MOX項(xiàng)目連續(xù)燒結(jié)爐氫氣爆炸安全分析

潘傳龍 謝亭 李亞輝 宋永恩 趙棟 方振

摘? 要：連續(xù)燒結(jié)爐是實(shí)現(xiàn)MOX生坯芯塊熱處理的設(shè)備，其主要功能是在溫度約為1750℃、工藝氣氛為氫氬混合氣的燒結(jié)區(qū)中實(shí)現(xiàn)芯塊的燒結(jié)，氫氬混合氣中氫氣的含量約為6%，存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。本文通過試驗(yàn)驗(yàn)證的方式進(jìn)行連續(xù)燒結(jié)爐氫爆安全分析，通過氫爆試驗(yàn)表明，氫氣含量為6%時(shí)，氫氬混合氣爆炸壓力的超壓最大值為56kPa，該數(shù)值也遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)壓力，因此燒結(jié)爐可以承受氫爆產(chǎn)生的壓力，壓力設(shè)計(jì)是保守的，滿足安全要求。

關(guān)鍵詞：MOX連續(xù)燒結(jié)爐? 氫爆試驗(yàn)? 試驗(yàn)驗(yàn)證? 安全分析

中圖分類號(hào)：X932? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（b）-0045-03

Safety Analysis on Hydrogen Explosion of Continuous Sintering Furnace in MOX Project

PAN Chuanlong? XIE Ting? LI Yahui? SONG Yong'en? ZHAO Dong? FANG Zhen

（The 404 Limited Company of CNNC， Lanzhou， Gansu Province， 735000? China）

Abstract： Continuous sintering furnace is an equipment to realize heat treatment of MOX green pallets， and its main process is the final sintering of pellets in the sintering zone with a temperature of about 1750℃ and a process atmosphere of mixed hydrogen and argon. The hydrogen content in the hydrogen-argon mixture is about 6% and thus there is a risk of explosion. In this paper， the hydrogen explosion safety analysis of continuous sintering furnace is carried out by experimental verification. The hydrogen explosion experiment shows that when the hydrogen content is 6%， the maximum overpressure is 56kpa， which is far less than the design pressure. Therefore， the sintering furnace can withstand the pressure generated by hydrogen explosion， and the pressure design is conservative to meet the safety requirements.

Key Words： Continuous sintering furnace; Hydrogen explosion; Experimental verification; Safety analysis

MOX連續(xù)燒結(jié)爐是實(shí)現(xiàn)MOX生坯芯塊熱處理的設(shè)備，燒結(jié)爐是模塊化的，分為不同的區(qū)，主要有預(yù)燒結(jié)區(qū)、燒結(jié)區(qū)、冷卻區(qū)及其冷卻通道延伸部分，配有各個(gè)容器，在容器內(nèi)發(fā)生相應(yīng)的活動(dòng)。燒結(jié)爐長(zhǎng)5.7m，燒結(jié)爐直徑960mm，燒結(jié)通道高度150mm，通道寬度170mm，其余為絕熱材料填充。除冷卻通道外，容器由支撐框架支撐，燒結(jié)單元是密封的，可防止钚顆粒的擴(kuò)散[1]。燒結(jié)爐設(shè)計(jì)有通排風(fēng)系統(tǒng)正常工況下廠房換氣5次/h，廠房安裝的氫氣報(bào)警系統(tǒng)在氫氣濃度達(dá)到爆炸濃度前即報(bào)警，屆時(shí)將加大通風(fēng)量，事故工況下?lián)Q氣次數(shù)調(diào)整到12次/h，同時(shí)停止氫氬混合氣體供應(yīng)，以上操作均設(shè)計(jì)有連鎖和手動(dòng)操作，廠房爆炸風(fēng)險(xiǎn)較小。

燒結(jié)爐本體是氫爆主要危險(xiǎn)源，本報(bào)告通過燒結(jié)爐本體氫爆試驗(yàn)驗(yàn)證的方式進(jìn)行連續(xù)燒結(jié)爐氫爆安全分析。

1? 爆炸機(jī)理及爆炸極限

爆炸是能量快速釋放的過程，可燃?xì)怏w的爆炸本質(zhì)上是可燃?xì)怏w與空氣（氧氣）的快速氧化反應(yīng)，屬于化學(xué)爆炸。

對(duì)燃料與空氣的混合物，在通常情況下點(diǎn)火后都以爆燃的形式傳播的，但在一定的條件下火焰就會(huì)產(chǎn)生加速[1]。預(yù)混的可燃?xì)怏w混合物被點(diǎn)燃后，火焰以層流的方式開始傳播，但在火焰?zhèn)鞑サ倪^程中，由于水力學(xué)不穩(wěn)定性等因素使火焰表面產(chǎn)生褶皺，增加了火焰表面的面積，增大了火焰的燃燒速率，因此使火焰的傳播速度加大。在活性相對(duì)較低的碳?xì)浠旌衔锶紵^程中，火焰的不穩(wěn)定性對(duì)火焰?zhèn)鞑サ淖饔脮?huì)受到?jīng)_擊波的限制?；鹧?zhèn)鞑ミ^程進(jìn)一步的加速只有在合適的剛性邊界條件下才會(huì)發(fā)生，因?yàn)閯傂缘倪吔鐣?huì)誘導(dǎo)膨脹流的內(nèi)部產(chǎn)生速度梯度和湍流的動(dòng)機(jī)。當(dāng)燃燒過程接觸到膨脹流的內(nèi)部時(shí)，局部的燃燒速率會(huì)在幾個(gè)方面有所增加。在速度梯度里火焰會(huì)被拉伸，從而增加火焰面積和有效燃燒速度。湍流不僅會(huì)增加熱傳遞過程。而且會(huì)增加有效的火焰面積，即增大未燃燒的混合物和燃燒產(chǎn)物之間的界面面積。剛發(fā)生湍流時(shí)，湍流強(qiáng)度較低，漩渦只會(huì)褶皺火焰表面和增加火焰的有效燃燒速度，當(dāng)燃燒速度增加后，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更強(qiáng)的膨脹流，強(qiáng)的膨脹流又會(huì)導(dǎo)致流速增加，而高的流速又將加大湍流的強(qiáng)度，在高強(qiáng)度的湍流影響下，火焰會(huì)逐漸失去它原來光滑的表面，內(nèi)部也發(fā)生變化。于是湍流的漩渦又傾向于分裂火焰前驅(qū)，從而導(dǎo)致一個(gè)更高的燃燒速率，高的燃燒速率將又會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的膨脹流和湍流。這樣，就形成了火焰加速的正反饋機(jī)理[2]。

當(dāng)火焰加速到一定程度時(shí)，在適當(dāng)?shù)臈l件下會(huì)發(fā)生突發(fā)性的轉(zhuǎn)化，即從爆燃模式轉(zhuǎn)化為爆轟模式，這個(gè)轉(zhuǎn)化的過程被稱為DDT（Deflagration to Detonation Transition）。對(duì)于高活性可燃?xì)怏w混合物，如乙炔與空氣、氫氣與空氣等極易發(fā)生DDT現(xiàn)象，而一些中度活性的可燃?xì)怏w混合物在適當(dāng)條件下也會(huì)發(fā)生DDT現(xiàn)象[3]。

易燃液體的蒸氣、可燃?xì)怏w、可燃性粉塵和纖維等與空氣組成的混合物都有一個(gè)爆炸濃度下限（爆炸下限）和爆炸濃度上限（爆炸上限）。濃度在爆炸上限以上、爆炸下限以下的可燃?xì)怏w與空氣混合不會(huì)發(fā)生爆炸。爆炸極限一般用可燃性氣體在混合物中的體積百分?jǐn)?shù)來表示，有時(shí)也用混合物單位體積中含可燃物質(zhì)的質(zhì)量（g/m3）來表示[4]。

可燃?xì)怏w的爆炸極限不一定是一個(gè)定值，而是隨著各種因素的變化而變化。影響爆炸極限的主要因素有溫度、壓力、惰性氣體含量等?？扇?xì)怏w系統(tǒng)原始溫度升高，則其系統(tǒng)的分子內(nèi)能增加，使得爆炸的范圍變大;原始?jí)毫ι撸到y(tǒng)內(nèi)分子間距變小，分子的碰撞幾率增高，爆炸的范圍也就隨之變寬;惰性氣體含量的增加，使得系統(tǒng)內(nèi)氧化劑含量相對(duì)減少，爆炸范圍也就隨之變窄[5]。

氫氣濃度為8%時(shí)，爆炸可能性最大，空氣量使得混合氣體比例達(dá)到總體積的34%時(shí)，爆炸可能會(huì)發(fā)生。隨著氫氣濃度的增大，爆炸極限區(qū)間范圍越寬，爆炸發(fā)生的可能性越高。

2? 氫爆試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)主要設(shè)備

爆炸壓力的測(cè)定是在5L的玻璃球中進(jìn)行，根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)國際指定：E 681-04“化學(xué)品（蒸汽和氣體）燃燒極限濃度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)法進(jìn)行的[6]。玻璃球被氣體混合物淹沒至少15min。一個(gè)感應(yīng)的火花能夠被點(diǎn)燃在靜態(tài)混合氣體狀態(tài)下（感應(yīng)火花能量約為9J），并觀察火焰是否能夠在容器中獨(dú)立傳播，同時(shí)用一個(gè)0.5mm NiCr-Ni熱電偶進(jìn)行玻璃球內(nèi)溫度測(cè)量。爆炸壓力的測(cè)量使用一個(gè)安裝在容器金屬蓋上得防泄漏的kistler壓力傳感器進(jìn)行的。玻璃球上都有蓋子，通常只是在釋放壓力時(shí)打開，但是在這些特殊的試驗(yàn)中，玻璃球中的蓋子是密封的。

2.2 氫爆試驗(yàn)

燒結(jié)爐工作氣體為94%的Ar和6%的H2為混合氣體，當(dāng)空氣中氫氣體積含量超過4%時(shí)可能發(fā)生氫爆危險(xiǎn)，為證明燒結(jié)爐殼可承受氫氣爆炸破壞，需要開展氫氣爆炸試驗(yàn)。開展體積比為94∶6的混合氣體氫爆試驗(yàn)，試驗(yàn)采用Ar與H26 94%Ar與6%H2混合氣體與6種不同比例氧氣混合。

圖1、圖2是兩張玻璃球火焰膨脹的圖片，由于H2火焰呈淡藍(lán)色，幾乎不可見，所以用氯化鈉溶液制備了點(diǎn)火電極，得到黃色的Na火焰。該制劑不影響氣體混合物的可燃性。因此，所有點(diǎn)燃的火焰都是可見的。

在5L玻璃容器內(nèi)點(diǎn)燃開展試驗(yàn)，通過測(cè)量玻璃容器壓力曲線得到氫爆產(chǎn)生的壓力，每種比例開展三次試驗(yàn)取平均值，測(cè)試溫度為30℃，大氣壓為970mbar。試驗(yàn)所得到壓力曲線如圖3所示。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

IBEXU安全技術(shù)研究所開展試驗(yàn)從空氣中氧氣含量22.1%開始，加入22.1%氧氣，加入100%（94%Ar/6%H2混合氣體），總氣體氫氣含量4.9%，氬氣含量77%，氧氣含量18.1%，擬模擬空氣中其它成分全部被氫氬混合氣替換（實(shí)際低于21%），該工況下爆炸最大壓力達(dá)到570kPa;到氧氣在總氣體含量中達(dá)到23.1%時(shí)已經(jīng)高于空氣中氧氣最高含量，可以模擬空氣中其它成分全部被氫氬混合氣替換（該工況在實(shí)際工況下不會(huì)出現(xiàn)），該工況下爆炸最大壓力達(dá)到520kPa;隨著氧氣含量增加爆炸壓力減小，到氫氣在總體含量4.1%時(shí)壓力最小為290kPa（爆炸極限為4%）。

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在原始工藝氣體H2占比6%，Ar占比94%的固定條件下，氫爆試驗(yàn)產(chǎn)生的壓力基本與混入空氣的氧氣含量成反比，氧氣含量越高，氫爆產(chǎn)生的超壓越低。該試驗(yàn)最大壓力出現(xiàn)在氫氣含量4.9%，氬氣含量77%，氧氣含量18.1%，爆炸氣壓為56kPa。在燒結(jié)爐爐膛內(nèi)的有限空間內(nèi)，上述氣體組分配比為極限情況，即爐膛內(nèi)的氫氣全部參與反應(yīng)，爆炸氣壓達(dá)到最大值。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件的要求燒結(jié)爐爐殼及氣閘能夠在事故工況下承受0.25MPa的超壓，而氫爆產(chǎn)生超壓最大值僅為56kPa，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)壓力。

3? 結(jié)語

經(jīng)過試驗(yàn)析可知，在原始工藝氣體H2占比6%，Ar占比94%的固定條件下氫爆產(chǎn)生的超壓最大值為56kPa，在燒結(jié)爐爐膛內(nèi)的有限空間內(nèi)，上述氣體組分配比為極限情況，即爐膛內(nèi)的氫氣全部參與反應(yīng)，爆炸氣壓達(dá)到最大值，遠(yuǎn)小于燒結(jié)爐設(shè)計(jì)壓力0.25MPa，因此燒結(jié)爐可以承受氫爆產(chǎn)生的壓力，壓力設(shè)計(jì)是保守的，滿足安全要求。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)運(yùn)行時(shí)氫氣濃度提出了要求，應(yīng)嚴(yán)格控制氫氣濃度，因?yàn)闅錃鉂舛瘸^8%爆炸壓力將大幅提升。

參考文獻(xiàn)

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