Analysis of Fire and Explosion Properties of LNG

• Autorzy: Półka Marzena , Piec Robert , Olcen Dariusz

Identyfikatory

DOI

10.12845/sft.58.2.2021.4

Warianty tytułu

PL

Analiza właściwości pożarowych i wybuchowych LNG

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

Aim: The aim of this article is to analyse fire and explosion properties of LNG along with the identification of hazards that may arise during emergency incidents involving it. The article is based on an analysis of the available literature and a full-scale experimental study involving a 200-liter LNG tank leading to a jet fire. Introduction: Safe use and proper transport of flammable and harmful substances, together with the analysis of the effects of threats, enable the reduction of the number of accidents and provide possible conditions for the evacuation of people and property in a hazard zone. The compilation and systematization of knowledge on the safe use of the environmentally friendly LNG fuel will allow for an increase in the scope of its use. It is consistent with the state’s sustainable development policy consisting in identifying threats or adjusting technical solutions that minimize losses in transport or industry. Methodology: There are many legal acts in the world regarding safe storage and transport of LNG. One of the most important is Directive 2012/18/EC known as “Seveso III”. This document contains requirements for the prevention of major accidents involving hazardous substances – including LNG – and ways to reduce their negative effects on human health and the environment. Relevant requirements have also been specified in standards, tests, articles and other international acts, including in the European agreement on the international carriage of dangerous goods by road (the so-called ADR Agreement). The article compares flammable and explosive parameters of LNG. Possible scenarios occurring during the release and ignition of the LNG vapour cloud have been shown. The change of pressure of LNG vapour in the 200 l tank as a function of its heating time in the burning spill of a mixture of gasoline and diesel fuel is presented. In such a thermal exposure, a jet fire with a flame length of up to 5 meters was obtained. Conclusions: The proper use of flammable gases should be a priority in ensuring fire and explosion safety in facilities, during transport, etc. Hence, recognizing the threats and comparing them, or matching technical solutions that minimize the effects of LNG failures will allow active inclusion of knowledge in this field in the process of protection against fire and explosion. In case of LNG storage, attention should be paid to the types of materials in the immediate vicinity of this liquefied gas in order to have sufficient mechanical properties at the lowest liquefied gas temperature.

PL

Cel: Celem artykułu jest analiza właściwości pożarowych i wybuchowych LNG wraz z określeniem zagrożeń, które mogą pojawić się podczas zdarzeń awaryjnych z jego udziałem. Artykuł opiera się na analizie dostępnej literatury oraz badaniu eksperymentalnym w pełnej skali z udziałem zbiornika LNG o pojemności 200 litrów doprowadzającego do powstania pożaru strumieniowego (ang. jet fire) Wprowadzenie: Bezpieczne stosowanie oraz właściwy transport substancji palnych i szkodliwych wraz z analizą skutków zagrożeń umożliwiają zmniejszenie liczby awarii i dostarczają możliwe warunki do ewakuacji osób oraz mienia znajdujących się w strefie zagrożenia. Zestawienie i usystematyzowanie wiedzy dotyczącej bezpiecznego stosowania paliwa LNG przyjaznego dla środowiska pozwoli na zwiększenie zakresu jego wykorzystania. Jest to spójne z polityką zrównoważonego rozwoju państwa polegającą na identyfikacji zagrożeń czy dopasowaniu rozwiązań technicznych minimalizujących straty w transporcie lub przemyśle. Metodologia: Na świecie istnieje wiele aktów prawnych dotyczących bezpiecznego magazynowania, składowania oraz transportu LNG. Jednym z najważniejszych jest dyrektywa 2012/18/WE znana jako „Seveso III”. Dokument ten zawiera wymagania dotyczące zapobiegania poważnym awariom z udziałem substancji niebezpiecznych – w tym LNG – oraz sposoby zmniejszenia ich negatywnych skutków dla zdrowia ludzkiego i środowiska. Istotne wymagania zostały określone także w normach, badaniach, artykułach i innych aktach międzynarodowych, m.in. w umowie europejskiej dotyczącej międzynarodowego przewozu drogowego towarów niebezpiecznych (tzw. Umowa ADR). W artykule dokonano zestawienia parametrów palnych i wybuchowych LNG. Ukazano możliwe scenariusze zachodzące podczas uwolnienia i zapłonu chmury par LNG. Przestawiono zmianę ciśnienia par LNG w zbiorniku o pojemności 200 l w funkcji czasu jego ogrzewania w palącym się rozlewisku mieszaniny benzyny z olejem napędowym. W takiej ekspozycji cieplnej otrzymano pożar strumieniowy o długości płomienia maksymalnie 5 metrów. Wnioski: Właściwe stosowania gazów palnych powinno być priorytetem w zapewnieniu bezpieczeństwa pożarowego i wybuchowego w obiektach, transporcie itp. Stąd też poznanie zagrożeń i ich zestawienie, czy dopasowanie rozwiązań technicznych minimalizujących skutki awarii z LNG pozwoli na aktywne włączenie wiedzy z tego zakresu w proces zabezpieczenia przed pożarem i wybuchem. W przypadku magazynowania LNG należy zwrócić uwagę na rodzaje materiałów znajdujących się w bezpośrednim otoczeniu z tym gazem skroplonym, aby posiadały wystarczające właściwości mechaniczne w najniższej temperaturze skroplonego gazu.

Słowa kluczowe

EN

LNG; fire safety; process safety

PL

LNG; bezpieczeństwo pożarowe; bezpieczeństwo procesowe

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Safety & Fire Technology
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 58, iss. 2
• Strony: 58--73
• Opis fizyczny: Bibliogr. 43 poz., rys.

Twórcy

autor

Półka Marzena

• The Main School of the Fire Service, Safety Engineering and Civil Protection Department / Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa i Ochrony Ludności

• https://orcid.org/0000-0002-2280-8137

autor

Piec Robert

• The Main School of the Fire Service, Safety Engineering and Civil Protection Department / Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa i Ochrony Ludności

• https://orcid.org/0000-0002-5234-5639

autor

Olcen Dariusz

• The Main School of the Fire Service, Safety Engineering and Civil Protection Department / Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa i Ochrony Ludności

• https://orcid.org/+0000-0003-1384-1215

Bibliografia

• [1] Kumar S., Kwon H., Choi K., Lim W., Cho J., Tak K., Moon I., LNG: an ecofriendly cryogenic fuel for sustainable development, „Applied Energy” 2011, 88, 4264–4273, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.06.035.
• [2] U.S. Energy Information Agency, International Energy Outlook 2017.
• [3] Mazyan W., Ahmadi A., Ahmed H., Hoorfar M., Market and technology assessment of natural gas processing: a review, „Journal of Natural Gas Science and Engineering” 2016, 30, 487–514, https://doi.org/10.1016/j.jngse.2016.02.010.
• [4] Qi M., Park J., Kim J., Lee I., Moon I., Advanced integration of LNG regasification power plant with liquid air energy storage: Enhancements in flexibility, safety, and power generation, „Applied Energy” 2020, 269, 115049, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.115049.
• [5] https://app.mapfre.com/fundacion/html/revistas/seguridad/n127/en/article2.html [dostęp: 02.11. 2021].
• [6] Abbasi T., Abbasi S.A., The boiling liquid expanding vapour explosion (BLEVE): mechanism, consequence assessment, management, „Journal of Hazardous Materials” 2007, 141(3), 489–519.
• [7] Lisowski E., Czyżycki W., Transport and storage of LNG in container tanks, „Journal of KONES Powertrain and Transport” 2011, 18(3), 193–201.
• [8] Lisowski E., Czyżycki W., Łazarczyk K., Simulation and experimental research of internal supports in mobile cryogenic tank, „Czasopismo Techniczne” 2010, 2-M, 8, 175–184.
• [9] Łaciak M., Kiedy transport i magazynowanie gazu płynnego, paliw lotniczych, materiałów promieniotwórczych staje się bezpieczne? ADR 2011 w praktyce, materiały z XXVIII Seminarium Szkoleniowego, Tęgoborze 2011.
• [10] Grzywa E., Molenda J., Technologia podstawowych syntez organicznych, WNT, Warszawa 2000.
• [11] Bahadori A., Cryogenic Insulation Systems for LNG Industries, Thermal Insulation Handbook for the Oil, Gas, and Petrochemical Industries, Gulf Professional Publishing, 303–321, 2014.
• [12] Mokhatab S., Mak J., Valappil J., Wood D., Handbook of Liquefied Natural Gas, Gulf Professional Publishing 2013.
• [13] Yue F., Wenliang L., Shujun C., Zeyuan W., Yongqiang L., Experimental and simulation study on the capacitive liquid level gauge of LNG vehicular cylinder, "Measurement” 164 (2020), 107930, https://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.107930.
• [14] Koopman R.P., Ermak D.L., Lessons learned from LNG safety research, „Journal of Hazardous Materials”, 140(3), 412–428, https://doi:10.1016/j.jhazmat.2006.10.042.
• [15] Koopman R.P., Baker J., Cederwall R.T., Goldwire H.C., Hogan W.J., Kamppinen L.M., Kiefer R.D., McClure J.W., McRae T.G., Morgan D.L., Morris L.K., LLNL/NWC 1980 LNG Spill Tests, Burro Series Data Report, vol. 1., Lawrence Livermore Laboratory 1982.
• [16] Planas-Cuchi E., Gasull N., Ventosa A., Casal J., Explosion of a road tanker containing liquefied natural gas, „Journal of Loss Prevention in Process Industries” 2004, 17 (4), 315–321, https://doi.org/10.1016/j.jlp.2004.05.005.
• [17] Cormier B.R., Qi R., Yun G.-W., Zhang Y., Mannan M.S., Application of computational fluid dynamics for LNG vapor dispersion modeling: A study of key parameters. dissertation, „Journal of Loss Prevention in Process Industries” 2008, 22(3), 332–352, https://doi.org/ DOI:10.1016/j.jlp.2008.12.004.
• [18] Checkel M.D., Ting D.S. K., Bushe W.K., Flammability limits and burning velocities of ammonia/nitric oxide mixtures, „Journal of Loss Prevention in Process Industries” 1995, 8(4), 215–220, https://doi.org/10.1016/0950-4230(95)00027-X.
• [19] Chen J.R., Tsai H.Y., Chien J.H., Pan H.J., Flow and flame visualization near the upper flammability limits of methane/ air and propane/air mixtures at elevated pressures, „Journal of Loss Prevention in Process Industries” 2011, 24950, 662–670, https://doi.org/10.1016/j.jlp.2011.05.012.
• [20] Claessen G., Vliegen, J., Joosten G., Geersen T., Flammability characteristics of natural gases in air at elevated pressures and temperatures, Loss Prevention and Safety Promotion in the Process Industries: Proceedings of the 5th International Symposium, Cannes, France, September 15–19, 1986.
• [21] Gieras M., Klemens R., Rarata G., Wolanski P., Determination of explosion parameters of methane-air mixtures in the chamber of 40 dm at normal and elevated temperature, „Journal of Loss Prevention in Process Industries” 2006, 19(2), 263–270, https://doi.org/10.1016/j.jlp.2005.05.004.
• [22] Vanderstraeten B., Tuerlinckx D., Berghmans J., Vliegen S., Van't Oost E., Smit B., Experimental study of the pressure and temperature dependence on the upper flammability limit of methane/air mixtures, „Journal of Hazardous Materials” 1997, 56(3), 237–246, https://doi.org/10.1016/S0304-3894(97)00045-9.
• [23] Feldbauer G., Heigl J., McQueen W., Whipp R., May W., Spills of LNG on water: Vaporization and downwind drift of combustible mixtures, ESSO Research and Engineering Company Report No. EE61D-72 (Performed for the American Petroleum Inst.), 1972.
• [24] Puttock J.S., Blackmore D.R., Colenbrander G.W, Field experiments on dense gas dispersion, „Journal of Hazardous Materials” 1982, 6(1–2), 13–41, https://doi.org/10.1016/0304-3894(82)80033-2.
• [25] Koopman R.P., Baker J., Cederwall R.T., Goldwire H.C., Hogan W.J., Kamppinen L.M., Kiefer R.D., McClure J.W., McRae T.G., Morgan D.L., LLNL/NWC 1980 LNG spill tests, Burro Series Data Report, vol. 2, Lawrence Livermore Laboratory 1982.
• [26] Rigas F., Sklavounos S., Simulation of Coyote series trials–Part II: A computational approach to ignition and combustion of flammable vapor clouds, „Chemical Engineering Science” 2006, 61(5), 1444–1452, https://doi.org/10.1016/j.ces.2005.09.005.
• [27] Brown T., Cederwall R., Chan S., Ermak D., Koopman R., Lamson K., McClure J., Morris L., Falcon series data report: 1987 LNG vapor barrier verification field trials, Lawrence Livermore National Lab, CA (USA) 1990.
• [28] Biao S., Wong J., Wadnerkar D., Utikar R.P.,. Pareek V.K., Guob K., Multiphase simulation of LNG vapour dispersion with effect of fog formation, „Applied Thermal Engineering” 2020, 166, 114671, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114671.
• [29] Eberwein R., Rogge A., Behrendt F., Knaust C., Dispersion modeling of LNG-Vapor on land – A CFD-Model evaluation study, „Journal of Loss Prevention in the Process Industries” 2020, 65, 104116, https://doi.org/10.1016/j.jlp.2020.104116.
• [30] Aneziris O., Papazoglou I.A., Konstantinidou M., Nivolianitou Z., Integrated risk assessment for LNG terminals, „Journal of Loss Prevention in the Process Industries” 2014, 28, 23–35, https://doi.org/10.1016/j.jlp.2013.07.014.
• [31] Pio G., Salzano E., The effect of ultra-low temperature on the flammability limits of a methane/air/diluent mixtures, „Journal of Hazardous Materials” 2019, 362, 224–229, https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2018.09.018.
• [32] Pio G., Carboni M., Iannaccone T., Cozzani, V., Salzano E., Numerical simulation of small-scale pool fires of LNG, „Journal of Loss Prevention in the Process Indnustries” 2019,61, 82–88. https://doi.org/10.1016/j.jlp.2019.06.002.
• [33] Bartknecht W., Explosionsschutz, Grundlagen und Anwendung, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 1993.
• [34] Bunev V., Bolshova T., Babkin V., The nature of the upper laminar flammability limit in methane-air mixtures at high pressures, „Doklady Physical Chemistry” 2013, 452, 52–54, https://doi.org/10.1134/S001250161307004X.
• [35] Basshuysen R., Erdgas und erneuerbares Methan für den Fahrzeugantrieb, Springer Verlag, Wiesbaden 2015.
• [36] Lee S., Quantitative risk assessment of fire & explosion for regasification process of an LNG-FSRU, „Ocean Engineering” 2020, 197(86), 106825, https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2019.106825.
• [37] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2012/18/UE z dnia 4 lipca 2012 r. w sprawie kontroli zagrożeń poważnymi awariami związanymi z substancjami niebezpiecznymi, zmieniająca, a następnie uchylająca dyrektywę Rady 96/82/WE [Dyrektywa Seveso III] (Dz. Urz. UE L 197 z 24.07.2012), 1–37.
• [38] PN-EN 1473:2021-10 Instalacje i wyposażenie do skroplonego gazu ziemnego – Projektowanie instalacji na lądzie.
• [39] PN-EN 13645:2008 Instalacje i urządzenia do skroplonego gazu ziemnego – Projektowanie instalacji lądowych ze zbiornikami magazynowymi o ładowności od 5 t do 200 t.
• [40] NFPA 59A Standard for the Production, Storage, and Handling of Liquefied Natural Gas LNG.
• [41] Umowa europejska dotycząca międzynarodowego przewozu drogowego towarów niebezpiecznych – ADR 2021, https://dziennikustaw.gov.pl/DU/2021/874.
• [42] PN-EN ISO 20421-2:2017-05 Zbiorniki kriogeniczne – Duże zbiorniki transportowe z izolacją próżniową – Część 2: Wymagania eksploatacyjne.
• [43] PN-EN 13530-2:2003 Zbiorniki kriogeniczne – Duże zbiorniki przenośne izolowane próżnią – Część 2: Projektowanie, wyrób, kontrola i badania.