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燃氣爆炸極限計算方法的研究

作者：田貫三 于暢 李興泉　 來源：山東建筑工程學院熱能工程學院　
評論：　更新日期：2013年08月10日

?

表4 初始壓力對CH4爆炸極限的影響
Tab.4.Impact Of initial pressure on explosion limits
of methane
初始壓力/MPa爆炸下限爆炸上限
0.1015.614.3
1.0135.917.2
5.0565.429.4
12.6605.745.7


??? 一般情況下，隨初始壓力的升高，爆炸上限明顯提高，但在已知的可燃氣體中，CO隨初始壓力的增加，爆炸上限降低；初始壓力降低，爆炸極限范圍縮小。當初始壓力降低至某個定值時，爆炸上、下限重合，此時的壓力稱為爆炸臨界壓力。低于爆炸臨界壓力的系統(tǒng)不爆炸，因此在密閉容器內減壓操作對安全有利。
??? 在0.1～1.0MPa內，低碳氫化合物在氧氣中爆炸上限可用以下實驗式進行比較準確的計算[4]。
??? 甲烷：Lh=56.0(p-0.9)0.040 (1)
??? 乙烷：Lh=52.5(p-0.9)0.045 (2)
??? 丙烷：Lh=47.7(p-0.9)0.042 (3)
??? 乙烯：Lh=64.O(p-0.9)0.083 (4)
??? 丙烯：Lh=43.5(p-0.9)0.095 (5)
式中 Lh——可燃氣體爆炸上限，％
???? p——絕對壓力，MPa
??? 目前有關文獻發(fā)表的關于燃氣爆炸極限的數據，多數是用小的點火源(多數起爆能量<100J)和比較小的爆炸容器(O.001～0.005m3)，而且在常溫下進行測定。有關研究結果表明，起爆能量為10kJ、爆炸容器容積為1m3時，確定的參數接近實際情況。因此，在選用有關燃氣爆炸極限參數時，應弄清楚測試條件，并考慮安全系數。考慮到燃氣與空氣的混合均勻性以及由實驗測定的爆炸極限與實際有差別，因此我國《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》規(guī)定燃氣泄漏到空氣中，達到爆炸下限的20％時應能覺察或報警；液化石油氣混空氣中液化石油氣的含量必須超過爆炸上限的1.5倍。
2 燃氣爆炸極限的估算
??? 燃氣爆炸極限的計算方法有多種，主要根據完全燃燒反應所需的氧原子數、化學計量比體積分數和燃燒熱等計算出近似值。目前文獻[1～4、7～13]介紹的典型可燃氣體爆炸極限的經驗計算公式分別適用于單組分的純可燃氣體、全部為可燃成分的混合氣體以及含有CO2、N2及蒸汽3種惰性氣體的混合可燃氣體。
??? ①單組分純可燃氣體
??? a.按完全燃燒反應所需的氧原子數根據可燃氣體燃燒反應所需的氧原子數和熱平衡，考慮空氣中的氧含量，推算出可燃氣體的爆炸極
限[1、4]。
??? 爆炸下限：
???????? ?(6)
??? 爆炸上限：??? (7)

式中 L1——可燃氣體爆炸下限，％
???? N——可燃氣體完全燃燒反應所需的氧原子數，對烴類N≥4
??? 上述2式一般只適用于烷烴碳氫化合物爆炸極限的估算，不適用于H2、CO氣體的計算。常用燃氣爆炸極限按燃燒反應所需氧原子數的計算結果見表5。從結果可以看出，對烷烴氣體爆炸下限計算較為準確，在實際工程中可采用；對其他氣體計算結果誤差較大，不可采用。

表5 常用燃氣爆炸極限按燃燒反應所需氧原子數的計算結果
Tab.5 Result of explosion limits of common gases calculated
according to atomicity of oxygen atoms for combustion reaction
%
?
燃氣實驗值
下限/上限		計算值
下限/上限		計算值與
實驗值的
絕對偏差		計算值
與實驗值的
相對偏差
?CH4 5.0/15.06.5/17.3-1.5/-2.3 -30.0/-15.0
C2H63.0/12.53.4/10.7-O.4/1.8 -13.0/14.O
C3H82.1/9.52.3/7.8-0.2/1.7-9.5/17.8
C3H62.0/11.7 2.6/9.1-0.6/2.6-28.0/22.0
n-C4H101.5/8.51.7/6.1-0.2/2.4-13.0/28.0
i-C4H101.8/8.51.7/6.10.1/2.45.5/28.0
C4H81.6/10.0 1.9/6.5 -0.3/3.5-16.9/52.0
n-C5H121.3/7.61.4/5.0-0.1/2.6-O.8/34.0


??? b.按化學計量比體積分數
??? 化學計量比體積分數就是可燃氣體完全燃燒，按化學反應方程式計算出的可燃氣體-空氣混合物中可燃氣體的體積分數?？扇細怏w的化學計量比體積分數與其熱值有關，熱值高的可燃氣體其燃燒反應所需的理論空氣量大，由于可燃氣體熱值與燃燒反應所需的理論空氣量的比值基本相同，因此可燃氣體的爆炸極限與化學計量比體積分數的比值應該相同，根據這一理論通過實驗數據回歸得出了以下關系式[1、4]。
??? 爆炸下限：L1=O.55st (8)
??? 爆炸上限：Lh=4.8L?? (9)

式中 Lst——燃氣的化學計量比體積分數，％
??? 式(8)、(9)只適用于鏈烷烴碳氫化合物爆炸極限的估算，不適用于H2、CO、烯烴和炔烴等可燃氣體的計算。常用燃氣爆炸極限按化學計量比體積分數的計算結果見表6。從結果可以看出，對烷烴氣體爆炸極限計算較為準確，一般爆炸下限略大于實驗值，爆炸上限略小于實驗值，相對誤差大多小于10％。

表6 常用燃氣爆炸極限按化學計量比體積分數的計算結果
Tab.6 Result of explosion limits of common gases calculated
according to stoichiometric volume fraction
?
燃氣實驗值
下限/上限		計算值
下限/上限		計算值
與實驗值的
絕對偏差		計算值
與實驗值的
相對偏差
CH4 5.0/15.05.2/14.3-0.2/0.7-4.0/4.7
C2H63.0/12.53.1/12.2-0.1/0.3-3.3/2.5
C3H82.1/9.52.2/9.5-0.1/0.0-4.8/0.0
C3H62.0/11.72.5/10.2-0.5/1.6-23.5/13.8
n-C4H101.5/8.51.7/8.5-0.2/0.0-13.3/0.0
i-C4H101.8/8.51.7/8.50.1/0.05.6/0.0
C4H81.6/10.01.8/8.8 -0.2/1.2 -12.5/12.0
n-C5H121.3/7.61.4/7.7-0.1/-0.1-7.7/-1.3


??? ②多組分可燃混合氣體
??? 對于多組分可燃氣體的爆炸極限可用混合法則估算，當已知每種氣體的體積分數和爆炸極限時，其體積分數與爆炸極限之比的和等于混合氣體總爆炸極限的倒數[1、24、7～13]，即：


?

式中 L——可燃氣體的爆炸上(下)限，％
???? φi——各可燃氣體體積分數，％
???? Li——各組分可燃氣體的爆炸上(下)限，％
???? n——可燃氣體的組分數
???? 根據可燃氣體組分的不同分以下3種情況計算[1～3]：a.純可燃氣體直接用式(6)、(7)或式(8)、(9)計算。b.可燃混合氣體含有惰性氣體時，惰性氣體對可燃氣體爆炸極限有抑制作用，隨惰性氣體的含量增加，爆炸極限范圍變窄，當惰性氣體含量超過一定值，變?yōu)椴豢扇細怏w。在石油化工和燃氣行業(yè)[1～4]，目前都采用如下方法計算：將某一惰性氣體組分與某一可燃組分組合起來作為可燃氣體中的一種組分，其體積分數為二者之和，然后根據有關文獻上發(fā)表的C2H6、C3H8、C3H6、C4H10、C6H6等8種可燃氣體與CO2、N2及蒸汽3種惰性氣體的混合爆炸極限圖，查得調整后各組分的爆炸極限，再用式(10)計算。c.混合氣體中含有O2時，可認為混入了空氣，先扣除含氧量以及按空氣氧氮比例求得的氮含量，重新調整可燃氣體的體積分數，再按上述步驟b計算其爆炸極限。
??? 對煤制氣、天然氣和液化石油氣等混合氣計算比較準確，而對H2與C2H4、H2與H2S、CH4與H2S等混合氣體的計算誤差較大。當不同氣體以等體積分數混合時，H2、CO和CH4混合氣體爆炸極限的實驗值與計算值見表7。

表7 H2、CO和CH4混合燃氣爆炸極限的計算結果
Tab．7 Calculated result of explosion limits of H2，
CO and CH4 mixture
燃氣實驗值
(下限/上限)		計算值
(下限/上限)		相對偏差
(下限/上限)
H2/CO6.05/71.806.20/72.20-2.5/-0.56
CO/CH47.70/22.807.75/25.00-0.65/-9.65
H2/CO/CH45.70/26.906.60/32.40-15.78/20.44
??? 此外還可用下式估算含有惰性氣體的可燃氣體爆炸極限：


?

式中 Lc——不含惰性氣體的爆炸極限，％
???? φ——惰性氣體體積分數
??? 由于式(11)未考慮不同類型的惰性氣體對可燃氣體爆炸極限的惰化效率的影響，計算誤差較大，但仍有一定參考價值。
3 結論
??? ①各種文獻發(fā)表的可燃氣體爆炸極限與實驗值和實際值都有一定的誤差，其原因是在計算式中只考慮到可燃混合物的組成，而未考慮鍵能、不完全燃燒和燃燒產物的分解等因素的影響。因此使用時要考慮安全系數。在實際工程中應用爆炸極限估算公式估算可燃氣體爆炸極限應該注意使用條件，保證其計算精度滿足工程要求。
??? ②空氣中燃氣的濃度在測試或計算爆炸極限范圍之外，特別是在接近爆炸極限時，在遇到大的點火能、環(huán)境溫度較高或壓力較高的情況下實際爆炸極限范同擴大，有可能產生爆炸，在實際工程中應特別注意。

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