FARLIGT GODS OLYCKOR MED AMMONIAKLÖSNING Konsekvensbeskrivning. Stefan Lamnevik Oktober 2009

Transkript

1 Stefan Lamnevik AB FARLIGT GODS OLYCKOR MED AMMONIAKLÖSNING Konsekvensbeskrivning Stefan Lamnevik Oktober 2009 Stefan Lamnevik AB Organisationsnumber Plusgiro Bankgiro Hyltingeö Ersta STJÄRNHOV Tel: stefan.lamnevik@minmail.net 1

2 SAMMANFATTNING Stefan Lamnevik AB har av Sweco Environment fått i uppdrag att beskriva konsekvenser av två olycksscenarier vid transport av ammoniak i form av en 25 %-ig lösning av ammoniak i vatten med tankbil. Transport av ammoniaklösning avses ske under perioden oktober april (under eldningssäsongen), medeltemperatur ca 5 o C. I det första scenariot skadas bilens tank av ett utstickande föremål som ger ett hål med inbuktade kanter med 5 cm diameter genom vilket ammoniaklösningen strömmar ut och hamnar på vägbanan. Tanken är fylld så att det finns 2 m ammoniaklösning över hålets nivå. 6,2 liter per sekund strömmar ut och bildar en rännil med bredden 0,8 m fram till en avloppsbrunn 25 m längre bort. Gasformig ammoniak avdunstar genom inverkan av luftens och vägbanans värmeinnehåll och genom solens instrålning. Avdunstningen är störst under den första minuten och sjunker sedan p g a avkylning av luft och vägbana. Från rännilen avdunstar i genomsnitt under en 10 min period 0,00382 kg ammoniak per sekund. Gasen följer vinden och dess koncentration ger upphov till följande skador om den inandas under 5 minuter: dödsfall <10 m akut vårdbehov 10 m vårdbehov 47 m Om man tar hänsyn till att ammoniak avdunstas från en långsträckt rännil minskar riskavstånden tvärs rännilen till 10 m och mindre än 10 m vid vindriktning tvärs rännilen. I det andra scenariot rivs tankens sida upp av ett vasst föremål så att en reva med längden 2 m och vidden 5 mm skapas. Tanken antas som tidigare vara fylld så att vätskeytan liggen 2 m över hålet. 37,6 liter per sekund strömmar ut och bildar en rännil med bredden 1,9 m fram till en avloppsbrunn 25 m längre bort. Från rännilen avdunstar 0,00888 kg ammoniak per sekund. Gasen följer vinden och dess koncentration ger upphov till följande skador om den inandas under 5 minuter: dödsfall <10 m akut vårdbehov 16 m vårdbehov 84 m 2

3 INNEHÅLL Sammanfattning 2 Uppdraget 4 Data för ammoniaklösning 5 Utflöde ur tank 6 Avdunstning av ammoniak 9 Diskussion 14 Möjliga riskreducerande åtgärder 16 Litteratur 17 sid 3

4 UPPDRAGET Stefan Lamnevik AB har av Sweco Environment fått i uppdrag att beskriva konsekvenser av två olycksscenarier vid transport av ammoniak i form av en 25 %-ig lösning av ammoniak i vatten med tankbil. Transport av ammoniaklösning avses ske under perioden oktober april (under eldningssäsongen), medeltemperatur ca 5 o C. Scenario 1 Bilens tank skadas vid en trafikolycka av ett utstickande föremål som ger ett hål med inbuktade kanter med 5 cm diameter genom vilket ammoniaklösningen strömmar ut och hamnar på vägbanan. Tanken är fylld så att det finns 2 m ammoniaklösning över hålets nivå. Scenario 2 Tankens sida skadas vid en trafikolycka av ett vasst föremål så att en reva med längden 2 m och vidden 5 mm skapas. Tanken antas som tidigare vara fylld så att vätskeytan liggen 2 m över hålet. Atmosfäriska data Vid olyckstillfället antas följande data gälla: Temperatur +5 o C Vindstyrka 5 m/s Stabilitetsklass Pasquil D Slät mark 4

5 DATA FÖR AMMONIAKLÖSNING Koncentration 25 vikt-% ammoniak Densitet 910 kg/m 3 S Fischer et al (1997) Kokpunkt 311 K Ångtryck 48,6 kpa vid 293 K Förångningsvärme 1,79 MJ/kg R C Weast (1970) Ångtryck vid 278 K har beräknats ur ångtrycksdata för 293 och 311 K genom 1/T extrapolation, se diagram nedan Ångtryck kpa ,00320,003250,00330,003350,00340,003450,00350, ,00360,00365 Ångtrycket vid kokpunkten, 101kPa har beräknas ha partialtryck av vattenånga av 6,6 kpa och av ammoniak av 94,4 kpa. p kpa = /T + 838,1 Beräknat ångtryck för 278 K 6,0 kpa 5 1/T

6 UTFLÖDE UR TANK Scenario 1 Beräkning med IPS-GAS2.EXE Utflöde ur 5 cm hål med intryckta kanter = 5,60 kg/s = 5,60/0,910 = 6,15 liter/s = 0,00615 m 3 /s Hur fort rinner vätskan? 6 Hastigheten bestäms av vägens höjdskillnad V = (2gh) ½ V = 1 m/s vid5 cm höjdskillnad

7 Vägen har en lutning åt sidan med ca 2 % (2 cm/m). Area på ammoniakströmmen = a*0,02*a/2 Volym av ammoniakströmmen = 1*a*0,02*a/2 = 0,00615 m 3 /s a = (0,00615*2/0,02) 1/2 = 0,78 m Rännilens bredd längs gatan = 0,78 m Rännilen bedöms få en längd av 25 m längs gatan innan den försvinner ner i en gatubrunn. Scenario 2 Utflöde ur hål 2 m x 5 mm med raka hålkanter = 34,2 kg/s = 34,2/0,91 = 37,6 liter/s = 0,0376 m 3 /s. 7

8 Area på ammoniakströmmen = a*0,02*a/2 Volym av ammoniakströmmen = 1*a*0,02*a/2 = 0,0376 m 3 /s a = (0,0376*2/0,02) 1/2 = 1,94 m Rännilens bredd längs gatan = 1,94 m Rännilen bedöms få en längd av 25 m längs gatan innan den försvinner ner i en gatubrunn. 8

9 AVDUNSTNING AV AMMONIAK Här har använts i S Fischer et al (1997) beskriven metodik för beräkning av vanlig avdunstning i kap. 7.3, d v s vätskans kokpunkt är högre än omgivningstemperaturen. I modellen har pölen en cirkulär form med diametern D m. Energi tillförs från luften, från underlaget och från solen, energi förloras i form av avdunstningsavkylning. Vi försummar här inverkan av solstrålningen, då den under okt april knappast överstiger 10 W/m 2. Under vår och försommar maj juni rapporterade radio P5 Stockholm tidigare när det var skönt i väderleksrapporten då talade man om att solinstrålningen var 200 W/m 2. Nedan anges med beteckningar enligt kap. 3, ingångs- och beräkningsvärden. Förångningsvärme av ammoniak: 1,79 MJ/kg Ångtryck av ammoniak vid 278 K: 6000 Pa Gaskonstant för ammoniak: 488,8 J/(kg*K) Temperatur: +5 o C Atmosfärstryck: Pa Luftens spec. värme: 1000 J/(kg*K) Flyktighet vid 5 o C, X s (278)= 6000/(488,8*278) = 0,0442 kg/m3 Vindhastighet: 5 m/s D har beräknats för en pöl 0,8*25m (scenario 1) till 5 m respektive 7,8 m för scenario 2 med pölstorlek 1,9*25 m Massöverföringstal, k k scenario 1 = 0,0020*(5/1) 7/9 *(1/5) 1/9 *f(278) = 0, m/s k scenario 2 = 0,0020*(5/1) 7/9 *(1/7,8) 1/9 *f(278) = 0, m/s Korrektionsfaktor för massöverföringstalet, f(298) = (101000/6000)*ln101000/( ) = 1,031 Spec. avdunstningen, e a = k*x s (278) = 0, kg/(m 2 *s) (scenario 1) = 0, kg/(m 2 *s) (scenario 2) Spec. avdunstningen, e = e a e a /(1+(1,63*101000*1000*278)/((1,79*10 6 )2*0,0442) e = 6,51*10-5 (scenario 1) e = 6,19*10-5 (scenario 2) Underlagets värmekonduktivitet, K G : 0,92 J/(m*s*K) Underlagets värmediffusivitet, G : 4,2*10-7 m 2 /s Spec. avdunstningen, e M (t) = (e *t 1/2 + e a *G)/(t 1/2 + G), t = tid (s) G = (K G /( * G )*(488,8/k)*278/((1,79*10 6 ) 2 *X s / ,63*101000*1000) G = 26,80 (scenario 1) G = 28,16 (scenario 2) tid, s kg/(m 2 *s) e M (t) scenario 1 0 0, , , , Medelvärde under 10 min = 600 0, , kg/(m 2 *s) 9

10 tid, s kg/(m 2 *s) e M (t) scenario 2 0 0, , , , Medelvärde under 10 min = 600 0, , kg/(m 2 *s) 10

11 SPRIDNING I LUFT För spridning i luft har använts ALOHA Scenario 1 Källstyrka = 0, kg/(m 2 *s) * 0,8*25 m2 = 0,00382 kg/s ATMOSPHERIC DATA: (MANUAL INPUT OF DATA) Wind: 5 meters/second from N at 3 meters Ground Roughness: open country Cloud Cover: 5 tenths Air Temperature: 5 C Stability Class: D No Inversion Height Relative Humidity: 50% SOURCE STRENGTH: Direct Source: kilograms/sec Source Height: 0 Release Duration: 60 minutes Release Rate: 229 grams/min Total Amount Released: 13.8 kilograms Note: This chemical may flash boil and/or result in two phase flow. Use both dispersion modules to investigate its potential behavior. THREAT ZONE: Model Run: Gaussian Red : less than 10 meters(10.9 yards) --- (12352 mg/(cu m)) Note: Threat zone was not drawn because effects of near-field patchiness make dispersion predictions less reliable for short distances. Orange: 10 meters --- (495 mg/(cu m)) Note: Threat zone was not drawn because effects of near-field patchiness make dispersion predictions less reliable for short distances. Yellow: 47 meters --- (24 mg/(cu m)) Valda koncentrationer ger enligt S Fischer et al (1997): Röd: Död vid exponering i 5 min < 10 m avstånd Orange: Akut vårdbehov vid exponering i 5 min 10 m avstånd Gul: Vårdbehov vid exponering i 5 min 47 m avstånd 11

12 meters >=12352 mg/(cu m) (not drawn) >=495ppm(not drawn) >=24 ppm Confidence Lines meters Scenario 2 Källstyrka = 0, kg/(m 2 *s) * 1,9*25 m2 = 0,00888 kg/s ATMOSPHERIC DATA: (MANUAL INPUT OF DATA) Wind: 5 meters/second from N at 3 meters Ground Roughness: open country Cloud Cover: 5 tenths Air Temperature: 5 C Stability Class: D No Inversion Height Relative Humidity: 50% SOURCE STRENGTH: Direct Source: kilograms/sec Source Height: 0 Release Duration: 60 minutes Release Rate: 533 grams/min Total Amount Released: 32.0 kilograms Note: This chemical may flash boil and/or result in two phase flow. Use both dispersion modules to investigate its potential behavior. THREAT ZONE: Model Run: Gaussian Red : less than 10 meters(10.9 yards) --- (12352 mg/(cu m)) Note: Threat zone was not drawn because effects of near-field patchiness make dispersion predictions less reliable for short distances. 12

13 Orange: 16 meters --- (495 mg/(cu m)) Note: Threat zone was not drawn because effects of near-field patchiness make dispersion predictions less reliable for short distances. Yellow: 72 meters --- (24 mg/(cu m)) Röd: Död vid exponering i 5 min < 10 m avstånd Orange: Akut vårdbehov vid exponering i 5 min 16 m avstånd Gul: Vårdbehov vid exponering i 5 min 84 m avstånd 30 meters meters >=12352 mg/(cu m) (not drawn) >=495ppm(not drawn) >=24 ppm Confidence Lines 13

14 DISKUSSION Den modell som använts för avdunstning avser avdunstning från en cirkelrund pöl. Beräknade riskavstånd blir då i vårt fall troligen starkt överskattade vid vindriktning tvärs vägbanan och våra smala rännilar med längd 25 m längs vägbanan. Om man tänker sig att ammoniakmolnet i stället alstras av en rad små pölar som ligger på linje längs gatan och beräknar koncentrationen av ammoniak från varje pöl i riktning tvärs vägbanan blir resultatet följande. Scenario 1 Pölarea: 0,8*0,8 = 0,64 m 2, motsvarar en diameter av 0,9 m för en cirkulär pöl. Med samma indata som i tidigare avdunstningsberäkningar ger detta följande värden på den specifika avdunstningen: e M (t) scenario 1 tid, s kg/(m 2 *s) 0 0, , , , , Medelvärde 0, Källstyrka: 0,000225*0,64 = 0, kg/s Beräkningar med ALOHA för denna vindstyrka vid kontinuerligt utsläpp ger följande riskavstånd: Röd: Död vid exponering i 5 min < 10 m avstånd Orange: Akut vårdbehov vid exponering i 5 min < 10 m avstånd Gul: Vårdbehov vid exponering i 5 min 10 m avstånd Dessa riskavstånd tvärs rännilen bedöms som mer troliga än de som beräknats för en enda cirkulär yta. Riskavstånd längs med rännilen bedöms vara tidigare beräknade och bör räknas från rännilens början eller slut (beroende på vindriktningen). Scenario 2 Pölarea: 1,9*1,9 = 3,61 m 2, motsvarar en diameter av 2,1 m för en cirkulär pöl. Med samma indata som i tidigare avdunstningsberäkningar ger detta följande värden på den specifika avdunstningen: e M (t) scenario 1 tid, s kg/(m 2 *s) 0 0, , , , , Medelvärde 0,

15 Källstyrka: 0,000209*3,61 = 0,00754 kg/s Beräkningar med ALOHA för denna vindstyrka vid kontinuerligt utsläpp ger följande riskavstånd: Röd: Död vid exponering i 5 min < 10 m avstånd Orange: Akut vårdbehov vid exponering i 5 min 14 m avstånd Gul: Vårdbehov vid exponering i 5 min 77 m avstånd Dessa riskavstånd tvärs rännilen skiljer sig obetydligt från de som beräknats för en enda cirkulär yta. 15

16 MÖJLIGA RISKREDUCERANDE ÅTGÄRDER Det går att minska konsekvenserna för trafikolyckor som leder till utflöde av ammoniak med två åtgärder, som båda ger effekt: Hastighetsbegränsning till 30 km/tim Slät trafikmiljö Tankarna till farligt godsfordon har sådan hållfasthet att de normalt håller för trubbigt våld i låga kollisionshastigheter. Enligt statistik för olyckor med farligt godsfordon på öppen väg (hastighetsbegränsning km/tim) ligger sannolikheten för utflöde av innehållet vid avåkning eller kollision på ca 10 % för tankfordon som inte är avsedda för gaser (där är siffran ca 1 %). Sänks hastigheten från km/tim till 30 km/tim minskas deformationsvåldet med en faktor 5 11 vilket leder till färre och mindre skador. Att även ta med vägmiljön i det skademinskande arbetet är vad man just börjat göra inom vägbyggnadsområdet (Vägverkets arbete mot nollvisionen). Detta kan man mycket väl göra på lokal nivå genom att ta bort föremål som är kantiga och vassa och som man bedömer kan ge punkterings- och skärskador vid påkörning i det aktuella området. 16

17 LITTERATUR Fischer et al: Vådautsläpp av brandfarliga och giftiga gaser och vätskor, FOA rapport FOA-R SE, Sept R C Weast: Handbook of Chemistry and Physics, The Chemical Rubber Company, Cleveland, Ohio, 1971 Aloha 5.4.1, programvara för beskrivning av konsekvenser vid utsläpp av brandfarliga och giftiga gaser, utvecklad av Office of Emergency Management, US Environmental Protection Agency & Emergency Responce Division, US National Oceanic and Atmospheric Administration, IPS-GAS2.EXE, programvara för beskrivning av konsekvenser vid utsläpp av brandfarliga och giftiga gaser, utvecklad av FOI, Stockholm, 17