故的发展，动员引导事故范围内群众迅速向安全地带转移［11-12］。5.2
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6结语
（1）本次的预测数据和结果比较清晰地反映了预
测的毒气扩散危险区域，在事故发生后，消防人员可以有效地组织抢险救援，从而减少人员的伤亡和对周围环境的危害。
（2）本次评价过程所用模式比较简单，而且可视化程度较高，便于理解操作。选择区域为兰州市西固
（上接45页）
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