工业气体爆炸

工业气体爆炸与防治

现代科技和规模经济的发展使工业生产及经济运行过程的技术密集性、物质高能性和过程高参数性更为突出，使工业事故更具突发性、灾害性和社会性。工业生产环境的特点：在封闭或半封闭的作业空间中，常常面临着工业气体的威胁；加之当前安全设备水平不高、工人技术素质低、抗灾能力差等原因和生产中还存在着重生产轻安全的状况，使工业事故时有发生，其中尤以工业气体爆炸事故后果最为严重。

工业生产过程中，特别是化工和石油化工生产中，可燃性气体得到广泛应用。绝大多数情况下，可燃性气体会密封在密闭空间中，反应器、反应釜、贮罐、管道等装置通常可用来储存或输送这类气体。由于装置设备本身的缺陷或人为因素导致装置内混入空气形成可燃气体混合物而达到爆炸极限，遇引燃源就会发生气体爆炸事故。一旦发生该类事故，就会导致财产损失和人员伤亡。据统计，在石油化工、塑料、橡胶合成及天然气等行业，可燃气体爆燃在事故总数中所占的比例分别高达46%、42%和60%，而且单次事故所造成的人员伤亡和财产损失也大大高于其它事故。如果能够在事前对工业气体爆炸有正确的认识和掌握爆炸事故规律，了解爆炸事故发生前的条件，采取正确的预防和避灾方法，对工业安全生产具有重要的现实意义。而一旦发生工业气体爆炸事故时，能够做到不惊慌失措，采取正确的预防和避灾方法，控制事故扩大和恶化，尽量减少因爆炸事故造成的人员伤亡和损失。

1 工业气体及其危险特性

工业上，把常温常压下呈气态的产品统称为工业气体产品。气体产品种类繁多，大致可以分为一般工业气体和特种气体两大类。一般工业气体产销量大，但对纯度要求不高。特种气体产销量虽小，但根据不同的用途，对不同特种气体的纯度或组成、有害杂质允许的最高含量、产品的包装贮运等都有极其严格的要求，属于高技术，高附加值产品。通常，可以将特种气体分为三类，即高纯或超高纯气体、标准校正气体和具有特定组成的混合气体。

在生产、存储或加工工业气体过程中，释放出的气体、蒸汽或薄雾可能与空气混合形成有毒有害、有爆炸性的环境。在一定条件下将对人员和设备造成危害。因此工业气体的主要危险特性有:

（1）燃烧性:燃烧往往同时伴有发光、发热的激烈反应，对周围环境造成破坏。

（2）毒害性：工业气体通过呼吸侵入人体，与人体组织发生化学或物理化学作用，从而造成对人体器官的损害，并破坏人体的正常生理机能，引起功能或器质性病变，导致暂时性或持久性病理损害，甚至危及生命。

（3）窒息性：部分工业气体虽然无毒，但是在空气中的浓度增大时，能够使空气中的氧气含量相对降低，而使人窒息。当空气中的瓦斯含量达到一定程度时，能使人窒息死亡。

（4）腐蚀性：部分工业气体具有腐蚀性，能够对设备和人员造成危害。

（5）爆炸性：可燃的工业气体在空气中的含量达到适当浓度时，遇到引爆热源能够引起燃烧和爆炸。

2 工业气体爆炸的条件及其影响因素

我们将气体爆炸定义为预混气云（即燃料空气或燃料氧化剂）预混物燃烧引起压力快速上升的过程。气体爆炸可以发生在加工设备或者管道、建筑物或海洋钻井平台的内部，也可以发生在敞开的工艺区域或者无约束的区域。

2.1 工业气体爆炸的条件

（1）工业气体具有可燃性或爆炸性。在很大程度上，气体爆炸发生的后果严重度与发生概率与燃料的种类有关。在类似的实验条件下，不同的燃料空气混合物产生的爆炸压力不同。

（2）工业气体爆炸的浓度。只有当气云燃料浓度处在爆炸下限和爆炸上限之间时，预混燃料空气混合物才可能爆炸。当气云燃料浓度接近可燃极限时，燃烧速度会变得很低。要在可燃极限浓度附近产生较高的爆炸压力，气云需要处于约束状态。典型地，在可燃极限处燃料空气混合物定容燃烧的最终压力约为四倍初始压力。

图1给出了在1m楔形容器中实验测得的峰值压力。对单一燃料，其最大爆炸压力通常发生在化学计量浓度或稍接近富燃的浓度下。

图 1 峰值压力随空气混合物中燃料浓度(% vol.)的变化 (Bjørkhaug, 1988)

（3）具有引燃、引爆工业可燃气体的高温热源。在新鲜空气中，一定条件下可燃工业气体可能发生燃烧爆炸。比如，引燃的烟头的温度在千度以上，所以明火、电火花以及摩擦火花，都可能引起工业气体爆炸。爆炸场中引起瓦斯爆炸的点火源主要有如下几类：①机械类：机械运行中的摩擦、机器设备之间的碰撞。

②电气类：电火花、电弧、电器失爆等。③火焰类：有燃烧反应的点燃，如吸烟、火灾、焊接等。④其他类：如炽热表面和炽热气体等。

（4）氧气浓度。混合气体中氧气的浓度不低于一定值。当氧气的浓度低于一定值时，工业气体中的可燃气体失去爆炸性。这是最容易获得的条件，因为在正常环境中氧气的浓度通常大于20%，而引起氧气浓度降低的原因有自身消耗和其他气体的涌入稀释。工业气体爆炸和火灾都会消耗空气中的氧，但由于风流的流动，对于开放区域，空气中的氧气可以得到迅速的补充。

虽然工业气体爆炸必须同时具备上述四个条件，但火源和氧气在爆炸场中都是很难时刻监控的。因此，要杜绝工业气体爆炸，关键是注意通风，加强检查，防止工业气体泄漏和积聚，同时控制各种火源的产生。

2.2工业气体爆炸的影响因素

工业气体爆炸界限并不是固定不变的，其变化与工业气体中其他可燃气体、惰性气体的多少及混合气体的所在环境温度的高低、压力大小等因素有关。

（1）其他可燃气体的渗入。多种气体的混入，增加了爆炸性混合气体的浓度，使工业气体爆炸界限扩大。

（2）初始温度。工业可燃气体—空气的混合气体爆炸时，初始温度的高低影响瓦斯的爆炸界限。实践证明，初始温度越高，工业可燃气体的爆炸浓度范围越大。

（3）初始压力。工业可燃气体—空气的混合气体爆炸时，初始压力的大小影响瓦斯的爆炸界限。实践证明，初始压力越大，工业气体的爆炸浓度范围越大。

（4）点燃源能量的影响。不同的工业可燃气体发生爆炸时具有相应的最小点燃能量。当点燃源能量高于该工业可燃气体的最小点燃能量时，该气体才能发生燃烧爆炸。

3 工业气体爆炸的基本原理、特性及其危害

我们将气体爆炸定义为预混气云（即燃料空气或燃料氧化剂）预混物燃烧引起压力快速上升的过程。气体爆炸产生的后果取决于约束起因的环境或气云包绕的情况。因此，气体爆炸通常可以根据爆炸发生的环境分为：（1）容器、管道、通道或坑道等内部的约束气体爆炸；（2）房间、建筑物或海洋石油平台等的部分约束爆炸；（3）加工厂和其他无约束区域的无约束爆炸。值得指出的是，这些叫法没有严格的定义。在偶然爆炸事故中，很难将发生的爆炸进行上述划分。工艺场所发生的无约束爆炸实际例子中，也可能涉及到房间内发生的部分约束爆炸（当气云泄漏进入这些房间时）。

3.1 工业气体爆炸的基本原理

工业气体的燃烧和爆炸是有规律的。其规律主要决定于工业可燃气体在空气中的浓度.当可燃气体浓度小于爆炸浓度范围下限时，遇到火源能燃烧，不能爆炸；当可燃气体浓度大于爆炸浓度范围上限时，在混合气体内遇到火源不能燃烧，也不能爆炸，如有新鲜空气供给，在可燃气体与新鲜空气的接触面上，遇火就会燃烧；其浓度在爆炸浓度范围内时，遇火源就会爆炸。对单一燃料，其最大爆炸压力通常发生在化学计量浓度或稍接近富燃的浓度下。

工业气体爆炸属于可燃气体爆燃现象，该过程通常是处于爆炸限内的工业可燃气体和空气的混合气体首先在点火源处被引燃，形成厚度很薄的火焰峰面。该