6号溶剂油储罐池火和蒸汽爆炸风险评价实例分析

2013-10-12朱正勋

黄冈职业技术学院学报 2013年4期

朱正勋

(中冶华天工程技术有限公司，江苏南京210019)

6号溶剂油，英文名:Solvent-extractedoil No.6。主要由正构烷烃组成、不含烯烃的溶剂油。由石油直馏馏分、重整抽余油和凝析油制取，化学稳定性和热稳定性好。主要用于植物油萃取工艺中作抽提溶剂，对大豆油、菜籽油、花生油等植物油具有很好的溶解能力。其主要成份为C6-C8脂肪烃，属第3.2类低闪点易燃液体，其蒸汽与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热极易燃烧爆炸。在溶剂油罐储存过程中存在由明火灼燃、违章作业、设备、设施质量缺陷或故障、设计缺陷、静电、放电、雷击等引起火灾，存在极大的火灾事故风险。本文以黄冈市某食用油厂为例，论述6号溶剂油储罐池火和蒸汽爆炸风险。该厂植物油生产规模为300吨/天，6号溶剂油由4台35m3的卧式储罐贮存，总贮存量100吨。

1 风险识别

生产设施风险识别。生产设施风险存在于4台35m3的卧式储罐。

物质风险识别。6号溶剂油理化常数如下:(1)外观与性状:水白色透明液体，有微弱的特殊气味;(2)分子式:CH3(CH2)4-6CH3;(3)溶解性:易溶于有机溶剂，难溶于水;(4)密度:相对密度(20℃/4℃)0.655-0.681;(5)稳定性:稳定;(6)燃烧(分解)产物:CO、CO2和 H2O;(7)危险性:易挥发、其蒸汽与空气可形成爆炸性混合物。遇明火、高热极易燃烧爆炸。6号溶剂油属《危险化学品重大危险源辨识》(GB18218-2009)表1“易燃液体”类。

风险类型识别。罐区易燃液体所造成的最大危害是燃烧和爆炸，存在的主危险、有害因素［1］有:①误操作，对罐体的磕碰，导致液体泄漏;②电气设备故障引起;③夏季高温引燃④基础不牢，发生倒罐事故⑤安全阀失灵，易燃液体大量泄漏⑥易燃液体跑、冒、滴、漏，浓度聚积;⑦易燃液体在管道输送中产生静电引发等。归结各类装置风险，其风险类型为泄漏和火灾爆炸，其事故可能造成的后果为池火灾辐射、爆炸事故对周围环境的影响。

1.1 源项分析

据统计，在油料加工行业发生的事故中属于违章用火、用火不当、操作失误等明显人为因素造成的占65%左右，其发生火灾爆炸占30.8%左右。目前国内以6号溶剂油作为溶剂生产食用油的厂家有5800多家，溶剂油爆炸风险概率约为每年3.7×10-7，属小概率事件。本实例的最大可信事故为火灾爆炸。

1.2 事故源强的确定

本实例罐区储存6号溶剂油液体物料，火灾危险类别均为甲类(闪点小于28℃的易燃液体)，风险评价确定为6号溶剂油储罐发生损坏，出现泄漏则可燃液体流到地面形成液池，遇到引火源燃烧而形成池火，或者容器遇外火灼烧沸腾液体扩展为蒸汽爆炸。

1.2.1 物质泄漏量的计算

6号溶剂油的泄漏源强按柏努利方程［2］(Bernoulli)计算:

式中:Q:液体泄漏速度，kg/s;Cd:液体泄漏系数，此值常用0.6～0.64;Ar:孔穴的有效开度面积，m2;P1:容器内介质压力，Pa;Pa:环境压力，Pa;ρ:液体密度，kg/m3;g:重力加速度，m/s2;h:裂口之上液位高度，m。

对事故状态下6号溶剂油的泄漏量进行计算，相关计算参数和计算结果如表1。

表1 6号溶剂油泄漏事故源强一览表

1.2.2 泄漏液体蒸发速率计算

假定泄漏开口面积为0.001963m2，从泄漏到处理完毕为1小时，泄漏事件持续10min计。泄漏液体的蒸发分为闪蒸蒸发、热量蒸发和质量蒸发三种，其中蒸发总量为这三种蒸发之和。本项目泄漏6号溶剂油，常压下沸点为68.7℃，大于项目所在地环境温度，因此不会发生闪蒸蒸发，而主要以热量蒸发和质量蒸发形式蒸发。其估算方法为:

(1)热量蒸发估算

热量蒸发速率按下式计算，并应考虑对流传热系数。

式中:Q2:热量蒸发速率，kg/s;T0:环境温度，k;Tb:沸点温度;k;S:液池面积，m2;H:液体气化热，J/kg;t:蒸发时间，s;λ:表面热导系数，W/m·k;α:表面热扩散系数，m2/s。

(2)质量蒸发估算

质量蒸发速率按下式计算:

式中:Q3:质量蒸发速率，kg/s;p:液体表面蒸气压，Pa;R:气体常数;J/mol·k;T0:环境温度，k;M:分子量;u:风速，m/s;r:液池半径，m;α，n:大气稳定度系数。

(3)液体蒸发总量的计算

液体蒸发总量按下式计算:

式中:Wp:液体蒸发总量，kg;Q2:热量蒸发速率，kg/s;t2:热量蒸发时间，s;Q3:质量蒸发速率，kg/s;t3:从液体泄漏到全部清理完毕的时间，s。

经过计算得到在不同大气稳定度下的6号溶剂油挥发速率，结果如表2。

表2 6号溶剂油事故挥发速率

1.3 后果分析［3］

1.3.1 池火火灾后果计算

所谓池火灾是指贮罐中泄漏后的可燃液体遇火源发生的火灾。发生池火灾时，热辐射是主要危害。池外一定范围内在热辐射作用下，人和建筑物、设备、设施等目标可能受到伤害或破坏，池内被燃烧。对人的伤害范围，由伤害半径的大小表示，即死亡、二度烧伤、一度烧伤半径。半径大小由目标收到的辐射热通量是否应达到死、伤极限值而定。

1.3.1.1 计算模式

(1)燃烧速度

可燃液体泄漏，形成液池，遇引火源发生池火，池火的燃烧速度如下:

式中:mf:单位表面积燃烧速度，kg/m2·s;Hc:液体燃烧热，J/kg;Cp:液体的定压比热，J/kg·k;Tb:液体沸点，k;Ta:环境温度，k;Hv:液体蒸发热，kJ/kg。

(2)火焰高度

采用Thomas经验式计算池火的火焰高度。为简化计算，不考虑环境风的影响:

式中:L:火焰高度，m;D:液池直径，m;mf:液体单位面积燃烧速率，kg/m2·s;ρa:空气密度，kg/m3;g:重力加速度，9.8m/s。

(3)热辐射通量

距离火焰点源为X(m)处接收到的热辐射通量可以表示为:

式中:q:距离X处接收的热辐射的通量，kW/m2;f:为热辐射率;τ为大气传输率，计算公式如下:

(4)火焰表面热通量的计算

假定能量由圆柱形火焰侧面和顶部向周围均匀辐射，则可以用下式计算火焰表面的热通量:

式中:E:池火表面的热通量，W/m2;HC:液体燃烧热，J/kg;f:热辐射系数，范围为0.13～0.35，保守值为0.35;mf:燃烧速率，kg/m2·s;smf为单位时间燃料消耗。

其它符号同前，式中，分子为燃烧单位时间产生的能量，分母为向外辐射的表面积。

(5)目标接收到的热通量的计算

目标接收到的热通量q的计算公式为:

式中:q:目标接收到的热通量，w/m2;E:池火表面的热通量，w/m2;x:目标到池火中心的水平距离，m;V:视角系数，按Rai&Kalelkar(1974)提供的方法计算。

(6)热辐射强度

假设全部热辐射都是从从液池中心点的一个微小的球面发出的，则在距离液池中心某一距离的入射热辐射强度为:

式中:Q:总热辐射通量，W;tc:空气导热系数;x:对象点到液池中心距离。

1.3.1.2 计算参数

假定6号溶剂油储罐在泄漏量在2976.13kg的情况下，因外界因素引起池火燃烧，其各参数如表3。

表3 6号溶剂油池火燃烧计算参数

1.3.1.3 计算结果

经过计算，计算结果得到:池火单位面积燃烧速率为0.39376kg/(m2·s)，池火持续时间为:601.5s，池火的火焰高度为:26.6m，池火焰表面热辐射通量为:240943.1W/m2。

池火预测结果如图1:

图1 池火模式预测结果

结果表明，6号溶剂油火灾热辐射的死亡半径在13m以内，未超出罐区范围，不会对厂外环境构成严重环境影响。

1.3.2 沸腾液体扩散蒸汽爆炸后果计算

当由于容器遇外火灼烧使器壁的强度下降，或者其它原因导致所盛液体瞬态泄漏，并在环境温度高于其沸点时急剧气化，如果遇到火源就会发生剧烈的燃烧，产生巨大的火球，形成强烈的热辐射，造成人员的伤亡和财产损失，此种现象称为沸腾液体扩展为蒸气爆炸，简称BLEVE(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosions)。

1.3.2.1 计算模式

BLEVE可以产生三种危害后果:冲击波超压、火球热辐射和抛射碎片，有时也可能伴随延迟发生的蒸气云爆炸或闪火等事故灾害。BLEVE过程虽然有破片和冲击波产生，但近场以外的冲击波压力效应不重要，爆炸也通常只产生几块较大的抛射碎片，故爆炸火球的热辐射是最主要的伤害因素。采用ILO模式计算火球半径、火球持续时间、热辐射通量［4］:

(1)火球半径的计算

实验证明，火球的半径与可燃物质量的立方根成正比，火球半径的计算公式为:

D=aWb

式中:D:火球直径，m;W:火球中消耗的可燃物质量，kg。对单罐储存，W取罐容量的50%;对双罐储存，W取罐容的70%;对多罐储存，W取罐容的90%。式中系数a、b取5.8、0.33。

(2)火球持续时间的计算

实验证明，火球的持续时间也与可燃物质量W的立方根成正比，可按下式计算:

t=cWb

式中:t:火球持续时间，s;W:火球内燃料质量，kg。对单罐储存，W取罐容量的50%;对双罐储存，W取罐容的70%;对多罐储存，W取罐容的90%。式中系数 c、d取0.45、0.33。

(3)热辐射通量

火球表面热辐射通量按下式计算:

上式实际上假定火球在持续时间内辐射热量是恒定不变的。Hc:液体燃烧热;f是燃烧辐射分数，在没有可靠数据时，f可取0.3。

距火球在地面投影处x的热辐射通量为:

式中:q:目标接收到的热通量，w/m2;E:池火表面的热通量，w/m2;x:目标到池火中心的水平距离，m;V:视角系数。

(4)目标接收到热辐射通量计算

除了采用上述的方法计算目标接收到热辐射能量外，还常采用以下公式计算。当r＞R时，目标接收到的热辐射通量按下式计算:

式中:q0:火球表面的辐射通量，W/m2。对柱形罐取270000W/m2，对于球形罐取200000W/m2。r:目标到火球中心的水平距离，m;R:火球半径，m。

1.3.2.2 计算参数

假定6号溶剂油储罐在沸腾液体扩展蒸气爆炸的情况下，因外界因素引起池火燃烧，其各参数如表4。

表4 6号溶剂油BLEVE火球爆炸计算参数

1.3.2.3 计算结果

经过计算，火球半径为:129.961m，火球持续时间为:20.166s，死亡的热辐射通量为:24811.4w/m2，死亡半径为:310.2m。二度烧伤的热辐射通量为:16432.9w/m2，二度烧伤半径为:394.1m，一度烧伤的热辐射通量为:7220.6w/m2，一度烧伤半径为:609.1m，财产损失的热辐射通量为:26008.6w/m2，财产损失半径为:301.3m。

6号溶剂油储罐发生爆炸产生的危害距离情况如图2。