6號(hào)溶劑油儲(chǔ)罐池火和蒸汽爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)實(shí)例分析

朱正勛

(中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇南京210019)

6號(hào)溶劑油，英文名:Solvent-extractedoil No.6。主要由正構(gòu)烷烴組成、不含烯烴的溶劑油。由石油直餾餾分、重整抽余油和凝析油制取，化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好。主要用于植物油萃取工藝中作抽提溶劑，對(duì)大豆油、菜籽油、花生油等植物油具有很好的溶解能力。其主要成份為C6-C8脂肪烴，屬第3.2類低閃點(diǎn)易燃液體，其蒸汽與空氣可形成爆炸性混合物，遇明火、高熱極易燃燒爆炸。在溶劑油罐儲(chǔ)存過(guò)程中存在由明火灼燃、違章作業(yè)、設(shè)備、設(shè)施質(zhì)量缺陷或故障、設(shè)計(jì)缺陷、靜電、放電、雷擊等引起火災(zāi)，存在極大的火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)。本文以黃岡市某食用油廠為例，論述6號(hào)溶劑油儲(chǔ)罐池火和蒸汽爆炸風(fēng)險(xiǎn)。該廠植物油生產(chǎn)規(guī)模為300噸/天，6號(hào)溶劑油由4臺(tái)35m3的臥式儲(chǔ)罐貯存，總貯存量100噸。

1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

生產(chǎn)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。生產(chǎn)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)存在于4臺(tái)35m3的臥式儲(chǔ)罐。

物質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。6號(hào)溶劑油理化常數(shù)如下:(1)外觀與性狀:水白色透明液體，有微弱的特殊氣味;(2)分子式:CH3(CH2)4-6CH3;(3)溶解性:易溶于有機(jī)溶劑，難溶于水;(4)密度:相對(duì)密度(20℃/4℃)0.655-0.681;(5)穩(wěn)定性:穩(wěn)定;(6)燃燒(分解)產(chǎn)物:CO、CO2和 H2O;(7)危險(xiǎn)性:易揮發(fā)、其蒸汽與空氣可形成爆炸性混合物。遇明火、高熱極易燃燒爆炸。6號(hào)溶劑油屬《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》(GB18218-2009)表1“易燃液體”類。

風(fēng)險(xiǎn)類型識(shí)別。罐區(qū)易燃液體所造成的最大危害是燃燒和爆炸，存在的主危險(xiǎn)、有害因素［1］有:①誤操作，對(duì)罐體的磕碰，導(dǎo)致液體泄漏;②電氣設(shè)備故障引起;③夏季高溫引燃④基礎(chǔ)不牢，發(fā)生倒罐事故⑤安全閥失靈，易燃液體大量泄漏⑥易燃液體跑、冒、滴、漏，濃度聚積;⑦易燃液體在管道輸送中產(chǎn)生靜電引發(fā)等。歸結(jié)各類裝置風(fēng)險(xiǎn)，其風(fēng)險(xiǎn)類型為泄漏和火災(zāi)爆炸，其事故可能造成的后果為池火災(zāi)輻射、爆炸事故對(duì)周圍環(huán)境的影響。

1.1 源項(xiàng)分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在油料加工行業(yè)發(fā)生的事故中屬于違章用火、用火不當(dāng)、操作失誤等明顯人為因素造成的占65%左右，其發(fā)生火災(zāi)爆炸占30.8%左右。目前國(guó)內(nèi)以6號(hào)溶劑油作為溶劑生產(chǎn)食用油的廠家有5800多家，溶劑油爆炸風(fēng)險(xiǎn)概率約為每年3.7×10-7，屬小概率事件。本實(shí)例的最大可信事故為火災(zāi)爆炸。

1.2 事故源強(qiáng)的確定

本實(shí)例罐區(qū)儲(chǔ)存6號(hào)溶劑油液體物料，火災(zāi)危險(xiǎn)類別均為甲類(閃點(diǎn)小于28℃的易燃液體)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)確定為6號(hào)溶劑油儲(chǔ)罐發(fā)生損壞，出現(xiàn)泄漏則可燃液體流到地面形成液池，遇到引火源燃燒而形成池火，或者容器遇外火灼燒沸騰液體擴(kuò)展為蒸汽爆炸。

1.2.1 物質(zhì)泄漏量的計(jì)算

6號(hào)溶劑油的泄漏源強(qiáng)按柏努利方程［2］(Bernoulli)計(jì)算:

式中:Q:液體泄漏速度，kg/s;Cd:液體泄漏系數(shù)，此值常用0.6～0.64;Ar:孔穴的有效開(kāi)度面積，m2;P1:容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa;Pa:環(huán)境壓力，Pa;ρ:液體密度，kg/m3;g:重力加速度，m/s2;h:裂口之上液位高度，m。

對(duì)事故狀態(tài)下6號(hào)溶劑油的泄漏量進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)計(jì)算參數(shù)和計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 6號(hào)溶劑油泄漏事故源強(qiáng)一覽表

1.2.2 泄漏液體蒸發(fā)速率計(jì)算

假定泄漏開(kāi)口面積為0.001963m2，從泄漏到處理完畢為1小時(shí)，泄漏事件持續(xù)10min計(jì)。泄漏液體的蒸發(fā)分為閃蒸蒸發(fā)、熱量蒸發(fā)和質(zhì)量蒸發(fā)三種，其中蒸發(fā)總量為這三種蒸發(fā)之和。本項(xiàng)目泄漏6號(hào)溶劑油，常壓下沸點(diǎn)為68.7℃，大于項(xiàng)目所在地環(huán)境溫度，因此不會(huì)發(fā)生閃蒸蒸發(fā)，而主要以熱量蒸發(fā)和質(zhì)量蒸發(fā)形式蒸發(fā)。其估算方法為:

(1)熱量蒸發(fā)估算

熱量蒸發(fā)速率按下式計(jì)算，并應(yīng)考慮對(duì)流傳熱系數(shù)。

式中:Q2:熱量蒸發(fā)速率，kg/s;T0:環(huán)境溫度，k;Tb:沸點(diǎn)溫度;k;S:液池面積，m2;H:液體氣化熱，J/kg;t:蒸發(fā)時(shí)間，s;λ:表面熱導(dǎo)系數(shù)，W/m·k;α:表面熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

(2)質(zhì)量蒸發(fā)估算

質(zhì)量蒸發(fā)速率按下式計(jì)算:

式中:Q3:質(zhì)量蒸發(fā)速率，kg/s;p:液體表面蒸氣壓，Pa;R:氣體常數(shù);J/mol·k;T0:環(huán)境溫度，k;M:分子量;u:風(fēng)速，m/s;r:液池半徑，m;α，n:大氣穩(wěn)定度系數(shù)。

(3)液體蒸發(fā)總量的計(jì)算

液體蒸發(fā)總量按下式計(jì)算:

式中:Wp:液體蒸發(fā)總量，kg;Q2:熱量蒸發(fā)速率，kg/s;t2:熱量蒸發(fā)時(shí)間，s;Q3:質(zhì)量蒸發(fā)速率，kg/s;t3:從液體泄漏到全部清理完畢的時(shí)間，s。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到在不同大氣穩(wěn)定度下的6號(hào)溶劑油揮發(fā)速率，結(jié)果如表2。

表2 6號(hào)溶劑油事故揮發(fā)速率

1.3 后果分析［3］

1.3.1 池火火災(zāi)后果計(jì)算

所謂池火災(zāi)是指貯罐中泄漏后的可燃液體遇火源發(fā)生的火災(zāi)。發(fā)生池火災(zāi)時(shí)，熱輻射是主要危害。池外一定范圍內(nèi)在熱輻射作用下，人和建筑物、設(shè)備、設(shè)施等目標(biāo)可能受到傷害或破壞，池內(nèi)被燃燒。對(duì)人的傷害范圍，由傷害半徑的大小表示，即死亡、二度燒傷、一度燒傷半徑。半徑大小由目標(biāo)收到的輻射熱通量是否應(yīng)達(dá)到死、傷極限值而定。

1.3.1.1 計(jì)算模式

(1)燃燒速度

可燃液體泄漏，形成液池，遇引火源發(fā)生池火，池火的燃燒速度如下:

式中:mf:單位表面積燃燒速度，kg/m2·s;Hc:液體燃燒熱，J/kg;Cp:液體的定壓比熱，J/kg·k;Tb:液體沸點(diǎn)，k;Ta:環(huán)境溫度，k;Hv:液體蒸發(fā)熱，kJ/kg。

(2)火焰高度

采用Thomas經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算池火的火焰高度。為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮環(huán)境風(fēng)的影響:

式中:L:火焰高度，m;D:液池直徑，m;mf:液體單位面積燃燒速率，kg/m2·s;ρa(bǔ):空氣密度，kg/m3;g:重力加速度，9.8m/s。

(3)熱輻射通量

距離火焰點(diǎn)源為X(m)處接收到的熱輻射通量可以表示為:

式中:q:距離X處接收的熱輻射的通量，kW/m2;f:為熱輻射率;τ為大氣傳輸率，計(jì)算公式如下:

(4)火焰表面熱通量的計(jì)算

假定能量由圓柱形火焰?zhèn)让婧晚敳肯蛑車鶆蜉椛?，則可以用下式計(jì)算火焰表面的熱通量:

式中:E:池火表面的熱通量，W/m2;HC:液體燃燒熱，J/kg;f:熱輻射系數(shù)，范圍為0.13～0.35，保守值為0.35;mf:燃燒速率，kg/m2·s;smf為單位時(shí)間燃料消耗。

其它符號(hào)同前，式中，分子為燃燒單位時(shí)間產(chǎn)生的能量，分母為向外輻射的表面積。

(5)目標(biāo)接收到的熱通量的計(jì)算

目標(biāo)接收到的熱通量q的計(jì)算公式為:

式中:q:目標(biāo)接收到的熱通量，w/m2;E:池火表面的熱通量，w/m2;x:目標(biāo)到池火中心的水平距離，m;V:視角系數(shù)，按Rai&Kalelkar(1974)提供的方法計(jì)算。

(6)熱輻射強(qiáng)度

假設(shè)全部熱輻射都是從從液池中心點(diǎn)的一個(gè)微小的球面發(fā)出的，則在距離液池中心某一距離的入射熱輻射強(qiáng)度為:

式中:Q:總熱輻射通量，W;tc:空氣導(dǎo)熱系數(shù);x:對(duì)象點(diǎn)到液池中心距離。

1.3.1.2 計(jì)算參數(shù)

假定6號(hào)溶劑油儲(chǔ)罐在泄漏量在2976.13kg的情況下，因外界因素引起池火燃燒，其各參數(shù)如表3。

表3 6號(hào)溶劑油池火燃燒計(jì)算參數(shù)

1.3.1.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果得到:池火單位面積燃燒速率為0.39376kg/(m2·s)，池火持續(xù)時(shí)間為:601.5s，池火的火焰高度為:26.6m，池火焰表面熱輻射通量為:240943.1W/m2。

池火預(yù)測(cè)結(jié)果如圖1:

圖1 池火模式預(yù)測(cè)結(jié)果

結(jié)果表明，6號(hào)溶劑油火災(zāi)熱輻射的死亡半徑在13m以內(nèi)，未超出罐區(qū)范圍，不會(huì)對(duì)廠外環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重環(huán)境影響。

1.3.2 沸騰液體擴(kuò)散蒸汽爆炸后果計(jì)算

當(dāng)由于容器遇外火灼燒使器壁的強(qiáng)度下降，或者其它原因?qū)е滤⒁后w瞬態(tài)泄漏，并在環(huán)境溫度高于其沸點(diǎn)時(shí)急劇氣化，如果遇到火源就會(huì)發(fā)生劇烈的燃燒，產(chǎn)生巨大的火球，形成強(qiáng)烈的熱輻射，造成人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，此種現(xiàn)象稱為沸騰液體擴(kuò)展為蒸氣爆炸，簡(jiǎn)稱BLEVE(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosions)。

1.3.2.1 計(jì)算模式

BLEVE可以產(chǎn)生三種危害后果:沖擊波超壓、火球熱輻射和拋射碎片，有時(shí)也可能伴隨延遲發(fā)生的蒸氣云爆炸或閃火等事故災(zāi)害。BLEVE過(guò)程雖然有破片和沖擊波產(chǎn)生，但近場(chǎng)以外的沖擊波壓力效應(yīng)不重要，爆炸也通常只產(chǎn)生幾塊較大的拋射碎片，故爆炸火球的熱輻射是最主要的傷害因素。采用ILO模式計(jì)算火球半徑、火球持續(xù)時(shí)間、熱輻射通量［4］:

(1)火球半徑的計(jì)算

實(shí)驗(yàn)證明，火球的半徑與可燃物質(zhì)量的立方根成正比，火球半徑的計(jì)算公式為:

D=aWb

式中:D:火球直徑，m;W:火球中消耗的可燃物質(zhì)量，kg。對(duì)單罐儲(chǔ)存，W取罐容量的50%;對(duì)雙罐儲(chǔ)存，W取罐容的70%;對(duì)多罐儲(chǔ)存，W取罐容的90%。式中系數(shù)a、b取5.8、0.33。

(2)火球持續(xù)時(shí)間的計(jì)算

實(shí)驗(yàn)證明，火球的持續(xù)時(shí)間也與可燃物質(zhì)量W的立方根成正比，可按下式計(jì)算:

t=cWb

式中:t:火球持續(xù)時(shí)間，s;W:火球內(nèi)燃料質(zhì)量，kg。對(duì)單罐儲(chǔ)存，W取罐容量的50%;對(duì)雙罐儲(chǔ)存，W取罐容的70%;對(duì)多罐儲(chǔ)存，W取罐容的90%。式中系數(shù) c、d取0.45、0.33。

(3)熱輻射通量

火球表面熱輻射通量按下式計(jì)算:

上式實(shí)際上假定火球在持續(xù)時(shí)間內(nèi)輻射熱量是恒定不變的。Hc:液體燃燒熱;f是燃燒輻射分?jǐn)?shù)，在沒(méi)有可靠數(shù)據(jù)時(shí)，f可取0.3。

距火球在地面投影處x的熱輻射通量為:

式中:q:目標(biāo)接收到的熱通量，w/m2;E:池火表面的熱通量，w/m2;x:目標(biāo)到池火中心的水平距離，m;V:視角系數(shù)。

(4)目標(biāo)接收到熱輻射通量計(jì)算

除了采用上述的方法計(jì)算目標(biāo)接收到熱輻射能量外，還常采用以下公式計(jì)算。當(dāng)r＞R時(shí)，目標(biāo)接收到的熱輻射通量按下式計(jì)算:

式中:q0:火球表面的輻射通量，W/m2。對(duì)柱形罐取270000W/m2，對(duì)于球形罐取200000W/m2。r:目標(biāo)到火球中心的水平距離，m;R:火球半徑，m。

1.3.2.2 計(jì)算參數(shù)

假定6號(hào)溶劑油儲(chǔ)罐在沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸的情況下，因外界因素引起池火燃燒，其各參數(shù)如表4。

表4 6號(hào)溶劑油BLEVE火球爆炸計(jì)算參數(shù)

1.3.2.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算，火球半徑為:129.961m，火球持續(xù)時(shí)間為:20.166s，死亡的熱輻射通量為:24811.4w/m2，死亡半徑為:310.2m。二度燒傷的熱輻射通量為:16432.9w/m2，二度燒傷半徑為:394.1m，一度燒傷的熱輻射通量為:7220.6w/m2，一度燒傷半徑為:609.1m，財(cái)產(chǎn)損失的熱輻射通量為:26008.6w/m2，財(cái)產(chǎn)損失半徑為:301.3m。

6號(hào)溶劑油儲(chǔ)罐發(fā)生爆炸產(chǎn)生的危害距離情況如圖2。

圖2 溶劑發(fā)生爆炸的危害距離

2 結(jié)束語(yǔ)

2.1 根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算:6號(hào)溶劑油儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏事故后爆炸傷害死亡半徑為:310.2m;二度燒傷半徑為:394.1m;一度燒傷半徑為:609.1m;財(cái)產(chǎn)損失半徑為:301.3m，圍繞事故源呈環(huán)形分布。

2.2 6號(hào)溶劑油儲(chǔ)罐的火災(zāi)爆炸事故后果進(jìn)行分析可得出BLEVE火球影響范圍大，且事故后果嚴(yán)重及其臨近建筑物將是災(zāi)難性的損害，應(yīng)避免發(fā)生的災(zāi)難事故。

2.3 池火和沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸熱輻射隨著距離變遠(yuǎn)而衰減，衰減速度隨著距離變遠(yuǎn)而變慢。

［1］GB50183-2004石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范［M］.中華人民共和國(guó)建設(shè)部，2004.

［2］HJ/T169-2004建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則［M］.國(guó)家環(huán)保總局，2004.

［3］胡二邦.環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)實(shí)用技術(shù)、方法和案例［M］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2009:269～289.

［4］吳宗之，高進(jìn)東，魏利軍.危險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2001:128～134.