儲油罐區(qū)油氣爆炸抑制技術研究現(xiàn)狀

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事故發(fā)生概率較高，同時，由于儲罐內油氣處于密閉空間，火災往往容易引發(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險和難度。因此，提高油氣儲罐防火防爆能力建設水平意義較大。

目前，國內外在油氣爆炸抑制技術方面研究較為廣泛，主要分為2方面：一是本質安全技術，即在不改變燃料使用特性前提下，提高燃料自身阻燃抑爆性能，如微乳化技術、抑爆添加劑等；二是被動式阻燃隔爆技術，如阻隔爆技術、抑爆技術、泄爆技術等。由于微乳化處理、抑爆添加劑和外置抑爆劑能夠從化學反應層面減緩或停止爆炸反應，因此本文就這3個方面做重點介紹。

微乳化技術

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式反應。利用水的該特性，部分學者將水、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。結果表明，含水量超過15%（質量分數(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)動機臺架試驗結果表明，摻水后的微乳化柴油與純柴油性能相當，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)當環(huán)境溫度高于純燃料的閃點時，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。試驗結果表明，當噴霧壓力相同時，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。當抑爆劑含量分別為 2000 mg/kg、4000 mg/kg、6000 mg/kg時，油樣PREJ相應為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，達到抑爆效果。

外置抑爆劑

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

物理抑爆劑

物理抑爆劑不參與爆炸氣氛可燃物質組分的燃燒反應，通過吸收部分反應熱使燃燒反應速率減慢，大幅降低反應溫度，當溫度降低到維持反應所需最低溫度之下時，燃燒反應將停止，爆炸過程被中斷，達到抑制爆炸效果。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．敾鹧骊嚸娼佑|到水霧后，水滴吸熱汽化，吸收大量火焰熱量，降低燃燒反應速度，延長火焰陣面的預熱區(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?。陸守香[16]等通過分析水參與瓦斯爆炸的化學反應動力學機理，發(fā)現(xiàn)在瓦斯爆炸鏈式反應過程中，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可燃氣體單步化學反應湍流爆炸模型，為燃氣管道中惰性氣體防爆抑爆技術的工藝實施、系統(tǒng)設計和關鍵參數(shù)計算提供了理論依據(jù)。Holborn[19]等報道了氮氣與細水霧共同抑制氫氣爆炸試驗，結果表明，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@下降，并且復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、二氧化碳和超細水霧對甲烷/空氣爆炸的協(xié)同抑制作用。結果表明，在較低含量的氣液兩相介質存在時，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，二氧化碳和超細水霧具有更好的協(xié)同抑制效果。

化學抑爆劑

化學抑爆劑作用機理主要是捕捉自由基，使之失活，導致燃燒過程中的連鎖反應中斷，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，超細干粉對油氣滅火與抑爆作用的影響。結果表明，隨超細干粉濃度增加，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。

物理化學抑爆劑

物理化學抑爆劑綜合物理抑制和化學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：一是參與化學反應，并且每一步反應都能夠吸收大量燃燒爆炸反應產(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、熱傳導屏蔽效應；三是產(chǎn)生活性基團，代替鏈式反應基團參與到反應中去，生成穩(wěn)定產(chǎn)物，降低自由基增長速率。

任常興[25]等采用三路進氣20 L球試驗裝置模擬油氣-空氣與超細干粉冷氣溶膠預混點火燃爆過程。結果表明，超細干粉冷氣溶膠具有物理化學雙重抑爆作用。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，抑爆效果與超細粉體本身特征、抑爆劑用量及油氣點火時間緊密相關。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。結果表明，該抑爆劑明顯存在抑爆閾值濃度，為6.1%（體積分數(shù)）。當?shù)陀谠撻撝禎舛葧r，抑爆效果較弱；高于該閾值濃度時，油氣燃爆反應鏈被切斷，最大爆炸壓力明顯降低，抑爆效果顯著。

結論與展望

綜上，油氣爆炸抑制技術在微乳化處理和抑爆劑方面取得很多研究成果，但有些技術還只停留在實驗階段，缺乏理論支撐；有些技術只適合在特定環(huán)境中使用，對于復雜條件下的油氣爆炸難以有效抑制；有些技術則忽略了環(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研究應向以下幾個方向發(fā)展：一是油氣爆炸抑制技術的理論研究，為后續(xù)新型材料投入實際應用提供理論基礎；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；三是抑爆劑的復配使用研究，通過不同性質、抑爆機理的抑爆劑搭配使用來實現(xiàn)協(xié)同效應，達到1+1＞2的效果。