Terveydelle vaarallisten kaasujen leviämisen mallinnus

Transkriptio

1 Terveydelle vaarallisten kaasujen leviämisen mallinnus Suomen Riskianalyysiseuran 99. kokous Onnettomuuksien mallintaminen ja laitosten sijoittelu Risto Lautkaski, VTT

2 2 Rauman kloorionnettomuus Tiilirakennuksessa oleva 25 tonnin kloorisäiliö ylitäytettiin. Kun nestekloori hitaasti lämpeni, säiliö täyttyi nesteellä ja repesi. Höyrystyvä kaasu paineisti rakennuksen ja sen pääty romahti. Rakennuksesta purkautui kellertävä talonkorkuinen pilvi, joka sitten painui alaspäin. Kaasupilvi levisi välittömästi noin 60 m vasta- ja 80 m sivutuuleen sekä muutamassa minuutissa satoja metrejä myötätuuleen. Kaasu vetäytyi tuulen yläpuolelta. Etelätuuli 0,5 m/s. Palkkapäivä: 200 työntekijää. Heistä 19 kuoli, 45 otettiin sairaalahoitoon ja noin sata sai lievemmän myrkytyksen. Lähes kaikki myrkytyksen saaneet jouduttiin pelastamaan kaasupilven alueelta tai sen läheisyydestä.

3 3 Kaasun leviäminen ja pelastetut uhrit

4 kg NH 3 moottoritielle

5 5 Tuulen yläpuolella

6 6 Tuulen alapuolella

7 7 Raskaan kaasun hetkellinen päästö Nesteytetyn maakaasun laivakuljetukset suurilla aluksilla (lastisäiliöiden kokonaistilavuus yli m 3 ) alkoivat Meressä LNG kiehuu muodostaen kylmän ja siksi raskaan kaasupilven. Kenttäkokeita LNG:tä veteen: lammikon koko, näkyvän pilven mitat, saadaanko syttymään. Mitä seuraa, jos m 3 :n LNG-säiliö tyhjenee mereen? Eri leviämismallit antoivat hyvin eri suuria vaara-alueita. van Ulden osoitti 1974, että ilmaa raskaamman kaasun hetkellinen päästö muodostaa pilven, joka leviää painovoiman vaikutuksesta sivusuuntaan tilavuutensa säilyttäen. Mallien kehittäminen edellytti kenttäkokeita.

8 8 Hetkellisen päästön leviäminen, kenttäkokeita Hollanti 1973, Porton Down , Thorney Island Kaasumaisen diklooridifluorimetaanin (CFC-12) ja ilman seos tehtiin näkyväksi merkkisavulla. Pilven käyttäytymisen riippuvuus seoksen tiheydestä ja meteorologisista suureista. Granitevillen, USA, junaonnettomuus 2005: päästö 49 tonnia Cl 2, harva asutus, yli 500 sairaalaan, 9 kuoli, yli 5000 evakuoitiin. Kaasu pysyi laaksossa yli kaksi tuntia. Kenttäkokeita ammoniakilla ja kloorilla. 900 kg nesteytettyä kaasua purkautui noin 30 s:ssa päin maanpinnalla olevaa teräslevyä. Tuulen nopeus oli 0,3 0,6 m/s.

9 9 900 kg NH 3 tai Cl 2 tai purkautuu maanpinnalle, 5 s

10 kg NH 3 tai Cl 2 tai purkautuu maanpinnalle, 15 s

11 kg NH 3 tai Cl 2 tai purkautuu maanpinnalle, 30 s

12 kg NH 3 tai Cl 2 tai purkautuu maanpinnalle, 60 s

13 kg Cl 2 tuuli 2 m/s

14 14 Jatkuva päästö, SO 2, 17 C, 12 kg/s

15 15 Pisaroituvan suihkun osat Välitön höyrystyminen ja pisaroituminen, suihku laajenee, ilmaa ei sekoitu. Ilmaa sekoittuu, pisarat jäähtyvät ja pienenevät. Ilmaa sekoittuu, pisarat haihtuvat. Suihkun nopeus hidastuu, kunnes saavuttaa tuulen nopeuden. Seos on ilmaa raskaampi.

16 16 Pisaroituvan suihkun tutkimukset Raskaan kaasun jatkuvan päästön leviämismallin lähdetermi: suihkun tiheyden, lämpötilan, virtausnopeuden jakaumat. Mm. Jaakko Kukkonen (IL) on mallintanut ESCAPE-ohjelma. Teoreettisesti ei pystytä arvioimaan, kuinka suuri osuus pisaroista haihtuu ja kuinka suuri osuus putoaa maahan. USA:ssa tehtiin päästökokeita kloorilla, metyyliamiinilla, trikloorifluorimetaanilla (CFC-11), sykloheksaanilla ja vedellä. Kemikaali oli säiliössä kiehumispistettään korkeammassa lämpötilassa ja se purkautui vaakasuoraan 1,2 m:n korkeudella. Pisaroiden keräily altaisiin suurelta osin epäonnistui ja tuloksia jouduttiin jälkeenpäin korjailemaan UDM-ohjelman avulla. Kun CFC-11:n virheellinen ominaislämpö korjattiin, päästö 3xm.

17 17 JIP on liquid jets and two-phase droplet dispersion Euroopan kemianteollisuus rahoittaa monivuotista projektia, jossa tutkitaan ja mallinnetaan pisaroituvaa suihkua. I Kirjallisuustutkimus pisaroituvista suihkuista II Laboratoriokokeita vedellä. Massavirta ja pisaroiden kokojakauma III Pienen mittakaavan kokeita vedellä sykloheksaanilla, butaanilla, propaanilla ja bensiinillä. Kenttäkokeita butaanilla (0,5 2,5 kg/s). Massavirta ja pisaroiden kokojakauma IV Laboratoriokokeita vedellä ja ksyleenillä. Massavirta, pisaroiden kokojakauma, pitoisuudet, maahan putoaminen Tavoitteena on kehittää korrelaatiota pisaroiden kokojakaumalle ja ottaa ne käyttöön Phast-ohjelmassa.

18 18 Pisaroiden keskikoko Kun ylilämpö on pienempi kuin A, (SO 2 : 10 C) nestesuihku pisaroituu mekaanisesti. Suuret pisarat (noin 1000 m) putoavat maahan. Kun ylilämpö on A:n ja B:n välillä, höyrykuplat hajottavat nestesuihkun pieniksi ( m) pisaroiksi. Pisaroiden keskikoko pienenee nopeasti kun ylilämpö kasvaa. Useimmat pisarat haihtuvat ellei suihku törmää esteeseen. Kun ylilämpö on suurempi kuin B, (SO 2 : 23 C) pisarat ovat erittäin pieniä (10 80 m).

19 19 Vaara-alueiden laskeminen Leviämismallit antavat tulokseksi päästökaasun pitoisuuden. Jotta lasku antaisi tietoa päästön vaara-alueesta, on valittava pitoisuudet, jotka aiheuttavat erilaista vaaraa. Palavilla kaasuilla tämä on helppoa: kaasun alempi syttymisraja määritetään laboratoriokokeella ja kenttäkokeen perusteella voidaan sanoa, että päästön syttyminen on vielä mahdollista, kun pitoisuuden aikakeskiarvo on 60 % alemmasta syttymisrajasta. Terveydelle vaarallisten kaasujen pitoisuuksien valintaan liittyy epävarmuustekijöitä ja eettisiä ongelmia. Saako kerran elämässä sattuva altistus aiheuttaa sivullisille vakavia terveyshaittoja, jotka edellyttävät sairaalahoitoa, tai aiheuttavat jopa herkkien yksilöiden kuoleman?

20 20 Hollannin malli Vain kuoleman riski arvioidaan ja tulosta verrataan muista syistä aiheutuvan kuoleman riskiin. Eri kaasuille käytetään kuoleman kumulatiivista todennäköisyysjakaumaa annoksen C n t funktiona. Jakauman parametrit on johdettu eläinkokeista. Päästön todennäköisyydelle ja suuruudelle sekä leviämisolosuhteille käytetään todennäköisyysjakaumia. Viranomaiset ovat määritelleet, mitä oletuksia riskianalyysin yhteydessä tehdään. Vain tiettyä tietokoneohjelmaa saa käyttää. Täydellinen riskianalyysi palvelee vain maankäyttöä eikä pelastustoimintaa.

21 21 ERPG-ohjearvot USA:ssa pelastussuunnitelmat tehdään niin, että vaaraan joutuvat ihmiset voidaan tarvittaessa evakuoida tunnissa. Tämä koskee sekä luonnononnettomuuksia että ihmisen toiminnasta aiheutuvia onnettomuuksia. American Industrial Hygiene Associationin työryhmä valitsee ERPG (Emergency Response Public Guidelines) -ohjearvoja. ERPG1: vähäinen, tilapäinen terveyshaitta tai paha haju. ERPG2: ei palautumattomia tai muita vakavia terveyshaittoja eikä oireita, jotka heikentävät kykyä suojautua altistumiselta. ERPG3: ei hengenvaaraa. Terveet ihmiset voivat olla tunnin ajan alttiina näille pitoisuuksille.

22 22 AEGL-arvot Päästö saattaa kestää hyvinkin lyhyen aikaa, jolloin tunnin altistusaikaan perustuvat ERPG-arvot yliarvioivat vaara-alueita. Environmental Protection Agency (EPA) määrittelee AEGLohjearvoja eri pitkille altistusajoille: 10 min, 30 min, 1 h, 4 h, 8 h. Kaikki ihmiset, ei vain terveet, otetaan huomioon. Muuten AEGL-arvot määritellään kuten ERPG-arvot. Astmaatikot saavat oireita jo hyvin pienistä SO 2 -pitoisuuksista: AEGL2 (10 min) = 0,75 ppm, kun ERPG2 (60 min) = 3 ppm. ERPG2 AEGL2: kaksinkertainen vaaraetäisyys. EPA:n kanta on, että ensisijaisesti tulee käyttää AEGL-arvoja ja ERPG-arvoja vain, jos AEGL-arvoja ei ole kyseisellä kemikaalilla.

23 23 VTT - 70 vuotta teknologiaa yhteiskunnan ja elinkeinoelämän hyväksi