甲醇罐区的火灾爆炸危险性分析及防火防爆设计

　　摘要：根据甲醇的物化性质及储存过程特点，对甲醇罐区潜在的火灾爆炸危险性进行分析，提出设计中应采取的防火防爆措施以及设计审核时需着重检查的项目和内容。
　　关键词：甲醇罐区 危险性 防火防爆 设计1概述：甲醇（CH3.OH）是重要的基本有机化工原料，具有剧毒、易燃烧性，其蒸气与空气在一定范围内可形成爆炸性混合物。同时也是一种清洁、高效的液体燃料，在国民经济中占有十分重要的地位。由于甲醇的易燃性及其蒸气与空气在一定浓度区间内混合物的爆炸性，因此，如何安全、有效地储存和使用是非常重要的。
　　2.火灾、爆炸危险性：由于甲醇的物理化学性质及储存的条件和周围环境等因素所致，甲醇储存的火灾、爆炸危险性主要体现在以下几个方面。
　　2.1挥发性：甲醇在常态下为液体，沸点64.5℃，2.0℃时的饱和蒸气压为12……8kPa（96mmHg），温度愈高，蒸气压愈高，挥发性越强。以地面固定顶罐储存甲醇为例，夏季昼夜温差按10℃考虑，则1台装料系数为85%的5000m3.储罐挥发损失达77.2.kg/d.由此可见，甲醇的挥发性较强，储罐的“小呼吸”损失十分明显。
　　2.2.流动/扩散性：甲醇的粘度0.5945mPa.s（2.0℃），并随温度升高而降低，有较强的流动性。同时由于甲醇蒸气的密度比空气密度略大（～10%），有风时会随风飘散，即使无风时，也能沿着地面向外扩散，并易积聚在地势低洼地带。因此，在甲醇储存过程中，如发生溢流、泄漏等现象，物料就会很快向四周扩散，特别是甲醇储罐一旦破裂，又突遇明火，就可能导致火灾。
　　2.3.高易燃性：甲醇的闪点11.1℃（闭杯），根据美国防火协会ANSI/NFPA3.0、中国国家标准《石油化工企业设计防火规范》（GB50160-92.）、《危险货物品名表》（GB12.2.68-90），甲醇属中闪点（-18～2.3.℃）、甲类火灾危险性可燃液体。可燃液体的闪点越低，越易燃烧，火灾危险性就越大。由于可燃液体的燃烧是通过其挥发的蒸气与空气形成可燃性混合物，在一定的浓度范围内遇火源而发生的，因而液体的燃烧是其蒸气与空气中的氧进行的剧烈和快速的反应。所谓液体易燃，实质上就是指其蒸气极易被引燃。甲醇的沸点为645℃，自燃点为473.℃（空气中）、461℃（氧气中），开杯试验闪点为16℃。应当指出，罐区中常见的潜在点火源，如机械火星、烟囱飞火、电器火花和汽车排气管火星等的温度及能量都大大超过甲醇的最小引燃能量。
　　2.4蒸气的易爆性：由于甲醇具有较强的挥发性，在甲醇罐区通常都存在一定量的甲醇蒸气。当罐区内甲醇蒸气与空气混合达到甲醇的爆炸浓度范围6.7%～3.6%时，遇火源就会发生爆炸。此外，由于甲醇的引爆能量小，罐区内绝大多数的潜在引爆源，如明火、电器设备点火源、静电火花放电、雷电和金属撞击火花等，具有的能量一般都大于该值，因此决定了甲醇蒸气的易爆性。
　　2.5热膨胀性：甲醇和其它大多数液体一样，具有受热膨胀性。若储罐内甲醇装料过满，当体系受热，甲醇的体积增加，密度变小（如2.0℃时0.7915g/ml，3.0℃时0.782.0g/ml）的同时会使蒸气压升高，当超过容器的承受能力时（对密闭容器而言），储罐就易破裂。如气温骤变，储罐呼吸阀由于某种原因来不及开启或开启不够，就易造成储罐破坏或被吸瘪。对于没有泄压装置的罐区地上管道，物料输送后不及时部分放空，当温度升高时，也可能发生胀裂事故。另外，在火灾现场附近的储罐受到热辐射的高温作用，如不及时冷却，也可能因膨胀破裂，增大火灾的危险性。
　　2.6聚积静电荷性：静电产生和聚积与物质的导电性能相关。一般而言[2.]，介电常数小于10（特别是小于3.）、电阻率大于106Ω？cm的液体具有较大的带电能力。而甲醇的介电常数为3.2……62.，电阻率为5.8×106Ω？cm，说明有一定的带电能力。因此，甲醇在管输和灌装过程中能产生静电，当静电荷聚积到一定程度则会放电，故有着火或爆炸的危险。
　　3.防火防爆设计：由于甲醇的物化性质以及储存过程中潜在的火灾爆炸危险性，甲醇罐区的防火防爆设计必须既要注意预防火灾和爆炸的发生，也要尽量减少火灾和爆炸造成的损失。为此，一般应遵循或充分考虑下述要求。
　　3.1选址和布置：甲醇罐区的厂址选择与布置应符合ANSI/NFPA3.0、《石油化工企业设计防火规范》所规定的防火要求。其中的要点包括：
　　3.11罐区与周围设施的安全距离：罐区与周围设施的安全距离的确定依据是考虑到罐区防火因素，以及物料挥发对周围环境的影响，同时还考虑到周围设施的重要程度，如人员或车辆出入频繁的公众设施。此外，甲醇罐区应设在有明火或飞火设施的侧方向。
　　3.12罐区建（构）筑物之间的防火间距：建（构）筑物之间的防火间距，主要是根据各建（构）筑物的耐火等级、有无可燃蒸气散发和有无明火而定。据有关调查[2.]，爆炸危险场所的影响一般是15m范围以内；火灾的影响距离约10m.像甲醇这样的甲类易燃液体，正常操作时，其蒸气的扩散范围约3.m以内；泄漏后其蒸气的扩散范围在10～15m内。
　　3.13储罐之间的防火间距：储罐之间应留有一定的防火距离，其确定依据了物料的危险性、储罐的结构、容量、消防力量及操作要求等因素，同时考虑着火几率极小，尽量减少占地、消防设施统一、节省管道等因素。
　　3.2储罐型式：液体储罐的型式很多，按建造材料可分为金属罐和非金属罐两种。金属罐应用广泛；非金属罐（如砖砌、混凝土和橡胶储罐）导电性能差，易遭受雷击，加之罐容往往较大，着火难以扑救，特别是黄岛油库大火之后，国家已禁止建造此类储罐（用于储存石油产品）。金属储罐的种类较多，从结构形式讲有立式、卧式、圆柱形、球形、椭圆形、浮顶罐等。然而，国内外广泛应用的是立式拱顶罐和浮顶罐。储存甲醇则宜首先选择浮顶罐，其次为拱顶罐。若选取拱顶罐，考虑到安全可靠、减少物料蒸发损失、火灾扑救容易等因素，单台罐容量不宜超过10000m3…… 3.3建（构）筑物的耐火等级：根据建筑材料在明火或高温作用下的变化特征，一般将建筑材料分为非燃烧体、难燃烧体和燃烧体3.类。建（构）筑物的耐火等级是由组成建（构）筑物的主要构件的燃烧性能和耐火极限决定的。《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）将建（构）筑物的耐火等级分为4级。对不同耐火等级的建（构）筑物的构件分别提出了燃烧性能和耐火极限要求。根据甲醇罐区的火灾危险性，为保障罐区的防火安全，罐区建（构）筑物在火灾高温作用下要求其基本构件能在一定时间内不被破坏、不传播火灾、延缓和阻止火势蔓延，为疏散人员、物资和扑灭火灾赢得时间，因此，在甲醇罐区设计时，罐区内建（构）筑物（如配电室、控制室、管架等）的耐火等级应按二级考虑，所用建筑材料应为非燃烧体。
　　3.4电气的防爆：由于甲醇的物化性质和储存条件所致，其蒸气能在罐区内与空气形成爆炸性混合物（爆炸浓度6.7%～3.6%），并存在潜在的爆炸危险性，因此，甲醇罐区的电气设计应严格遵循有关标准，如《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》（GB50058-92.）。其中主要内容包括：
　　3.41爆炸危险环境区域划分甲醇储存常采用浮顶罐和拱顶罐两类罐型，但其储罐区爆炸危险区域等级是不同的。若采用浮顶罐，在正常操作时无或几乎无任何“呼吸”损失，不可能出现甲醇蒸气的爆炸性气体混合物，故罐区的爆炸危险环境区域等级为2.区；若采用拱顶罐，在正常操作时，存在“呼吸”损失（如2.0℃时甲醇的饱和蒸气压为12.8kPa），可能出现甲醇蒸气的爆炸性气体混合物，故罐区的爆炸危险环境区域等级为1区。
　　3.42爆炸危险区域的范围确定爆炸危险区域的范围确定应综合考虑释放源的级别和位置，易燃物质的性质，空气流通状况，障碍物及生产条件，运行经验，技经比较等诸多因素。正常操作时，甲醇这种甲类易燃液体，其蒸气的扩散范围约3.m；泄漏后其蒸气的扩散范围在10～15m.因此，甲醇罐区爆炸危险区域的范围取15m为宜。
　　3.43爆炸性混合物的分类、分级和分组爆炸性气体应按其最大试验安全间隙（MESG）或最小点燃电流（MICR）及引燃温度（℃）进行分类、分级和分组。甲醇蒸气应划为IA类（级）、T1组。
　　3.44甲醇罐区的电气设计要点：甲醇罐区的电气设计应符合下列要求：（1）宜将正常运行时易产生火花的电气设备，如变配电设备、开关柜、事故发电机等布置在远离甲醇储罐的爆炸危险性较小或没有爆炸危险的区域内；（2.）在满足罐区工艺及安全前提下，应减少防爆电气设备的数量；（3.）设置的防爆电气设备必须是符合现行国家或国际标准的产品；（4）不宜设置携带式电气设备；（5）应根据罐区内爆炸危险区域的分区、爆炸性甲醇蒸气混合物的级别和组别，选择相应的电气设备；（6）防爆电气设备的级别和组别不应低于甲醇蒸气混合物的级别和组别（IA级、T1组）。
　　3.5控制甲醇蒸气与空气混合物的浓度：甲醇罐区发生起火爆炸的条件之一，是有浓度合适的甲醇蒸气与空气混合物。虽然罐区中受设备和操作条件限制，完全消除甲醇蒸气混合物是不可能的，但是通过合理布置、减少蒸气排放、通风、惰化和设置甲醇蒸气浓度监测等措施，尽量减少甲醇蒸气与空气混合物的存在范围，控制混合气浓度，使之达不到爆炸极限是完全可以做到的。
　　3.51减少蒸气排放：减少蒸气排放是罐区防火防爆的关键。设计上应做好下列几点：（1）选择合适的罐型，减少“呼吸”引起的蒸气外泄；（2.）采用密封性能良好的阀门、泵、法兰、垫片等；（3.）设置正确的防火堤、污水收集池等。
　　3.52通风：罐区内的建筑物（如配电、控制室等）应设有通风设施（自然或强制）。
　　3.53惰化：向甲醇蒸气空气混合物中充入惰性气体，可以减少甚至消除爆炸危险和制止火焰蔓延。当混合气中氧含量降到一定值时，即使已着火的火焰也会熄灭，这种不能使物质燃烧的最大氧含量称为最高允许含氧量。对于甲醇蒸气而言，当用N2.气惰化时，最高允许含氧浓度为10%；当用CO2.时，则为13.5%[3.].甲醇罐区适用的惰性气体有N2.、CO2.和烟道气，但需注意这些惰性气体本身的氧含量一般不得超过2.%[3.]. 3.6设置阻火器：阻火器能有效地阻止外界火源进入储罐。根据《石油化工企业设计防火规范》规定，储存像甲醇这种甲类易燃液体的固定顶储罐，顶部与大气相通的呼吸管道上必须设置阻火器，且应安装在呼吸阀的下部。
　　3.7管道与阀门：在甲醇罐区的管道安全设计时，工艺物料管道应符合下列基本要求：（1）采用无缝管道，管道之间除必须用法兰或螺纹连接外，其余均应采用焊接；（2.）管道应架空或沿地面敷设。必须采用管沟敷设时，应采取措施防止物料在管沟内积聚，并在进、出罐群及建（构）筑物处密封隔离，管沟内的污水应经水封井排入污水管网；（3.）管道不得穿越与其无关的建（构）筑物的上方或地下。如必须跨越铁路或道路，应敷设在管涵或套管内，且保持足够的净高度（分别为≥5m、5.5m）；（4）跨越铁路、道路或建（构）筑物的管道上不应设置阀门、法兰、螺纹接头和补偿器等，以免漏料着火；（5）进、出储罐的主管道根部宜设双重阀门；（6）进、出储罐群的主管道，在罐群的边界处应设隔断阀和“8”字盲板。
　　3.8喷淋冷却：甲醇具有较强的挥发性，甲醇罐在夏季操作时，固定顶储罐由于“小呼吸”作用造成的甲醇蒸气外逸损失是十分明显的，因此，有必要设置水喷淋冷却设施，以减少物料损失，并保证安全。
　　3.9防止静电与雷击：
　　3.91防止静电甲醇罐区内可能引起燃烧、爆炸的静电火源主要来自物料输送、人员行走、穿脱衣服以及其它物体摩擦产生的静电。因此，与罐区安全设计密切相关的则是防止和减少物料输送产生的静电，其主要内容包括：（1）控制物料流速：液体物料在管道中的流速越高，接近管壁处的速度梯度就越高，因而产生的静电量也越大。（2.）控制进料方式：甲醇液体经管道进入储罐时应设防冲击档板。如甲醇从顶部进入储罐，进料管应伸至罐底部，距底不大于100mm，以减少静电产生；（3.）防止水等杂质混入甲醇物料：由于不同物质间的相对运动要产生静电，因此，应尽力防止水等杂质进入物料系统；（4）管道、储罐等的接地与跨接：静电荷的产生并不危险，实际的危险在于电荷的积聚，一旦储备到足够的能量，就会放电产生火花将可燃气体引燃引爆。故为了加速静电荷的释放，甲醇罐区内的管道、储罐上的导电不连续处应采用金属导体跨接，并进行静电接地处理；（5）其它防静电设施：除采取上述措施外，对大型甲醇罐区，在甲醇物料管线上还可设置静电缓和器、静电消除器等防止和减少静电荷积聚的设施。
　　3.92防止雷击：由于雷电在极短时间内放出巨大的能量，如果甲醇罐区内的易燃易爆区域遭受雷击，就易造成火灾、爆炸事故。为抑制和减少雷电的危害，应设置防雷装置，常见的有避雷针、避雷线、避雷网、避雷带、避雷器。针对甲醇罐区不同的储罐型式（如固定顶、浮顶），防雷设施的设置也各异。
　　3.10消防设施3.101可燃气体报警及联动系统在甲醇罐区内存在着大量的可燃液体甲醇，当其蒸气在空气中的浓度达到爆炸下限时（6.7%），遇火源就会着火甚至爆炸。因此，在易泄漏的部位（如人孔、法兰、阀门、机泵的密封点等）通常都设置固定式可燃气体检测报警器，以随时监测泄漏情况。当甲醇蒸气在空气中的浓度达其爆炸下限的2.0%～2.5%时（即浓度为～1.5%），便发出声光信号报警，以提示尽快进行排险处理；当浓度达爆炸下限的40%～50%时（即浓度为～3.%），报警的同时，应与消防水泵、喷淋冷却水、固定灭火系统、进入罐区的物料阀和通讯/广播等设施联动。
　　3.102灭火系统对于甲醇罐区，主要的灭火设施有：（1）固定式雨淋喷水灭火系统该系统由水喷头、传动装置、喷水管网、雨淋阀等组成。发生火灾时，系统管道内给水是通过火灾探测系统控制雨淋阀来实现的，并设有手动开启阀门装置。只要雨淋阀启动后，就可在它的保护区内迅速地、大面积地喷水灭火，降温和灭火效果十分显著。在夏季时，该系统也可作为喷水降温、减少储罐“小呼吸”损失之用；（2.）固定式低倍数泡沫灭火系统该系统由泡沫液储罐、泡沫比例混合器、泡沫液混合液管线、消防泵、泡沫产生器、阀门以及水源和动力源组成。对甲醇罐区，应选择液上喷射泡沫灭火系统，且泡沫液应具有抗溶性。此外，该系统不宜与灭火水枪同时使用。（3.）移动式灭火系统在甲醇罐区，应设置足够的移动式灭火器。当发生局部小型火灾时，工作人员能够使用推车式、手提式灭火器将火灾迅速扑灭。常用的灭火药剂有二氧化碳灭火剂、干粉灭火剂、卤代烷灭火剂等；（4）完善的消防水管网罐区内应按规范设置完善的消防水管网系统，该系统包括消防水池（罐）、消防水泵、环状管网、消防栓等。特别是消防泵应采用能在断电等紧急情况下迅速启动的驱动机，如柴油机。
　　4.防火防爆设计审查：为做好安全可靠和经济合理的设计，在防火防爆设计工作以及对防火防爆设计的检查和审核中，都应根据甲醇储存过程和设备的火灾爆炸危险性，以及发生着火爆炸危险的各种条件逐项进行分析、研究，建立可靠的防火防爆安全防护体系，确保罐区安全运行。甲醇罐区的防火防爆设计检查和审核的依据是相应的标准和规范，包括ANSI/NFPA3.0、《石油化工企业设计防火规范》、《建筑设计防火规范》、《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》。现将其项目及要点归纳如下。
　　4.1罐区规划：（1）厂址及总平面布置（2.）安全距离及道路（3.）建（构）筑物及附属设备：①耐火等级与结构；②建造材料；③排水、排气及其它；④安全标识。（4）灭火设施①灭火剂的选用；②消防水及灭火剂的用量；③灭火设施的配置。
　　4.2过程/设备设计：（1）泵的配置与密封方式（2.）罐型与单罐容积（3.）甲醇流速与进料方式（4）管道、阀门的型式、位置、连接和布置（5）安全装置的构造与位置①呼吸阀与阻火器；②惰化与惰性气体用量；③可燃气体检测系统；④防止水等杂质进入物料的措施；⑤信号报警（报警值、声光信号、报警按钮、通讯/广播等）；⑥联动（锁）装置（喷淋/冷却联动、物料联锁、泡沫灭火联动、消防水泵联动）；⑦水喷淋/冷却系统；⑧消防水系统（水池、泵、管网、消火栓、消防泵的驱动机）；⑨防火防爆警示牌；（6）电气设备①爆炸危险区域等级与范围；②电气（仪表）设备的选用；③电气（仪表）线路的布置；④设备/管道的防静电跨接与接地；⑤避雷设施；⑥事故电源。