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        儲油罐區(qū)油氣爆炸抑制技術(shù)研究現(xiàn)狀

        2021-07-02 09:24:28潘越王建華陳建國蘇寧馬如冰劉穩(wěn)
        石油商技 2021年3期
        關(guān)鍵詞:效果

        潘越 王建華 陳建國 蘇寧 馬如冰 劉穩(wěn)

        1 中國人民解放軍92318部隊

        2 中國人民解放軍92538部隊

        油氣(原油、成品油和天然氣等)作為應(yīng)用范圍最廣、消耗量最大的燃料能源,具有重要戰(zhàn)略、商業(yè)儲備意義,大量儲油罐區(qū)因而建成,其中不乏儲量超千萬噸的超大型油庫。由于油氣的易燃易爆特性,超大儲量同時帶來火災(zāi)爆炸事故多發(fā)頻發(fā)問題。2005年,英國Buncefield油庫發(fā)生爆炸事故,火災(zāi)持續(xù)5天才被撲滅,造成43人傷亡、2000多人撤離,直接損失約8億英鎊,并且引發(fā)歐洲生態(tài)危機[1];2009年,印度石油公司齋普爾油庫起火,造成56人傷亡、50萬人撤離,持續(xù)11天的火災(zāi)將油庫和臨近建筑燒為灰燼[2];2006年,中石化儀征分輸站15萬m3原油罐遭雷擊起火,直接損失約5億元[3];2010年,中國石油蘭州石化分公司儲油罐區(qū)發(fā)生連環(huán)爆炸事故[4]。大型油庫的重特大火災(zāi)事故發(fā)生概率較高,同時,由于儲罐內(nèi)油氣處于密閉空間,火災(zāi)往往容易引發(fā)連環(huán)爆炸等二次事故,給消防官兵救援滅火帶來較大風(fēng)險和難度。因此,提高油氣儲罐防火防爆能力建設(shè)水平意義較大。

        目前,國內(nèi)外在油氣爆炸抑制技術(shù)方面研究較為廣泛,主要分為2方面:一是本質(zhì)安全技術(shù),即在不改變?nèi)剂鲜褂锰匦郧疤嵯?,提高燃料自身阻燃抑爆性能,如微乳化技術(shù)、抑爆添加劑等;二是被動式阻燃隔爆技術(shù),如阻隔爆技術(shù)、抑爆技術(shù)、泄爆技術(shù)等。由于微乳化處理、抑爆添加劑和外置抑爆劑能夠從化學(xué)反應(yīng)層面減緩或停止爆炸反應(yīng),因此本文就這3個方面做重點介紹。

        微乳化技術(shù)

        由于水具有較大的汽化熱(40.8 kJ/mol)[5],在蒸發(fā)時可帶走大量熱量,降低混合氣溫度從而停止燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。利用水的該特性,部分學(xué)者將水、乳化劑、助乳化劑與油料混合制成微乳化油料,發(fā)現(xiàn)在滿足使用指標(biāo)要求下,油品阻燃抗爆性能得到提升。

        吳珣[6]以-10號軍用柴油制備了柴油/乳化劑/助乳化劑/水的微乳體系,考察了乳化劑、助乳化劑和增溶水量對微乳液體系的影響。結(jié)果表明,含水量超過15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時,微乳化柴油的爆炸時間相較純柴油有所滯后,最大爆炸壓力稍有降低。朱英中[7]以大型立式激波管為試驗裝置,研究了不同配方的微乳化安全柴油的爆炸壓力變化情況。實驗數(shù)據(jù)表明,0.41 MJ/m2的點火能量下,柴油最大爆炸壓力最多下降11.43%,說明在約束條件下微乳化柴油具有較好的抑爆性能。韓大明[8]等以自制RL型表面活性劑作為乳化劑,制備出微乳化柴油。發(fā)動機臺架試驗結(jié)果表明,摻水后的微乳化柴油與純柴油性能相當(dāng),并且油耗更低、排煙更少。Weatherford[9,10]等將原油中度蒸餾組分摻入油包水型微乳液燃料中,發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境溫度高于純?nèi)剂系拈W點時,混合燃料也不會發(fā)生閃燃。同時,混合燃料會通過池火燃燒自熄滅機理阻止燃料的持續(xù)燃燒。

        抑爆添加劑

        抑爆添加劑通常為高分子型添加劑,通過增大油樣黏度來減弱霧化效果,增大霧化液滴粒徑,從而減小液滴比表面積和云霧體系的總比表面積。由道爾頓蒸發(fā)定律可知,液滴粒徑越大,揮發(fā)和熱分解速率越慢,油蒸氣濃度上升速率越慢,最大爆炸壓力出現(xiàn)時間滯后、數(shù)值降低[11]。

        李俊[12,13]在高閃點噴氣燃料中添加抑爆劑制得抑爆高閃點噴氣燃料,考察了噴霧壓力、抑爆劑添加量對燃料抗爆性能的影響,并量化抑爆能力PREJ為燃料的著火爆炸特性參數(shù)增加幅度。試驗結(jié)果表明,當(dāng)噴霧壓力相同時,油樣的最大爆炸壓力、平均壓力上升速率和瞬間最大爆炸壓力均隨抑爆劑含量增加而減小。當(dāng)抑爆劑含量分別為 2000 mg/kg、4000 mg/kg、6000 mg/kg時,油樣PREJ相應(yīng)為29.02%、39.78%、49.85%。對同一種油樣,噴霧壓力增加時,最大爆炸壓力、平均壓力上升速率和瞬時最大爆炸壓力均隨之增加。同時從微觀解釋了抑爆機理:即抑爆劑減小了油樣霧化后云霧體系的表面積,使得云霧體系的蒸發(fā)速率和熱分解速率降低,達(dá)到抑爆效果。

        外置抑爆劑

        油氣爆炸抑制過程是較為復(fù)雜的物理化學(xué)過程,湍流、壓力波、火焰和抑爆劑等因素相互作用。一般認(rèn)為,油氣混合氣爆炸原理是自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和熱爆炸理論[14]。根據(jù)作用機理不同,抑爆劑可分為物理抑爆劑、化學(xué)抑爆劑和物理化學(xué)抑爆劑。

        物理抑爆劑

        物理抑爆劑不參與爆炸氣氛可燃物質(zhì)組分的燃燒反應(yīng),通過吸收部分反應(yīng)熱使燃燒反應(yīng)速率減慢,大幅降低反應(yīng)溫度,當(dāng)溫度降低到維持反應(yīng)所需最低溫度之下時,燃燒反應(yīng)將停止,爆炸過程被中斷,達(dá)到抑制爆炸效果。諸如氬氣、氮氣、二氧化碳、水蒸氣、礦巖粉等都屬于降溫緩燃型的物理抑爆劑。

        研究表明,水霧具備良好的抑制爆炸火焰?zhèn)鞑ツ芰Α.?dāng)火焰陣面接觸到水霧后,水滴吸熱汽化,吸收大量火焰熱量,降低燃燒反應(yīng)速度,延長火焰陣面的預(yù)熱區(qū),減緩熱量傳遞,從而抑制火焰?zhèn)鞑ァingerden[15]等考察了水霧對爆炸火焰?zhèn)鞑デ闆r的影響,結(jié)果表明相較于開放空間,密閉受限條件下的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?。同時水滴受火焰超壓作用影響破碎,降低火焰超壓作用,起到減緩爆炸火焰?zhèn)鞑バЧj懯叵鉡16]等通過分析水參與瓦斯爆炸的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理,發(fā)現(xiàn)在瓦斯爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程中,水作為惰性液滴能夠破壞其中的鏈載體,從而降低瓦斯爆炸反應(yīng)威力。瓦斯空氣混合物水含量增大,瓦斯爆炸能力下降,強度降低,爆炸極限濃度范圍縮小。Bane[17]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)環(huán)境氣體濕度超過40%時,混合氣最小點火能增加較為明顯,油料抑爆能力有所增強。

        陳思維[18]等通過仿真模擬建立了管道內(nèi)可燃?xì)怏w單步化學(xué)反應(yīng)湍流爆炸模型,為燃?xì)夤艿乐卸栊詺怏w防爆抑爆技術(shù)的工藝實施、系統(tǒng)設(shè)計和關(guān)鍵參數(shù)計算提供了理論依據(jù)。Holborn[19]等報道了氮氣與細(xì)水霧共同抑制氫氣爆炸試驗,結(jié)果表明,火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@下降,并且復(fù)合抑爆劑的抑爆效果優(yōu)于單一組分。裴蓓[20]等考察了氮氣、二氧化碳和超細(xì)水霧對甲烷/空氣爆炸的協(xié)同抑制作用。結(jié)果表明,在較低含量的氣液兩相介質(zhì)存在時,最大火焰?zhèn)鞑ニ俣?、最高溫度和最大壓力均顯著降低。同時,與氮氣相比,二氧化碳和超細(xì)水霧具有更好的協(xié)同抑制效果。

        化學(xué)抑爆劑

        化學(xué)抑爆劑作用機理主要是捕捉自由基,使之失活,導(dǎo)致燃燒過程中的連鎖反應(yīng)中斷,爆炸和火焰?zhèn)鞑ネV梗鸬揭种苹蚩刂票ㄐЧ?。例如鹵代烴、磷酸鹽、無機鹵化物、碳酸鹽和碳酸氫鹽等化學(xué)干粉。

        吳建勛[21]等在討論可燃蒸汽爆炸性氣體混合物最大壓力上升速度及石油產(chǎn)品儲罐抑爆原理基礎(chǔ)上,從滅火劑、傳感器、自動滅火裝置、自動啟動控制系統(tǒng)等方面提出了“超微干粉抑爆系統(tǒng)”方案。張發(fā)[22]等通過20 L球燃爆裝置研究了特定油氣濃度下,超細(xì)干粉對油氣滅火與抑爆作用的影響。結(jié)果表明,隨超細(xì)干粉濃度增加,油氣最大爆炸壓力和爆炸壓力上升速率出現(xiàn)明顯下降,且爆炸壓力上升速率下降較快,爆炸感應(yīng)期滯后。邢曉江[23]等通過燃燒管中混合氣體抑爆試驗,對比了不同粉體的抑爆效果。結(jié)果表明,抑爆效果二氧化硅>粉狀碳酸鈣>磷酸二氫銨>氯化鈉>礬土。W. Kordylewski[24]等研究發(fā)現(xiàn)磷酸二氫銨、碳酸氫鈉抑爆效果優(yōu)于碳酸鈣。

        物理化學(xué)抑爆劑

        物理化學(xué)抑爆劑綜合物理抑制和化學(xué)抑制兩方面作用機理,混合抑制機理大致分為以下3個方面:一是參與化學(xué)反應(yīng),并且每一步反應(yīng)都能夠吸收大量燃燒爆炸反應(yīng)產(chǎn)生的熱量;二是受熱分解生成惰性氣體,稀釋混合氣中氧氣濃度,起到冷卻和窒息作用,同時減少油氣分子互相接觸,形成熱輻射、熱傳導(dǎo)屏蔽效應(yīng);三是產(chǎn)生活性基團(tuán),代替鏈?zhǔn)椒磻?yīng)基團(tuán)參與到反應(yīng)中去,生成穩(wěn)定產(chǎn)物,降低自由基增長速率。

        任常興[25]等采用三路進(jìn)氣20 L球試驗裝置模擬油氣-空氣與超細(xì)干粉冷氣溶膠預(yù)混點火燃爆過程。結(jié)果表明,超細(xì)干粉冷氣溶膠具有物理化學(xué)雙重抑爆作用。最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率隨抑爆劑用量增大而下降,爆炸感應(yīng)期明顯滯后。抑爆過程油氣爆炸指數(shù)快速下降后趨于穩(wěn)定,抑爆效果與超細(xì)粉體本身特征、抑爆劑用量及油氣點火時間緊密相關(guān)。同時,任常興[26]等考察了鹵代烴氣體1301油氣抑爆劑的抑爆效果。結(jié)果表明,該抑爆劑明顯存在抑爆閾值濃度,為6.1%(體積分?jǐn)?shù))。當(dāng)?shù)陀谠撻撝禎舛葧r,抑爆效果較弱;高于該閾值濃度時,油氣燃爆反應(yīng)鏈被切斷,最大爆炸壓力明顯降低,抑爆效果顯著。

        結(jié)論與展望

        綜上,油氣爆炸抑制技術(shù)在微乳化處理和抑爆劑方面取得很多研究成果,但有些技術(shù)還只停留在實驗階段,缺乏理論支撐;有些技術(shù)只適合在特定環(huán)境中使用,對于復(fù)雜條件下的油氣爆炸難以有效抑制;有些技術(shù)則忽略了環(huán)保要求,對大氣環(huán)境損害較大。

        因此,今后的油氣爆炸抑制技術(shù)研究應(yīng)向以下幾個方向發(fā)展:一是油氣爆炸抑制技術(shù)的理論研究,為后續(xù)新型材料投入實際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ);二是開發(fā)環(huán)保型抑爆劑,現(xiàn)有鹵代烴類抑爆劑對環(huán)境破壞極大,不符合可持續(xù)發(fā)展要求;三是抑爆劑的復(fù)配使用研究,通過不同性質(zhì)、抑爆機理的抑爆劑搭配使用來實現(xiàn)協(xié)同效應(yīng),達(dá)到1+1>2的效果。

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