儲油罐區油氣爆炸抑制技術研究現狀

潘越 王建華 陳建國 蘇寧 馬如冰 劉穩

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，具有重要戰略、商業儲備意義，大量儲油罐區因而建成，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頻發問題。2005年，英國Buncefield油庫發生爆炸事故，火災持續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，并且引發歐洲生態危機[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發生連環爆炸事故[4]。大型油庫的重特大火災事故發生概率較高，同時，由于儲罐內油氣處于密閉空間，火災往往容易引發連環爆炸等二次事故，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，發現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）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。實驗數據表明，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，發現當環境溫度高于純燃料的閃點時，混合燃料也不會發生閃燃。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。由道爾頓蒸發定律可知，液滴粒徑越大，揮發和熱分解速率越慢，油蒸氣濃度上升速率越慢，最大爆炸壓力出現時間滯后、數值降低[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傳播能力。當火焰陣面接觸到水霧后，水滴吸熱汽化，吸收大量火焰熱量，降低燃燒反應速度，延長火焰陣面的預熱區，減緩熱量傳遞，從而抑制火焰傳播。Wingerden[15]等考察了水霧對爆炸火焰傳播情況的影響，結果表明相較于開放空間，密閉受限條件下的火焰傳播速度更快。同時水滴受火焰超壓作用影響破碎，降低火焰超壓作用，起到減緩爆炸火焰傳播效果。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，發現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]研究發現，當環境氣體濕度超過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、系統設計和關鍵參數計算提供了理論依據。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，火焰傳播速度明顯下降，并且復合抑爆劑的抑爆效果優于單一組分。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，最大火焰傳播速度、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，爆炸和火焰傳播停止，起到抑制或控制爆炸效果。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、自動啟動控制系統等方面提出了“超微干粉抑爆系統”方案。張發[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]等研究發現磷酸二氫銨、碳酸氫鈉抑爆效果優于碳酸鈣。

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；三是產生活性基團，代替鏈式反應基團參與到反應中去，生成穩定產物，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快速下降后趨于穩定，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）。當低于該閾值濃度時，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保要求，對大氣環境損害較大。

因此，今后的油氣爆炸抑制技術研究應向以下幾個方向發展：一是油氣爆炸抑制技術的理論研究，為后續新型材料投入實際應用提供理論基礎；二是開發環保型抑爆劑，現有鹵代烴類抑爆劑對環境破壞極大，不符合可持續發展要求；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協同效應，達到1+1＞2的效果。