氨水储罐的火灾和爆炸危险性分析
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环保与安全 石油化工设计
Petrochemical Design 2019，36（1）59 ～ 62
氨水储罐的火灾和爆炸危险性分析
郑 鲜，
孙书松，
周 萍，
周寅驰
（河北寰球工程有限公司，
河北 涿州 072754）
摘要：从常压氨水储罐的气相空间中氨气的体积浓度计算入手，
对浓度为 10% ～ 30% （摩尔分数）氨
水的常压储罐气相空间进行了爆炸危险性分析，
指出在环境温度下，
氨水储罐上部气体中氨的体积浓度
都有可能处于其爆炸极限之间，
易形成爆炸混合物，
此时应按易燃易爆的乙类和防火防爆设计氨水储罐；
另外从本质安全考虑，
采用氮封措施，
使混合气体成为不燃烧无爆炸危险的物质。
关键词：氨水 储罐 分压 体积分数 爆炸极限
doi：10． 3969 /j． issn． 1005 － 8168． 2019． 01． 016
作为一种常用的化学品，
氨水广泛应用于工
业生产中，
它可用作染料，
制药和化工生产的原
料，
也可用于工业尾气和锅炉排烟的脱硫。氨水
为无色透明液体，
有强烈刺激性气味，
不燃烧、
无
爆炸危险，
根据 GB 50016—2014《
建筑设计防火规
范》
［1］，
氨水的生产火灾危险性划分为戊类，
氨水
易挥发，
在正常条件下，
从氨水中挥发的氨气有
毒，
有燃烧和爆炸危险性，
爆炸下限为15． 7% ，
爆
炸上限为 27． 4% ，
氨气的建规火险等级为乙类。
由于氨水本身是不燃烧、
无爆炸危险的液体，
因此氨水储罐的危险性容易被忽视，
近年来，
氨水
储罐发生爆炸事故时有报道。
究竟氨水储罐有没有火灾和爆炸危险性，
笔
者认为，
它与储罐上部空间气体混合物在操作范
围内是否可燃或是否能形成爆炸混合物有关，
若
储罐上部空间气体的浓度超过限定值（即有火灾
爆炸的危险性），
则氨水储存系统的设计需要考虑
防火防爆，
以及有避免形成爆炸混合物的措施。
我国常用的氨水浓度为含氨 15% ～ 25% ，
本
文从常压氨水储罐的气相空间中氨气的体积浓度
计算入手，
对浓度为 10% ～ 30% （摩尔分数，
下
同）氨水的常压储罐气相空间进行了火灾和爆炸
危险性分析，
以对氨水储罐的安全性设计提供理
论指导依据。
1氨水溶液的汽液平衡关系
目前，
我国常见的常压氨水储罐设计如图 1
所示，
储罐除了进出物料所需装置外，
为了维持氨
罐的压力，
储罐设有吸入装置如单吸真空阀和呼
出装置如水封装置。氨罐进料时，
通过连接至水
封罐的排气管道排出一部分气体，
以保持罐内压
力不超过设定值；当出料时，
通过呼吸阀吸入一部
分空气，
以避免氨罐出现真空，
罐的上部气相空间
为氨气、
水蒸气、
空气的混合物。混合物是否具有
爆炸危险性，
需要知道混合物中氨的体积浓度与
氨的爆炸上下限体积浓度的关系。
图1常规的氨水储存系统示意
收稿日期：2018 － 08 － 22。
作者简介：郑鲜，
女，2000 年毕业于河北工业大学化工
工艺专业，
学士，
工程师，
主要从事化工工艺系统设计
工作。联系电话：0312 － 3970972；E － mail：zhengxian
@ hqcec． com
·60 ·石油化工设计 2019 年第1期（第36 卷）
1． 1 温度为零度以上的氨水汽液平衡数据
氨体积浓度与氨分压有关，
氨分压数据则由
氨－水体系的汽液平衡（VLE）关系获得。
氨－水体系是一个高度非理想的体系，
氨与
水两种分子间存在缔合与离子化作用，
很多人对
氨－水体系的 VLE 数据进行了测定和热力学模
型的推算，
相关报道较多，
本文根据
《
石油化工设
计手册》
［2］，
整理出 10% ～ 30% 浓度的氨水，
在
温度为 0 ～ 49 ℃ 时，
氨气和水蒸气的分压，
列于
表1。
由表 1可见：氨水罐氨的分压随温度和浓度
的升高而升高。值得一提的是，
对于 30% 的氨水
罐，
当温度达 27 ℃ 时，
氨的分压就已经接近常压，
实际上，
若常年气温较高，
为减少氨的蒸发损耗，
宜采用低压储存。设计工作者可根据地域气候、
设备投资、
蒸发损耗等综合考虑后确定储罐压力。
本文研究对象为氨水常压储罐，
假设 30% 的氨水
是常压储存。
表1温度为 0 ～ 49 ℃氨气和水蒸气的分压 kPa
氨水浓度（mol），%温度/℃
0． 00 4． 44 10． 00 15． 56 21． 11 26． 67 32． 22 37． 78 43． 33 48． 89
10
15
20
25
20
氨3． 59 4． 55 6． 14 8． 20 10． 48 13． 03 17． 37 22． 06 27． 59 34． 13
水0． 55 0． 75 1． 10 1． 58 2． 21 3． 10 4． 34 5． 86 7． 86 10． 41
氨6． 21 7． 86 10． 34 13． 79 17． 93 23． 03 29． 30 36． 82 45． 85 56． 61
水0． 51 0． 70 1． 03 1． 45 2． 07 2． 90 4． 00 5． 45 7． 38 9． 79
氨10． 41 13． 24 17． 44 22． 13 29． 51 37． 58 47． 44 52． 29 73． 36 90． 25
水0． 48 0． 66 0． 97 1． 38 1． 93 2． 76 3． 79 5． 10 6． 89 9． 17
氨18． 41 21． 79 28． 68 36． 96 47． 37 59． 91 75． 08 93． 28 114． 80 139． 96
水0． 45 0． 61 0． 90 1． 31 1． 79 2． 55 3． 52 4． 75 6． 41 8． 55
氨29． 44 35． 37 45． 71 58． 47 74． 19 93． 22 115． 55 142． 58 173． 81 210． 56
水0． 41 0． 57 0． 83 1． 17 1． 72 2． 34 3． 24 4． 41 5． 93 7． 93
1． 2 温度为零度以下的氨水汽液平衡数据
在冬天，
我国多数地区的气温会降至零度以
下，
目前多数文献对于零度以上的氨 －水体系的
汽液平衡数据的分析较为充分和详尽；但对于零
度以下的汽液平衡数据报道较少，
本文使用 Aspen
模拟分析可得到此类数据。
使用 Aspen7． 3，
物性方法为 ENTＲL － ＲK，
分
析浓度在 10% ～ 30% 的氨水，
温度分别为 － 5、
－ 10、－ 15 和－ 20 ℃ 时氨水二元体系在常压下的
汽液平衡数据列于表 2。
表2不同浓度的氨水在温度为 － 5、－ 10、－ 15、－ 20 ℃时的汽液平衡数据
温度/℃ 氨水摩尔浓度，%总压/ kPa 气相体积分数 分压/ kPa
氨水氨水
10 2． 50 0． 85 0． 15 2． 14 0． 36
15 5． 14 0． 94 0． 06 4． 81 0． 32
－ 5． 00 20 9． 45 0． 97 0． 03 9． 16 0． 28
25 15． 88 0． 98 0． 02 15． 64 0． 24
30 24． 85 0． 99 0． 01 24． 64 0． 20
10 1． 79 0． 86 0． 14 1． 54 0． 25
15 3． 74 0． 94 0． 06 3． 52 0． 22
－ 10． 00 20 6． 96 0． 97 0． 03 6． 76 0． 19
25 11． 82 0． 99 0． 01 11． 66 0． 16
30 18． 68 0． 99 0． 01 18． 54 0． 14
10 1． 27 0． 87 0． 13 1． 10 0． 17
15 2． 68 0． 95 0． 05 2． 53 0． 15
－ 15． 00 20 5． 04 0． 97 0． 03 4． 91 0． 13
25 8． 66 0． 99 0． 01 8． 55 0． 11
30 13． 82 0． 99 0． 01 13． 73 0． 09
10 0． 88 0． 88 0． 12 0． 77 0． 11
15 1． 89 0． 95 0． 05 1． 79 0． 10
－ 20． 00 20 3． 59 0． 98 0． 02 3． 51 0． 08
25 6． 24 0． 99 0． 01 6． 16 0． 07
30 10． 05 0． 99 0． 01 9． 99 0． 06
注：表中氨的气相体积分数为氨 －水二元混合物中的分数。
2019 年第1期（第36 卷）郑 鲜等．氨水储罐的火灾和爆炸危险性分析 ·61 ·
由表2可见：随着温度的降低，
氨的分压逐渐
减小。
2氨水储罐气相空间氨的体积浓度分析
根据氨气和水蒸气的分压，
可算出常压氨水
储罐气相空间氨气、
水蒸气的体积分数：
ＲNH3=PNH3/PTOTAL
ＲH2O=PH2O/PTOTAL
ＲAIＲ = 1 － ＲNH3－ＲH2O
式中：ＲNH3、ＲH2O、ＲAIＲ —
——分别为氨罐内部气相
空间内氮气、
水蒸气、
空气的体积分数，%；PNH3、
PH2O、PTOTAL —
——分别为氨罐内部气相空间内氮
气、
水蒸气、
空气的分压及总压，kPa，
其中总压假
设为 101． 325 kPa。
结合表 1和表 2，
计算得出 0 ℃ 以上和零度以
下氨气、
水蒸气和空气的体积分数，
计算结果列于
表3和表 4。
表3温度为 0 ～ 49 ℃氨水储罐上部空间气体混合物（均为氨气、
水蒸汽和空气）组成 φ，%
氨水浓度（mol），%温度/℃
0． 00 4． 44 10． 00 15． 56 21． 11 26． 67 32． 22 37． 78 43． 33 48． 89
氨3． 54 4． 49 6． 06 8． 09 10． 34 12． 86 17． 14 21． 77 27． 23 33． 68
10 水0． 54 0． 74 1． 09 1． 56 2． 18 3． 06 4． 28 5． 78 7． 76 10． 27
空气95． 92 94． 77 92． 85 90． 35 87． 48 84． 08 78． 57 72． 45 65． 01 56． 04
氨6． 13 7． 76 10． 20 13． 61 17． 70 22． 73 28． 92 36． 34 45． 25 55． 87
15 水0． 50 0． 69 1． 02 1． 43 2． 04 2． 86 3． 95 5． 38 7． 28 9． 66
空气93． 37 91． 56 88． 78 84． 96 80． 26 74． 41 67． 14 58． 28 47． 47 34． 47
氨10． 27 13． 07 17． 21 21． 84 29． 12 37． 09 46． 82 51． 61 72． 40 89． 07
20 水0． 48 0． 65 0． 95 1． 36 1． 90 2． 72 3． 74 5． 03 6． 80 9． 05
空气89． 25 86． 29 81． 84 76． 80 68． 97 60． 19 49． 44 43． 36 20． 80 1． 88
氨18． 17 21． 51 28． 30 36． 48 46． 75 59． 13 74． 10 92． 06
25 水0． 44 0． 61 0． 88 1． 29 1． 77 2． 52 3． 47 4． 69
空气81． 39 77． 89 70． 81 62． 23 51． 48 38． 36 22． 43 3． 25
氨29． 0 34． 91 45． 11 57． 71 73． 22 92． 00
30 水0． 41 0． 56 0． 82 1． 15 1． 70 2． 31
空气70． 54 64． 53 54． 07 41． 14 25． 08 5． 69
注：氨和水蒸气体积分数计算基于常压储罐，
假设储罐内总压力为 1 ATM（1． 013 × 102kPa）。
表4温度为 － 20 ～ － 5 ℃氨水储罐上部空间
气体混合物组成 φ，%
氨水浓度（mol），%温度/℃
－ 5 － 10 － 15 － 20
氨2． 11 1． 52 1． 09 0． 76
10 水0． 36 0． 24 0． 16 0． 11
空气97． 53 98． 23 98． 75 99． 13
氨4． 75 3． 47 2． 50 1． 77
15 水0． 32 0． 24 0． 16 0． 10
空气94． 93 96． 28 97． 34 98． 14
氨9． 04 6． 68 4． 85 3． 46
20 水0． 28 0． 19 0． 13 0． 08
空气90． 68 93． 14 95． 02 96． 45
氨15． 43 11． 50 8． 44 6． 08
25 水0． 24 0． 16 0． 11 0． 07
空气84． 33 88． 34 91． 46 93． 85
氨24． 32 18． 30 13． 55 9． 86
30 水0． 20 0． 14 0． 09 0． 06
空气75． 48 81． 57 86． 36 90． 08
注：氨和水蒸气体积分数计算基于常压储罐，
假设储罐内总压
力为 1 ATM。
由表3和表 4可知：混合物中氨的体积分数
随温度和氨水浓度的增大而增大。
当氨与空气混合时，
氨的爆炸下限为 15． 7% ，
上限为 27． 4% ，
一般来说，
水蒸气的存在会使氨的
爆炸极限范围缩小，
但由表 3、
表4可以看出：水蒸
气的体积分数很小，
故不考虑水蒸气对氨爆炸危
险性的影响。
为更直观的观察数据，
根据表 3和表 4，
以温
度为横坐标，
氨体积分数为纵坐标，
绘制不同浓度
的氨水的氨体积分数随温度变化的曲线，
同时将
氨的爆炸下限（15． 7% ）和爆炸上限（27． 4% ）一同
绘制在坐标系中，
如图 2所示。
图2不同浓度氨水罐气相空间氨体积分数
随温度变化曲线
·62 ·石油化工设计 2019 年第1期（第36 卷）
由图2可看出：在温度为 － 20 ～ 49 ℃ 时，
不同
浓度的氨水，
在不同的温度区间内，
氨的体积浓度
都有可能处于其爆炸极限之间，
氨水浓度越高，
气
相空间处在氨的爆炸极限范围内所对应的温度越
低。
对于不同浓度的氨水罐，
其气相空间混合物在
氨的爆炸极限范围内所对应的温度列于表 5。
表5氨水罐气相空间混合物在氨的爆炸极限
范围内所对应的温度
氨水摩尔浓度，%10 15 20 25 30
爆炸极限所对应的 上限44． 0 30． 0 20． 0 9． 0 － 1
温度/℃ 下限30． 0 18． 5 7． 0 － 5． 0 － 13． 0
需要说明的是，
爆炸极限所对应的温度不是
固定不变的，
它与储罐的操作压力有关，
也会随着
环境大气压的波动而波动，
例如，
对于 25% 的氨
水，10 ℃ 时氨的浓度为 28． 3% （v），
大于爆炸上
限，
但当储罐操作压力升高，
大于 105 kPa 时，
氨的
浓度变为 27． 3% ，
小于爆炸上限。
参考文献：
［1］GB 50016—2014 建筑设计防火规范
［S］．北京：中国计划出
版社，2014．
［2］王松汉．石油化工设计手册 第 1卷 石油化工基础数据
［M］．北京：化学工业出版社，2002：
檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼
683 － 686．
（上接第 58 页）
媒炉炉体外壁的结构情况，
建议在立管合适的位
置增加 2个导向支架［
见图 5（b）］。将此调整方
案数据输入程序，
再次进行核定计算可知，
管系各
工况下的应力均能满足要求，
同时法兰泄漏校核
也满足要求，
由此证明该方案可行。
3结语
作为为中心处理站提供热源的重要设备，
热
媒炉进出口管道工作的温度较高，
为使其能安全
平稳的运行，
应对其主要进出口管道进行详细的
应力分析校核。由于热媒炉是作为一个撬块进行
整体采购，
此项工作一般应由厂家完成。但本项
目前期与供货商签署了一个会议纪要，
撬块内的
支架荷载由供货商提供，
而支架型式由 EPC 方设
计，
致使本项工作的界面不清；最终导致了热媒炉
现场安装完成后，
才发现其管道配置不合理。本
文通过对国外某项目热媒炉撬内管道现场优化方
案的研究，
得出的经验是：
1）在前期与供货商签署技术协议时，
应特别
注明管道的应力分析校核工作由甲方还是乙方完
成，
以明确工作量；避免出现应力超标和法兰泄
漏。
2）对于热媒炉管道地面部分，
应在控制阀组
以及管道的合适位置设置导向支架和限位支架，
以提高管道的稳定性。
3）对于此类高温立式设备，
当设置有较高的
立管时，
在初始设计阶段，
应考虑在立管段合适位
置设置弹簧支吊架，
以降低管道二次应力和管口
荷载。
4）为提高立管段管道抵抗风荷载的能力，
应
合理设置导向支架。
5）由于热媒炉管系结构的特殊性，
在进行应
力分析时，
必须将热媒炉内外的管系同时考虑。
参考文献：
［1］唐永进．压力管道应力分析
［M］． 2 版．北京：中国石化出
版社，2010．
［2］岳进才．压力管道技术
［M］． 2 版．北京：中国石化出版社，
2006．
ｔｈｅ
ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ
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ｍｅｄｉｕｍ
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［
５９
］
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Ｈｅｂｅｉ
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Ｚｈｕｏｚｈｏｕ
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Ｈｅｂｅｉ
，
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］
Ａｂｓｔｒａｃｔ
：
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ｅｘ
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ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ
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ｓｈｏｕｌｄ
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ｔｏ
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ｔｈｅ
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ｌｏｓｉｏｎ
ｈａｚａｒｄｓ．
Ｋｅ
ｙ
ｗｏｒｄｓ
：ａｍｍｏｎｉａ
；ｓｔｏｒａ
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ｅ
ｔａｎｋ
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ａｒｔｉａｌ
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ｒｅｓｓｕｒｅ
；
ｖｏｌｕｍｅ
ｆｒａｃｔｉｏｎ
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ｌｉｍｉｔ
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ＡＮＤ
ＴＥＳＴ
ＯＦ
ＣＡＢＩＮＥＴ
ＦＯＲ
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ＥＸＰＬＯＳＩＯＮ
ＣＯＮＴＲＯＬ
ＳＹＳＴＥＭ
ＩＮ
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ＣＨＥＭＩＣＡＬ
ＰＬＡＮＴ
［
６３
］
Ｃｈｉ
Ｊｕｎ
（
ＰｅｔｒｏＣｈｉｎａ
Ｌｉａｏ
ｙ
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Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｃｏｍ
ｐ
ａｎ
ｙ
，
Ｌｉａｏ
ｙ
ａｎ
ｇ
，
Ｌｉａｏｎｉｎ
ｇ
，
１１１０００
）
Ａｂｓｔｒａｃｔ
：Ｔｈｉｓ
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ａ
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ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ
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ｐ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ
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ｌｏｓｉｏｎ
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ｃｏｎｔｒｏｌ
ｃａｂｉｎｅｔ
彩页索引
封１
诚达科技
封２
天华化工机械及自动化研究设计院有限公司
封３
中国石化工程建设有限公司
封４
湖北长江石化设备有限公司
前彩插
彩插１
浙江天德泵业有限公司
彩插２
黄山工业泵制造有限公司
彩插３
江苏亚太工业泵科技发展有限公司
彩插４
苏州安特威阀门有限公司
彩插５
维都利阀门有限公司
彩插６
浙江派沃自控仪表有限公司
彩插７
北京航天长征机械设备制造有限公司
彩插８
国家干燥技术及装备工程技术研究中心
彩插９
浙江久立特材科技股份有限公司
彩插１０
烟台龙港泵业股份有限公司
彩插１１
上海科科阀门集团有限公司
彩插１２
北京三聚环保新材料股份有限公司
彩插１３
诚达科技
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诚达科技
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诚达科技
彩插１６
广东肯富来泵业股份有限公司
彩插１７
无锡力马化工机械有限公司
彩插１８
四川天一科技股份有限公司
中彩插
中插１
湖南安淳高新技术有限公司
中插２
青岛新力通工业有限责任公司
ＡＢＳＴＲＡＣＴＳ ＰＥＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ
ＤＥＳＩＧＮ
Ｓｔａｒｔｅｄ
Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ
ｉｎ
１９８４．Ｑｕａｒｔｅｒｌ
ｙ
．２５Ｆｅｂ．２０１９Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．１·Ⅳ·
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»·±£Óë°²ȫʯÓÍ»¯¹¤Éè¼ÆPetrochemicalDesign2019£¬36(1)59～62°±Ë®´¢¹ÞµÄ»ðÔֺͱ¬Õ¨Î£ÏÕÐÔ·ÖÎö֣ÏÊ£¬ËïÊéËÉ£¬ÖÜƼ£¬ÖÜÒú³Û(ºÓ±±å¾Çò¹¤³ÌÓÐÏÞ¹«Ë¾£¬ºÓ±±äÃÖÝ072754)ժҪ:´Ó³£Ñ¹°±Ë®´¢¹ÞµÄÆøÏà¿Õ¼äÖа±ÆøµÄÌå»ýŨ¶È¼ÆËãÈëÊÖ£¬¶ÔŨ¶ÈΪ10%～30%(Ħ¶û·ÖÊý)°±Ë®µÄ³£Ñ¹´¢¹ÞÆøÏà¿Õ¼ä½øÐÐÁ˱¬Õ¨Î£ÏÕÐÔ·ÖÎö£¬Ö¸³öÔÚ»·¾³Î¶ÈÏ£¬°±Ë®´¢¹ÞÉϲ¿Æ...
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