惰洗塔放空尾氣爆炸極限計算

望姣赟

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

惰洗塔放空尾氣爆炸極限計算

望姣赟

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

論述了尿素裝置惰洗塔放空尾氣爆炸極限的3種計算方法：方法1，將混合氣體分為含惰性氣體的可燃氣體和空氣，利用理·查特理公式計算可燃氣體在空氣中的爆炸上、下限，此方法沒有考慮各種惰性氣體對可燃氣體的惰化作用，計算誤差偏大，且按此方法計算，得出加入惰性氣體不能起到防爆作用的結論，與實際相悖；方法2，利用理·查特理公式計算可燃氣體在三角相圖中的爆炸區域，此方法只能用于低壓、常壓的可燃氣體爆炸區域計算，有應用局限性；方法3，利用惰性氣體與可燃氣的比率查混合氣爆炸極限圖來確認爆炸上、下限，此方法法既考慮了各種惰性氣體的惰化作用，又可用于高壓可燃氣體爆炸極限的計算。

可燃性氣體；惰性氣體；爆炸性區域；Le Chateli(理·查特理)公式

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.009

尿素廠有可能發生爆炸事故，原因在于：原料液氨具有爆炸性，原料CO2中含有H2、CO、甲醇、甲烷、乙烷等雜質,而在生產過程中，為了防腐，在CO2原料氣中加入空氣，所以無論常壓、中壓和高壓段的尿素放空尾氣中均含有H2、CO、CH4、NH3、O2、N2、H2O等，都會在某種條件下形成爆炸性氣體混合物。國內尿素廠發生過幾十次爆炸事故，爆炸的設備中就有涉及尾氣放空的高壓洗滌器、4bar吸收塔、惰性氣體洗滌塔。

因此,為了設計安全的尿素裝置，必須明確放空尾氣的爆炸界限，以便采取措施使放空尾氣組分在爆炸性區域之外。

可燃性氣體的爆炸界限與溫度、壓力有關，也與氣體的組成有關，通常通過實驗測定數據繪制出爆炸區域圖。但是在開停車、裝置運行不穩、原料CO2氣體組成波動的情況下，放空尾氣的組成也隨之發生變化，這樣就不太可能通過實驗測定放空尾氣的爆炸極限。

本文主要討論放空尾氣爆炸極限的3種理論計算方法，通過改變尾氣中惰性氣體、可燃性氣體的濃度，分析混合氣爆炸極限的變化趨勢，并比較3種計算方法的優缺點，確定出最接近實際爆炸極限的計算方法。

1 方法1

1.1 爆炸上、下限計算方法

(1)首先假設：可燃氣體中不含惰性氣體，依據Le Chateli(理·查特里)公式(1)計算可燃氣體在空氣中的爆炸極限。

(1)

其中：L表示不含惰性氣體的可燃氣體在空氣中的爆炸極限；Pi表示可燃氣體中每種可燃氣體的相對體積百分數；Ni表示可燃氣體各組分在空氣中的爆炸極限；n表示可燃性氣體的組分數。

表1為某項目惰洗塔放空尾氣的組成，以它為例計算其爆炸上下限。表2為尾氣中可燃氣體各組分的相對摩爾分數。

表1 某項目放空尾氣的組成

表2 可燃氣體組成

利用理·查特里公式計算不含惰氣的可燃性氣體在空氣中的爆炸上、下限：

爆炸上限：L上=20.98%

爆炸下限：L下=4.28%

(2)計算含惰性氣體的可燃性氣體在空氣中的爆炸上、下限。將尾氣中的部分N2和O2按空氣組成配比成空氣量，其余混合氣體看作含惰性氣體(N2)的可燃氣，利用公式(2)計算其爆炸極限。

(2)

其中：L表示不含惰氣時，可燃氣體的爆炸上、下極限；L′表示含惰氣時，可燃氣體的爆炸上、下極限；B表示惰氣的組成。

按照尾氣中的O2含量配好的空氣組分見表3，含有惰性氣體的可燃氣組分見表4。

表3 按照尾氣中的O2含量配好的空氣組分

表4 含有惰性氣體的可燃氣組分

采用公式(2)計算含惰氣的可燃性氣體在空氣中的爆炸上、下限：

爆炸上限：L上=22.18%

爆炸下限：L下=4.58%

1.2 爆炸上、下限的變化趨勢

通常認為，向可燃性氣體中加入惰性氣體，例如N2、水蒸氣等，會將可燃氣體遷移至爆炸區域之外。但利用公式(2)的計算結果顯示：隨著惰性氣體(N2)含量的增加，爆炸區域逐漸縮小，爆炸上、下限不斷上移，含惰性氣體的可燃氣體濃度也無限接近爆炸上限，但可燃氣體始終在爆炸區域內。增加惰性氣體(N2)含量后爆炸極限的變化趨勢見圖1。

圖1 增加惰性氣體(N2)的含量后爆炸極限的變化趨勢

從圖1可以看出，若最初可燃性氣體在爆炸區域內，之后無論增加多少惰性氣體量，可燃性氣體始終在爆炸區域內，這樣的計算結果顯然與實際不相符。因為公式(2)未考慮到不同類型的惰性氣體對可燃氣體爆炸極限的惰化作用不同，計算誤差較大。但是若將惰性氣體全視為N2，計算結果又偏保守。所以依據公式(2)計算含惰性氣體的可燃性氣體有其局限性。

2 方法2

2.1 爆炸上、下限計算方法

依據Le Chateli(理·查特里)方法，用三角相圖表示可燃氣體的爆炸區域，三角形的3個頂點分別表示可燃物、氧氣、惰性氣體。以表1所示的某項目中壓惰性氣體洗滌塔放空尾氣為例，依據Le Chateli(理·查特里)計算公式(1)得出可燃性氣體在氧氣中的爆炸上限LHOX為97.77%，在氧氣中的爆炸下限LLOX為6.97%，最低可燃物含量(Min.Flam)為6.95%，最低含氧量(Min.Ox)為7.95%，可燃氣體的含量為22.8%，惰性氣體含量為61.4%，氧氣含量為15.8%。

圖2為依據LHOX：97.77%；LLOX：6.97%；Min.Flam：6.95%和Min.Ox：7.95%繪制出的放空尾氣的爆炸區域圖。與方法1的計算結果一樣，點A所示的放空尾氣在爆炸區域內。

圖2 放空尾氣的爆炸區域圖

2.2 爆炸上、下限的變化趨勢

由于吸收塔放空尾氣在爆炸區域內，向尾氣中添加惰性氣體，使放空尾氣遷移出爆炸區域。三角相圖里爆炸區域的劃分，它只計算可燃性氣體的爆炸區域，沒有計算包含惰性氣體的可燃性氣體的爆炸區域，所以與方法1不同，改變惰性氣體的含量，可燃氣體的爆炸區域是不變的。但隨著惰性氣體(水蒸氣)的添加，放空尾氣所示的點不停向惰性氣體頂點遷移，并最終遷移出爆炸區域。蒸汽含量改變時，放空尾氣表示的點在三角相圖中的位置見圖3。

圖3 蒸汽含量改變時，放空尾氣表示的點在 三角相圖中的位置

顯然，利用三角相圖繪制放空尾氣的爆炸區域，比依據公式(2)計算的含惰性氣體的可燃性氣體的爆炸上、下限要合理、可靠，且與實際相符。但上述三角相圖所示的可燃氣體的爆炸區域與溫度、壓力有關，上圖是低壓、常壓下的可燃性氣體爆炸區域，高溫高壓下可燃氣體的爆炸區域仍然需要通過實驗測定數據來繪制。所以三角相圖法也有其應用局限性。

3 方法3

由于上述兩種計算方法都有其局限性，在石油化工和燃氣行業一般都采用如下方法計算可燃氣體的爆炸區域：將某一惰性氣體組分與某一可燃組分組合起來作為一種可燃氣體組分，其體積分數為兩者之和，然后依據圖4和圖5給出的CO、H2、CH4、C2H6、C3H8與CO2、N2及水蒸氣3種惰性氣體組合的混合氣爆炸極限圖，查得調整后的混合氣體的爆炸極限，再利用公式(3)計算。

(3)

圖4 C2H6與N2、CO2混合物的爆炸極限

圖5 CO、H2、CH4、C3H8與H2O、N2混合物的爆炸極限

其中，L表示混合氣體爆炸上、下極限；ri表示可燃氣體i組分的容積分數；Li表示可燃氣體i組

4 結語

綜上所述,3種放空尾氣的爆炸極限計算方法，各有利弊：方法1計算簡單，但是沒有考慮各種惰性氣體對可燃氣體的惰化作用，計算誤差偏大，且按此方法計算，得出加入惰性氣體不能起到防爆作用的結論，與實際相悖，此法慎用；方法2，只能用于低壓、常壓的可燃氣體爆炸區域計算，有應用局限性，可選擇使用此法；方法3，既考慮了各種惰性氣體的惰化作用，又可用于高壓可燃氣體爆炸極限計算，推薦使用。

[1] 袁一，王文善.化肥工業叢書——尿素[M].北京：化學工業出版社，1997.

[2] 嚴銘卿.燃氣工程設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,2009.

[3] 李國梁,潘勇，蔣軍成.可燃氣體-空氣-氮氣混合物爆炸極限的預測[J].天然氣化工,2012,36(1)：41-52.

[4] 田貫三，于暢,李興泉.燃氣爆炸極限計算方法的研究[J].煤氣與熱力,2016,26(3)：33-37.

[5] 于京春，劉闖.壓力管道輸送煤層氣的爆炸性分析[J].煤氣與熱力，2005，27(10)：8-9.

修改稿日期： 2016-09-27

Calculation of Off Gas Explosion Limit of Inert Washing Tower

WANG Jiao-yun

(WuhuanEngineeringCo.，Ltd.，WuhanHubei430223China)

This paper mainly discusses three calculation methods of off gas explosion limit of urea inert washing tower.①The mixed gas is divided into the combustible gas containing inert gas and air；then，the explosion up or low limit of the combustible gas in the air is calculated by using the Lee Chatley formula.However，this method does not consider the inerting effect of inert gas on various combustible gases，resulting in bigger calculation errors.Moreover，with this calculation method，a conclusion that the addition of the inert gas cannot prevent the explosion is drawn，which is contrary to the actual case.②To calculate the explosion area of the combustible gas in the triangle phase diagram by using the Lee Chatley formula.But this method can only be used for the explosion area of the combustible gas with low or constant pressure.③To confirm the explosion up and low limits by checking the explosion limit diagram of mixed gas by using the ratio of the inert gas and combustible gas.This method not only considers the inerting effect of various inert gases，but also can be used to calculate the explosion limit of high pressure flammable gas.Keywords： flammable gas；inert gas；explosive area；Le Chateli formula

望姣赟(1981年—)，女，湖北宜昌人，2008年畢業于清華大學化學工程與工藝專業，碩士，工程師，現主要從事尿素工藝設計等工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.009

X 937

A

1004-8901(2017)01-0037-04