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危险化学品——火灾与爆炸

来源:化工安全云 发布时间:2021/01/12

       化工中最常见的三种事故是火灾、爆炸和毒性泄漏。火灾或爆炸造成后果相当严重,造成巨大的财产、人员损失,并可能影响到周围环境,造成更严重的后果。为了防止火灾和爆炸的发生,我们需要了解火灾和爆炸的特性并理清其发生的条件,并以此为出发点来设计防火防爆措施。

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       燃烧本质上是氧化还原反应,可燃物质是还原剂,助燃物质是氧化剂。但是并不是所有的氧化还原反应都是燃烧,只有伴有发光并同时伴有发热的氧化还原反应才界定为燃烧。一般来说空气(本质上说是空气中的氧气)是最常见的氧化剂,其他的如高锰酸钾,氯气等。燃烧在我们生活中和生产中广泛存在,如我们做饭用天然气燃烧加热。但是没有控制的燃烧极易导致灾难。

       爆炸是在极短时间内,释放出大量能量,产生高温,并放出大量气体,在周围介质中造成高压的化学反应或状态变化,同时破坏性极强。爆炸与燃烧有着相似处,从能量角度看,燃烧的能量释放速度慢,而爆炸的能量释放速度很快,通常是微秒级,所以当燃烧的能量释放很快的时候,量变引起质变,燃烧就演变为爆炸。

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       燃烧发生需要燃料,氧化剂,点火源,即火三角。燃料和氧化剂提供了物质基础,点火源提供了启动反应的能量。我们可以用一个图即火三角来形象的表示燃烧的三大要素。我们需要注意的是当这三者都存在的时候,燃烧不一定发生,只有燃料和氧化剂在足够的量或浓度下,并且点火源能够足以启动反应的能量,燃烧才能发生。于是燃烧极限浓度、极限氧浓度和最小点火能的概念由此提出。但是如果三大要素缺一个要素,燃烧一定不会发生。这也是我们防火防爆的出发点。

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       爆炸是在极短时间内,释放出大量能量,产生高温,并放出大量气体,在周围介质中造成高压的化学反应或状态变化,同时破坏性极强。能量通过各种途径消散掉,包括:压力波的形成、抛射物、热辐射和声能。爆炸所产生的破坏是由能量的消散导致的。爆炸的行为依赖于很多参数,很难进行准确描述,下表列出爆炸依赖的参数。目前人们还没有完全理清爆炸的行为,所以现场工程师需要谨慎的使用外推结论并在所有的设计中保证一定的安全裕度。

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预防措施


       由于火灾和爆炸的破坏性大,我们需要做好防火防爆的措施。其中可以分为两种方法,一种是防止火灾和爆炸发生,即预防;另一种是火灾或爆炸发生后,将破坏性降到最低,即减灾。任何火灾或爆炸要想发生都要满足三个条件(火三角),即足够浓度的燃料和氧化剂,点火源有可以启动燃烧反应的能量。所以我们只要控制其中的一个条件就可以防止火灾或爆炸的发生。这就是上述防火防爆措施的基础。

1、惰化

       把惰性介质加入到可燃性混合气体中,可以把可燃物的浓度降低到燃烧下限(LFC),也可以说把氧气的浓度降低到极限氧浓度(LOL)下。这个过程就叫惰化。惰性介质一般是氮气或二氧化碳。当要填充可燃物质前,需要先用惰性气体吹扫容器,使容器内氧气的浓度降低到安全值以下。填充可燃物的可燃物容器要用惰性气体保护,一般用惰化系统来保证氧气浓度在安全值下。理想的惰化系统应该有分析器,可以连续检测氧气的含量,当氧气含量接近安全值后,控制执行器来添加惰性气体,维持氧浓度在安全值下。实际应用的惰化控制系统用更简单的控制方法,即维持气体空间内惰性气体绝对的压力(大于大气压)一定即可,这样能够保证流出去的是惰性气体,空气流不进来,但有惰性气体消耗多的缺点。常用的惰化的方法有:真空惰化,加压惰化,加压—真空联合惰化,不纯惰性气体真空惰化、加压惰化、吹扫惰化和虹吸惰化

2、静电的控制和预防

       如果不采取静电控制的措施,静电就会积累,所产生的火花就会可能导致可燃物的引燃,引起火灾甚至爆炸。在实际情况下,工程设计者已经认识到这个问题,并安装了专门的装置,从而达到两个目的。一是通过消除静电的积累和聚集以防止火花;二是通过对周围环境进行惰化处理来防止引燃。惰化是防止引燃的最有效和最可靠的方法。当引燃液体的温度比其闭杯闪点低5℃或更低的话,通常使用惰化的方法。

       防止静电引燃的一般设计方法设计的目的是防止电荷在产品(液体或者粉末)和周围物体(设备或人)上积累。对于每个带电的物体,都对应存在一个带有相反电荷的物体。有以下三种方法可以完成这一个目的。(1)通过降低电荷的产生速度和增加电荷释放的速度,防止电荷积累到危险水平。进行液体操作,通常使用该方法。(2)设计一套系统来防止电荷积累到危险水平,这套系统主要是通过低能放电的方法来减少电荷。进行粉末状物体操作时,通常使用该方法。(3)当危险的放电不能被消除的时候,那么通过维持氧化剂的浓度低于可燃浓度(惰化)或通过维持燃料的浓度低于LFL(燃烧上限)或高于UFL(燃烧下限) 来防止引燃。减少爆炸后果的措施也是可以考虑的(如爆燃消除和爆炸抑制)目前静电的控制和预防采取的原则主要是抑制,疏导,中和。

3、密封、通风和减压操作

       通风的目的是稀释空气中爆炸性可燃物的浓度,使可燃物的浓度在安全浓度(LFC)下。所以建厂建议采取露天方式,这是因为露天工厂的平均风速大,稀释了泄漏的可燃物浓度,防止了火灾和爆炸的发生。对于户内的空间,可以采取通风系统。当在容器中进行可燃物的操作时,空气的进入会导致容器中氧气浓度的上升,会导致可燃物发生燃烧或火灾。所以密封条件是相当重要的。此外泵或容器密封不好,可燃物会泄漏出来,也会导致可燃物发生燃烧和爆炸。可燃物的燃烧范围受压力的影响,一般来说压力(除CO外)越小,燃烧范围越窄,当压力达到临界压力以下时,可燃物就不会再发生燃烧,所以减压操作可以作为一种防爆防火的措施。

4、防爆和防火设备

       所有的电器设备本质上都是点火源,所以要防止可燃气体或蒸汽进入到电器设备中,引起火灾或者爆炸。火灾和爆炸危害直接与过程区域中的电器设备的数量和类型成正比关系。

       根据爆炸性气体(蒸气)环境出现的频率和持续时间把危险场所分为以下区域。

       0区:爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的场所。

       1区:在正常运行时,可能出现爆炸性气体环境的场所。

       2区:在正常运行时,不可能出现爆炸性气体环境,如果出现也是偶尔发生并且仅是短时间存在的场所。

       根据可燃性粉尘环境出现的频率和持续时间,把危险场所分为三个区域。

       20区:在正常运行过程中可燃性粉尘连续出现或经常出现,其数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物和/或可能形成无法控制和极厚的粉尘层的场所及容器内部。

       21区:在正常运行过程中,可能出现粉尘数量足以形成可燃性粉尘与空气混合物但未划入20区。

       22区:在异常条件下,可燃性粉尘云偶尔出现并且只是短时存在、或可燃性粉尘或偶尔出现堆积或可能存在粉尘层并且产生可燃性粉尘空气混合物的场所。

       下表列出爆炸性环境内电气设备保护级别的选择规定。

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5、自动喷水系统

       自动喷水系统是控制火灾的有效方法。该系统由一组与供水系统连接的喷头组成。喷头安装在高处(通常接近房顶),当启动时,在区域上方喷洒出很细的水滴。促使喷头启动有很多方法。通常的方法是,通过控制喷头部件内插销的可熔性连接来单独启动喷头。一旦启动,喷洒将不能被停止,除非关闭主供水系统。该系统称为湿管系统。该系统用于存储区、实验室、控制室和小型试验区域。另一种方法是,由公开控制点启动整个喷水装置。控制点与喷头组和(或)烟气探测器相连,当检测到不正常的条件时,即启动喷水系统。如果检测到火灾,该区域的整个喷水系统都将启动,那些还没有被火灾影响到区域的系统可能也要启动。该系统用于工厂的生产区域和大型试验区域。

6、综合设计

       综合设计化工厂中,成功的防火防爆需要结合许多设计技术的结合。下表列出了部分的技术。同时也为工程师们提供一个清单,以便帮助他们进行防火防爆设计时,包含这些措施。

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       化工生产的原料和产品多为易燃、易爆、有毒及有腐蚀性,化工生产特点多是高温、高压或深冷、真空,化工生产过程多是连续化、集中化、自动化、大型化,化工生产中安全事故主要源自于泄漏、燃烧、爆炸、毒害等,因此,化工行业已成为危险源高度集中的行业。由于化工生产中各个环节不安全因素较多,且相互影响,一旦发生事故,危险性和危害性大,后果严重。

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