混空輕烴燃?xì)獗O限計算方法的研究

樊玉光，張 碩，史冬雨，魏 嘉

西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 （陜西 西安710065）

我國城市燃?xì)獍l(fā)展規(guī)劃提出，以提高居民生活質(zhì)量、改善大氣環(huán)境、節(jié)約能源為目的，在國家政策的支持下，積極發(fā)展城市燃?xì)猓慌浜衔鳉鈻|輸工程，積極利用天然氣，改善沿線城市大氣環(huán)境質(zhì)量；加快燃?xì)夤芫W(wǎng)的改造，提高燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的安全性；大力開拓天然氣市場[1]。目前我國的城市燃?xì)庥梢砸夯蜌夂腿斯っ簹鉃橹鬓D(zhuǎn)向以天然氣為主。但由于城鎮(zhèn)及農(nóng)村住戶太分散、距離城市氣源遠(yuǎn)、管道鋪設(shè)難、管道成本高、維護(hù)成本也高，因此在城鎮(zhèn)及農(nóng)村用新型燃?xì)獯嫣烊粴獍惭b入戶是非常必要的。

輕烴燃料大部分為C5、C6組成的烴類混合物，這種烴類在常溫下為液態(tài)，將液態(tài)烷烴氣化后與常溫空氣以不同比例混合，最終即可得到常溫常壓下混空輕烴燃?xì)狻?/p>

1 爆炸極限的含義

爆炸極限是指當(dāng)可燃?xì)怏w和空氣（氧氣）均勻混合后，在外界能量的作用下能發(fā)生燃燒的體積濃度極限，分為爆炸上限和爆炸下限。爆炸下限和爆炸上限是指能使火焰?zhèn)鞑サ目扇細(xì)怏w的最低體積濃度和最高體積濃度。簡言之只要可燃?xì)怏w的體積濃度在爆炸極限的濃度范圍內(nèi)，可燃?xì)怏w才能發(fā)生燃燒甚至爆炸[2]。可燃?xì)怏w的爆炸極限是用來評估可燃?xì)怏w燃燒潛在危險性的重要指標(biāo)之一。

2 爆炸極限的理論計算方法

目前所用的混空燃料中所使用的輕烴原料各組分含量如下：戊烷總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.40%，其中正戊烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.35%，異戊烷54.05%，C6及以上的重組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，C4組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60%，考慮到C6以及C4組分均為少量，計算時可忽略，并視為正戊烷與異戊烷的體積比為1∶1，用以下幾種方法分別計算出輕烴燃料的爆炸極限。

2.1 按可燃物熱值的低熱值估算

根據(jù)CJ/T 341—2010《混空輕烴燃?xì)狻房梢缘玫奖O限的計算方法[3]，輕烴燃料各組分的低熱值見表1。

表1 輕烴燃料各組分的低熱值

爆炸下限按下式計算：

式中：L為可燃物的爆炸下限（可燃物體積分?jǐn)?shù)，下同），%；M為可燃物的相對分子質(zhì)量；ΔHi為可燃物的低熱值，kJ/kg。

爆炸上限按下式計算：

式中：R為可燃物的爆炸上限（可燃物體積分?jǐn)?shù)，下同），%；M為可燃物的相對分子質(zhì)量。

混合燃?xì)獾钠骄栙|(zhì)量：

M=x1×M1+x2×M2+……+xiMi（3）

式中：xi為各種組分的含量，%；Mi為各組分的相對分子量。

通過此方法計算得到輕烴燃料的爆炸極限為：1.32%～8.45%。

2.2 按完全燃燒所需氧原子數(shù)估算

根據(jù)可燃?xì)怏w燃燒反應(yīng)時所需的氧原子數(shù)、熱平衡以及空氣中的氧含量，推算其爆炸極限[4]：

式中：N為每一分子可燃?xì)怏w完全燃燒時所需的氧原子數(shù)，對烴類N≥4。

通過此方法計算得到輕烴燃料的爆炸極限為：1.38%～4.9%。

2.3 按化學(xué)計量濃度估算

根據(jù)可燃?xì)怏w完全燃燒時的化學(xué)計量濃度進(jìn)行估算,即可估算可燃?xì)怏w的爆炸下限：

式中：C0為可燃?xì)怏w完全燃燒時化學(xué)理論體積分?jǐn)?shù)。

如果可燃?xì)怏w和空氣混合，假設(shè)空氣中的氧含量為20.9%，則

式中：n0為一個可燃?xì)怏w分子完全燃燒時所需的氧的分子數(shù)。

在常溫常壓下可燃?xì)怏w在空氣中的爆炸上限和爆炸下限的關(guān)系為

如果在爆炸上限附近沒有冷火焰出現(xiàn)，則可表示為

通過此方法計算得到輕烴燃料的爆炸極限為：1.4%～8.57%。

2.4 多組元可燃?xì)鈿怏w混合物爆炸極限的估算

通常使用呂·查德律定律進(jìn)行計算∶

式中：Z為混合燃?xì)獾谋ㄉ希ㄏ拢┫蓿扇嘉矬w積分?jǐn)?shù)），%；Zi為各組分的爆炸上（下）限（可燃物體積分?jǐn)?shù)），%；Xi為各組分的體積百分?jǐn)?shù)[5]。

通過此方法計算得到輕烴燃料的爆炸極限為：1.4%～8.29%。

以上4種方法都可得到輕烴燃料的爆炸極限，由于本文給出的輕烴原料含量戊烷占絕大比例，按理得到的爆炸極限應(yīng)在戊烷的爆炸極限1.4%～8.3%附近[3]。可以看出，按可燃物熱值的低熱值估算、按化學(xué)計量濃度和按多組元可燃?xì)鈿怏w混合物的爆炸極限的估算得到的爆炸極限都在戊烷爆炸極限附近，具有可靠性。但按完全燃燒所需氧原子數(shù)估算得到的爆炸上限有很大差距，因此，此方法的準(zhǔn)確性還有待考究。

3 不同比例情況下混空輕烴燃?xì)獗O限的估算

通過實驗，將液態(tài)輕烴燃料加熱到60℃，使其在氣體狀態(tài)下與常溫空氣以不同比例的體積比進(jìn)行混合，計算得到不同比例下的混空輕烴燃?xì)狻?/p>

通過上文計算，出于安全考慮，輕烴燃料的爆炸極限取按化學(xué)計量濃度估算方法得到的爆炸極限為：1.32%～8.57%，對不同比例情況下混空輕烴燃?xì)獗O限的估算。

將混空輕烴燃?xì)庖暈橐粋€整體，與空氣的混合按摩爾比為1：n，在混空輕烴燃?xì)夂洼p烴燃料的可燃物含量相同情況下，按爆炸極限的定義推導(dǎo)得到混空輕烴燃?xì)獾谋O限計算公式為：

式中：Z為輕烴燃料的爆炸上（下）限（可燃物體積分?jǐn)?shù)），%；Z混空為混空輕烴燃?xì)獾谋ㄉ希ㄏ拢┫蓿扇嘉矬w積分?jǐn)?shù)），%。通過此方法計算得到不同混合比例下混空輕烴燃?xì)獾谋O限，計算結(jié)果見表2。

表2 不同比例混合后得到的混空輕烴燃?xì)獾谋O限

4 惰性氣體條件下混合燃?xì)獗O限的估算

用氮?dú)獯婊炜杖細(xì)庵械目諝猓c輕烴燃料混合的比例不變，并且氮?dú)饪梢越瓶闯墒嵌栊詺怏w，由此整個過程可以理解為輕烴燃料在惰性氣體的環(huán)境下與空氣混合，根據(jù)相關(guān)研究可知[6]：混合氣體中氮?dú)夂康脑黾樱扇嘉锏谋O限范圍將減小，爆炸下限有少量的上移，爆炸上限卻下移很多。這是因為在爆炸性混合物中，隨著惰性氣體含量的增加，氧的含量相對減少；而在爆炸上限濃度下氧的含量本來已經(jīng)很小，故惰性氣體含量稍微增加一點，即產(chǎn)生很大影響，使爆炸上限劇烈下降，當(dāng)惰性氣體含量增加到某一值時，爆炸上限與爆炸下限重合，混合氣體此時就不會發(fā)生爆炸。

因為充入氮?dú)鈱Ρㄓ幸种谱饔茫曰斓獨(dú)獾妮p烴燃?xì)獾谋O限在1.32%～8.57%之間，隨著氮?dú)獾脑黾于呌谀硞€值。

5 結(jié)論

通過對爆炸極限參數(shù)的幾種不同計算方法結(jié)果的對比得到：通過按可燃物熱值的低熱值、按化學(xué)計量濃度和按多組元可燃?xì)鈿怏w混合物的爆炸極限的估算得到的爆炸極限相近且都在戊烷爆炸極限附近，具有可靠性；但按完全燃燒所需氧原子數(shù)計算得到的爆炸上限有很大差距。得出輕烴燃料與空氣和惰性氣體混合的爆炸極限的計算方法。