燃烧与爆炸理论2

吉林石化公司爆炸—松花江水污染事故2005年11月13日13时40分左右，地处吉林省吉林市的中石油吉林石化公司101厂一化工车间连续发生爆炸。第2章燃烧爆炸事故灾害11月13日，101厂再次发生爆炸时冒出黄烟。吉林石化公司爆炸松花江水污染吉林石化公司爆炸事故直接原因是当班操作工停车时，未将应关闭的阀门及时关闭，误操作导致进料系统温度超高，长时间后引起爆裂，随之空气被抽入负压操作的T101塔，引起T101塔、T102塔发生爆炸，随后致使与T101、T102塔相连的两台硝基苯储罐及附属设备相继爆炸，随着爆炸现场火势增强，引发装置区内的两台硝酸储罐爆炸，并导致与该车间相邻的55#灌区内的一台硝基苯储罐、两台苯储罐发生燃烧。爆炸造成当班的6名工人中5人死亡、1人失踪，事故还造成60多人不同程度受伤。秦皇岛骊骅淀粉车间爆炸2010年2月24日16时许，河北省秦皇岛骊骅淀粉股份有限公司淀粉四车间发生爆炸，事故发生时现场共有107人，其中39人平安，19人死亡，49人受伤，其中8人伤势较重。农业产业化国家重点龙头企业、中国淀粉糖行业前20名、是中国淀粉及淀粉行业中综合生产能力最大、经济效益最好的重点骨干企业之一。现有员工3300人，总资产10亿元人民币。事故地点为该公司4号车间包装工段，3号车间和4号车间的淀粉乳在该车间干燥和包装，从该车间输出成品。秦皇岛骊骅淀粉车间爆炸2139532新闻背景：gnxiehongyu${侨网发布炼油化工企业典型事故类型统计表事故类型数量（起）比例（%）火灾爆炸事故5139.8中毒窒息事故2217.2高处坠落事故2721.1电气作业事故107.8检维修作业造成的人身伤亡事故1814.1合计1281002.1工业燃烧火灾工业火灾通常是流体泄漏后引起的。泄漏的发生是由于容器、管道或其他连接头失效的缘故。对工业火灾可以按如下方式进行分类：①气云火灾。它又分为：无爆炸的火灾；由爆炸引起的火灾；能引起爆炸的火灾。②火球。③射流火灾。④液体火灾：油池火灾、流动液体火灾。⑤固体火灾：固体材料的火灾、粉尘火灾。⑥仓库火灾。⑦与氧气有关的火灾。2.1.1油池火灾（1）点火过程油池火的点火和火焰传播通常用初始温度T0和燃料闪点Tflash的关系来描述。①亚闪点温度：液体的温度低于其理想闪点（通常低5℃~10℃）。当温度低于闪点时，点火前必须对液体进行加热。②火灾点：物质能维持燃烧的最低液体温度。所谓维持燃烧，是指在开放的容器中扩散火焰或火灾能持续至少10~15秒。③物质的极限氧指数（LOI）：物质点火后维持燃烧所需的最小氧百分数。（2）火焰传播油池尺寸超过180cm长，20cm宽，2.5cm深时，火焰传播速度yf将与容器的尺寸无关。（3）燃烧速度油池火灾，如果使用固体火焰传播模型，则必须知道火焰的几何特征（直径、高度）。方形或圆形油池火灾的火焰形状近似为圆柱形或矩形，因此底部面积可由其直径描述，这直径与泄漏条件、燃烧速度以及其他参数有关。火焰高度通常与火焰底部面积、燃烧速度和风速有关。（4）油池直径按泄漏速度和时间分，泄漏可分为：①连续泄漏：泄漏以稳定的速度持续一定时间；②瞬时泄漏：泄漏在很短的时间内完成；③限时泄漏：一定量的物质在规定时间内泄漏完毕。油池直径与泄漏模式、泄漏量（或速率）、燃烧速度、周围环境有关。（5）火焰高度湍流扩散火焰的平均高度的关系式（不考虑风速）。计算式为：如考虑风速，则计算如下：（6）火焰倾角焰倾角的计算式如下：式中：uw为风速（m/s）v为空气动力学粘度（m2/s）（7）火焰辐射火灾的发射功率通常用下式表示：式中Eb为黑体发射功率；ε为发射率黑体发射功率：式中Tf为火焰辐射温度（K）Ta环境温度（K）σ为常数（5.67*10-8KW/m2K4）平均发射功率随油池直径增加而降低。大规模火灾，发射率近似为1。大油池火灾的平均发射功率：)e-(1EeEE-SDsSDma2.1.2泄漏火灾描述火灾的完整模型应包括如下一些参数：火焰形状及尺寸；热释放速率；热辐射；火焰温度；火焰发射率；表面发射功率；形状因子。（1）辐射传热泄漏火灾中最主要的传的热方式是辐射方式。火焰辐射热计算式：E=εσT4=Qr/Af式中：Qr=FrQc；E——表面发射功率；Qr——辐射总热量；Af——火焰表面积；Fr——辐射热的比例分数；Qc——燃烧放出的总热量。（2）闪燃火灾泄漏后已经形成气云再点火，则称闪燃火灾，又称气云火灾，此时不会产生显著的超压。如果有显著的超压，则叫气云爆炸。在石化工业企业中，经常发生因泄漏而形成闪燃火灾的事故，如果是泄漏立即点火，则气云尺寸可能不大；假如是气云扩散一段时间再点火，则会形成明显的闪燃火灾。1951年和1984年曾经分别在新泽西和墨西哥发生过严重的具有很大破坏力的闪燃火灾。（3）火球液化气的泄漏通常会产生火球，一种由压力容器破裂而产生；另一种由已形成蒸气云而引起。火球事故也会经常发生，当容器（如储罐、铁路罐车等）由于受到火灾的影响而破裂，往往会导致火球的出现。火球事故一般伴随着沸腾液体蒸气云爆炸（BLEVE）。比如1970年发生在美国Crescent城的事故，火球直径估计有150-200m。由此可见火球事故的破坏性。①火球的工况压力容器破裂产生的火球受动量控制，其持续时间t1为：已形成蒸气云引起的火球受浮力控制，其持续时间t1为：②燃料质量火球中燃料质量与闪蒸燃料分数以及形成液雾分数有关。理想绝热蒸发分数达35%，所有泄漏液体均将燃烧。③火球的发展过程第一阶段是燃料与空气迅速混合及其燃烧，此阶段被动量控制；第二阶段主要受浮力和燃烧过程控制；第三阶段，随着燃烧的完成，由于浮力的作用，火球上升并卷吸空气，使火球温度降低。这一阶段，火球尺寸可能增加，也可能减小，这主要取决于空气卷吸和热损失的速率。④火球直径及持续时间a.火球的直径D=k1Mn1b.火球持续时间t=k2Mn2研究者k1n1Roberts(1968)HasegawaandSato(1978)Pietersen(1985)A.F.Roberts2.955.256.485.80.3200.3140.3331/3研究者k2n2Roberts(1968)HasegawaandSato(1978)A.F.RobertsMHAP(M30000kg)(1988)MHAP(M30000kg)(1988)Pietersen(1985)0.490.0970.450.452.60.8520.3200.1811/31/31/60.26最后一行中的数据是目前使用得最为广泛的一组⑤热辐射表面发射功率E的计算式如下：E＝235P0.39，P≤2通常采用的表面发射功率为350kW/m2。结论：火球产生的热量与其质量成正比，单位时间的热量损失与表面积A成正比，表面积A与M2/3成正比，火球持续时间与M1/3成正比。因此我们可以说对于给定的燃料，不管其质量的大小，给定时刻的热辐射和温度都是一样的。⑥形状因子通常有两种火球几何形状可以采用。一种是假设为球形，火灾浸没区域近似为其半径：另一种假设为半球形，这与火球初始膨胀的形状相对应，火灾浸没区域也近似为其半径，半球形的半径约为球形半径的1.25倍，不过半球形火球的浸没时间短。（4）射流火射流火焰高度正比于质量流速的平方根L=0.00326[m（-ΔHc）]0.478Rs=0.29s[lg（L/s）]0.5火焰可看做许多点源辐射源的集合；火焰辐射仍可看做点源辐射，辐射主要从位于4/5火焰长度处发射。2.1.3富氧火灾氧气是很强的氧化剂，应避免与任何油类接触，以防爆炸。在氧气管上发生燃烧事故时，管路的燃烧方向是向着提供氧气的方向烧去，也就是向着与氧气气流相反的方向传播。只要关闭管路的总阀门，切断氧气供给，就很容易将火熄灭。氧气管路起火的原因大致有以下几种：（1）气流中锈垢的摩擦（2）管道内可燃物的燃烧管道内存在可燃物有下面几种情况：①雾状滑油油随着氧气气流在管路的连接部位或阀门部位等死角里凝结吸附。②洗涤剂可能残留在管路内部。③用可燃性的纤维，橡胶等做衬垫或填料。（3）炽热铁粉点燃可燃物（4）管壁被炽热铁粉燃烧•高压氯气引起的燃烧事故；•高压氯气和高压氧气一样，也可能引起管道的燃烧事故。2.2工业装置爆炸过程分析•爆炸是物质的一种非常急剧的物理、化学变化。•爆炸的一个重要特点：是大量能量在有限的体积内突然释放或急骤转化。•爆炸的一个显著的外部特征：是由于介质受振动而发生一定的音响效应。一般将爆炸现象区分为两个阶段：先是将某种形式的能量以一定的方式转变为原物质或产物的压缩能；随后物质由压缩态膨胀，在膨胀过程中作机械功，进而引起附近介质的变形、破坏和移动。爆炸：是大量能量（物理能量或化学能量）在瞬间迅速释放或急剧转化为功和机械、光、热等能量形态的现象，它指物质的一种快速膨胀现象。爆炸现象的特征：①爆炸过程的快速性；②爆炸点附近压力急剧升高，多数爆炸伴有温度升高；③周围介质发生震动或邻近的物质遭到破坏。•物理爆炸的能量主要来自于压缩能、相变能、运动能、流体能、热能和电能等。•化学爆炸的能量主要来自于化学反应能。•化学爆炸变化的过程和能力取决于反应的放热性、反应的快速性和生成气体产物。•放热是爆炸变化的能量源泉；快速是使有限能量集中在局限化的空间，是产生大功率的条件；气体是能量的载体和能量转换的工作介质；反应的放热性使反应系被加热到高温，使化学反应速度加快。由于反应的快速性和放热性，在局限化的空间形成高温高压气体，因而对周围介质的作功是通过高温高压气体迅速膨胀实现的。2.2.1压力容器（过压）爆炸•这是封闭外壳或局限空间承受不住系统内压缩性气体介质的压力引起的一种装置破裂泄漏或装置爆炸现象。往往发生在外壳的薄弱部位，一般情况下不产生碎片。是一种物理爆炸。•装有惰性气体的压力容器爆炸，是一种物理爆炸。•大型锅炉内部压力上升到超过其强度极限时，就会爆裂。•压缩空气的管道也常常发生爆炸。•失控化学反应也往往引起容器的爆裂。•失控的核反应也能引起容器爆裂。2.2.2液体膨胀及液相气化引起的爆炸•对某一液体在一定温度下都有相应的蒸发与凝结的平衡状态和相应的蒸气压力，这个压力称为该液体的饱和蒸气压。•温度、压力对液体体积的影响较小，但在接近临界点时，液体与气体的性质差别不大。•一般的物理爆炸多为压缩气体的过压爆炸、液化气体的蒸气爆炸、过热液体的闪蒸爆炸。•石油化工生产过程中，水经常引起爆炸，这是由于水加热后有膨胀的特性，在一个大气压和100℃体积膨胀倍数为1700，在低于大气压的条件下，水甚至在100℃以下沸腾和急剧的膨胀。•冶炼、铸造、锻造、电炉等工作场所中，经常发生灼热的熔融金属与水接触，瞬间生成大量的水蒸气，由于体积急剧的膨胀，引起激烈的爆炸。我们把这种现象，称为水蒸气爆炸。高热的钢水、熔融的硅铁、电石、赤热的焦炭等高温物质遇水后都可能造成这样的事故。2.2.3沸腾液体膨胀气化爆炸(BLEVE爆炸)在不同压力、不同系统中液体超过沸点气化引起的爆炸现象。引起液体超过沸点气化而爆炸现象的原因有:(1)低沸点液体进入高温系统；(2)冷热液体相混且温度已超过其中一种液体的沸点；(3)分层液体中高沸点液体受热后将热量传给低沸点液体使之气化；(4)封闭层下的液体受热气化；(5)液体在系统内处于过热状态，一旦外壳破裂、液体泄漏、压力降低，过热液体会突然闪蒸引起爆炸。•高压液化气体或者叫做低临界温度液化气体，是指临界温度低于气瓶最高使用温度（60℃）的气体。这种液化气体充装时由于温度较低（低于它的临界温度）而压力较高，因而往往都是以液态装入，但在装入气瓶后，瓶内的液化气体就会全部气化，压力迅速上升。•高压液化气体因充装时还是液态，故只能以它的充装系数(即气瓶单位容积内所装入的重量)来计量。•我国目前使用的高压液化气体气瓶的设计压力规定为200、125、80kgf/cm2（表压）等几种。•高压液化气体的充装量也应与压缩气体一样，必须保证所装入的液化气体全部气化后在60℃下的压力不超过气瓶