摘 要

随着化学工业的日益发展，国内外的有毒气体的泄漏和火灾爆炸事故也是频繁发生，而国内外研究者大都只研究火灾和毒性气体泄漏单一情况，对火灾-泄漏耦合作用下有毒气体浓度场的分布研究相对较少。因此本文拟在以氩气代替有毒气体的条件下，研究火灾-泄漏耦合作用下有毒气体的扩散规律。通过搭建火灾-泄漏耦合实验平台并设置不同的火源热功率、有毒气体的泄漏速度，分别研究泄漏场景下有毒气体的扩散规律以及火灾-泄漏耦合场景下有毒气体的扩散规律，并对实验结果进行分析和对比，得到火羽流对有毒气体扩散的影响，研究可为危险区域的划分及事故应急处理提供理论依据。

1. 泄漏条件下，氩气主要沿着地面快速向前扩散。随着氩气泄漏速度的增加，各监测点监测到氩气的时间逐渐缩短，氩气体积分数逐渐增大。

（2）火灾-泄漏耦合条件下，火灾产生的高温和热气流以及火羽流的卷吸作用对氩气的扩散造成一定的阻隔，会减缓氩气向前扩散，从而使氩气的浓度场发生显著变化。随着氩气泄漏速度的增加，各监测点监测到氩气的时间逐渐缩短，氩气体积分数逐渐增大；随着油盆尺寸的增加，各监测点监测到氩气的时间逐渐增长，氩气体积分数逐渐减小。

关键词：火灾-泄漏耦合；火羽流；氩气浓度场；扩散规律

Abstract

With the increasing development of chemical industry, the leakage of toxic gases and fire explosion accidents occur frequently. However, most researchers at home and abroad just study the effects of fire or toxic gas leakage, the coupling effect of fire and gas leakage is rarely investigated. Therefore, this paper intends to study the diffusion law of toxic gases under fire-leakage coupling using argon as the leaking gas. The experiments are conducted in the fire-leakage coupling experimental platform and various fire power and leakage velocity are setted. The diffusion law of toxic gas in the scenes of leakage and fire-leakage coupling are studied respectively. The influence of fire plume on the diffusion of toxic gas is obtained. The research can provide a theoretical basis for the division of dangerous area and emergency treatment of accidents.

(1)Under the condition of leakage, argon diffuses rapidly along the ground. As the increase of argon leakage rate , the time for monitoring the argon gas at each monitoring point gradually decreased, and the argon concentration keeps rising.

(2)Under the fire-leakage coupling condition, the high temperature as well as the entrainment of the fire plume cause a certain barrier to the diffusion of argon gas, which will slow down the argon diffusion. As a result, the argon concentration changes significantly. With the increase of argon leakage rate, the time of monitoring argon gas at each monitoring point is gradually shortened, and the concentration of argon keeps rising. As the size of the oilpan increases, the time of monitoring argon gas gradually reduces at each monitoring point. The gas concentration gradually increases.

Keywords：Fire-leakage coupling; Fire plume; Argon concentration field; Diffusion law

目 录

第1章 绪论 5

1.1研究背景及意义 5

1.2研究目的和内容 6

1.3国内外研究现状 6

1.4存在的问题 7

第2章 典型有毒气体及重气扩散理论分析 9

2.1工业生产典型有毒气体 9

2.2重气扩散理论 9

2.3重气扩散的影响因素 9

2.4重气泄漏量的计算 10

2.5用氩气替代有毒气体进行实验的可操作性 11

2.6用正庚烷作为燃料的可操作性 12

第3章 实验设计 13

3.1实验平台的设计 13

3.2实验装置及简介 14

3.2.1气体泄漏装置 14

3.2.2燃烧装置 14

3.2.3温度测量装置 15

3.2.4氩气测量装置 15

3.3实验条件 16

3.4实验步骤及要求 17

第4章 实验结果分析与讨论 19

4.1氩气泄漏条件下的实验结果与分析 19

4.2火灾-泄漏耦合条件下的氩气浓度分布 21

4.2.1耦合条件下泄漏速度对氩气浓度分布的影响 21

4.2.2耦合条件下油盆尺寸对氩气浓度分布的影响 24

第5章 总结 27

5.1结论 27

5.2不足和展望 27

参考文献 29

致谢 31

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

随着现代化工企业的装置日趋密集,设备日趋庞大,管线愈趋复杂,毒性气体在贮存、运输、生产等环节出现泄漏的概率也大大提高,在泄漏发生的瞬间,会对环境、社会、人群造成远超出正常排放时的危害,短时的危害十分严重^[1]。国内外因毒气泄漏而导致的人员伤亡、财产损失事件也屡见不鲜。例如，1984年12月3日，联合碳化物（印度）有限公司设于博帕尔市的一所农药厂发生严重的氰化物泄漏事故，共造成了57.5万人死亡，20多万人永久残废。2016年4月1日，邯郸市大名县常马庄村北化工厂发生毒气泄露，造成3人死亡，3人受伤。2017年8月6日，东营奥星石油化工有限公司发生硫化氢气体泄漏事故，造成2人死亡^[2]。2018年1月31日，贵州省六盘水市首钢水城钢铁有限责任公司能源公司发生一起煤气泄漏中毒较大事故，造成9人死亡、2人受伤。

在化工企业潜在的安全隐患中，火灾也是一种极具破坏力的灾害。它不仅会对设备和建筑物产生损坏，还会造成人员伤亡^[3]。由于化工厂大多生产和储存一些易燃易爆的有毒危化品，因此一旦火灾事故发生时，大火会迅速扩散蔓延，同时毒气的存在也加重了事故救援的负担。

据世界火灾中心统计，全世界每年约发生600-700万起火灾事故，造成65000-75000人死亡^[4]。近几年来国内外也发生了不少火灾事故。例如，1997年6月27日，北京市东方化工厂乙烯储罐发生特大火灾爆炸事故^[5]，事故共造成9人死亡，37人受伤，20余座装有化工原料的球罐被毁，直接经济损失达1.17亿元^[6]。2006年8月7日，天津市宜坤精细化工有限公司发生火灾和爆炸事故，造成10人死亡。2012年2月28日，河北石家庄赵县生物产业园的河北克尔化工有限公司一号车间发生爆炸，共造成25人死亡、4人失踪、46人受伤^[7]。2015年8月12日，天津市滨海新区天津港的瑞海公司危险品仓库发生严重的火灾爆炸事故，造成165人遇难、8人失踪，798人受伤，是近年来国内发生的最大的一起火灾爆炸事故。

火灾事故和有毒气体泄漏事故屡见不鲜，但更多时候火灾和毒气泄漏事故是同时发生的，两者的同时存在极大增加了事故的危险性。2006年6月28日，甘肃省兰州石化有限公司某炼油厂的工人在检修过程中发生液态烃泄漏事故，由于泄漏压力较大，冷凝器发生爆炸并引发火灾^[8]。事故造成炼油厂生产设备严重损坏，造成1人死亡、10多人受伤。2010年7月28日，南京塑料四厂拆迁工地丙烯管道被施工人员挖断，泄漏后发生爆炸，导致至少22人死亡，120人受伤。2011年6月21日，山西省长治市郊区的一化工厂由于建筑施工导致二硫化碳管道破裂发生泄漏事故。泄漏出来的二硫化碳迅速扩散到整个厂区并引发大火，事故造成8人死亡，2人受伤。2013年6月3日，吉林省长春市宝源丰禽业有限公司工厂二车间内的配电室由于线路老化发生短路引发火灾并蔓延到液氨制冷机房中，引发氨气泄漏^[9]。事故造成121人死亡，76人受伤。2018年11月28日，河北省盛华化工有限公司门口爆炸事故，工厂中存放的氯乙烯气柜发生泄漏，泄漏后的氯乙烯迅速扩散到厂区外，遇到明火发生爆燃，共造成23人死亡，22人受伤。

虽然现代化工企业都有着严格的安全管理制度和体系，但是毒气泄漏和火灾一旦发生导致的人员伤亡、财产损失和生态环境破坏都难以估量。为此各国的专家学者都做出了各种努力，对毒气泄漏和火灾的各方面进行研究，以减少化工企业的火灾毒气泄漏事故带给人们的恐慌和社会负面效应。

本文拟通过搭建火灾-泄漏耦合实验平台分别对实验室毒气泄漏和火灾-泄漏耦合环境进行了实验探究。分析对比了泄漏条件下和火灾-泄漏耦合条件下氩气泄漏速度、油盆尺寸、等影响因素对氩气扩散的影响规律。危化品泄漏通常会引发火灾、爆炸等事故，本文通过研究火灾-泄漏耦合作用下典型毒性气体的扩散规律，为化工企业的安全生产和复杂灾害环境下的事故应急救援提供了依据。

1.2研究目的和内容

火灾与毒性气体泄漏是日常生活中两种常见的事故模式，为了研究火灾-泄漏耦合条件下的毒性气体扩散规律，搭建实验室火灾条件下有毒气体泄漏扩散实验平台，通过设置不同参数并分析其结果，得到相应的扩散规律，对危险区域的划分及事故应急处置提供了理论依据。

本文主要研究内容分为以下2个部分

1、实验了解火羽流的各项基本特征参数，如火焰高度，温度，脉动频率等

2、建立火灾-泄漏耦合实验平台，利用惰性气体代替典型有毒气体进行火羽流对气体扩散的实验研究，通过分析各种工况下的有毒气体浓度的分布，研究火灾条件下有毒气体的泄漏扩散规律并分析其影响机制。

1.3国内外研究现状

化工企业有毒气体的泄漏事故会造成非常严重的后果，为了减少此类事故的发生，世界各个国家都投入了大量的人力物力，展开了一系列相关的重气泄漏扩散试验的科学研究。

国外对重气泄漏扩散的试验研究相对较早，相继开展了多次全尺寸重气泄漏扩散实验，分别对不同泄漏条件、不同泄漏物质的重气扩散进行了分析，取得了大量的研究成果，为深入研究重气的扩散机理和数学模型奠定了基础。KoenigLanglo^[10]教授率先对建筑物中的重气扩散进行了实验探究，得到了重气在有风和无风条件下的浓度扩散分布规律。Santos和Mavroidis^[11]在美国盐湖的Dugway试验场中以六氟化硫为研究对象进行了重气泄漏扩散实验，分析了机械通风以及房间门关闭条件下的重气泄漏扩散轨迹。研究发现，当室内房间关闭时，房间内各的重气浓度增长缓慢；当室内的通风方式为机械通风时，房间内各监测点的重气浓度分布更加均匀。ShihY^[12]等人对房间内重气泄漏扩散分别进行了数值模拟和实验探究，通过对比二者的结果，发现数值模拟的结果与实验数据刚好吻合，证明了实验数据的准确性以及可靠性。

国内对于重气扩散的研究虽然起步较晚，但目前也取得了很多的研究成果。王淑兰^[13]教授对包括氯气、丙烯在内的多种化工有毒气体进行了试验，探究了环境温度、风速、重气密度等条件下的重气泄漏扩散轨迹，得到了重气扩散的相关规律。姜传胜^[14]等学者也将重气泄漏扩散的实验结果和SLAB模型的计算分析结果进行了对比，分析了二者之间的差异以及各自在重气泄漏扩散研究中的优缺点。秦颂^[15]等人依据相似性原理，对盐水在清水中的扩散进行了水槽试验。通过观察盐水在清水中的扩散轨迹来模拟重气的泄漏扩散过程。王志荣^[16]等人通过建立二氧化碳重气泄漏扩散实验平台，研究了二氧化碳的泄漏速率、障碍物、风速等条件对重气泄漏扩散的影响。南京工业大学的蒋成军教授^[17]以二氧化碳为研究对象，探究重气在房间内的泄漏扩散过程。研究发现，随着二氧化碳泄漏量的增加，地面附近的重气含量比较大，同时重气在竖直方向上升的速度也比较快，而高空区域的重气浓度受影响较小。

1.4存在的问题

国内外学者针对有毒气体泄漏扩散浓度场的分布规律已经进行了深入的研究并取得了大量的科研成果，但也存一些问题有待更深入的研究：前人多是对单一火灾条件或单一泄漏条件进行研究分析，而少有对火毒耦合条件下的气体扩散规律及相互影响规律进行研究。

第2章 典型有毒气体及重气扩散理论分析

2.1工业生产典型有毒气体

随着工业生产现代化以及科技的不断发展，越来越多的物质被人们所了解发掘和利用，但在这个过程中，也有越来越多的毒性物质的出现，人类并不能完全控制，这些物质便成了一颗颗“定时炸弹”，时刻威胁着人类的生命安全。在目前的科研水平来看，常见的毒性气体大致可分为刺激性气体和窒息性气体两类。刺激性气体，是指会对眼和呼吸道粘膜产生刺激作用的气体，最常见的有氯气、氨气、氟化氢、二氧化硫等等。窒息性气体，是指会造成机体缺氧窒息的有毒气体，如氮气、甲烷、乙烯、一氧化碳、硫化氢等。由此可见，大部分的有毒气体的密度都大于空气，因此本文仅对密度大于空气的气体作研究。

2.2重气扩散理论

重气是指泄漏到大气中以气态或者气溶胶状态存在的密度比空气大的准气态物质,如氯气、液氨、丙烷、H₂S、H₂F等^[18]。与正浮力气体以及中性气体的被动扩散不一样的是,重气扩散受到重力的作用较大。在重力的作用下,重气会向着地面方向下降,形成重气云团，并沿地表扩散^[19]。重气云团在扩散过程中有以下4个阶段的变化。

1. 重力沉降阶段。云团与周围空气之间存在的密度差，会导致重气塌陷,进而引起重力云团径向尺寸增大，云团厚度降低。
2. 空气卷吸阶段。重力云团吸入外界干净空气，导致气云体积膨胀,同时气云浓度降低。
3. 云团加热阶段。由于初始泄漏云团与周围环境之间存在温度差异,云团会从周围环境中吸收热量。
4. 向非重气扩散转变阶段。经过一段时间的冲淡稀释和扩散,云团的密度由于温度升高或者浓度降低而逐渐接近外界。

2.3重气扩散的影响因素

影响重气扩散的因素有很多,根据实际泄漏情况和目前国内外对重气扩散现象的研究情况,归纳为下列几个方面。

1)初始释放状态。初始释放状态包括泄漏物质存储的压力和温度，泄漏面积，泄漏形式(瞬时泄漏或连续泄漏)，泄漏物质的比重（重气与空气分子量之比为比重）等,这些因素都会对重气在大气中的扩散产生极大的影响^[20]。压力会直接影响物质的泄漏速度。温度会影响物质释放后的闪蒸气化速率。重气云团的比重越大，扩散前期受重力作用的影响就越大，重气云团向非重气云团转化的时间就越长^[21]。

2)风向和风速。风向决定了泄漏气体扩散的主要方向,大部分泄漏气体沿着下风向扩散^[22]。下风向各处气体的浓度会随着风速大小的变化而变化。风速较小时,下风向各处气体浓度较大；风速较大时,下风向各处气体浓度较小。

3)环境温度。环境温度直接影响重气云团的温度及其转变为非重气的时间。

4)地形、地面障碍物。重气在沿地表扩散的过程中遇到障碍物时，障碍物会对气体扩散产生较大的阻碍作用。重气会在迎向障碍物的方向聚集沉降，形成高浓度区，且维持时间较长^[23]。

5)空气湿度。空气湿度主要通过改变空气的密度来影响重气转变为扩散气云的时间以及影响气云与外界环境之间的热量交换。

2.4重气泄漏量的计算

由于本文所使用的气体为氩气，密度比空气大，且氯气也是典型有毒气体的一种，所以以氯气为例来探究重气泄漏量的计算。

当管道由于生锈、腐蚀等因素发生小孔泄漏后，管道内泄漏出来的氯气的膨胀过程可以看成等熵值过程，由于管道中的泄漏压力相对较大，因此氯气的泄漏速率等于泄漏起始速率。在计算泄漏量时应判断其流动方式是音速流动还是亚音速流动。当泄漏气体以音速流动时成为临界流量，当泄漏气体以亚音速流动时成为亚临界流量。用CPR（临界压力比）来判断氯气的泄漏速度。

（2-3）

当时，氯气的泄漏为临界流量泄漏；当时，氯气的泄漏为亚临界流量泄漏。