工業炸藥硝酸銨溶液儲罐的火災爆炸指數?

趙 潤

四川通達化工有限責任公司(四川達州，635000)

引言

作為工業炸藥生產的主要原材料，硝酸銨具有來源廣泛、價格低廉、安全性好的特點[1]。2010 年，工業和信息化部提出采用液體硝酸銨代替固體硝酸銨制備工業炸藥[2]，此后，液體硝酸銨(硝酸銨溶液)在工業炸藥生產中得到逐步推廣。2020 年，全國硝酸銨總產量為449.8 萬t；其中，硝酸銨溶液產量181.6 萬t，占硝酸銨總產量的40.37%[3]。2020年，民爆行業對硝酸銨的需求量約為380 萬t，占全國硝酸銨總產量的84.48%；其中，硝酸銨溶液需求量約占總需求量的37.00%。另據統計，截至2020年底，全國有生產硝酸銨溶液(作為商品銷售)的企業17 家，占硝酸銨生產企業的80.00%[4]。2020年，全國183 個炸藥生產單位中有78 個使用硝酸銨溶液，占比42.60%；其中，長江以南地區炸藥生產企業硝酸銨溶液使用量占全國炸藥生產企業硝酸銨溶液總用量的73.00%[5]。

在硝酸銨溶液大范圍使用、大容量儲存的背景下，有必要對工業炸藥生產中高溫、高濃度硝酸銨溶液的儲存安全性進行研究。以某公司工業炸藥生產用硝酸銨溶液儲罐為研究對象，采用道化學火災爆炸危險指數法進行評估，探討現有安全措施的有效性和可行性。

1 道化學火災爆炸危險指數法

道化學火災爆炸危險指數法[6]:根據事故統計資料、物質潛在能量和現有安全措施，以選定工藝單元中主要物質的潛在危險能量為基礎，對生產工藝條件、過程和設備設施的潛在火災、爆炸危險和反應危險進行定量評價，從而預測事故可能導致的最大危害和停產損失。

道化學火災爆炸危險指數法的評價程序如圖1所示。

1.1 選定工藝單元

選定硝酸銨溶液儲罐為評價工藝單元，加料管路、放料管路不在評價范圍內。該硝酸銨溶液儲罐為不銹鋼材質，位于工房外的獨立、敞開區域，并設置有應急泄漏收集圍堰。硝酸銨溶液由泵從運輸槽車上泵入儲罐，當生產需要時，通過管道自流放入水相溶液儲罐，硝酸銨溶液加料、放料管道設置有蒸汽夾套保溫、隔熱及壓縮空氣吹掃等設施。

1.2 確定物質系數

物質系數(material factors，MF)是反應物質在燃燒、其他化學反應過程中造成火災、爆炸時放出能量多少的特征參數，用FM表示。可根據危險物質的易燃危險性系數NF和反應危險性系數NR確定，并依照溫度修正后選定。硝酸銨的物質系數及特性如表1 所示。

表1 硝酸銨的物質系數和特性Tab.1 Material parameters and properties of ammonium nitrate

1.3 確定工藝單元危險系數[7-8]

工藝單元危險系數F3包含一般工藝危險系數F1和特殊工藝危險系數F2。一般工藝危險是事故損失的主要確定因素；特殊工藝危險是事故概率的主要影響因素，特殊的工藝過程是造成火災、爆炸等的重要原因。

1.3.1 一般工藝危險系數

1)放熱化學反應危險系數。根據《道化學火災爆炸危險指數評價方法》(以下簡稱為《評價方法》)的規定，若選定工藝單元有化學反應過程，則選取該危險系數。硝酸銨溶液儲存過程中不發生化學反應。因此，不選定該危險系數。

2)吸熱反應危險系數。雖然硝酸銨溶液在儲存過程中無化學反應，但需要用蒸汽對硝酸銨溶液進行加熱保溫，防止其析晶、結晶。《評價方法》規定，當吸熱反應的能量是由固體、液體或氣體燃料提供時，系數為0.40。因此，選定吸熱反應危險系數為0.40。

3)物料處理與輸送危險系數。此項一般用于評價易燃液體、氣體、NF=3 或NF=2 的可燃性固體、以及人工加料時空氣進入設備可引起燃燒反應的物質。硝酸銨溶液儲存過程不涉及易燃液體和可燃固體，空氣進入不會造成危險。因此，不選定該危險系數。

4)封閉式或室內工藝單元危險系數。該項主要用于評價易燃液體、氣體、粉塵處于封閉或室內環境且沒有設置機械通風或通風不合理的工藝單元。硝酸銨溶液儲存過程中雖然會釋放一定量的氨，但因為該儲罐在室外敞開空間，危險性很低。因此，不選定該危險系數。

5)通道危險系數。《評價方法》規定，選定的生產設備設施附近必須有救援車輛的緊急通道，且至少要在兩個方向上設置，其中至少有一條通向公路。該硝酸銨溶液儲罐設置在室外獨立區域，設有緊急救援通道并靠近公路，符合要求，無通道危險因素。因此，不選定該危險系數。

6)排放和泄漏控制危險系數。該危險系數主要適用于易燃、可燃液體大量排放或泄漏可能影響附近設備設施的場合，僅適用于工藝單元中閃點小于60 ℃或操作溫度大于其閃點的物料。該硝酸銨溶液儲罐設有圍堰，且儲罐周圍無其他重要設備設施，硝酸銨溶液泄漏后很快結晶，不會造成損害。因此，不選定該危險系數。

將基本系數1.00 和選定的各項危險系數相加，得到一般工藝危險系數F1=1.40。

1.3.2 特殊工藝危險系數

1)毒性物質危險系數。硝酸銨健康危害系數NH=0。根據美國消防協會標準NFPA 704 對物質的毒性分類可知，NH=0 表明物質在火災時有一般可燃物的危險，除此外，短時間的接觸并不會造成其他危害。因此，不選定該危險系數。

2)負壓操作危險系數。該項主要考慮系統中泄漏進入空氣會造成相應危害的情況。硝酸銨溶液儲存過程為常壓，且空氣的進入不會對硝酸銨溶液造成影響。因此，不選定該危險系數。

3)易燃范圍內及接近易燃范圍的操作危險系數。《評價方法》規定，某些操作導致空氣進入系統，形成易燃混合物，會引發危險時才選定該項系數。硝酸銨溶液儲存過程為常壓，空氣進入儲罐不會造成危險。因此，不選定該危險系數。

4)粉塵爆炸危險系數。該項適用于含有粉塵處理的單元。硝酸銨溶液儲罐單元不涉及粉塵，因此，不選定該危險系數。

5)壓力危險系數。當工況壓力高于環境壓力有造成高速泄漏的可能時，需選定壓力危險系數。硝酸銨溶液儲存過程為常壓，根據式(1)確定操作初始的壓力危險系數。式中:X為壓力，kPa；Y為壓力危險系數。

將X=101.325 kPa 代入式(1)中，計算得到壓力危險系數為0.16。因此，該硝酸銨溶液儲罐的壓力危險系數選定為0.16。

6)低溫危險系數。該項一般適用于碳鋼、其他金屬在低溫條件下發生脆性變形等情況。該硝酸銨溶液儲罐采用不銹鋼材質，且儲存過程中不會出現低溫的情況，因此，不選定該危險系數。

7)易燃和不穩定物質量危險系數。該項主要用于分析選定單元中易燃物質和不穩定物質的數量與其危險性的相互關系。

《評價方法》規定:工藝過程中的液體和氣體主要為易燃氣體和液體、閃點低于60 ℃的可燃液體、液化易燃氣、閉杯閃點大于60 ℃且操作溫度高于其閃點的可燃液體和化學活性物質；儲存過程中的液體或氣體一般為儲存環境中的易燃和可燃液體、氣體或液化氣等；儲存過程中的可燃固體及工藝中的粉塵一般為儲存環境中的固體物質和選定工藝單元中的粉塵類物質。

根據以上規定，將硝酸銨溶液分別按儲存的可燃固體和化學活性物質計算其危險系數，最后取較大值作為本項危險系數。

將硝酸銨溶液換算成硝酸銨固體計算其危險系數。硝酸銨溶液密度按1.4 g/cm3計，質量分數為94%。該硝酸銨溶液儲罐容量80 m3，經計算，純硝酸銨的質量為105 280 kg。《評價方法》規定，當物質的堆積密度大于160.2 kg/m3時，可按式(2)計算危險系數Y:

式中:X為物質的質量，kg。

根據式(2)，計算得危險系數為0.20。

《評價方法》規定，對于NR=2 或更高的不穩定物質，可用選定單元中物質的實際質量的6 倍按式(3)來確定系數。

根據式(3)，計算得危險系數為2.20。

因此，取系數最大的2.20 作為易燃及不穩定物質量危險系數。

8)腐蝕與磨損危險系數。硝酸銨為強酸弱堿鹽，水解呈弱酸性。因該硝酸銨溶液儲罐及其閥門、儀表、管線等接頭均采用不銹鋼材質，所以按0Cr18Ni9(即SUS304)考慮。0Cr18Ni9 不銹鋼在質量分數1%～65%的硝酸溶液中腐蝕速率基本小于0.100 mm/a[9]。《評價方法》規定，腐蝕速率小于0.127 mm/a 時，危險系數為0.10。因此，選定該硝酸銨溶液儲罐的腐蝕與磨損危險系數為0.10。

9)泄漏-接頭和填料危險系數。《評價方法》規定，墊片、接頭或軸的密封處及填料處可能是易燃、可燃物質的泄漏源，特別是在熱和壓力規律變化的場所，應根據工藝條件和采用的物質選定危險系數。選定工藝單元中物料有腐蝕性，可引起密封失效的，系數為0.40。因硝酸銨溶液有腐蝕性，容易造成密封失效，因此該危險系數選定為0.40。

10)明火設備的使用危險系數。主要適用于易燃液體、蒸汽或可燃性粉塵環境，明火設備的存在加大了物質泄漏后引燃的可能性。該硝酸銨溶液儲罐附近不存在明火設備，因此，不選定該危險系數。

11)熱油交換系統危險系數。該硝酸銨溶液儲罐系統無熱油交換裝置，因此，不選定該危險系數。

12)轉動設備危險系數。硝酸銨溶液儲存過程中需不定時地攪拌，防止溶液靜止分層及上、下兩層溫差過大造成析晶、結晶，因此，轉動設備系數選定為0.50。

將基本系數1.00 和選定的各項危險系數相加，得到特殊工藝危險系數F2=4.36。

該硝酸銨溶液儲罐工藝單元危險系數F3=F1×F2=1.40 ×4.36≈6.10。

1.4 確定火災爆炸指數

火災爆炸指數(fire ＆ explosion index，F＆EI)是用于評估生產過程中發生事故時造成損害大小的特征參數。該硝酸銨溶液儲罐的火災爆炸指數E=FM×F3=29 ×6.10=176.90。《評價方法》規定，當火災爆炸指數大于159 時，危險等級為非常大。因此，該硝酸銨溶液儲罐單元的危險等級為非常大。

1.5 確定暴露區域

暴露區域內的設備設施等可能暴露在選定工藝單元發生的火災、爆炸環境中。火災、爆炸環境實際是以暴露區域為底面積、以暴露半徑為高的圓柱體或球體占據的空間，該圓柱體體積或球體體積的大小反應了火災、爆炸事故發生時選定工藝單元承受風險的強弱。暴露半徑為0.84 ×火災爆炸危險指數，考慮到英制長度單位與通用長度單位的換算系數為0.304 8，因此，該硝酸銨溶液儲罐的暴露半徑R=(0.84 ×176.90 ×0.304 8)m≈45.29 m，從而暴露區域面積S=πR2≈6 440.72 m2。

1.6 確定安全措施補償系數

為防止重大事故的發生，減小事故概率和危害，設計不僅要符合生產要求、工藝要求，而且還要在工藝控制、危險物質隔離、消防設施等方面采取一定的補償措施。

1.6.1 工藝控制安全措施補償系數

1)應急電源補償系數。《評價方法》規定，該補償系數適用于儀表電源、控制儀表、攪拌和泵等設備設施，具有應急電源并能從正常狀態自動切換到應急狀態，且僅當應急電源與評價工藝單元中事故控制有關時才考慮該系數。該硝酸銨溶液儲罐儀表系統設置有應急電源，因此，選定應急電源補償系數為0.98。

2)冷卻裝置補償系數。該硝酸銨溶液儲罐未單獨設置冷卻裝置，雨淋裝置在消防設施中進行補償，因此，不予補償。

3)抑爆裝置補償系數。《評價方法》規定，只有突然超壓能防止設備或建筑物遭受破壞的釋放裝置才給予補償，對于在所有壓力容器上都配備的安全閥、儲罐的緊急排放口等常規超壓釋放裝置則不考慮補償。該硝酸銨溶液儲罐未單獨設置釋放裝置，因此，不予補償。

4)緊急切斷裝置補償系數。《評價方法》規定，異常情況出現時能緊急停車的方可進行補償。該硝酸銨溶液儲罐攪拌電機電流超限時可以自動停機，溫度超限時可自動關閉蒸汽閥，在緊急情況下放料閥門可以自動關閉。因此，選定補償系數為0.96。

5)計算機控制補償系數。《評價方法》規定，設置有在線計算機以幫助操作者，但計算機不直接控制關鍵設備或不經常用計算機操作時，補償系數為0.99；具有失效保護功能的計算機直接控制工藝操作時，系數為0.97；當設置有關鍵現場數據輸入的冗余技術或關鍵輸入的異常中止功能或有備用的控制系統時，系數為0.93。該硝酸銨溶液儲罐控制系統接入工業炸藥生產線控制系統進行集中控制，且該系統有異常輸入的中止功能，因此，選定補償系數為0.93。

6)非活潑性氣體保護補償系數。該硝酸銨溶液儲罐未設置惰性氣體保護、吹掃系統，因此，不予補償。

7)操作規程/程序補償系數。根據《評價方法》中列舉的操作規程內容及分值，審查發現，該公司制定的操作規程不含備用裝置啟動條件、低負荷操作條件的相關內容，計算得該補償系數為0.92。

8)化學活潑性物質檢查補償系數。《評價方法》規定，操作人員每年至少獲得一份用于本職工作的活潑性化學物質指南并對現行工藝進行檢查，如不能定期提供，則不選取該補償系數。經審查，該公司未對該硝酸銨溶液儲罐進行過化學活潑性物質檢查，因此，不予補償。

9)其他工藝危險分析補償系數。該公司每年采用危險與可操作危險研究法對工業炸藥生產線進行分析評價，根據《評價方法》的規定，選定補償系數為0.94。

將選定的各項補償系數相乘，取工藝補償系數C1=0.76。

1.6.2 危險物質隔離安全措施補償系數

1)遙控閥補償系數。《評價方法》規定，當單元有遙控的切斷閥以便在緊急情況下能迅速地將儲罐、容器及主要輸送管線隔離時，系數為0.98；閥門每年至少更換一次時，系數為0.96。該硝酸銨溶液儲罐放料閥采用氣動閥門，在生產線控制室集中遠距離控制，當出現緊急情況時可在控制室關閉閥門，不壞不換。因此，選定補償系數為0.98。

2)卸料、排空裝置補償系數。《評價方法》規定，若備用儲槽能安全地直接接受工藝單元內的物料時，系數為0.98。該硝酸銨溶液儲罐周圍設有圍堰以處理硝酸銨溶液的緊急排放，圍堰容量符合要求，因此，選定補償系數為0.98。

3)排放系統補償系數。《評價方法》規定，儲罐四周有堤壩以容納泄漏物時，不予補償。該硝酸銨溶液儲罐四周設有圍堰，因此，不予補償。

4)連鎖裝置補償系數。該硝酸銨溶液儲罐設有超溫、液位超限、電流超限報警停機等安全連鎖裝置，因此，選定該補償系數為0.98。

將選定的各項補償系數相乘，取危險物質隔離補償系數C2=0.94。

1.6.3 消防設施安全措施補償系數

1)泄漏檢測裝置補償系數。《評價方法》規定，該項主要適用于可燃氣體，在安裝可燃氣體檢測裝置后，予以補償。該硝酸銨溶液儲罐不涉及可燃氣體，因此，不予補償。

2)鋼結構補償系數。《評價方法》規定，當鋼結構采用防火涂層時，所有的承重鋼結構都要涂覆，且涂覆高度至少為5 m，此時補償系數為0.98，涂覆高度越高，補償系數越小；鋼筋混凝土結構選取和防火涂層相同的危險系數，從消防安全方面考慮，應優先選用鋼筋混凝土結構。因該硝酸銨溶液儲罐為不銹鋼材質，圍堰采用的是鋼筋混凝土結構，因此，選定補償系數為0.98。

3)消防水供應系統補償系數。《評價方法》規定，消防水壓≥690 kPa(表壓)時，補償系數為0.94；水壓＜690 kPa 時，補償系數為0.97。當有獨立的備用電源用于消防水供應且能保證最大水量時，可以采用該補償系數，否則不選取該補償系數。該公司消防水源為高位水池，兩路供水，環狀管網，壓力低于690 kPa，因此，選定補償系數為0.97。

4)特殊滅火系統補償系數。《評價方法》規定，特殊滅火系統包括二氧化碳、鹵代烷滅火系統及煙火探測器、防爆墻、防爆小屋等建(構)筑物或設施。該硝酸銨溶液儲罐未設置特殊滅火系統，因此，不予補償。

5)灑水滅火系統補償系數。《評價方法》規定，因為灑水滅火系統是由許多部件組成，其中任何一個部件出現故障，都可能完全或部分影響系統的功能，因此，給予其最低補償系數0.97。當室內環境中使用的干、濕管噴灑滅火系統處于非常危險環境，設計流量＞14.3 L/(min·m2)時，干管補償系數為0.81，濕管補償系數為0.74。因該儲罐內部設有消防雨淋裝置，當溫度超限時雨淋裝置可自動開啟進行降溫，噴水強度≥16 L/(min·m2)，管道為濕式系統，因此，選定補償系數0.74。

6)水幕系統補償系數。《評價方法》規定，在點火源和可能泄漏的氣體之間設置自動噴水幕，可以有效降低點燃可燃氣體的概率；為保證系統有充裕的檢測時間并自動啟動水幕，水幕與泄漏源之間的距離至少需23 m。該硝酸銨溶液儲罐未設置水幕系統，因此，不予補償。

7)泡沫滅火裝置補償系數。該硝酸銨溶液儲罐未設置泡沫滅火裝置，因此，不予補償。

8)手提式滅火器和噴水槍補償系數。《評價方法》規定，若配備有與火災危險相適應的手提式或移動式滅火器時，補償系數為0.98；單元內有泄漏大量可燃物的可能，而手提式滅火器不能有效控制時，不予補償；若配備有水槍，則補償系數為0.97；可在安全距離外控制水槍的補償系數為0.95；若為帶泡沫噴射能力的水槍，則補償系數為0.93。該硝酸銨溶液儲罐附近設有磷酸銨鹽干粉滅火器用于電氣設備、建(構)筑物的滅火，設有室外消火栓、消防水管、水槍等設施用于硝酸銨溶液的滅火，因此，選定補償系數為0.97。

9)電纜防護補償系數。《評價方法》規定，當儀表或電纜支架帶有噴水裝置，并設鋼板金屬罩保護或在金屬罩上涂耐火涂料時，該補償系數為0.98；若電纜管埋在電纜溝內，補償系數為0.94。該硝酸銨溶液儲罐的儀表、閥門控制線路及動力線路均采用電纜橋架或鍍鋅鋼管保護，在火災時可起到保護作用。綜合考慮，選定電纜防護補償系數為0.98。

將選定的各項補償系數相乘，取消防設施安全措施補償系數C3=0.67。

1.7 補償前、后火災爆炸指數對比

將工藝補償系數、危險物質隔離補償系數和消防設施安全措施補償系數相乘，得到安全措施補償系數C=C1×C2×C3≈0.48，在采取上述安全措施后，硝酸銨溶液儲罐的火災爆炸指數E=FM×F3×C=29 ×6.10 ×0.48≈84.91。《評價方法》規定，當火災爆炸指數為61～96 時，危險等級為較輕。因此，在采取上述補償措施后，該硝酸銨溶液儲罐的危險等級為較輕。

采用上述安全補償措施，并考慮到英制長度單位與通用長度單位的換算系數為0.304 8，該硝酸銨溶液儲罐的暴露半徑R=(0.84 ×84.91 ×0.304 8)m≈21.74 m，暴露區域面積S=πR2≈1 484.05 m2。

補償前、后硝酸銨溶液儲罐的火災爆炸指數對比見表2。由表2 可知，在采取安全補償措施后，該硝酸銨溶液儲罐的火災爆炸指數、暴露半徑、暴露區域面積均減小，危險等級也有所降低。

表2 補償前、后火災爆炸指數對比Tab.2 Comparison of fire and explosion index before and after compensation

《民用爆炸物品工程設計安全標準》[10]規定:當僅為單個1.1 級制藥廠房服務的總儲量不大于80 m3的硝酸銨水溶液儲罐(區)與1.1 級制藥廠房的1.1 級生產工序之間有厚度≥370 mm 的實心砌體隔墻，且墻上無門窗時，硝酸銨水溶液儲罐(區)與該廠房的內部距離不應小于4 m；當硝酸銨水溶液儲罐(區)僅為單個1.4 級水、油相制備廠房服務并貼建時，硝酸銨水溶液儲罐(區)與該廠房之間無內部距離規定。

采取安全補償措施后，雖然硝酸銨溶液儲罐的暴露半徑降至了21.74 m，但依然遠大于民爆標準的安全要求。當硝酸銨溶液儲罐發生火災、爆炸事故時，存在對臨近建(構)筑物造成損害的可能性；因此，不能因其危險等級較輕就放松警惕而疏于管理，在日常生產經營和安全管理活動中，應確保現有安全措施的完好有效，并采取有針對性的措施以保障生產安全。

2 結論

運用道化學火災爆炸危險指數法對工業炸藥生產用硝酸銨溶液儲罐進行分析，得出以下結論:

1)該儲罐的火災爆炸指數為176.90，固有危險等級為非常大。當采用工藝控制、危險物質隔離、消防設施等安全補償措施后，其火災爆炸指數降至84.91，危險等級降至較輕。證明該硝酸銨溶液儲罐的安全措施是有效的、可行的。

2)在采取安全補償措施后，該儲罐暴露半徑仍然大于民爆標準的相關要求。生產經營過程中，應采取有針對性的措施以保障生產安全。