國內外關于混合氣體可燃性及爆炸極限的標準化研究

武麗娜， 陳睿謙

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢　430223)

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國內外關于混合氣體可燃性及爆炸極限的標準化研究

武麗娜， 陳睿謙

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢430223)

摘要：闡述了爆炸極限對國內外可燃氣體分類的影響及類別對可燃氣體的意義，分析了操作溫度與爆炸極限的關系及修正方法，總結了不同類型的混合氣體可燃性的判別及爆炸極限計算的標準化方法，提出了國內標準中存在的盲區及修訂盲區問題的建議，為石化行業的設計及生產提供更精確、更安全的參考數據。

關鍵詞：混合氣體；爆炸極限；可燃性；分類；安全

在當今石油化工生產中，混合燃氣爆炸是導致重大災害的主要原因。防止工業系統多混合氣爆炸的關鍵是深入研究并掌握混合燃氣的爆炸極限。國內外根據可燃氣體的爆炸下限及爆炸極限范圍確定其火災危險性類別，不同類別的可燃氣體，其設備及建筑物的防火間距的要求是不同的，且其危險品公示、廠房及倉庫的耐火等級、層數及防火分區的最大允許建筑面積也不同，因此，石油化工相關單位應掌握混合燃氣的爆炸極限，以便確定工藝、設備及管道的安全操作條件，并采取有效的防護措施[1]。

1混合燃氣爆炸極限確定的意義

1.1國內外可燃氣體的分類對比

國內外對于可燃氣體的分類對比見表1。

表1　國內外可燃氣體分類對比

由表1可知，國內外可燃氣體都是根據爆炸極限來進行分類，只是分類的范圍有所不同，再次凸顯出了爆炸極限對可燃氣體的重要性。

1.2類別對可燃氣體的意義

國外不同類別的可燃氣體，其危險公示不同，其標簽要素見表2。

表2　國外易燃氣體的標簽要素[3]

國內不同類別的可燃氣體對化工項目防火間距、廠房耐火等級、層數及防火分區的影響詳見《混合燃氣爆炸極限確定的重要意義及計算方法》一文[1]。由此可見，可燃氣體類別的劃分對石化行業意義重大。

1.3溫度對爆炸下限的修正

通常我們所查閱到的純物質的爆炸極限值是在20 ℃、101.3 kPa條件下所得出的數據，而在生產實際中往往不是此工況。壓力的影響一般可以忽略，因為可燃氣體泄漏出來后在瞬間即轉為常壓，但是溫度的降低則需要一定時間的傳熱，且溫度越高，爆炸極限的范圍越大，即爆炸下限越低，爆炸上限越高，Zabetakis(1965)[5]提出一種溫度對爆炸下限的修正方法：

Li(t)=Li(25)-0.182(t-25)/ΔHci

(1)

其中，t為操作溫度， ℃；ΔHci為標準摩爾燃燒熱，kJ/mol。

例：煤氣化氣化爐中的CO氣體(不考慮H2)，設其操作溫度為1 700 ℃，則此區域的火災危險性級別是多少？

解：查得CO氣體的標準摩爾燃燒熱為：

ΔHci=282.8 kJ/mol

標準條件下的爆炸下限為10.9%，帶入公式(1)得：

LCO(1 700)=10.9%-0.182×(1 700-25)/282.8/100

=9.8%<10%

即，由原乙類氣體升級為甲類氣體。

因此，溫度對爆炸下限的影響不容忽視，國內標準中未提出溫度修正的概念，工程設計人員在項目實際中需綜合考慮，以提高化工項目的安全性。

2混合氣體爆炸極限的計算方法

純物質的爆炸極限容易獲取，然而混合氣體的爆炸極限則需要預測，本文結合國內外標準規范[4,6]，在文獻[1]提出的觀點的基礎上，進一步詳細闡述混合氣體可燃性及類別劃分的預測方法。

2.1混合燃氣的計算

若混合物中的氣體均為可燃氣體，我們可稱其為混合燃氣，其爆炸下限直接采用Le Chatelier公式進行計算：

(2)

式中，Ai為i組分的比例, %；L為i組分的爆炸下限, %。

例：在20 ℃、101.3 kPa條件下，混合燃氣的體積組成為H2： 5%，CO： 10%，NH3： 80%，C2H6： 5%，求該混合燃氣的火災危險性級別。

解：查得各組分的爆炸下限分別為：H2， 4%；CO，10.9%；NH3，15.4%；C2H6，2.4%，該混合氣體只含有可燃氣體，因此，直接帶入公式(2)中得：

由計算可得，該混合燃氣火災危險性為乙類。

2.2可燃氣體+惰性氣體的計算

對于含有惰性氣體的混合氣體，需要首先判斷該混合氣體的可燃性，若其可燃，則再根據公式(2)計算其爆炸下限。根據ISO10156[4]，混合氣體可燃性的判別式為：

(3)

式中，n為n種可燃組分；p為p種惰性組分；Kk為 惰性組分相對于氮氣的惰性系數；Tci為可燃氣體與氮氣混合物在空氣中不燃燒的最大濃度；Ai為可燃氣體組分數；Bi惰性氣體的組分數。

若該不等式成立，則不可燃；反之，可燃。

Kk值一覽表見表3。

表3　Kk值一覽表

例：混合氣體7%H2+93%CO2，判斷其火災危險性。

解：由表3可知，KCO2=1.5，查得H2的Tci=5.5%，帶入公式(3)得：

7×(100/5.5-1)=120.3

93×1.5=139.5

120.3<139.5，因此該混合氣體不可燃。

2.3可燃氣體+惰性氣體+氧氣的計算

對于既含惰性氣體又含氧氣的混合氣體，其可燃性的判別如下：

(1)可燃氣體的總濃度≥爆炸下限Lm；

(2)可燃氣體的總濃度>Tci,F。

Tci,F=Tcm×(1-Xo/21%)

(4)

其中，Xo為氧氣的濃度，通常<21%。Lm和Tcm均采用Le Chatelier公式計算。

若上述條件均成立，則該混合氣體為可燃，反之不可燃。

例：混合氣體2% H2+1% CH4+13% O2+84% N2，判斷其火災危險性。

解：查得H2的爆炸下限為4%，Tci=5.5%；CH4的爆炸下限為4.4%，Tci=8.7%

可燃氣體的總濃度為：2%+1%=3%；

Lm=(2+1)/(2/4+1/4.4)=4.12%

Tc,m=(2+1)/(2/5.5+1/8.7)=6.27%

Xo=13%

Tci,F=6.27×(1-13/21)=2.39%

判斷：3%<4.12%，3%>2.39%

因此，該混合氣體不可燃。

上述方法是國外工程設計在可燃氣體混合物可燃性及爆炸下限預測方面的參考依據，我們在設計時可以借鑒。

3國內化工標準化發展的建議

國外的工業化早于國內，中國標準是在詳細調研國外標準規范的基礎上進行編訂的。國內關于可燃氣體的分級和可燃性判別的問題，在GB50160《石油化工企業設計防火規范》及GB20577《化學品分類、警示標簽和警示性說明安全規范》中有體現，但GB50160僅給出分級要求，并未說明該爆炸極限的取值條件，例如高溫的操作工況應如何應對。而GB20577是參考ISO10156編訂的，其僅借鑒了可燃性的判別方法，并未給出參數Tci、Ki的值，也未闡明混合可燃氣體爆炸下限的預測方法，這是國內關于爆炸極限及混合氣體的問題存在盲區的地方。

隨著科學技術的飛速發展和經濟全球化的推進，對于化工設計的安全系數和準確度要求越來越高，標準的國際化也是勢不可擋，我們必須對標準中的盲區進行掃盲。這就要求我們善于借鑒國內外先進的理念和方法，查閱最新的科技成果，并輔助以試驗驗證，對標準中的盲區進行不斷修訂，使我們的標準化體系更加完善，也讓我們的設計有據可依，規范合理。

4結語

(1)爆炸極限直接影響到可燃氣體類別的劃分，從而決定國內外化工項目中的防火間距、危險品公示等諸多方面，是化工設計人員在項目設計時首要要考慮的因素。

(2)溫度對爆炸下限的影響不容忽視，采用溫度修正公式修正爆炸下限，可以得到更加安全的數據以指導化工設計和生產。

(3)對于只含有可燃氣體的氣體混合物，可直接運用Le Chatelier公式計算爆炸極限；對于含有惰性氣體或氧氣的混合氣體，則應根據文中介紹的方法首先判斷其可燃性，若可燃，則再根據Le Chatelier公式計算爆炸極限，劃分火災危險性級別。

(4)筆者提出了國內標準中關于混合氣體問題的盲區，并建議在標準修訂中應通過借鑒國外先進理念、最新科技成果及試驗驗證的方法，重點明確盲區問題，以完善標準化體系，從而規范設計。

參考文獻：

[1] 武麗娜, 陳睿謙, 徐瑩, 張喜春. 混合燃氣爆炸極限確定的重要意義及計算方法[J]. 化肥設計, 2014, 52(2)： 18 - 21.

[2] GB50160-2008, 石油化工企業設計防火規范[S].

[3] GHS全球化學品統一分類和標簽制度[S].

[4] ISO10156-2010, Gases and gas mixtures- Determination of fire potential and oxidizing ability for the selection of cylinder valve outlets [S].

[5] Jurgen Gmehling， Peter Rasmussen. Flash Point of Flammable Liquid Mixtures Using UNIFAC [J]. Ind.Eng.Chem.Fundam， 1982, 21： 186-188.

[6] GB20577-2006，化學品分類、警示標簽和警示性說明安全規范易燃氣體[S].

修改稿日期： 2015-12-25

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Standardization Study of Gas Mixture Flammability and Explosion Limit at Home and Abroad

WU Li-na, CHEN Rui-qian

(WuhuanEngineeringCo.,Ltd.,WuhanHubei430223China)

Abstract：The paper states the impacts of explosion limit on gas mixtures classification and the significance of classification to gas mixtures; and analyzes the relations of operating temperature and explosion limit and the correction method; and summarizes the distinguishment of flammability and standard calculating methods of explosion limits of different composition gas mixtures. Meanwhile, both the blind zones existing in domestic standards and the revision suggestions are provided with more secure and accurate reference data for the design and production of petrochemical industry.

Keywords：gas mixture; explosion limit; flammability; classification; safety

作者簡介：武麗娜(1985年-)，女，河北邢臺人，2011年畢業于南京工業大學化學工程專業，工程師，現主要從事化工管理設計工作。

中圖分類號：X 932

文獻標識碼：A

文章編號：1004-8901(2016)01-0008-03

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.002 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.002