摘要：以某含硫天然气净化厂为对象，通过分析该净化厂的处理工艺及可能造成泄漏的各种原因，确定了硫化氢泄漏危险较高的生产单元。以小孔泄漏为例模拟并讨论了风速、大气稳定度对硫化氢扩散的影响。为降低H2S泄漏风险提出了在线监测及联锁系统设置的要求，对避免和减少硫化氢中毒伤亡事故具有指导意义。
关键词：硫化氢；泄漏；扩散；天然气净化；脱硫；硫磺回收
近年来，中国石化通过海相勘探理论、勘探思路、勘探技术和管理模式的创新，在川东北地区海相碳酸盐岩领域勘探获得重大突破，普光气田、元坝气田相继开发投产，为我国工业生产和居民生活提供了天然气这一清洁能源。但是，川东北地区气井安全生产主要特点是“三高两大”，即硫化氢含量高、地层压力高、单井产量高；人口密度大、工作压力大。由于H2S不仅毒性大，而且腐蚀性强，可对钻井的钻杆、套管、集输管线、净化装置等设备产生强烈的腐蚀作用，致使一旦发生含硫化氢气体泄漏过程，将对周边居民生命财产安全造成较大的威胁。
硫化氢广泛存在于净化厂的多个工艺流程，由于设备或人为因素，在开停工、正常生产及检维修过程中，可能硫化氢泄漏事故。这不但会引发非计划停车，对下游用户正常生活、生产造成损失。而且可能危及现场操作人员、邻近岗位人员、甚至周边群众的生命和健康。本文将在简要分析某天然气净化厂泄漏风险的基础上，采用专业模拟软件计算不同单元、物料在典型泄漏工况和气象条件下，可能形成的硫化氢中毒危险区域，为含硫天然气净化厂发生硫化氢泄漏事故时的应急疏散、应急抢险和设立隔离区域等提供参考。
一、硫化氢的危害
硫化氢是可燃性无色气体，低浓度时具有典型的臭鸡蛋味，相对分子质量34.08，对空气的相对密度1.19，阈限值为10ppm，安全临界浓度20ppm，危险临界浓度100ppm，高于1000ppm的硫化氢气体被人员吸入就会立即丧失知觉、导致死亡，是强烈的神经性毒物。
天然气净化厂原料气硫化氢浓度往往高于5%以上，硫磺回收的酸气中硫化氢含量高达68.8%。因此，高浓度硫化氢存在于净化装置各环节。生产运行过程中硫化氢气体泄漏时有发生，装置维修、直接作业过程往往伴随着硫化氢中毒风险，给人员巡检、现场作业带来较大的硫化氢中毒风险。据统计，自2013年以来石化企业就发生典型硫化氢中毒死亡事件5起，死亡5人，均发生在检修和直接作业环节。
二、天然气处理过程中硫化氢发生泄漏的原因分析
1.窜气及超压
天然气脱硫时，原料气重力分离器、原料气过滤分离器、吸收塔（以上为高压）、闪蒸罐（中压）、再生塔、酸气分液罐（低压）等在不同压力下运转，在出现液位过低（或假液位）、联锁阀门失效等情况下，可能造成高压气串入较低压力容器，从而引发管线或压力容器破裂事故。
2.腐蚀
原料气系统设备或管线及其焊缝、接头、垫圈、仪表、阀门等因硫化氢、二氧化碳、MDEA碱液等的腐蚀而造成泄漏。所有泄漏的原料天然气、脱硫富液、未脱硫闪蒸气和酸气均可能引发硫化氢中毒，并可能着火燃烧、爆炸。
3.其他泄漏危险
原料气过滤分离器需定期清洗或更换过滤元件，因分离器内含有大量的易自燃的硫化铁，操作不当可能引发火灾，甚至爆炸事故，致使大量含H2S的物料泄漏。过滤分离器更换滤料或清洗时，可能因阀门泄漏或排出的污水造成人员H2S中毒。如果还原工序的SO2和单质硫还原不完全，就将使后续的急冷工序产生严重腐蚀、堵塞等问题，可能引发酸气泄漏事故。
三、泄漏事故模拟
采用DNV（挪威船级社）开发的PHAST6．6模拟计算含H：S气体泄漏的扩散后果。该软件的泄漏扩散模块采用了UDM（Unified Dispersion Mode1）。通过输入事故发生时的真实场景，包括设备类型、物料种类、工艺压力、操作温度、储存数量、泄漏方式、气象条件等，即可模拟两装置因泄漏而可能发生H2S中毒事故的范围。
1.模拟脱硫单元原料气和硫磺回收单元酸性气泄漏
将选取的模拟条件输入到PHAST计算结果。其中IDLH为立即危及生命或健康浓度，指人员暴露于毒性气体环境30min，尚有能力逃跑，且不致产生不良症状或不可恢复性之健康影响的最大容许浓度。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆重新评估后，美国NIOSH将H2S的IDLH值由原来的300ppm降至100ppm。SY／T5087—2005《含硫化氢油气井安全钻井推荐作法》将100ppm的H2S含量定义为危险临界浓度。
2.模拟结果分析
（1）脱硫单元（原料气）与硫磺回收单元（酸性气）对比
在相同的孔径尺寸、气象条件和持续时间下，脱硫单元原料气比硫磺回收单元酸性气形成的IDLH下风向边界距离远5倍左右。两者面积相差约20倍。例如两个单元在6．4mm@D1．5m／s条件下发生泄漏，脱硫单元形成的IDLH下风向边界距离为193m、面积为5548m2，硫磺回收单元分别对应为41m和280m2。
其原因是：原料气在脱硫单元的过滤分离器或主吸收塔的压力均在8MPa以上，硫磺回收单元的酸性气在输送到克劳斯炉过程中的工艺压力仅为0．16Mp，可以计算出实际释放到环境中的H2S分别为：3．4moL／s，0．14mol／s，相差24倍。这是脱硫单元（原料气）与硫磺回收单元（酸性气）发生泄漏形成IDLH大小不同的主要原因。另外酸性气温度（50℃）比原料气温度（35℃）高，热抬升效应要更明显一些。
（2）泄漏孔径的影响
脱硫单元的原料气相关设备管线（如原料气过滤分离器）发生小、中孔径泄漏（持续30min）时，形成H2SIDLH下风向边界距离分别为193m、620m；如果脱硫装置发生大孔径泄漏（持续5min），可达到1190m。对于硫磺回收单元的酸性气泄漏（如酸性气分液罐及至克劳斯反应炉的DN800酸性气管道发生泄漏）也有相同的趋势。即两单元发生泄漏形成的H2SIDLH范围随泄漏的孔径扩大而急剧增大。
（3）泄漏持续时间
脱硫单元原料气过滤分离器发生中尺度孔径（25mm）1min、5min、30min泄漏，形成的IDLH下风向边界距离分别是191m、320m、620m。如果发生大尺度孔径泄漏（102mm）1min、5min，形成的IDLH下风向边界距离分别是670m、1190m。同样在硫磺回收单元酸性气管道发生中尺度孔径（25mm）1min、5min、30min泄漏，形成的IDLH风向边界距离分别是38m、58m、120m。如果发生大尺度孔径泄漏（102mm）1min、5min，将产生128m、192m的IDLH下风向边界距离。
可以看出无论是脱硫还是硫磺回收单元，泄漏持续时间对于H2S的IDLH下风向边界距离有明显的影响。持续时问越长，IDLH边界延伸的越远，造成的H2S危害越严重。
（4）大气稳定度影响
用小孔径（6．4mm）泄漏模拟结果分析大气稳定度对两个单元不同物料泄漏后果的影响。可以看出，脱硫单元原料气泄漏在大气稳定度为B、D、F下所形成的IDLH下风向边界距离分别为112m、174m、417m，对应的面积分别是1962m2、4184m2、21151m2。
硫磺回收单元酸性气在大气稳定度为B、D、F下所形成的IDLH下风向边界距离分别为23m、37m、92m，对应的面积分别是94m2、203m2、954m2。因此，硫磺回收单元酸性气小孔径泄漏的影响范围仅限于本装置，对邻近装置影响不大。
结语
（1）H2S是含硫天然气净化企业的主要有毒物质，它普遍存在于脱硫、硫磺回收和尾气处理、酸性水汽提等单元。由于各单元的H2S含量、流量、压力、温度差别较大，泄漏造成的H2S危害程度也会有相当大不同。
（2）净化厂H2S泄漏事故发生具有突然性和剧烈性的显著特点，因此应预先制定原料气和酸性气重大泄漏专项应急预案。净化厂装置区内应设风向标，确定紧急集合点，在可能发生硫化氢中毒的场所，出入口设置危险危害因素告知牌和危险点分布图。在作业场所和危险点设置警示标志；硫化氢危险源集中场所要划定危险区域，防止人员随意进入。
（3）含硫天然气净化厂主体设备或管线若发生泄漏时，在典型气象条件下，H2S浓度为100ppm的毒性云团将扩散至41—1190m范围。不但会危害泄漏装置员工生命或健康，而且可能危及邻近装置作业人员，甚至会对厂外的群众生命健康造成损害。因此紧急状况下应根据不同设备泄漏疏散相应距离内的工作人员，设置厂内外警戒隔离区域。同时需要根据具体的H2S气体释放量、释放压力、释放孔径和实时气象条件等参数进行估算，确定应急疏散半径。
参考文献：
[1]梁锋，高少华．浅谈川东北高含硫天然气井试气的安全措施[J]．安全、环境和健康，2008，8（7）：12—14
论文作者:刘露
论文发表刊物:《基层建设》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/23
标签：硫化氢论文; 单元论文; 硫磺论文; 孔径论文; 酸性论文; 原料论文; 发生论文; 《基层建设》2019年第2期论文;