化工安全培训课件 PPT 教学课件 化工安全生产技术2.ppt

化工安全生产技术 第五章 毒物泄漏及扩散模型 主要内容 有毒物质泄漏及扩散模型的意义 p 107页前言 步骤 作用 扩散影响参数 中性浮力扩散模型 14个例子重气扩散 需增加一部分内容毒性作用标准多个标准 p123页 例子释放动量和浮力的影响释放缓解 第4讲引出 前言 1 有毒物质泄漏扩散模型的意义事故期间 过程单元或设备释放出大量有毒物质 所有形成的危险气云可能传播到整个工厂区域和当地社区 重大化学品事故 如bhopal 的发生及后果 使人们意识到应急计划的重要性 将工厂设计成毒物释放事故发生最少 事故后果最小化的重要性 好的安全计划应能在事故发生前确定问题所在 化学工程师 安全工程师必须了解毒物释放的所有可能情况 以避免释放事故 若发生毒物释放 尽可能降低其影响及影响区域 需要毒物释放模型 描述其迁移转化过程规律 前言 2 作用毒物释放和扩散模型是后果模拟步骤的重要部分 是应急管理 应急响应 应急决策的基础 3 步骤确定泄漏事件 泄漏源 第4章介绍了7种泄漏源模型 建立源模型 对事故释放 释放速率 释放量等进行描述 应用扩散模型估算下方向有毒有害物质的浓度 并由此根据一些准则来评估释放的后果及影响 5 4节 5 1扩散影响参数 扩散模型用于描述事故释放后由释放源开始向其他地点及大范围区域的大气输送过程 释放发生后 大气中的毒害物质在风作用下以烟羽方式 连续源 图5 1 或云团方式 瞬时源 图5 2 带走 5 1扩散影响参数 多个因素影响着毒害物质在大气中的扩散 风速 大气稳定度 地形条件 建筑物 地面类型 地面构筑物 释放源离地面的高度 释放的初始动量和浮力 1 风 图5 1物质连续泄漏形成烟羽 物质连续泄漏形成烟羽 1 风 图5 2物质瞬时泄漏形成烟团 物质瞬时泄漏形成烟团 2 大气稳定度 大气稳定度与空气的垂直混合有关 昼间 空气温度随高度增加而下降 地面处受热密度变小 蒸腾 向上运动 夜晚 空气温度随高度增加下降不多 垂直运动较少 此外 由于土壤 地表导热系数大 夜间无太阳辐射 地面附近空气温度要降低 空气密度变大 垂直方向运动较小 图5 3 昼间和夜间空气温度随高度的变化 温度梯度影响空气的垂直运动 夜间昼间 2 大气稳定度 稳定度划分 不稳定 中性和稳定划分标准 对地面加热速度与地面散热速度相对快慢a 加热速度 地面散热速度地面附近的空气温度比高处的空气温度高 地表附近空气的密度小 上层空气密度大 密度小的空气在这种浮力作用下上升 导致大气不稳定 晴天上午9 10点后 肉眼会观测到地表升腾 春秋早晨水雾消散 f浮 f重 2 大气稳定度 稳定度划分 不稳定 中性和稳定划分标准 对地面加热速度与地面散热速度相对快慢b 加热速度 散热速度 热量对大气扰动很小 但很难长久保持 f浮 f重c 加热速度 散热速度 地面附近的温度比高处空气的温度低 地表附近空气密度大于高处空气的密度 重力影响抑制了大气机械湍流 f浮 f重 3 地面条件 地面条件通过对大气施加曳力 摩擦力 改变风速分布及大小 平坦的地面 水面等曳力小 高层建筑 密集建筑群等曳力 起作用的范围均比较大 图5 3地面情况对垂直风速梯度的影响 地面条件 影响地表的机械混合和随高度变化的风速 4 释放高度 随着泄漏高度的增加 烟羽达到地面的时间和距离均增加 此外 烟羽到达地面时的浓度也会更低 原因是烟羽被更多的稀释 图5 5泄漏高度增加地面浓度降低 对地面浓度的影响很大 释放高度越大 地面浓度越低 5 释放物质的浮力和动量 释放物质的浮力和动量改变了泄漏的有效高度 释放物质的物化性质决定了扩散影响的区域和程度 图5 6泄漏物质的初始动量和浮力影响烟羽的特性 喷射气体动量将气体带到释放点上方高处 使有效释放高度更高 气体喷出后根据气体物化性质 d 等导致气体是 上浮还是下沉 及其快慢 经过一定时间在空气里传播后 释放的气体被充分稀释混合 与局部大气环境物化性质一致 变为中性浮力气体 5 释放物质的浮力和动量 释放物质的浮力和动量改变了泄漏的有效高度 释放物质的物化性质决定了扩散影响的区域和程度 喷泉 5 2中性浮力扩散模型 中性浮力扩散模型用来估算释放后所释放出的气体与空气混合 导致混合气体具有中性浮力后下风向各处的浓度 适用于低浓度气体 如浓度10 6量级 见图5 1和5 2 经常有两种中性浮力蒸气云扩散模型 烟羽 连续源释放 和烟团模型 瞬时释放 烟团模型可用来描述烟羽 对涉及动态烟羽的研究 如风向变化 须使用烟团模型 5 3 kt 湍流扩散系数 取决于大气湍流程度 地形条件等 对式 5 3 可给定适当的初始条件 t 0的条件 和边界条件 释放到大气后一定距离处浓度不受释放源影响的大气条件 如离源50m 100m除不受影响 图5 7 风作用下连续点源泄露 烟羽 x 风向 y 横风向 z 垂直风向 5 2中性浮力扩散模型 土卫二的羽状水蒸气和冰喷射物 5 2中性浮力扩散模型 土卫二冰火山的一种可能模型 喷射物含有水 冰 简单的和复杂的碳氢化合物 如丙烷 乙烷和乙炔 为可能的外星人提供了存在依据 图5 8风作用下烟团随风的移动x 风向 y 横风向 z 垂直风向 5 2中性浮力扩散模型 5 2中性浮力扩散模型 处理a 采用湍流扩散系数kj的情形 case 1 无风情况下 稳态 连续点源释放 稳态 湍流扩散系数不变 所有方向上 边界条件 质量释放速率不变 无风 边界条件 边界条件 5 2中性浮力扩散模型 处理a 采用湍流扩散系数kj的情形 case 2 无风烟团扩散 湍流扩散系数不变 所有方向上 边界条件 烟团释放 即一定量的物质瞬间释放 无风 5 2中性浮力扩散模型 处理a 采用湍流扩散系数kj的情形 case 3 无风情况下的非稳态连续点源释放 质量释放速率不变 湍流扩散系数不变 所有方向上 无风 初始条件 边界条件 湍流扩散系数不变 所有方向上 质量释放速率不变 5 2中性浮力扩散模型 处理a 采用湍流扩散系数kj的情形 case 4 有风情况下的稳态连续点源释放 风沿一个方向如x方向 边界条件 沿烟羽中心线 5 2中性浮力扩散模型 处理 case 5 无风时的烟团 湍流扩散系数是各向异性 烟团释放 湍流扩散系数不同 所有方向上 边界条件 无风 a 采用湍流扩散系数kj的情形 5 2中性浮力扩散模型 处理a 采用湍流扩散系数kj的情形 case 6 有风情况下稳态连续点源释放 湍流扩散系数各向异性 连续释放 风沿一个方向如x方向 边界条件 与case 4相同 沿烟羽中心 5 2中性浮力扩散模型 处理a 采用湍流扩散系数kj的情形 case 7 有风下的烟团 与case 5相同 但有风 5 2中性浮力扩散模型 处理a 采用湍流扩散系数kj的情形 case 8 释放源在地面上的无风时的烟团 与case 5相同 但释放源在地面 地面代表不能渗透的条件 因此浓度是case 5的两倍 case 5 5 2中性浮力扩散模型 处理a 采用湍流扩散系数kj的情形 case 9 释放源在地面上的稳态烟羽 与case 6相同 但释放源位于地面 如图5 9所示 地面不能渗透 结果是浓度应是case 6的浓度的2倍 case 6 5 2中性浮力扩散模型 处理a 采用湍流扩散系数kj的情形 case 10 连续的稳态源 释放源在地面上方高度 连续释放 风沿一个方向如x方向 边界条件 对此种情形 地面起着距源h处的不能渗透的边界作用 5 2中性浮力扩散模型 处理a 采用湍流扩散系数kj的情形 case 10 连续的稳态源 释放源在地面上方hr高度 对此种情形 地面起着距源h处的不能渗透的边界作用 若 简化为释放源在地面上的情况 5 2中性浮力扩散模型 处理b 简便有效的处理方法 对于上面10种情形都依赖于k 一般kj随位置 时间 风速和天气情况而变 湍流扩散系数这一方法是在理论上可行 但实验上不方便 且不能提供有效的关系式 问题 5 2中性浮力扩散模型 处理b 简便有效的处理方法 解决办法 1 sutton提出了解决办法 引入新的扩散系数定义 下风向 侧风向 垂直风向 5 37 这些值比湍流扩散系数更易由实验确定 5 2中性浮力扩散模型 处理b 简便有效的处理方法 解决办法 2 扩散系数是大气情况及释放源下风向距离的函数 大气情况 根据六种不同的稳定度等级进行分类 见表5 1 表5 1pasquill gifford的扩散模型的大气稳定度等级 稳定度等级依赖于风速和日照程度 白天 风速的增加导致较高的稳定度 夜晚则相反 原因是从白天到夜晚 垂直方向上温度变化引起的 对连续源的扩散系数 y和 z 由图5 10 5 11给出 表5 2为相应关系式 为给出 x的值 假设 x y 5 2中性浮力扩散模型 处理b 简便有效的处理方法 解决办法 5 2中性浮力扩散模型 处理b 简便有效的处理方法 解决办法 图5 10泄漏位于农村时p g烟羽模型的扩散系数 5 2中性浮力扩散模型 处理b 简便有效的处理方法 解决办法 图5 11泄漏位于城市时p g烟羽模型的扩散系数 5 2中性浮力扩散模型 处理b 简便有效的处理方法 解决办法 表5 2烟羽扩散的pasquill gifford模型扩散系数 烟团释放的扩散系数 y和 z由图5 12给出 关系式见表5 3 烟团的扩散系数是基于有限数据得到的 不够精确 5 2中性浮力扩散模型 处理b 简便有效的处理方法 解决办法 5 2中性浮力扩散模型 处理b 简便有效的处理方法 解决办法 图5 12p g烟团模型的扩散系数 5 2中性浮力扩散模型 处理b 简便有效的处理方法 解决办法 表5 3烟团扩散的pasquill gifford模型扩散系数 pasquill由式 5 37 重新得到了case 1 case 10的方程 即众所周知的pasquill gifford模型 5 2中性浮力扩散模型 处理b 简便有效的处理方法 case 13 位于地面hr高处的连续稳态源的烟羽风向沿x轴 风速恒定为u 5 58 case 15 位于地面hr高处的瞬时点源的烟团 坐标系位于地面的释放点处 风向沿x轴 风速恒定为u 5 49 5 3重气扩散 一 重气 气体密度大于周围空气密度的气体 图片一 图片一x z平面上浓度等值线图 y 0 0m t 5 0s 5 3重气扩散 图片二 图片二x z平面上浓度等值线图 y 0 0m t 10 0s 5 3重气扩散 图片三 图片三x z平面上浓度等值线图 y 0 0m t 15 0s 5 3重气扩散 图片四 图片四x z平面上浓度等值线图 y 0 0m t 20 0s 5 3重气扩散 图片五 图片五x z平面上浓度等值线图 y 0 0m t 30 0s 5 3重气扩散 二 重气云扩散特点 重气云释放后 可能形成具有相近的垂直和水平尺寸的气云 源附近 重气云在重力影响下向地面沉降 高度减小 水平范围扩大 在重力作用下 气云向周围空气扩散而被稀释 空气经垂直方向和水平方向进一步卷吸 气云高度略增加 充分稀释后 大气湍流超过重力影响而居支配地位 显示出典型高斯扩散特征 5 3重气扩散 某城郊冶炼厂18根烟囱不分昼夜排放废气上万居民生活在浓烟中 2004年07月22日来源 贵州都市报 硅锰冶炼释放的黄褐色浓烟中 含有大量粉尘 浓烟升上天空后 粉尘很快会沉到地面 5 3重气扩散 三 重气扩散的britter mcquaid模型1 模型建立 通过量纲分析和对现有重气云的扩散数据进行关联后建立的 2 适用条件 对瞬时源或连续源地面重气释放都适用 因主要对偏远乡村地区地形 即平坦 开阔地形 的实验数据关联 故仅适用于那些类型条件下的释放 不能解释如释放高度 地面粗糙度和风速的影响 3 应用条件 需给定初始气云体积 初始烟羽体积流量 释放持续时间 初始气体密度 及10m高处的风速 下风向距离和周围气体密度 5 3重气扩散 4 应用步骤 等温条件 确定重气模型是否适用 初始气云浮力定义为 确定特征源尺寸 a 连续释放的特征源尺寸 5 59 g0 初始浮力系数 g 重力加速度 0 泄露物质的初始密度 a 密度 g0 0 下沉 g0 a g0 0 5 3重气扩散 b 瞬时释放的特征源尺寸 5 60 di 为瞬时源的特征源尺寸 i instantaneous v0为泄露的初始体积 dc 特征源尺寸 q0 重气扩散的初始烟羽体积流量 m3 s u 10m高处的风速 m s c continuous 5 61 连续源或瞬时源的区分准则 5 3重气扩散 5 64 连续源或瞬时源的区分准则 rd 泄露持续时间 x为下风向的距离 r 2 5 判为连续重气释放 0 6 r 2 6 可采用两种模型但取最大浓度结果 r 0 6 瞬时释放 5 3重气扩散 对厚重气云判据如下 a 连续释放b 瞬时释放 5 62 5 63 若满足这些准则 可用图5 13和5 14来估算下风向的浓度表5 4和5 5给出了图中关系的表达式 5 3重气扩散 5 3重气扩散 5 3重气扩散 5 3重气扩散 非等温释放 b m模型推荐了两种不同的计算方法处理一 对初始浓度进行修正 见例5 3 处理二 不考虑传热的影响 释放物质与周围环境气体温度相平均 5 4毒性作用标准 一 问题提出 通过扩散计算得到浓度后 需要判断什么样的浓度水平具有危险性 如何利用第二章的阈限值来确定不同的危险性水平范围 方法1 采用第2章的概率模型 考虑毒物浓度瞬时变化的效应 但仅对少数化学物质有效 且这些模型结果变化范围较大方法2 简化方法 即指定一些毒害物浓度标准 假设个人暴露于超过该浓度标准的环境中就有危险 第5讲引出 5 4毒性作用标准 二 标准和方法 政府机构和非官方协会发布了很多标准1 erpgs 污染空气的应急反应计划指南 由工业界提出 由美国工业卫生协会aiha出版 emergencyresponseplanningguidelines erpg 1 空气中最高浓度低于该值下 几乎所有人都可暴露于其中1h 除了轻微的短暂的对身体危害或明显气味外 没有其他影响 5 4毒性作用标准 erpg 2 空气中最高浓度 若低于该值 几乎所有人都能在其中暴露1h 除逐步显示出不可逆或严重的健康危害 或削弱人员采取保护行动的能力 而没有其他影响 erpg 3 空气中最高浓度 若低于该值 几乎所有人在其中暴露1h 会逐步显示出危机生命健康的影响aiha获得了47个erpgs 且逐步校验 更新和扩充 erpgs正逐渐成为企业 政府的标准 表5 6紧急响应计划指南 erpgs 凡无注明 单位均为10 6 5 4毒性作用标准 5 4毒性作用标准 2 idlh浓度标准 immediatelydangeroustolifeandhealth 由niosh 国家职业安全与健康研究院 发布了常见工业气体急性毒性测量idlh浓度 idlh定义为 暴露于污染物 此暴露很可能引起死亡 或直接的或后来的永远不可逆的健康影响 或妨碍人员从暴露环境中逃离 idlh值也考虑了急性中毒反应 如严重的眼部刺激 逃生障碍等 idlh标准是某一最大浓度 超过该浓度后 所有未防护的人员必须离开该区域 超过该浓度后 必须提供高度可靠的人员保护设备装置 5 4毒性作用标准 idlh值是为保护众多人员而制定的 未考虑敏感人群 必须根据敏感人群进行调整 例如对老人 残障人员或病人等需要调整 目前已有380种化学物质的idlh数据 对可燃蒸汽 idlh浓度定义为可燃下限 lil 浓度的10 但idlh标准尚未被公认 且关于该值的文件资料很少 5 4毒性作用标准 3 eegl标准 emergencyexposureguidelinelimits 由美国国家研究委员会的毒物学家制定 目前对44种化学物给出了eegl eegl定义 在紧急情况下 人们持续暴露其中1 24h并完成指定任务所能接受的气体 蒸汽或烟雾的浓度 应用 暴露于eegl浓度中可能产生瞬间刺激 或中枢神经系统受影响 但不应 产生持续影响或削弱完成任务能力的 影响 5 4毒性作用标准 spegl 一般公众可接受的暴露浓度 使用spegl需考虑不同敏感类型人群对暴露的反应 eegl和spegl值见表5 7 eegl和spegl相对idlh的优势在于 spegl考虑了对敏感人群的影响 eegl和spegl是针对一些不同的持续时间而提出的 表5 7紧急暴露指导标准 eegls 凡无注明 单位均为10 6 5 4毒性作用标准 5 4毒性作用标准 4 acgih的阈限值 tlv stel和tlv cacgih 美国政府工业卫生联合会 的tlv stel tlv c等可作为基准 这些阈限值用于保护人员免受来自化学物暴露的急性影响 如刺激和麻醉 这些标准可用于毒性气体扩散 但他们是为人员暴露设计的 故结果比较保守 5 4毒性作用标准 5 osha的pel值 具有法律效力 permissibleexposurelimit pel标准同针对tlv twa的acgih标准相似 亦以8h的时间加权平均暴露为基础的 引自osha的 可接受的最高极限浓度 偏移极限 或 影响水平 等适于作为基准使用 5 4毒性作用标准 6 epa rmp标准 riskmanagementplanning 由epa发布的一组毒性限值 作为rmp的一部分 并附有毒气体释放作了空中扩散模拟 按照优先顺序 毒性限值为 erpg 2 由紧急计划部门和公众紧急知情法发布的关注标准 loc loc是 普通群众暴露于极度危险的物质中 在相对较短时间内不会引起严重的不可逆的健康影响的最高浓度 在rmp标准中 给出了74种物质的毒性限值 表5 8 表5 8epa风险管理计划确定的中毒极限 5 4毒性作用标准 5 4毒性作用标准 本节小结 erpg spegl eegl是通常情况特别是制定紧急反应计划时可以利用的最直接相关的毒物学标准 它们的建立很明确 即应用于一般人群和考虑敏感人群 解决毒性数据中的合理的不确定性因素 若涉及无spegl和eegl的物质 可采用idlh标准 由于idlh标准的健力未考虑敏感人群 另外它们是建立在最多30分钟的暴露时间的基础上 故epa建议影响区域的确定应以10 idlh标准作为暴露标准的基础 5 4毒性作用标准 若研究的目的主要是确定瞬时影响的区域 如感觉器官伤害或者气味影响 则使用tlv stel和最高极限可能最为合适 一般而言 对位于这些极限确定的区域以外的人员 可认为不受影响 若无erpg数据 可利用craig的浓度指标体系 表5 9 各种方法的结果可能有差异 实际使用中要选择适用的方法 表5 9推荐的可选择浓度指标体系 5 4毒性作用标准 机构简码 aiha 美国工业卫生协会niosh 国家职业安全与健康研究院nrc 加拿大国家研究委员会epa 环境保护局fema 联邦紧急管理局dot 美国运输部osha 美国职业安全与健康管理局acgih 美国工业卫生学者政府联合会 5 4毒性作用标准 例5 2 5 4毒性作用标准 气云到达居民区的时间 居民区最大浓度 达到的扩散距离 确定一定距离处气云的大小 采取的应急措施 5 5释放动量和浮力的影响 具体说明见图5 15 烟囱排放的物质由于具有向上的速度而具有动量 同时烟囱内烟气温度较高而具有浮力 因此 热烟气从烟囱中排放出来后 热烟气将持续上升 随着热烟气的冷却和动量的消失 上升速度变慢 最后停止上升 转变为纯水平 竖直的扩散 图5 15 烟囱热烟羽表明初始浮力上升 x z平面天然气浓度分布图 x y平面天然气浓度分布图 5 5释放动量和浮力的影响 在5 1节图5 6中已看到 烟团或烟羽的释放特性依赖于释放的初始动量和浮力 初始动量和浮力改变了有效的高度 如 地面向上喷射的释放比没有喷射的释放具有更高的有效高度 温度高于周围环境空气温度的蒸汽的释放 由于 初始 浮力作用而上升 从而增加了释放的有效高度 为对释放高度的修正值 为烟囱内气体的排出速度为烟囱内径 为风速 为大气压 为烟囱内气体的温度 为空气温度 5 5释放动量和浮力的影响 turner建议对烟囱排放 可使用holland经验公式计算来自排放浮力和动量的额外高度 5 61 5 6释放缓解 释放缓解 通过以下方法作用于释放源以减少释放事故的危险a通过减少能够产生危害蒸汽云事件的可能性的预防性方法 b通过减少释放量和 或 当地人员或财产暴露的保护性方法 释放缓解方法是图4 1种后果模拟步骤的一部分 选择完释放事件后 即可用源模型确定释放速率或总的释放量 扩散模型可与第7章的火灾或爆炸模型联合使用 可用来进行后果评价 5 6释放缓解 风险由后果和可能性组成 因此对释放后果的估算仅提供了整个风险评价的一半 对风险进行评价时 必须包括后果和发生概率两方面 释放缓解方法主要有本质安全 工程设计 管理 早期蒸汽监测和报警对策 应急反应等 本质安全 工程设计和管理 在任何释放缓解方法中都应该是首要考虑的问题 见表5 10 5 6释放缓解 表5 10释放缓解方法 论题 现有毒物标准 5 15 第6章火灾和爆炸 火灾的危害很大 第6讲引出 2009年1 11月份近千人死于火灾 中新网 2009年12月23日 公安部通报了2009年全国火灾形势 据统计 2009年1至11月份 全国共发生火灾116653起 死亡945人 受伤551人 直接财产损失11 6亿元 平均每起约10000元 第6章火灾和爆炸 新华社2011年 月 日电 记者邹伟 公安部消防局日前公布了2010年全国火灾情况 2010年 全国接报火灾 不含森林 草原 军队 矿井地下部分火灾 下同 起数 损失同比分别上升2 6 12 死亡 受伤人数同比分别下降3 5 6 5 起火原因 半数火灾系电气 用火不慎引发 2010年 全国共接报火灾13 17万起 死亡1108人 受伤573人 直接财产损失17 7亿元 其中 因电线短路 过负荷及电气设备故障等电气原因引起的火灾共40481起 占火灾总数的30 7 因生活用火不慎引发火灾25547起 占19 4 在69起较大以上火灾中 有24起为电气原因引起 占34 8 有12起为生活用火不慎引起 占17 4 2010年 新中国成立以来灭火救援任务最多一年 2010年共接警出动58 9万起 公安部消防局 第6章火灾和爆炸 2012年1月19日 公安部消防局 2011年 全国共接报火灾125402起 死亡1106人 受伤572人 直接财产损失18 8亿元 节日期间燃放烟花引发的火灾增多 施工工地 农副业生产及出租屋 三合一 小作坊 小商店等小场所火灾较多 用电用火引发的火灾仍占较大比重 全国住宅共发生火灾48548起 与2010年相比 下降7 8 人员密集场所发生火灾12471起 同比下降9 6 交通工具发生火灾13049起 同比下降7 6 易燃易爆场所发生火灾407起 同比下降11 1 厂房发生火灾6779起 同比下降5 6 仓储场所发生火灾5463起 同比下降13 9 2011年共接警出动65 5万起 公安部消防局 第6章火灾和爆炸 化工厂通常的三种事故是火灾 爆炸和毒物泄漏 为防止火灾爆炸事故 工程师们必须熟悉 物质的物化特性 尤其是火灾爆炸性火灾爆炸过程特性预防或减少火灾爆炸危害的方法第6章解决前两个问题 重点讨论火灾爆炸的定义和估算火灾爆炸程度和后果的计算方法 第7章则讨论预防或减少火灾 爆炸危害的方法 6 1火三角 火三要素 火 燃料 氧化剂 空气 o2 氧化剂 空气 o2 燃料 热量 无燃料或无氧化剂或 无热量 不燃烧 三无条件 图6 1火三角 燃料 氧化剂 热量 燃烧 热量 点火源 hotgaslayer radiation door air exhaustgas compartmentfire firegrowth isosc4wg6workingdocument t squaredfire q at2 typicalfiregrowthrates forinformationonly isosc4wg6workingdocument furniturecalorimeter isoroom source yung wade fleischmann proceedingsoffiresafetyengineeringconference sydneyaustralia mar2004 heatreleaserate hrr for5chairsofidenticaldesignwithdifferentfabriccoverings 6 1火三角 火三要素 火灾或燃烧时值燃料与氧化剂在能量引发下快速反应释放热量的氧化 反应过程 因此 切断燃料 切断氧化剂 空气或氧气 或切断能量均可导致燃烧熄火 燃料 固体 木柴 纤维 金属颗粒 塑料 家具等 液体 汽油 柴油 烃类 醚 生物质油 松籽油 蓖麻油 气体 乙炔 h2 丙烷 co氧化剂 固体 金属过氧化物 亚硝酸铵等 kno3 液体 h2o2 hno3 hclo7 气体 o2 f2 cl2 br2引燃源 火花 火焰 静电 热 6 2有关概念 火灾与爆炸的区别 能量释放的快慢 火灾能量释放慢 爆炸释放能量快 通常是ms级 二者可互为因果燃烧或火灾 引燃 自燃点 ait 闪点 fp 燃点 燃烧极限 爆炸 机械爆炸 爆燃 爆轰 受限爆炸 无约束爆炸 沸腾液体扩散蒸汽爆炸 bleve 粉尘爆炸 冲击波 超压 6 2有关概念 薄雾 可燃 不燃 lfl ufl 自燃区 饱和蒸汽压曲线 燃烧下限 燃烧上限 不燃 c可燃蒸汽浓度 闪点温度自燃点 ait t 图6 2各种燃烧特性间的关系 lfl lowerflammablelimitufl upperflammablelimit 图6 2解释t t闪 产生足够蒸汽 蒸汽与空气混合成可点燃混合物的最低温度 t t自燃 液体燃料上方的蒸汽一经点燃便能持续燃烧的最低温度 可燃区域c ufl 不燃烧 由于氧化剂过少 一旦燃烧可能把氧化剂消耗完而不再燃烧c ufl 不燃烧 由于燃料太少 一旦燃烧可能把燃料消耗完而不再燃烧 闪点和燃烧极限不是物性参数 而由所使用的特种试验仪器和方法定义的 6 3液体和蒸汽的燃烧特性 液体 闪点和燃点是描述液体火灾爆炸危险性的主要参数之一 闪点和燃点测定见图6 3 闪点 此时会发出足够产生瞬间火焰的蒸汽但不能持久 燃点 此时会发出足够产生可持续火焰的蒸汽 6 3液体和蒸汽的燃烧特性 图6 3cleveland开杯闪点测定 6 3液体和蒸汽的燃烧特性 tf 闪点 k a b c为常数 k 见表6 1 tb为液体沸点 k 6 1 satyanarayana和rao指出 纯物质的闪点与液体的沸点可由公式很好关联 对超过1200种化合物的闪点 值的误差低于1 6 3液体和蒸汽的燃烧特性 表6 1预测闪点所用的参数 6 3液体和蒸汽的燃烧特性 气体和蒸汽a 纯蒸汽的燃烧极限在专门设计的封闭仪器 图6 4 中由试验测定 将已知浓度的蒸汽 空气混合气体冲入容器中并点燃 测量最大爆炸压力 试验在不同浓度下反复进行以便得到特定气体的燃烧极限b 蒸汽混合物 实际经常遇到混合物 可由lechatelier方程 p144页的隐含假设 估算混合蒸汽的lfl 燃烧下限 和ufl 燃烧上限 为蒸汽混合物的燃烧下限 yi为混合物中i中蒸汽的体积分数 lfli为混合物中i物质的燃烧下限 6 3液体和蒸汽的燃烧特性 6 2 6 3 为蒸汽混合物的燃烧下限 为混合物中i物质的燃烧下限 例6 2 简单计算 同理 6 3液体和蒸汽的燃烧特性 燃烧极限随温度和压力的变化a 随温度的变化 通常燃烧范围随温度升高而增加 可用经验公式估计蒸汽 式中 hc为净燃烧热 kcal mol t为温度 6 4 6 5 6 3液体和蒸汽的燃烧特性 如对 乙烯 查附录b lflufl lflufl 5 315 03 132 0 5 38814 9173 15632 844 5 47614 8243 21132 789 5 56414 7363 26732 734 6 3液体和蒸汽的燃烧特性 b 随压力的变化一般压力对lfl的影响很小 但在非常低压力下 火焰不传播 有一定外力 ufl随压力增加而增加很好 可用下试估算ufl随p变化 式中p为压力 mpa 绝对压力 ufl为1atm下燃料在空气中的体积分数 燃料上限 6 6 6 3液体和蒸汽的燃烧特性 估算燃烧极限a 有些情况下 若方法得到试验数据 则须对燃烧极限进行估算 对许多烃类蒸汽 可用janes关系来估算lfl和ufl 6 7 6 8 cst为燃料在空气中燃烧的化学剂量浓度 6 3液体和蒸汽的燃烧特性 大多数有机化合物的化学剂量浓度可由通常的燃烧反应来确定 6 9 z单位为mol 由化学剂量学 有 数数 c数 6 3液体和蒸汽的燃烧特性 6 10 6 11 6 3液体和蒸汽的燃烧特性 如 6 3液体和蒸汽的燃烧特性 b 对含有碳 氢 氧和硫的30种有机物 可根据燃烧极限与燃烧热的函数关系得到好的结果 6 12 6 13 如 为燃烧热 查附录b 6 3液体和蒸汽的燃烧特性 说明 式 6 13 仅适用于 4 9 23 ufl的范围内式 6 6 6 13 的预测能力有限 对氢的预测结果很差 对ch4和含碳数较高的碳氢化合物 预测结果较好 如 例 6 4 预测方法可作为估算用 但不能代替试验 6 4极限氧浓度及惰化 燃料的lfl是基于空气中 含氧o221 燃烧的 但实质起作用的是氧含量 氧浓度低至一定限度 燃烧火焰将熄灭 火 也即通过减少氧浓度就能阻止爆炸和火灾的发生 此即惰化的概念 如空气中有多种o2浓度可导致不同的燃料熄火 即低于极限浓度 loc 反应就不能产生足够的热量 燃烧过程将不能持续 loc亦被称为最小氧浓度 moc 最大安全氧浓度 msoc 表6 2列出了不同物质的loc值 loc值与惰性气体种类有关 表6 2极限氧浓度 6 4极限氧浓度及惰化 6 4极限氧浓度及惰化 如 n2 空气中co2 空气中汽油 73 100 1215 100 130 1215 115 145 1214 5 loc定义为氧气的 物质的量 全部物质的 物质的量 若无loc试验数据 由燃烧反应的化学计算和lfl估算loc 可通过增n2 co2或水蒸气使氧浓度降低到loc以下 但一般不建议增加水蒸气由于冷凝水将会把氧气带回可燃范围内 使气体变相浓缩 o2 6 5可燃性图表 描述气体可燃性的一般方法是三角图6 6 6 5可燃性图表 说明 a 三角顶点分别代表三种纯物质 n2 o2 ch4 b 氧loc线 只要o2浓度低于loc均不可能燃烧c 空气线 表示ch4 n2 o2浓度组成 可理解为空气惰化ch4 d 化学计量组成线 由燃料与o2 纯氧 化学计量比得到燃料 zo2 产物 6 15 对ch4 z 2 化学计量组成线与氧气轴交点为 该线可理解为惰化线 n2将o2惰化 6 5可燃性图表 e ch4分别在空气 n2 o2 和纯氧o2有相应的燃烧上 下限 在空气中为ufl和lfl 均由试验测定f 燃烧范围形状视多种参数变化 包括燃料种类 温度 压力和惰性气体的种类g 空气线与化学计量组成可用于置换分析 即停 空气置换ch4 开 ch4置换 车分析h 三个点分别代表纯物质 三条轴分别表示两个纯物质混合物i 两种物质混合的各物质量可由杠杆原理确定 6 5可燃性图表 可燃性图表的确定整个可燃性图表需要使用特定的测试仪器进行 数百 次的试验 受条件所限 难以做 数百 次试验 需要估算燃烧区域 6 5可燃性图表 a 方法一已知空气中的燃烧极限 loc和氧气中的燃烧极限 估算如下 先画出空气线 在空气线上标出空气中的燃烧极限 将氧气中的燃烧极限标在氧气轴上 由式 6 15 在氧气轴上确定化学组成计量点 由该点与100 n2的顶点画化学组成计量线 在氧气轴上定位loc 由该点出发画平行于fuel轴的线 与化学组成计量线相交 连接各个点 6 5可燃性图表 6 5可燃性图表 说明 方法1得到的只是近似于真实的可燃区域 实际的燃烧区域不一定是直线 如图6 8 6 9 缺点 该方法还需要在氧气中的燃烧极限 但该类数据并不容易得到 6 5可燃性图表 b 方法2已知空气中的燃烧极限和loc 估算过程 同方法1的 先画出空气线 同方法1的 在空气线上标出空气中的燃烧极限 同方法1的 由式 6 15 在氧气轴上确定化学组成计量点 由该点与100 n2的顶点画化学组成计量线 同方法1的 在氧气轴上定位loc 由该点出发画平行于fuel轴的线 与化学组成计量线相交 6 5可燃性图表 图6 11可燃性区域的近似确定 方法2 6 5可燃性图表 c 方法3已知空气中的燃烧极限 估算过程 同方法1的 先画出空气线 同方法1的 在空气线上标出空气中的燃烧极限 同方法1的 由式 6 15 在氧气轴上确定化学组成计量点 由该点与100 n2的顶点画化学组成计量线 由式 6 16 估算loc 6 5可燃性图表 图6 11近似方法3 6 6引燃能 自燃 自氧化 引燃源 飞沫和薄雾 绝热压缩 1 引燃能 引起初始燃烧所需的最小能量 mie minimumignitionenergy 所有可燃性物质 包括粉尘 都有最小可燃能 mie依赖于特定的化学物质 或混合物 浓度 压力和温度 如 表6 4 h20 018mj c3h80 250mj mie随压力的增加而降低 浓缩 一般 粉尘的mie在数量级上比可燃气高 n2浓度的增加导致mie增大 稀释 6 6引燃能 自燃 自氧化 引燃源 飞沫和薄雾 绝热压缩 许多碳氢化合物 烃类 的mie大小在0 25mj左右 在地毯上行走所引发的静电放电为22mj 通常的火花塞所释放的能量为25mj 流体流动摩擦所引起的静电放电也往往超出可燃物的mie的能量 也能提供引燃源 导致起火 爆炸 6 6引燃能 自燃 自氧化 引燃源 飞沫和薄雾 绝热压缩 2 自燃 在蒸汽的自燃点 ait 或自发引燃温度 sit 下 蒸汽环境吸收能量而自发引燃 自燃温度是蒸汽浓度 蒸汽体积 系统压力 接触反应物质的状况和流动条件的函数ait所依赖的条件更多 更由于与流动条件有关 因此使用ait数据要小心 慎重 6 6引燃能 自燃 自氧化 引燃源 飞沫和薄雾 绝热压缩 3 自氧化 伴随有热量释放的缓慢氧化过程 自氧化过程中 若能量未从体系中移走 有时会导致自燃 挥发性较低的液体尤其受该问题的影响 挥发性较高的液体由于蒸发制冷 自燃的影响很小 许多火灾都是由自氧化引起的 即自发燃烧 具有潜在自发燃烧的自氧化的例子包括 贮存在温暖区域的破旧衣物上的油 蒸汽管道上的某些聚合物绝缘层要求采取专门的预防措施 来防止由自氧化和自燃引发的火灾 6 6引燃能 自燃 自氧化 引燃源 飞沫和薄雾 绝热压缩 4 引燃源 火三角的一边 有各种各样引燃源 fmec 工厂联合工程公司 列出超过25000起火灾的各种引燃源 见下面的表6 5 6 6引燃能 自燃 自氧化 引燃源 飞沫和薄雾 绝热压缩 表6 5主要的火灾引燃源 6 6引燃能 自燃 自氧化 引燃源 飞沫和薄雾 绝热压缩 5 飞沫和薄雾 它们穿过孔洞时会产生静电 电荷聚集并以火花的形式释放 若存在可燃蒸汽就发生火灾或爆炸 薄雾和飞沫也会影响燃烧极限例 对液滴直径小0 01mm 10 m 的悬浮液 lfl与该物质以蒸汽形式存在时一样 对于机械形成的液滴直径介于0 01 0 2mm之间的薄雾 随液滴直径的增大 lfl减少 较大液滴直径的试验表明 其lfl比通常的lfl的1 10还要小 这对薄雾进行惰化时很重要 当飞沫直径介于0 6 1 5mm之间时 火焰不可能传播 但在这种情况下 小液滴和 或 较大液滴的扰动可能导致危险状况 6 6引燃能 自燃 自氧化 引燃源 飞沫和薄雾 绝热压缩 6 绝热压缩 另一种引燃的方式 气缸内的汽油和空气在被压缩后温度升高 若这一温度超过其自燃温度 汽油会被引燃 这是发动机内发生缸内爆振的原因 也是在点火装置关闭后一些过热的发动机继续运行的原因 一些较严重的事故都是由于可燃性蒸汽被吸入到空气压缩机的入口 随后被压缩导致自燃而引起的 在进行过程设计时 应增设安全装置 以防止由绝热压缩引发的不必要的点火 6 6引燃能 自燃 自氧化 引燃源 飞沫和薄雾 绝热压缩 对理想气体 绝热压缩过程温变过程为 其中 初始热力学温度 压缩后热力学温度 初始热力学压力 压缩后热力学压力 6 17 6 6引燃能 自燃 自氧化 引燃源 飞沫和薄雾 绝热压缩 例6 6 将正己烷上方的空气由101 3kpa压缩到3445 6kpa 初始温度为37 8oc 最终的温度 正己烷的ait为487oc 空气的 值为1 4 解 由式 6 17 显然 该温度超过了正己烷的ait 将导致爆炸 oc 6 6引燃能 自燃 自氧化 引燃源 飞沫和薄雾 绝热压缩 例6 7 某种润滑油的ait为400oc 确定将空气由25oc升高到至该润滑油ait所需的压缩比 解 由式 6 17 为安全起见 实际的压缩比应该远低于17 3 汽车的压缩比 6 7爆炸 爆炸行为依赖于大量参数 重要的见表6 6 有 环境压力 爆炸物质的组成 爆炸物质的物理性质 引燃源 特性 类型 能量和可持续时间 周围环境的几何尺寸 可燃物质的 数量 扰动 延滞时间 泄露的速率等 爆炸行为很难描绘 已有多种方法 理论的 半经验的和试验研究来解决爆炸问题 但仍未完全理解爆炸行为 设计 实践中要给出适当的安全裕度爆炸时能量迅速释放 在爆炸中心引起能量的局部聚集 随后通过多种途径消散 压力波的形成 抛射物 热辐射和声能 爆炸所产生的破坏由能量的消散引起 6 7爆炸 爆轰和爆燃爆炸的破坏效应很大程度上依赖于是爆轰还是爆燃引起的爆炸 二者的区别依赖于反应前沿的传播速度是高于还是低于声音在未反应气体中的速度 a 爆轰 在这类燃烧反应中 反应前沿通过强烈的压力波传播 该压力波压缩位于反应前沿前部的未反应的混合物 使其温度超过 压缩致热 其自燃温度 压缩进行的很快 导致反应前部出现压力的突然变化或震动 结果导致反应前沿的压力冲击波超音速或超声速传播进入未反应的混合物中 6 7爆炸 b 爆燃 反应放出的能量通过热传导和分子扩散转移至未反应的混合物中 这一过程相对较慢 反应前沿以低于声速的速度传播 受限爆炸爆炸发生在受限空间如容器内或建筑物中 最常见的有 蒸汽爆炸和粉尘爆炸 爆炸特性依赖于所使用的爆炸物质 包括 燃烧或爆炸极限 可燃混合物引燃后压力上升速率和引燃后的最大压力 6 7爆炸 图6 22固定位置处的冲击波压力 超压的冲击波破坏 图6 22中 t0 爆炸发生 t1 激震前沿从爆炸中心到受影响位置处所需的时间 即到达时间 此时出现最大超压 t2 压力从最大超压降低到周围环境压力 t1 t2为冲击持续时间 是对独立建筑物破坏最大的一段时间 对估算破坏很重要 t3 该时刻压力降低到周围环境压力以下 t2 t3时段 爆炸风反向 t4 压力重新达到周围环境压力 破坏终止 6 7爆炸 表6 9基于超压的普通建筑物破坏评估 超压的冲击波破坏 6 7爆炸 其中 为tnt当量质量 为经验爆炸效率 m为碳氢化合物质量 为可燃气体的爆炸能 为tnt的爆炸能 典型值为 对可燃气体 可用燃烧热来代替爆炸能 6 24 tnt当量法tnt当量法 是将已知能量的可燃燃料等同于当量质量tnt的一种简单方法 估算公式如下 采用下面的比拟关系 6 7爆炸 爆炸效率是该当量方法中的主要问题之一 用于调整涉及多种因素的估算 包括 可燃物质与空气的不完全混合 热量向机械能的不完全转化等 该值为一经验值 对大多数可燃气云 估计 在1 10 之间变化 tnt当量法优点是计算简单 易于使用 步骤 确定参与爆炸的可燃物质的总量 估计爆炸效率 由式 6 24 计算tnt当量质量 由式 6 21 和图6 23 或式 6 23 给出的比拟定律 估算侧向超压峰值 由表6 9估算使普通建筑和过程设备受到的破坏 比拟关系 6 7爆炸 根据估算的破坏程度 可反过来估算爆炸的物质的量 6 22 6 21 ze 比拟距离 比拟超压p0 侧向超压峰值 pa 环境压力 6 7爆炸 ze ps关系见图6 23 图中数据也可写作 6 23 图6 23发生在平坦地面上的tnt爆炸的最大侧向超压峰值与比拟距离的关系 6 7爆炸 tno多能法 荷兰应用科学研究所 tno方法确定过程中的受限体积 给出相对的受限程度 之后确定该受限体积对于超压的贡献 模型的基础是爆炸能量高度依赖于聚集程度 而较少依赖于蒸汽云中的燃料 对蒸汽云爆炸使用多能模型的步骤为 使用扩散模型确定气云的范围 通常 扩散模型难于描述受限空间中的扩散过程 因此实际使用中常假设不存在设备和建筑物 进行区域检查以确定受限空间 6 7爆炸 在被可燃气云覆盖的区域 确定引起强烈冲击波的潜在源 强烈冲击波的潜在源包括 拥挤的空间和建筑物 如化工厂或炼油厂中的过程设备 箱子 平台和管架 延伸的平行平面之间的距离 如停车场内停靠很近的汽车 多层的停车库 管状结构内的空间 如隧道 桥梁 走廊 下水道系统 管路 及由于高压泄放导致的喷射中的燃料 空气混合物中的剧烈震荡 6 7爆炸 估算当量燃料 空气混合物所释放的能量 各冲击波源是相互分离的 假设全部的燃料 空气混合物都存在于部分受限 或有障碍物的区域 它们被确定为气云中的冲击波源 对冲击波有利 估算被确定为冲击波源的单个区域内的燃料 空气混合物的体积 估算是基于区域的全部体积 但要注意 可燃气云并不一定能充满全部的冲击波源的体积及设备的全部体积 6 7爆炸 将单个混合物的体积乘以3 5 106j m3 此值是烃类与空气混合物在平均化学组成计量下的典型燃烧热值 计算每次爆炸的燃烧能e j 为每一冲击波指定一个代表冲击波强度的典型数字 假设爆轰的最大强度用10来代表 则对强烈爆炸的源强的估算是安全和保守的 但对真实的爆炸 源强为7可能更为准确 另外 对于侧向超压低于0 5bar的爆炸 源强7 10之间差别不大 式中 为填料的sachs比拟距离 无量纲 r为距填料的距离 m e为填料的燃烧能 j 为周围环境的大气压 pa 6 7爆炸 6 在估算出单个的当量燃料 空气混合物所导致的能量e和初始爆炸强度 可计算sachs比拟距离 6 25 6 7爆炸 进一步 可由图6 24查到距离爆源r处的sachs比拟爆炸侧向超压和负相持续时间 图6 24tno多能爆炸模型的sachs比拟超压与sachs比拟负相持续时间 6 7爆炸 进一步 可由图6 24查到距离爆源r处的sachs比拟爆炸侧向超压和附相持续时间 爆炸侧向超压峰值和负相持续时间 可根据sachs比拟超压和sachs比拟负相持续时间计算 6 26 6 27 超压计算 负相持续时间 6 7爆炸 其中 为侧向爆炸超压 pa 为sachs比拟侧向爆炸超压 无量纲 为周围环境压力 pa 为负相持续时间 s 为sachs比拟负相持续时间 无量纲 e为 填料 燃烧能 为周围环境的声速 m s 6 7爆炸 说明 a 若单独的爆炸源同其他爆源靠得很近 这些爆炸源可能被同时引爆 此时应把各爆炸源的爆炸叠加 b 应用tno多能法的主要问题 是使用者必须在受限程度的基础上对严重系数做出选择 对于局部受限的几何形状 相关指导不多 对各个爆炸源所引导的结果 应怎样结合仍