储油罐区油气爆炸抑制技术研究现状

潘越 王建华 陈建国 苏宁 马如冰 刘稳

1 中国人民解放军92318部队

2 中国人民解放军92538部队

油气（原油、成品油和天然气等）作为应用范围最广、消耗量最大的燃料能源，具有重要战略、商业储备意义，大量储油罐区因而建成，其中不乏储量超千万吨的超大型油库。由于油气的易燃易爆特性，超大储量同时带来火灾爆炸事故多发频发问题。2005年，英国Buncefield油库发生爆炸事故，火灾持续5天才被扑灭，造成43人伤亡、2000多人撤离，直接损失约8亿英镑，并且引发欧洲生态危机[1]；2009年，印度石油公司斋普尔油库起火，造成56人伤亡、50万人撤离，持续11天的火灾将油库和临近建筑烧为灰烬[2]；2006年，中石化仪征分输站15万m3原油罐遭雷击起火，直接损失约5亿元[3]；2010年，中国石油兰州石化分公司储油罐区发生连环爆炸事故[4]。大型油库的重特大火灾事故发生概率较高，同时，由于储罐内油气处于密闭空间，火灾往往容易引发连环爆炸等二次事故，给消防官兵救援灭火带来较大风险和难度。因此，提高油气储罐防火防爆能力建设水平意义较大。

目前，国内外在油气爆炸抑制技术方面研究较为广泛，主要分为2方面：一是本质安全技术，即在不改变燃料使用特性前提下，提高燃料自身阻燃抑爆性能，如微乳化技术、抑爆添加剂等；二是被动式阻燃隔爆技术，如阻隔爆技术、抑爆技术、泄爆技术等。由于微乳化处理、抑爆添加剂和外置抑爆剂能够从化学反应层面减缓或停止爆炸反应，因此本文就这3个方面做重点介绍。

微乳化技术

由于水具有较大的汽化热（40.8 kJ/mol）[5]，在蒸发时可带走大量热量，降低混合气温度从而停止燃烧链式反应。利用水的该特性，部分学者将水、乳化剂、助乳化剂与油料混合制成微乳化油料，发现在满足使用指标要求下，油品阻燃抗爆性能得到提升。

吴珣[6]以-10号军用柴油制备了柴油/乳化剂/助乳化剂/水的微乳体系，考察了乳化剂、助乳化剂和增溶水量对微乳液体系的影响。结果表明，含水量超过15%（质量分数）时，微乳化柴油的爆炸时间相较纯柴油有所滞后，最大爆炸压力稍有降低。朱英中[7]以大型立式激波管为试验装置，研究了不同配方的微乳化安全柴油的爆炸压力变化情况。实验数据表明，0.41 MJ/m2的点火能量下，柴油最大爆炸压力最多下降11.43%，说明在约束条件下微乳化柴油具有较好的抑爆性能。韩大明[8]等以自制RL型表面活性剂作为乳化剂，制备出微乳化柴油。发动机台架试验结果表明，掺水后的微乳化柴油与纯柴油性能相当，并且油耗更低、排烟更少。Weatherford[9，10]等将原油中度蒸馏组分掺入油包水型微乳液燃料中，发现当环境温度高于纯燃料的闪点时，混合燃料也不会发生闪燃。同时，混合燃料会通过池火燃烧自熄灭机理阻止燃料的持续燃烧。

抑爆添加剂

抑爆添加剂通常为高分子型添加剂，通过增大油样黏度来减弱雾化效果，增大雾化液滴粒径，从而减小液滴比表面积和云雾体系的总比表面积。由道尔顿蒸发定律可知，液滴粒径越大，挥发和热分解速率越慢，油蒸气浓度上升速率越慢，最大爆炸压力出现时间滞后、数值降低[11]。

李俊[12，13]在高闪点喷气燃料中添加抑爆剂制得抑爆高闪点喷气燃料，考察了喷雾压力、抑爆剂添加量对燃料抗爆性能的影响，并量化抑爆能力PREJ为燃料的着火爆炸特性参数增加幅度。试验结果表明，当喷雾压力相同时，油样的最大爆炸压力、平均压力上升速率和瞬间最大爆炸压力均随抑爆剂含量增加而减小。当抑爆剂含量分别为 2000 mg/kg、4000 mg/kg、6000 mg/kg时，油样PREJ相应为29.02%、39.78%、49.85%。对同一种油样，喷雾压力增加时，最大爆炸压力、平均压力上升速率和瞬时最大爆炸压力均随之增加。同时从微观解释了抑爆机理：即抑爆剂减小了油样雾化后云雾体系的表面积，使得云雾体系的蒸发速率和热分解速率降低，达到抑爆效果。

外置抑爆剂

油气爆炸抑制过程是较为复杂的物理化学过程，湍流、压力波、火焰和抑爆剂等因素相互作用。一般认为，油气混合气爆炸原理是自由基链式反应和热爆炸理论[14]。根据作用机理不同，抑爆剂可分为物理抑爆剂、化学抑爆剂和物理化学抑爆剂。

物理抑爆剂

物理抑爆剂不参与爆炸气氛可燃物质组分的燃烧反应，通过吸收部分反应热使燃烧反应速率减慢，大幅降低反应温度，当温度降低到维持反应所需最低温度之下时，燃烧反应将停止，爆炸过程被中断，达到抑制爆炸效果。诸如氩气、氮气、二氧化碳、水蒸气、矿岩粉等都属于降温缓燃型的物理抑爆剂。

研究表明，水雾具备良好的抑制爆炸火焰传播能力。当火焰阵面接触到水雾后，水滴吸热汽化，吸收大量火焰热量，降低燃烧反应速度，延长火焰阵面的预热区，减缓热量传递，从而抑制火焰传播。Wingerden[15]等考察了水雾对爆炸火焰传播情况的影响，结果表明相较于开放空间，密闭受限条件下的火焰传播速度更快。同时水滴受火焰超压作用影响破碎，降低火焰超压作用，起到减缓爆炸火焰传播效果。陆守香[16]等通过分析水参与瓦斯爆炸的化学反应动力学机理，发现在瓦斯爆炸链式反应过程中，水作为惰性液滴能够破坏其中的链载体，从而降低瓦斯爆炸反应威力。瓦斯空气混合物水含量增大，瓦斯爆炸能力下降，强度降低，爆炸极限浓度范围缩小。Bane[17]研究发现，当环境气体湿度超过40%时，混合气最小点火能增加较为明显，油料抑爆能力有所增强。

陈思维[18]等通过仿真模拟建立了管道内可燃气体单步化学反应湍流爆炸模型，为燃气管道中惰性气体防爆抑爆技术的工艺实施、系统设计和关键参数计算提供了理论依据。Holborn[19]等报道了氮气与细水雾共同抑制氢气爆炸试验，结果表明，火焰传播速度明显下降，并且复合抑爆剂的抑爆效果优于单一组分。裴蓓[20]等考察了氮气、二氧化碳和超细水雾对甲烷/空气爆炸的协同抑制作用。结果表明，在较低含量的气液两相介质存在时，最大火焰传播速度、最高温度和最大压力均显著降低。同时，与氮气相比，二氧化碳和超细水雾具有更好的协同抑制效果。

化学抑爆剂

化学抑爆剂作用机理主要是捕捉自由基，使之失活，导致燃烧过程中的连锁反应中断，爆炸和火焰传播停止，起到抑制或控制爆炸效果。例如卤代烃、磷酸盐、无机卤化物、碳酸盐和碳酸氢盐等化学干粉。

吴建勋[21]等在讨论可燃蒸汽爆炸性气体混合物最大压力上升速度及石油产品储罐抑爆原理基础上，从灭火剂、传感器、自动灭火装置、自动启动控制系统等方面提出了“超微干粉抑爆系统”方案。张发[22]等通过20 L球燃爆装置研究了特定油气浓度下，超细干粉对油气灭火与抑爆作用的影响。结果表明，随超细干粉浓度增加，油气最大爆炸压力和爆炸压力上升速率出现明显下降，且爆炸压力上升速率下降较快，爆炸感应期滞后。邢晓江[23]等通过燃烧管中混合气体抑爆试验，对比了不同粉体的抑爆效果。结果表明，抑爆效果二氧化硅＞粉状碳酸钙＞磷酸二氢铵＞氯化钠＞矾土。W. Kordylewski[24]等研究发现磷酸二氢铵、碳酸氢钠抑爆效果优于碳酸钙。

物理化学抑爆剂

物理化学抑爆剂综合物理抑制和化学抑制两方面作用机理，混合抑制机理大致分为以下3个方面：一是参与化学反应，并且每一步反应都能够吸收大量燃烧爆炸反应产生的热量；二是受热分解生成惰性气体，稀释混合气中氧气浓度，起到冷却和窒息作用，同时减少油气分子互相接触，形成热辐射、热传导屏蔽效应；三是产生活性基团，代替链式反应基团参与到反应中去，生成稳定产物，降低自由基增长速率。

任常兴[25]等采用三路进气20 L球试验装置模拟油气-空气与超细干粉冷气溶胶预混点火燃爆过程。结果表明，超细干粉冷气溶胶具有物理化学双重抑爆作用。最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率随抑爆剂用量增大而下降，爆炸感应期明显滞后。抑爆过程油气爆炸指数快速下降后趋于稳定，抑爆效果与超细粉体本身特征、抑爆剂用量及油气点火时间紧密相关。同时，任常兴[26]等考察了卤代烃气体1301油气抑爆剂的抑爆效果。结果表明，该抑爆剂明显存在抑爆阈值浓度，为6.1%（体积分数）。当低于该阈值浓度时，抑爆效果较弱；高于该阈值浓度时，油气燃爆反应链被切断，最大爆炸压力明显降低，抑爆效果显著。

结论与展望

综上，油气爆炸抑制技术在微乳化处理和抑爆剂方面取得很多研究成果，但有些技术还只停留在实验阶段，缺乏理论支撑；有些技术只适合在特定环境中使用，对于复杂条件下的油气爆炸难以有效抑制；有些技术则忽略了环保要求，对大气环境损害较大。

因此，今后的油气爆炸抑制技术研究应向以下几个方向发展：一是油气爆炸抑制技术的理论研究，为后续新型材料投入实际应用提供理论基础；二是开发环保型抑爆剂，现有卤代烃类抑爆剂对环境破坏极大，不符合可持续发展要求；三是抑爆剂的复配使用研究，通过不同性质、抑爆机理的抑爆剂搭配使用来实现协同效应，达到1+1＞2的效果。