池火灾评价法在环氧乙烷罐区的应用研究*

李毅博　石必明,2　张雷林,2　李军显　汤静

(1.安徽理工大学能源与安全学院　安徽淮南 232001；　2.安徽理工大学煤炭安全高效开采省部共建教育部重点实验室　安徽淮南 232001；　3.河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院　郑州 451450)



安全工程

池火灾评价法在环氧乙烷罐区的应用研究*

李毅博1石必明1,2张雷林1,2李军显3汤静1

(1.安徽理工大学能源与安全学院安徽淮南 232001；2.安徽理工大学煤炭安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南 232001；3.河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院郑州 451450)

摘要以某石油化工厂区为工程应用背景，通过对环氧乙烷储罐区计算模型的建立，应用池火灾评价法对环氧乙烷储罐发生池火灾的热辐射伤害区域进行了定量计算，得出环氧乙烷罐区发生池火灾的各级影响半径和造成的伤害程度。结果表明，只有当人员撤离罐区67.35 m范围外方可避免受到热辐射伤害。从环氧乙烷罐区的整体安全性出发，提出了具体的防护措施和建议，为企业的安全管理工作提供参考依据。

关键词池火灾环氧乙烷影响半径安全措施

0引言

石油化工储罐区一般储存有大量易燃易爆物质，储罐一旦发生泄漏引起火灾，就会迅速蔓延。储罐发生火灾时，会严重威胁周围的储罐，产生的辐射热往往会使周围的储罐损坏、坍塌，进而燃烧、爆炸，灾害升级、扑救困难[1]。罐区发生火灾事故时会伴有大量有毒有害气体，危及周边的人员，并给环境带来污染[2]。本文采用池火灾评价法对环氧乙烷储罐发生破裂时的各级影响半径进行了研究，并根据各级影响半径提出了相应的安全防护措施，供广大读者参考。

1环氧乙烷危险性分析

1.1易燃易爆性

环氧乙烷又称恶烷，化学式为C2H4O，分子量为44，闪点-17.7 ℃，沸点10.4 ℃，燃点447 ℃，蒸发热569.87 kJ/kg，燃烧热1 262.8 kJ/mol。环氧乙烷是杂环类化合物，主要用于和水反应生成乙二醇，用作各种生活及生产用剂[3]。环氧乙烷气体的密度比空气大，因此能够在较低的地方沿着空气流动方向传播，造成人员中毒。其与空气形成的混合物具有爆炸性，并且威力非凡，经查阅资料，其爆炸强度是TNT炸药的3～5倍，影响范围为等量TNT爆炸的1.4倍，冲击波持续的时间也比TNT长[4]。

1.2自聚性

环氧乙烷聚合的速度受温度影响较大，在低温下聚合较慢，其造成爆炸的可能性也较低。当温度升高后，环氧乙烷的自聚速度加快并释放出大量的热，从而造成爆炸危险性增大[5]。另外，环氧乙烷的自聚也会由酸、氯化物、金属氧化物等引发。按照不同地区的条件状况，环氧乙烷的储存可采用压缩和低温两种方式，因此可根据具体情况采用在常温下加压、低温下加压和低温常压等方法。采用降温工艺时，为了降低储存设备的设计压力，可以将环氧乙烷妥善冷冻储存，减少钢材的使用量，以保证经济效益和安全性。

1.3毒性

环氧乙烷可作为熏蒸剂用于粮食和食材的保存,但有不小的副作用，能使人的神经麻痹。人吸入180 mg/m3的环氧乙烷后，会出现中毒症状，感到头晕、恶心、呕吐、流泪、呛咳、胸闷、呼吸困难等; 吸入450 mg/m3的环氧乙烷会出现严重中毒症状,全身肌肉不受控制、语言能力出现问题、共济失调、意识不清醒甚至昏厥。将环氧乙烷中毒人员从昏迷状态抢救苏醒后，患者可能会有暂时性的精神失常、失声、偏瘫等症状。若液态环氧乙烷进入眼睛，会引起眼角膜烫伤，皮肤触碰后会引起皮肤红肿烧伤。如果人长时间地少量接触,会产生神经衰弱综合症[6]。

2池火灾评价法在环氧乙烷罐区的应用

2.1环氧乙烷罐区概况

本次评价的环氧乙烷罐区位于某石化公司的厂区内，车间现有员工110多人，罐区总投资1 700多万元，采用立式储罐，储罐容量10 m3，储罐公称直径1 800 mm，壁厚12 mm，设计压力1.2 MPa，设计储存温度50 ℃。环氧乙烷储量8 t，罐区面积500 m2。

2.2池火灾简介

池火灾是指储存罐里面着火抑或其内能够燃烧的液体泄漏到地上遇到火源而燃烧的现象。发达国家对池火灾已进行了大量的研究，内容包括池火灾的燃烧过程、放热量大小、火焰高度等影响参数，并通过模拟实验和实体实验，得到了很多有价值的数据和经验公式。

目前,池火灾评价多用于对容易起火或爆炸设备的安全分析。首先设定可能发生的事故，在一定的假设条件下运用池火灾模型预测事故可能造成的损害程度和影响半径。

热辐射是池火灾对周围设备和人员能造成的主要伤害。若容器受到热辐射,特别是液化气体的容器，其内部压力的热辐射效应将迅速增加，导致容器和设备损坏。若影响到可燃材料，其会被引燃。若人员遭受影响，将导致烧伤甚至死亡[7]。

为了研究池火灾评价模型，需作以下假设：

(1) 池火灾火焰为圆柱形火焰；

(2) 在火焰区内，因为炭黑粒子比气体辐射严重，气体辐射被堆积在固体颗粒的辐射上；

(3) 认为火焰所形成的几何体对四周的辐射就是其对四周的影响；

(4) 火是池火的稳定状态，研究区的外围是炭黑粒子；

(5) 设定为单罐燃烧,罐内的液体可完全泄漏到防火堤内。

2.3池火灾影响半径计算

环氧乙烷罐区布置在厂区的东侧，罐区占地面积约500 m2，设置有防火堤，是钢筋混凝土结构，防火堤高度1 m,宽度0.2 m。其内露天安置环氧乙烷储罐，容积10 m3，罐体材料用钢衬塑。

2.3.1火焰高度H的计算

由当量半径计算公式知，本罐区池当量半径R为

R=(S/π)0.5=(500/3.14)0.5=12.6 m

(1)

式中，S为罐区占地面积，m2。

环氧乙烷燃烧速率的计算公式为

(2)

式中，m′为燃料单位面积燃烧速率，kg/(m2·s);Hc为液体燃烧热，J/kg;Cp为液体的定压热容，J/(kg·K)；Tb为液体的沸点，环氧乙烷沸点10.8 ℃；T0为环境温度，K，取当地年平均温度8.3 ℃；H为液体的气化热，J/kg。

用Thomas经验公式估算没有风的情况下火体高度为

(3)

式中，h为火焰高度，m；R为火焰的燃烧半径，m；m′为单位液池面积环氧乙烷质量燃烧速率，kg/(m2·s)；ρa为周围环境空气密度；g为重力加速度。

将式(1)得到的池当量半径和式(2)得到的燃烧速率代入式(3)，计算得

h=84×12.6×{0.050 4÷[1.293×(2×9.81×12.6)0.5]}0.61=27.25m

2.3.2池火灾总热辐射通量计算

由斯特潘-玻尔兹曼定律知，池火灾总热辐射通量的计算公式为

(4)

式中，Q为热辐射总量，kW；η为效率因子，取0.12～0.34；Hc为环氧乙烷的燃烧热，取8 610kJ/kg。

将式(1)、式(2)、式(3)得到的结果代入式(4)中，计算得

Q=[(3 014×12.62+2×3.14×12.6×27.25)×

0.050 4×8 610]/(72×0.050 40.61+1)

=91 166.68kW

2.3.3影响半径r的计算

不同危害和损坏指标距池中心的半径r为

(5)

式中，r是物体到池中心的距离，m；T为空气介质下的热辐射渗透率，取1；I为物体受到的热辐射强度，kW/m2。

热辐射值的大小是评价池火灾危害程度的重要指标。将总热辐射通量Q和不同的热辐射强度I代入式(5)，可得到距池中心不同距离池火灾造成的破坏，如表1所示。

表1　受害体距池体中心的不同距离受到的破坏

2.3.4评价结果分析

由表1可以看出，环氧乙烷罐区一旦泄漏发生池火灾，13.91 m半径范围内，人员如停留10 s就有死亡危险，停留1 min则必定死亡，且该范围内机械设备将全部损坏。17.04 m半径范围内,人员如停留10 s会受到重大烧伤，停留1 min有10%的死亡可能，且该范围内木材类的设备会燃烧。24.1 m半径范围内，人员如停留10 s则会Ⅰ度烧伤，停留1 min有死亡危险，且该范围内塑料类的设备有融化的危险。42.6 m范围内，人员如果滞留，虽然不会死亡，但会有疼痛的感觉。只有将人员撤离到距现场67.35 m范围外才可避免受到热辐射伤害。

3安全防护措施及建议

根据池火灾评价法对环氧乙烷罐区的预测分析结果，提出以下防护建议：

(1)在储罐42.6 m，24.1 m，17.04 m，13.91 m半径范围内，设置Ⅳ，Ⅲ，Ⅱ，Ⅰ级警示线，竖立警告牌提高人员的防范意识，安装监控装置，对液面高低、可燃气体进行监控，一旦达到危险指标立即报警。

(2)当环氧储罐发生爆炸和着火时，为控制火势的蔓延需要采取下列措施：①在储罐的上端设置水喷淋装置，喷淋流量为10.46～14.88 L /(min·m3)；②在储罐周边设置至少两个消防水栓；③在罐区内设计至少一个400 m3的消防蓄水池，为了防止罐区发生爆炸可能对其造成破坏，在其周围建立23 m×19 m×1.8 m的围墙，并在其上增加遮阳设施。

(3)在雷雨季节到来之前对防雷系统进行检查，查看连接部位是否松动、生锈，安装是否牢固，引下线是否破损，避免因雷击引发事故。

(4)罐区及周围场地的枯枝杂叶应定期清除，严禁可燃物堆积，安排专门人员负责管理，避免火灾发生时灾情进一步扩大。

(5)保证罐体完好无损，并在罐体内外刷防火涂料，若罐体有凹陷、裂痕或体表涂料脱落、生锈时，应及时处理。

(6)针对每台环氧乙烷储罐配置2个安全阀，在正常工作状态下阀门为打开状态，一旦某一安全阀发生故障，就可以关闭该安全阀，另一安全阀保证安全生产。

(7)储罐用户须健全仓储管理系统，实施岗位责任制，设立专门的管理部门负责储罐的综合管理。

4结语

本文采用池火灾危险性评价法对某环氧乙烷罐区的池火灾事故进行后果预测和分析，得出了罐区发生泄漏引发火灾时的各级影响半径，根据各级影响半径提出了相应的防护措施及改进方案，对石油化工储罐区的安全防范和救援工作具有参考意义。

参考文献

[1]静国光,高王君,陈禹. LPG储罐区池火灾危险性分析及扑救对策[J].武警学院学报,2006(4):19-21.

[2]高海英. 环氧乙烷的危险性分析及其安全措施[J].石油化工设计,2008(2):62-64.

[3]Biao Sun, Kaihua Guo, Vishnu K Pareek. Dynamic simulation of hazard analysis of radiations from LNG pool fire[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2015,35:200-210.

[4]Jie Ji, Xiangyong Yuan, Kaiyuan Li, et al. Influence of the external wind on flame shapes of n-heptane pool fires in long passage connected to a shaft[J]. Combustion and Flame,2015,162(5):2098-2107.

[5]Fei Tang, Longhua Hu, Xiaochun Zhang, et al. Burning rate and flame tilt characteristics of radiation-controlled rectangular hydrocarbon pool fires with cross air flows in a reduced pressure[J]. Fuel,2015,139:18-25.

[6]Hiroki Abe, Akihiko Ito, Hiroyuki Torikai. Effect of gravity on puffing phenomenon of liquid pool fires[J]. Proceedings of the Combustion Institute,2015,35(3):2581-2587.

[7]S Vasanth, S M Tauseef, Tasneem Abbasi, et al. Multiple pool fires: Occurrence, simulation, modeling and management[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2014,29:103-121.

Study on the Application of Pool Fire Evaluation Method in Epoxy Ethane Tank

LI Yibo1SHI Biming1,2ZHANG Leilin1,2LI Junxian3TANG Jing1

(1．SchoolofEnergyandSafety，AuhuiUniversityofScienceandTechnologyHuainan，Anhui232001)

AbstractA petrochemical plant is the background for engineering application . With the calculation model of epoxy ethane tank, this paper makes quantitative calculation for the radiation damage area of epoxy ethane tank when pool fires happened by using pool fires evaluation method, finding out the influential radius at all levels of pool fire around the ethylene oxide tank and the damage degree it may cause. The results show that only when workers evacuate tank area to a place where it is 67.35 m away, can the damage from radiation be avoided. Based on safety, this paper provides some specific measures and advices, which provides references for the safety management of enterprises.

Key Wordspool fireethylene oxideinfluence radiussafety measures

*基金项目：国家自然科学基金(51474010)，中国博士后科学基金(2015M571914)。

作者简介李毅博, 男，1992年生，河南洛阳人，安徽理工大学硕士研究生。

(收稿日期：2015-08-21)