水煤浆管道爆炸事故机理分析

第10卷第5期Vol. 10 No 52010年10月Journal of safety and Environmentet,2010文章编号:10096094(2010)05014105出现分流,使输送至气化炉的水煤浆流体的压力迅速下降,气水煤浆管道爆炸事故机理分析化炉内和O2管线的压力大于水煤浆管内压力,炉内合成气O2一起经烧嘴倒冲问水煤浆眢线杨一,张礼敬,陶刚,陈丽萍德士古气化炉使用三流式外混烧嘴,见图4。从烧嘴结(南京工业大学城市建设与安全工程学院,南京21000构可知,水煤浆管道压力下降后,炉内的合成气和O2将一起经烧嘴内的水煤浆流道回流。由于回流的合成气中存在CO摘要:某化工厂水煤裳管线因误操作发生管道爆裂,造成人员死亡和H等可燃组分,形成的混合气体为可燃性混合气同流过和财产损失。根据事故发生过程,从化学物理角度分析了事故发生程中在烧嘴和水煤浆管道内形成预混空间,同时高速回流的的机理。研究表明,该起水煤浆管道爆炸事故是物理爆炸和化学爆炸高压混合气体中会混入一些残留在壁面上的煤浆颗粒和水共同作用的结果,同流的高温合成气和化学爆炸产生的高温使水煤浆分,与管壁摩擦而产生静电,从烧嘴高速流出时会发生放产生物理变化从而诱导和加剧了物理爆炸。物理爆炸产生的超压是电5。当混合气处于爆炸极限范围内时即具有了发生化学爆管道破裂的主要原因炸致使管道爆裂的可能性,从炉内回流的高温混合气体和化关键词:安全工程;事故机理分析;管线爆裂:压力变化;超压学爆炸产生的高温,遇到水煤浆管道中处于常温状态的水,传中图分类号:X937文献标识码:A热作用将使接触部分的水迅速气化。水蒸气所处空间因大量Do:10.3969/j.isn.10096094,2010.05.032蒸汽得不到及时释放会使压力骤然升高,也可导致管道破裂。0引言2化学爆炸能量计算合成氨生产技术复杂多样,其中德土古水煤浆加压气化技术为第2代煤气化技术,简称TCP,是世界上较为先进的的浓度处于其爆炸极限范围内时才能发生化学爆炸,且爆炸气化方法之一1。该T艺主要为水煤浆经泵输送与空分装置来的O2一起经过烧嘴呈射流状态进入气化炉,在高温高压下反应,生成以CO和H2为主的粗合成气2。TcPG气化装置核心设备为气化炉,水煤浆的制备和输送是TCPG的一个重要的组成部分。自国内实现工业化运行以来,T艺技术的缺陷和工程技术原因使装置出现了各种问题,引起了广泛的重视。对气化装置中烧嘴使用周期短、耐火材料磨蚀严重和碳洗塔黑水管线堵塞等问题,国内外专家展开了深人研究,提出了各种改进图1现场散落的碎片方案1。相对于煤浆泵故障和O2管线燃爆等常见事故,水Fig. I Scattered debris at the spot煤浆管线爆炸十分少见,尚未有相关研究。本文通过对一起德士古水煤浆管道爆炸事故,从管道压力、物质能量的变化及由此引发化学物理爆炸的可能性出发,运用 MATLAB数学软件计算过程参数变化,论证事故形成机理。1事故过程及分析某化T厂合成稣部采用 TCGP T艺制取合成气。2008年的某一天,一位操作工误开水煤浆管线上的排净阀,58后管道发生爆炸,造成1人死亡,管线严重破坏。通过现场观测管逆燥炸产生了大量碎片,其中以靠近气化炉段的管线爆炸图2断裂的管段最为剧烈,碎片小几数艹多,上游管线形成大块碎片,甚至整段管道断裂,见图1和2。氧气管线98MPa装置正常运行时,水煤浆管线和O2管线内的温度都为常温,压力分别为95MPa和98MPa。气化炉内的反应温度约为1300℃,压力为87MPa。水煤浆管线长为100m,直径为219mm,壁厚为23mm。L艺流程见图3。从事故形成过程看,由于操作工误开阀门,水煤浆管道内水煤浆管线95MP水煤浆泵收稿日期:2009-11-26作者简介:杨一,硕士研究生,从事化工过程及装咒安全技术研究;张礼敬(通信作者),教授,从事生产过程与装置安全技术、事故调查与分析研究, zhangj@吗u,咖d,c基盒项目:国家863项目(2007AA06A402)图3水煤浆加压气化示意图Fig 3 Diagram of coal sturry technolog141l.0N5Vol环境圾第10卷第5期时,物质内能的变化与混合气体爆炸的初始温度有关,因此,水煤浆需首先进行化学爆炸条件计算。21混合气体浓度计算已知正常生产时,O2管线的流量为0.007m3/s,管道面积为0077m2,计算得O2流速为512m/s,5s内回流的O2量为0.4535m3。O2从管线进入烧嘴内O2流道后流道截面积的变化使O2流速增加,从流道凵高速喷出用于剪切雾化水煤浆的O2流速达120m/s当发生回流时,O2与合成气一起流入烧嘴内水煤浆流道受O2卷吸作用的影响,近似认为合成气回流进入烧嘴的速度也为120m/s。已知烧嘴喷头的面积为19.6cm2,故5s内回流合成气为1.18m3。气化炉内合成气组分见表1图4三流式外混烧嘴流道结构在工程计算中,能否将实际气体简化为理想气体考虑,应outside mixed gasifying bu视理想气体状态方程和实际气体范德华方程的计算结果而定。对O2和合成气内各组分的物质的量(忽略N2等微量组衰1气化炉内合成气组分体积比分),分别采用理想气体状态方程(1)6和真实气体的范德华Table 1 Rado of synthesis was components方程(2)”进行求解,气体范德华常数见表2。体组分C02C02N2等其余组分体积分数/%(1)式中P为气体的压力,Pa;V为气体的体积,m3;n为气体的2各组分气体的范德华常数1物质的量,mol;R为热力学常数,8.314;T为气体温度,KTable 2 Van der walls constants of case(P+n'a/y)(V-nb)= nRT式中a和b为与气体种类有关的范德华常数。a/(Pa·mmdl-2)0.15050.02470.36390.1378运用 MATLAB数学软件求解非线性方程,计算结果见表bx103/(m3·mol计算结果表明,两种方法计算得到的结果偏差较小,因衰3各组分气体的物质的量及偏夔此,叮将该混合气体视为理想气体进行考虑,以简化不确定因Table 3 The quantity and deviation of gases求的影响。由于温度和压力的不同,O2与合成气混合后,各H] CO, O,组分的温度和压力将发生变化以达到平衡状态。根据混合气理想气体状态方程计算值/m361203814901m9体内组分的体积比等于物质的嫩之比的定律,合成气在混合范德华方型计算值m31.3620567144519885气内的体积分数为30.22%。总偏差/%22混合气体爆炸范围的估算根据表1所示的合成气的组成估算混合气体的爆炸极式中L。为含有悄性混合气体的爆炸极限%;Lr为混合气限。查物质理化数据可知,CO在O2中的爆炸极限为体可燃部分的爆炸极限,%:B为惰性气体的体积分数,%。15.5%-94%,H2的爆炸极限为4%-9%。两种可燃组分将合成气中总量约为20%的情性组分及可燃气体在Q2中的C和H形成的可燃气体在2中的燥炸极限可按式(3)、爆炸极限一起代入式(5),得合成气在O2中的爆炸极限I(4)进行计算为9.21%,U凡L。为95.14%。=100此上述计算结果为合成气常温常压下在O2中的爆炸极限,在高温高压条件下燃烧限的范围将进一步扩大9,即爆炸下UFL=100/(4)限降低,爆炸上限升高。根据计算,回流的混合气中合成气组式中LHL和UE为混合可燃组分CO和在O2中的爆炸分占302%,处于混合气体爆炸极限范围内满足了爆炸浓下限和爆炸上限%;LF和UFL为各可燃组分在O2中的爆度要求即管道可以发生化学爆炸。炸下限和爆炸上限,%;y,为各组分i占可燃组分的体积分23混合气体温度估算数,%。将CO和H2的体积分数换算成可燃气体CO和H2中由于合成气与O2的温度不同,当合成气与O2一起回流的相对体积分数,分别为53.75%和46.25%,代入式(3)、(4)时,高温的合成气将热量传递给低温的O2。根据热力学第一可算得可燃气体在0中的爆炸极限为751%,UHL为定律稳定流动能量方程可知94%。Q=AH+m△c+mg△z+W由于合成气中含有惰性组分C2和N,合成气在O2中的式中Q为系统与外界交换的热量,△B为气体的焙变爆炸极限可用式(5)计算。m△c2为气体流经烧嘴的动能变化,J;mgΔz为气体势能变1+(5)化,;为气体在烧嘴内部对烧嘴做的功,J。由于系统对德士古烧嘴不做功,W=0,忽略烧嘴流道的010年10月杨一,等:水煤浆管道爆炸事故机理分析oet,2010高度△2和混合气流经烧嘴的动能变化是m△2,则混合气体化学爆炸的影响,其爆炸压力将减小。由于瞬间的高温对管的焓变全部用于热量交换。因混合气回流至爆炸的时间很材力学性能影响较小可以参考管道常温力学性能推算其破裂临界压力为202MPa,远大于化学爆炸的最高压力,即化学短,可认为系统不对外传递热量,Q=0,故△H=0,即各组分爆炸不能使管道直接破裂,但其产生的高温可进一步气化水焓变之和为0。爆炸前混合气体的3个参数温度、压力及体积中任何1煤浆中的水,加剧管内的物理变化个都无法确定因此对混合气体的温度采用估算的方法。由3物理爆炸能量计算理想气体热容性质可知,压力对热容没有影响,气体热力学能31水煤浆管内压力变化的变化只与温度差有关。采用等压物质的量热容进行气体焓正常生产时,排净阀处于关闭状态,泵输出的流量全部送变估算。入气化炉内。当阀门打开后导致管道内水煤浆分流,见图5。△H=(7)图中Q、Q2和Q3分别为AB、BC和BD段管道的流量;S1、S2和S3分别为AB、BC和BD段管道的阻抗假设泵正常工作时,其功率N保持恒定,如式(11)式中△H为气体的焓变,;n为气体的物质的量,mod;c,m为N=PgQ,H(1)气体物质的量等压热容,m,k,n为气体混合前的温式中M,为泵的功率,W;P为流体密度,kgm-3;H为泵的度K;72为气体混合后的温度,K;ab和c为气体物质的量扬程,m。等压热容参数,见表4。如图5所示,根据流体管路特性,由于BC和BD管道类运用 MATLAB软件将式()和(8)联立求解,计算得气体似并联,两段管道总水头Hm为1混合后的温度(即化学爆炸初始温度)为730K。lacp= HBc=HsD(12)24化学爆炸温度与压力计算式中HBC为BC段管道的水头,m;Ha为BD段管道的水头,从上述计算可知,混合气体满足了发生化学爆炸的条件O2和合成气短哲混合后可发生化学爆炸。化学爆炸燃烧速m;其中6度很快,可以认为反应是在绝热系统内进行,爆炸后,系统内HBc S05(13)(14)所有物质的相对热力学能之和等于爆炸前所有物质热力学能S,Qj与可燃组分的燃烧热之和,即BC、BD管道阻抗SBm为16∑U-=∑U+Q(15)此过程的燃烧反应方程式为20+02→2CO2,2H2+O2→式中SB为BC、BD段管道的总阻抗,m2H2O。反应完全后,气体各组分CO2O2和H2O的物质的量则水煤浆管道的总水头,即泵的扬程H为6分别为486.63mol,1480.63ml和290.38molH= HAB+ hacD根据表5。的数据,计算得爆炸前730K时反应物中所有组分的热力学能为4.18×10k。已知CO的燃烧热为284.06kmod-1,H2的燃烧热为23874bmo-,得CO和H燃烧产生的热量Q=1.65×103kJ,则爆炸产生的总能量为207x4气体的物质的量等压热容参数值门Tabke 4 Isobaric beat capacity values of gases0以J。爆炸产生的总能量将使爆炸产物的温度升高,根据热力学能前后不变,由表5的数据进行迭代计算,得出2800Ka/(Jml-·k1)26537268826.7528.17时生成物的热力学能总和∑U=2.03×10,3000K时bx1/(m-k2)7.68314,42,286.297生成物的热力学能总和∑U=20×10故爆炸后的温X1(Jmk2)-112-035-1425-0744度应在2800~3000K之间。用内捕值法求出理论上的最高衰5各气体在不同温度下的热力学能U温度T真=2849.71K。理论上的爆炸压力可根据式(10)Table 5 Tbermodynamic energy valucs of gases at diferent temperatu求得。热力学能U/x4184Hmol温度/KPuc= g4 x p(10)H2 O2 Co CO23.5933.8473.7225.393式中Pk在为反应后的最高压力,Pa;P。为反应前的压力,280015.8721804917.0330.382Pa;T最在为反应后的最高温度,K;T为反应前的温度,K;n为30001722419.55318.47332.978反应前的物质的量,mol;m为反应后的物质的量,mol。计算上述各组分反应前后的物质的量可得,反应前气体的物质的c S g量n为2571.09mol,反应后气体的物质的量m为2257.10由经验可知,合成气与O2形成的混合气初始压力P0小于98MPa,将98MPa带入式(10)计算得P最在为33.58MPa图5门处管道结构因此,爆炸后的压力小于33.58MPa。若考虑管道内水蒸气对143Vol 10 No 5与环境季扳第10卷第5期总阻抗S为61想气体定嫡方程0为S=St+SBcp(25)当阀门处于关闭状态时,S3=,Q3=0,此时SB=S2,式中P为气体的压力,Pa;v为气体的体积,m3;y为水蒸气Q1=Q2,于是水煤浆管道总水头H为绝热指数取1.13515。H=HAs+HBc=S,Q1+S,Q2=(S,+ Saco)Qi (19)将1.18MPa下水蒸气应具有的体积177.32xm3和实际将式(19)代入式(11),泉的功率又可表示为占据的体积xm3一起代入式(25),计算得在干饱和蒸汽状态N=Pg(S,+ Sacp)Q1(20)下,管道压力达当阀门打开后,根据管路特性,S1、S2保持不变,而S3降P。’=420.89MPa低,Q3升高,由式(15)可知,BC、BD段管道阻抗SD将降低。由于假设水蒸发为干饱和蒸气下的计算压力已远高于临根据式(20),由于的功率N流体的密度p及AB管道阻抗界破裂压力,可知水被蒸发为湿蒸汽时产生的压力就可使管s1均恒定,可得管道流量Q1将升高进而由式(1)得出,此时道破裂,即水处于湿蒸汽状态时管道即已破裂。的管道总水头H将下降。因AB管道阻抗S不变而管道流4事故机理分析与对策措施量Q1升高,由式(17)可知AB管道水头HA增加。从而根据(16)式得出,BC、BD段管道水头HBCD下降,于是BC管道的通过化学爆炸和物理爆炸两种事故模式的研究,综合两水头Hx也随之减小。者爆炸影响分析,可认为该起水煤浆管道爆炸事故是化学爆BC管道的压力Pm可由下式13得出。炸和物理爆炸共同作用的结果。回流的高温合成气和化学爆(21)炸产生的高温使水煤浆中处于常温的水发生气化,从而诱导由上述分析可知:当阀门开启后,BC管道内的压力将下和加剧了物理爆炸,物理爆炸的超压是导致管道破裂的主要降,即输送往气化炉的水煤浆的压力降低。原因。已知AB段管长约5m,BC段管长约95m,BD段为一小从事故发生的原因可见,一个小小的误操作即可引发灾段管道和1个闸阀沿程水头损失计算式(22)和局部水头计难性的后果,因此德七古气化装置系统的合理设计和生产中算式(23)如下。的规范操作显得非常重要。针对此次事故的起因,建议采取如下措施。1)加强安全生产操作管理,制定严格的操作规程。可实(23)行开停检修牌制度,当装置出常运行时,任何可操作的部位都悬挂生产标志牌,检修时必须换牌后方可操作,且必须有人式中h为水头损失,m;l为管道长度,m;D为管道直径,m;在场监督。为流体流速,m/s;λ为管道的摩擦系数;为闸阀的局部阻2)从本质安全考虑,可在水煤浆管线阀门处增设连锁装力系数。置,使正常运行条件下阀门不能开启,从根本上避免事故的发联立式(2)、(23),将阀门处的阻抗折合成同等阻抗下的生当量管长为3)结合装置的实际情况,从工艺安全性角度出发,建议在表山可知,闸阀全开时的局部阻=2,(2)水煤浆件线靠近气化炉一侧安装单向阀以防止各种意外状况下物料的回流勺绝对粗糙度e取0.05m-1,则/D=1.4x10-·5结论mm2。阀门打开后,管道内的流体为非恒定流,由莫迪图事故机理分析表明,阀门误操作引起水煤浆管内压力急可得,管道的摩擦系数λ=0.013。由式(24)计算得,阀门处阻抗的当碌管长为286m,加之连接阀门的小段管道,BD段管剧下降使得气化炉中的尚温合成气和O2管线中的O2一起倒流入水煤浆管道,导致管内混合气体发生化学爆炸,水煤浆道的当最管长约为3m。根据水力计算关系式(11)~(21)可发生物理爆炸,管道的爆炸是二者共同作用的结果。通过对推算出,当阀门打开后,BC段管道内的压力将下降为1.18化学爆炸和物理爆炸能哒的定量计算,并参考由管材力学性MPao能推算出的管道破裂临界压力,认为物理爆炸产生的超压是32物理爆炸压力估算回流的高温合成气和化学爆炸产生的高温使管内处于管道破裂的主要原因常温状态的水迅速蒸发为蒸汽。现以临界状态考虑,水被蒸 References(鲁考文獻)发为1.18MPa压力下对应的饱和蒸汽。查表0并插值计算[1] HUANG Z M, ZHANG JS, YUE G X. 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