水煤浆管道爆炸事故机理分析

第10卷第5期Ⅴol,10No.52010年10月Journal of safety and Environment0et,2010文章编号:10096094(2010)050141-05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0-起经烧嘴倒冲同水煤浆哲管内压力炉内合成气和化炉内和O2管线的压力大于水煤杨一,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:某化工厂水煤浆管线因误操作发生管道爆裂,造成人员死亡和H2等可燃组分,形成的混合气体为可燃性混合气,问流过和财产损失。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解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T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碌DOl:10.3969/jisn.1006094.2010.05.032燕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根据燃烧爆炸的棊本条件,只有当混合气体中可燃组分技术为第2代煤气化技术简称TCCP,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。该下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C0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入研究,提出了各种改进图1现场散落的碎片方案1。相对于煤浆粲故障和O2件线燃爆等常见事故,水Fig. l 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,5s后管道发生爆炸,造成I人死亡,管线严重破坏。通过现场观测管道爆炸产生了大量碎片,其中以靠近气化炉段的管线爆炸图2断裂的管段Fig 2 Frac最为剧烈,碎片小且数多,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化炉为1300℃,压力为8.7MPa。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95MPa阀门水煤浆泵收稿日期:2009-1126作者简介:杨一,硕士研究生,从事化工过程及装置安全技术研中国煤化工○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,han@judCNMHG基盒项目:国家863项目(2007AA06A402)水浆加压气化示意图Fig 3 Diagram of coal shurry technology141Vol 10 No 5妻与环境爭報第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00907m3/s,管道面积为00177m2,计算得O2流速为5.12m/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,近似认为合成气叫流进人烧嘴的速度也为120m/s。已知烧嘴喷头的面积为196cm2,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outside mixed gasify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方程(2)进行求解,气体范德华常数见表2。气体组分CO2N2等其余组分体积分数/%式中P为气体的压力,Pa;v为气体的体积,m3;n为气体的2各组分气体的范律华常数印物质的量,mol;R为热力学常数,8.314;T为气体温度,KTable 2 Van der walls constants of ga(P+n'a/v)(V-nb)= nR式中a和b为与气体种类有关的范德华常数a/(Pam·mol-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3.183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整此,可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素的影响。由于温度和压力的不同,O2与合成气混合后,各cOCO,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/mol337,61290.38149011794.09体内组分的体积比等于物质的量之比的定律,合成气在混合范德华方程计算值/mol31.26285.67147451948.85气内的体积分数为30.22%偏差/%1,881,e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。为含有情性混合气体的爆炸极限%;L为混合气限。查物质理化数据可知,CO在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,%155%-%4%,H2的爆炸极限为4%-%4%。两种可燃组分将合成气中总量约为20%的惰性组分及可燃气体在2中的C0和H2形成的可燃气体在O2中的爆炸极限可按式(3)、爆炸极限一起代入式(5),得合成气在Q2中的爆炸极限L(4)8进行计算。为9.21%,UFL。为95.14%LFL=100/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分占30.,22%,处于混合气体爆炸极限范围内,满足了爆炸浓式中L凡L和UL为混合可燃组分C0和H2在O2中的爆炸下限和爆炸上限,%;IFL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为各组分占可燃组分的体积分23退合气体遇度估算数,%。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5375%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。根据热力学第可算得可燃气体在0中的爆炸极限L为751%,UL为定律稳定流动能量方程可知Q=△H+bm△c+mg△z+W由于合成气中含有惰性组分C2和N2,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)计算中国煤化工;ma为气体势能变x100(5)化,J;CNMHG功,J100+21=B由于系统对德士古烧嘴不做功,W=0,忽略烧嘴流道的2010年10月杨一,等:水煤浆管道爆炸事故机理分析oet,2010高度△z和混合气流经烧嘴的动能变化m△c2,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,即各组分焓变之和为0。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3.11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。(7)图中Q1、Q2和Q3分别为ABBC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,ml;cp,m为气体物质的量等压热容,Jml-1,K-';T为气体混合前的温式中N.为泵的功率,W;P为流体密度kgm-3;H为泵的度K;T2为气体混合后的温度K;a、b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Bm为21混合后的温度(即化学爆炸初始温度)为730K。Hacp= HBc= HBD(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;HB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和合成气短暂混合后可发生化学爆炸。化学爆炸燃烧速HBc=S2Q2(13)度很快,可以认为反应是在绝热系统内进行,爆炸后,系统内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(14)与可燃组分的燃烧热之和BC、BD管道阻抗m8o3k六此过程的燃烧反应方程式为20+02→2CO2,2H2+O2→式中SBC为BC、BD段管道的总阻抗,m2H2O。反应完全后,气体各组分CO2、O2和H2O的物质的量则水煤浆管道的总水头,即泵的扬程H为16分别为486.63mo、1480.63ml和290.38molH= HAB+ hBcD(16)根据表5。的数据,计算得爆炸前730K时反应物中所有其中组分的热力学能为4.18×104k。已知CO的燃烧热为28406Hs=S,Q2k·mod-1,H2的燃烧热为23874订Jml-1,得CO和H2燃烧产生的热量Qe=1.65×103kJ,则爆炸产生的总能量为20x4气体的物质的量等压热容参数值切Table 4 Isobaric beat capacity values of gases105kJ。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2800K(Jmol-k-1)26.53726887528.17时生成物的热力学能总和∑U=2.03×10,3000k时x10/(Jm-k-2),68314.x742.2386x生成物的热力学能总和∑U=2.20×10妇,故爆炸后的温x(Jmk)-1.1n--0.35-1425-0744度应在2800~300K之间。用内插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7最高=284971K。理论上的爆炸压力可根据式(10) Table 5 Tbermodynamic ener, es of gases at dirrerent求得。温度/K(10)式中P为反应后的最高压力,Pa;Po为反应前的压力280015.87218.04917.09330.38223.999Pa;T最在为反应后的最高温度,K;T0为反应前的温度,K;n为22419.55318.47332.9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碌可得,反应前气体的物质的c S Q 8 S Q1 A量n为2571.09mol,反应后气体的物质的量m为2257.10中国煤化工由经验可知,合成气与O2形成的混合气初始压力P0小CNMHG于98MPa,将98MPa带入式(10)计算得P最在为33.58MPa,因此,爆炸后的压力小于33.58MPa。若考虑管道内水蒸气对Vol. 10 No 5丧金与郑境季扳第10卷第5期总阻抗S为想气体定熵方程0为S=S,+sacp(18)当阀门处于关闭状态时,S3=∞,Q3=0,此时SBCD=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1.135151。H=Hs+HBc= S, Q7+S,Q=(S,+ SBco)Q2 (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,= eg(S+ SBco)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SBCD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),由于泵的功率N流体的密度p及AB管道阻抗界破裂压力,叮知水被燕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HBx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P(21)炸产生的高温使水媒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(2)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)行开停午检修牌制度,当装置正常运行时,任何可操作的部位都挞挂生产标志牌,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;为管道长度,m;D为管道直径,m;在场监督。为流体流速,m/s;A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(22),(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(24)水煤浆管线靠近气化炉一侧安装单向阀,以防止各种意外状查表可知,闸阀全开时的局部阻力系数=0.17。钢况下物料的回流。mm2。阀门打开后,管道内的流体为非恒定流由莫迪图5结论管的绝对粗糙度c取0.05mm-l,则/D=1.4×10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高温合成气和O2管线中的O2一起道的当量管长约为3m。根据水力计算关系式(1)-(21)可倒流入水煤浆管道,导致管内混合气体发生化学爆炸,水煤浆发生物爆炸,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18化学爆炸和物理爆炸能址的定量计算,并参考由管材力学性MPa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道破裂的主要原因。常温状态的水迅速燕发为蒸汽。现以临界状态考虑,水被蒸 References(参考文獻):发为1.8MPa压力下对应的饱和蒸汽。查表0并插值计算得,1.18MPa下干饱和蒸汽的饱和温度为185℃(约458K),[1 HUANG Z M, ZHANG JS, YUE G X. Status of domestic gasificationtechnology in ChinalJ]. Frontiers of Energy and Power Engineering in比体积为017732m3kg1。China,2009,3(3):330-336由于开阀至爆炸的时间很短与高温气体接触的一部分(2水被蒸发,假设瞬间蒸发的水的体积为xm3,换算得饱和水中国煤化工 analysis of texaco蒸气的体积为171.63xm3,管道破裂前由于水蒸气得不到及CN MHGnal of Xi'an Jianotong寸释放,大量的水蒸气被压缩在较小的空间,使得压力骤然升通大学字),2005,39(9):94-997,高。由于蒸发和破裂的时间非常短,可假设为绝热过程。理3] ZHANG Xudong(旭东), BAO Zonghong(包宗宏). Discussion on44010年10月杨一,等:水煤浆管道爆炸事故机理分析oct,2010the project design o TEXACO coal slurry gasification plant[J]. Journal whereas the other was lost through the opening valve. Thus, the pipeChemical Industry Engineering(化学工业与工程技术),200. pressure was quickly released, hich in tum led to expansion of the26(4):37-41[4] DING Z L, DENG J, U JF. Wear surface studies on coal water slurslurry. Thus, the combined gas in the gasifier and the oxygen in thery nozles in industrial boilers[J]. Material and Design, 2007.oxygen pipeline got blown through the Texaco nozzle. The concentra28(5):153|-1538[5] MENG Yifei(孟亦飞), ZHANG Lijing(张礼敏), TAO Gan(陶w) tion of inflammable gas in the mixture is composed of the combinedRisk analysis of oxygen-containing bydrogen eylinfer during releasing gas with oxygen between the maximum and the minimum explosiveprocess and its disposal[]. China sa/ ety Science Journa《(中国安全imis. When the gas mixture was pushed out of the nozzle, the statie科学学报),2005,15(9):53-56stress generated by the friction led to the final chemical explosion.In[6] DOUGLAS JF. GASIOREK JM. SWAFFTELD JA. FLuid mechanics comparison with the pipelines critical burst pressure worked out on[M]. 3rd ed. Beijing: World Publishing Corporation, 2000: 443the basis of the data of material failure test, it was suggested that itwouldnt be possible for the chemical explosion pressure to the chem-[7] WANG Guanpin(王光信), MENG Alan(孟阿兰), REN Zhihua(任 ical explosion and the combined gas with the extremely high tempera志华),l. Physical chemistry(物理化学)[M]. Beijing:Chemcal Industry Press, 2006: 21-25normally in the coal-water slurry, which may contribute to the change8] CAI Fengying((蔡风英), TAN Zongshan(谈宗山), CAI Renliang(蔡 of water from liquid to gas. The volume of the pipeline thus expanded仁良),a,Chma4 y engineering(化工安全工程)M], hundreds of times naturally compressesresul in aBeijing: Science Press, 2005: 33-55sharp increase of the pressure. When it exceeded the critical[9] DANIEL A C, JOSEPH F L. Chemical process safety fundamentalssure,the pipeline would burst out instantly. As to the water in thewith applications M]. 2nd ed. Upper Saddle River: Prentice HallPR,2001:142-146[0 I SHEN Weid(沈维道), JIANG Zhiming(蒋智明), TONG Jungangsteam. Moreover, the intermal pressure in this critical moment would(童钓耕), Engineering thermodynamic(工程热力学)[M]. Bei. reac420Mea, far over the critical pressure, From what has beenjing: Higher Edution Press, 2005: 37-40done in our analysis, it can be concluded that the accident of the saidwU Yuebin(伍悦滨), ZHU Mengsheng(朱蒙生). Engineering fluid explosion occurs both due to the effect of chemical and physieal facmechanics pump and blower(工程流体力学泵与风机)[M].Bei- ors mentioned above, and the physical overpressure caused by physijing:Chemieal Industry Press, 2006: 277-296cal change of the water sluggy, which may account for the disastrous[12] VICTOR L S, BENJAMIN E W, KENTH W B. Fluid mechanics coal-water slurry pipeline explosion[M]. 9th ed. Boston: McGraw-Hill College, 1998: 550-558Key words: safety engineering[13] SRILATHA C, SAVANT A R, PATWARDHAN A W, et al.Head.pipeline explosion; pressure change; overpressureflow characteristics of pump-mix mixers[ J]. Chemical EngineeringCLC number: X937Article D:10096094(2010)050141-014】 CUAN Guofeng(管国锋), ZHAO Rubo(赵汝博). The principle可fmical engineering(化工原理)[M]. Beijing: Chemical IndustryPres,2004:28-43.15] CUI Keqing(崔克清). Chemical safety engineering(化学安全工程4)(M]. Shenyang: Liaoning Science and Technology PublishingAccident mechanism analysis for a coal-waterslurry pipeline explosionYANG Yi, ZHANG Li-jing, TAO Gang, CHEN Li-ping( School of Urban Construction and Safety Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, ChiAbstract: This paper is aimed to present our discussion and analysisof the causes of the explosion of the coal-water slurry pipeline fromthe point of view of likely physical and chemical factors. The saidcan be divided into two parts when it was erroneous-ly discharged due to its valve breach. Actually, the explosion of中国煤化工TCGP coal-water slurry pipeline took place due to improper opera-CNMHGwhich has resulted in human casualty and damage of propertiesit was exploded, one point was still supplied with the gasifi