MOX項目連續燒結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：連續燒結爐是實現MOX生坯芯塊熱處理的設備，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區中實現芯塊的燒結，氫氬混合氣中氫氣的含量約為6%，存在爆炸風險。本文通過試驗驗證的方式進行連續燒結爐氫爆安全分析，通過氫爆試驗表明，氫氣含量為6%時，氫氬混合氣爆炸壓力的超壓最大值為56kPa，該數值也遠小于設計壓力，因此燒結爐可以承受氫爆產生的壓力，壓力設計是保守的，滿足安全要求。

關鍵詞：MOX連續燒結爐? 氫爆試驗? 試驗驗證? 安全分析

中圖分類號：X932? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：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連續燒結爐是實現MOX生坯芯塊熱處理的設備，燒結爐是模塊化的，分為不同的區，主要有預燒結區、燒結區、冷卻區及其冷卻通道延伸部分，配有各個容器，在容器內發生相應的活動。燒結爐長5.7m，燒結爐直徑960mm，燒結通道高度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，燒結單元是密封的，可防止钚顆粒的擴散[1]。燒結爐設計有通排風系統正常工況下廠房換氣5次/h，廠房安裝的氫氣報警系統在氫氣濃度達到爆炸濃度前即報警，屆時將加大通風量，事故工況下換氣次數調整到12次/h，同時停止氫氬混合氣體供應，以上操作均設計有連鎖和手動操作，廠房爆炸風險較小。

燒結爐本體是氫爆主要危險源，本報告通過燒結爐本體氫爆試驗驗證的方式進行連續燒結爐氫爆安全分析。

1? 爆炸機理及爆炸極限

爆炸是能量快速釋放的過程，可燃氣體的爆炸本質上是可燃氣體與空氣（氧氣）的快速氧化反應，屬于化學爆炸。

對燃料與空氣的混合物，在通常情況下點火后都以爆燃的形式傳播的，但在一定的條件下火焰就會產生加速[1]。預混的可燃氣體混合物被點燃后，火焰以層流的方式開始傳播，但在火焰傳播的過程中，由于水力學不穩定性等因素使火焰表面產生褶皺，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。在活性相對較低的碳氫混合物燃燒過程中，火焰的不穩定性對火焰傳播的作用會受到沖擊波的限制。火焰傳播過程進一步的加速只有在合適的剛性邊界條件下才會發生，因為剛性的邊界會誘導膨脹流的內部產生速度梯度和湍流的動機。當燃燒過程接觸到膨脹流的內部時，局部的燃燒速率會在幾個方面有所增加。在速度梯度里火焰會被拉伸，從而增加火焰面積和有效燃燒速度。湍流不僅會增加熱傳遞過程。而且會增加有效的火焰面積，即增大未燃燒的混合物和燃燒產物之間的界面面積。剛發生湍流時，湍流強度較低，漩渦只會褶皺火焰表面和增加火焰的有效燃燒速度，當燃燒速度增加后，將會產生一個更強的膨脹流，強的膨脹流又會導致流速增加，而高的流速又將加大湍流的強度，在高強度的湍流影響下，火焰會逐漸失去它原來光滑的表面，內部也發生變化。于是湍流的漩渦又傾向于分裂火焰前驅，從而導致一個更高的燃燒速率，高的燃燒速率將又會產生更強的膨脹流和湍流。這樣，就形成了火焰加速的正反饋機理[2]。

當火焰加速到一定程度時，在適當的條件下會發生突發性的轉化，即從爆燃模式轉化為爆轟模式，這個轉化的過程被稱為DDT（Deflagration to Detonation Transition）。對于高活性可燃氣體混合物，如乙炔與空氣、氫氣與空氣等極易發生DDT現象，而一些中度活性的可燃氣體混合物在適當條件下也會發生DDT現象[3]。

易燃液體的蒸氣、可燃氣體、可燃性粉塵和纖維等與空氣組成的混合物都有一個爆炸濃度下限（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氣體與空氣混合不會發生爆炸。爆炸極限一般用可燃性氣體在混合物中的體積百分數來表示，有時也用混合物單位體積中含可燃物質的質量（g/m3）來表示[4]。

可燃氣體的爆炸極限不一定是一個定值，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。可燃氣體系統原始溫度升高，則其系統的分子內能增加，使得爆炸的范圍變大;原始壓力升高，系統內分子間距變小，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，使得系統內氧化劑含量相對減少，爆炸范圍也就隨之變窄[5]。

氫氣濃度為8%時，爆炸可能性最大，空氣量使得混合氣體比例達到總體積的34%時，爆炸可能會發生。隨著氫氣濃度的增大，爆炸極限區間范圍越寬，爆炸發生的可能性越高。

2? 氫爆試驗

2.1 試驗主要設備

爆炸壓力的測定是在5L的玻璃球中進行，根據ASTM標準國際指定：E 681-04“化學品（蒸汽和氣體）燃燒極限濃度的標準試驗法進行的[6]。玻璃球被氣體混合物淹沒至少15min。一個感應的火花能夠被點燃在靜態混合氣體狀態下（感應火花能量約為9J），并觀察火焰是否能夠在容器中獨立傳播，同時用一個0.5mm NiCr-Ni熱電偶進行玻璃球內溫度測量。爆炸壓力的測量使用一個安裝在容器金屬蓋上得防泄漏的kistler壓力傳感器進行的。玻璃球上都有蓋子，通常只是在釋放壓力時打開，但是在這些特殊的試驗中，玻璃球中的蓋子是密封的。

2.2 氫爆試驗

燒結爐工作氣體為94%的Ar和6%的H2為混合氣體，當空氣中氫氣體積含量超過4%時可能發生氫爆危險，為證明燒結爐殼可承受氫氣爆炸破壞，需要開展氫氣爆炸試驗。開展體積比為94∶6的混合氣體氫爆試驗，試驗采用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火焰呈淡藍色，幾乎不可見，所以用氯化鈉溶液制備了點火電極，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，所有點燃的火焰都是可見的。

在5L玻璃容器內點燃開展試驗，通過測量玻璃容器壓力曲線得到氫爆產生的壓力，每種比例開展三次試驗取平均值，測試溫度為30℃，大氣壓為970mbar。試驗所得到壓力曲線如圖3所示。

2.3 試驗數據分析

IBEXU安全技術研究所開展試驗從空氣中氧氣含量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（實際低于21%），該工況下爆炸最大壓力達到570kPa;到氧氣在總氣體含量中達到23.1%時已經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（該工況在實際工況下不會出現），該工況下爆炸最大壓力達到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%時壓力最小為290kPa（爆炸極限為4%）。

根據以上試驗數據可知，在原始工藝氣體H2占比6%，Ar占比94%的固定條件下，氫爆試驗產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，氫爆產生的超壓越低。該試驗最大壓力出現在氫氣含量4.9%，氬氣含量77%，氧氣含量18.1%，爆炸氣壓為56kPa。在燒結爐爐膛內的有限空間內，上述氣體組分配比為極限情況，即爐膛內的氫氣全部參與反應，爆炸氣壓達到最大值。

根據設計文件的要求燒結爐爐殼及氣閘能夠在事故工況下承受0.25MPa的超壓，而氫爆產生超壓最大值僅為56kPa，遠小于設計壓力。

3? 結語

經過試驗析可知，在原始工藝氣體H2占比6%，Ar占比94%的固定條件下氫爆產生的超壓最大值為56kPa，在燒結爐爐膛內的有限空間內，上述氣體組分配比為極限情況，即爐膛內的氫氣全部參與反應，爆炸氣壓達到最大值，遠小于燒結爐設計壓力0.25MPa，因此燒結爐可以承受氫爆產生的壓力，壓力設計是保守的，滿足安全要求。試驗結果對運行時氫氣濃度提出了要求，應嚴格控制氫氣濃度，因為氫氣濃度超過8%爆炸壓力將大幅提升。

參考文獻

[1] 田莉.受限空間內氫氣/甲烷/空氣混合物爆炸特性及抑爆研究[D].杭州：中國計量大學，2019.

[2] 李艷超.氫氣火焰失穩傳播與爆炸壓力的耦合影響機制研究[D].大連：大連理工大學，2019.

[3] 姜程山.氫氣的爆炸極限抑制研究[D].濟南：山東建筑大學，2017.

[4] 劉金彪.可燃氣體混合均勻性對其爆炸特性的影響研究[D].太原：中北大學，2018.

[5] 韋一.甲烷、丙酮和正庚烷爆炸特性的實驗研究[D].鎮江：江蘇大學，2020.

[6] 劉亞朝.旋轉滴流床反應器的流體力學特性及催化加氫反應研究[D].北京：北京化工大學，2020.