混合氣體爆炸極限計算應用實例

何秀風

上海電氣集團國控環球工程有限公司 太原 030024

在化工設計中，對可燃氣體，首先需要判別其火災危險性類別，只有對物料和裝置準確定性后，才能合理開展后續設計工作。在《石油化工企業設計防火標準》中，對可燃氣體的火災危險性分類規定如下，見表1。

表1 可燃氣體的火災危險性分類[1]

根據物質的理化性質檢索，只能知道純物質的火災危險性。而在化工生產過程中，多數情況下可燃氣體以混合物狀態存在，因此計算混合氣體的爆炸極限顯得非常重要。

1 爆炸極限計算方法

理論上確定混合氣體爆炸極限的方法很多，涉及的理論也較為豐富，其中Lechteilier法則是計算混合氣體爆炸極限的一種較切合工程實際的方法[2]，其基本公式為：

(1)

式中，L為可燃氣體混合物的爆炸極限(上限/下限)；Vi為可燃氣體混合物各組分的含量，%(V)；Li為可燃氣體混合物各組分的爆炸極限(上限/下限)。

對于混合氣體又可分為三種狀況：① 第一類氣體：不含氧氣和惰性氣體的可燃氣體混合物；② 第二類氣體：不含氧氣，但含惰性氣體的可燃氣體混合物；③ 第三類氣體：含氧氣且含惰性氣體的可燃氣體混合物。

對于第一類氣體，可直接利用公式(1)進行計算。

對于第二類氣體，其計算步驟為：① 將惰性氣體和可燃氣體分配組合，視為一種可燃介質組分；② 計算出各組合氣體的含量和比例，幾種常用的惰性氣和可燃氣混合物的爆炸極限如圖1～圖2所示；③ 從圖1～圖2(惰性氣體/可燃氣爆炸極限圖)中查出各組合氣體的爆炸極限；④ 按公式(1)計算混合氣爆炸極限。

圖1 氣體爆炸極限圖(一)

圖2 氣體爆炸極限圖(二)

對于第三類氣體，其計算步驟為：① 將氧氣和氮氣按空氣的比例抽出，重新計算各氣體組分的百分含量；② 按第二類氣體的計算步驟計算含惰性氣無空氣的混合氣體爆炸極限;③ 按上述②計算結果及上述①計算中折合的空氣含量，計算出可燃氣體混合物的爆炸極限。

2 應用舉例

上述三種類型的可燃性混合氣體的爆炸極限計算方法由簡入繁。本文以第三種類型的氣體為例進行計算，從而說明該方法的具體應用。

本文以水煤氣為例進行計算，其氣體組成如表2所示。

表2 水煤氣氣體組成

(1)以空氣中的氧氮比例去除混合氣體中的O2和N2

上述混合氣體中O2占0.3%，則需要去除的N2比例為3.76×0.3%=1.128%，去除的O2和N2占比為0.3%+1.128%=1.428%，剩余N2占比為3%-1.128%=1.872%，剩余氣體組成如表3所示。

表3 去除O2和N2后混合氣體含量

(2)將惰性氣體和可燃氣體進行組合

將上述氣體中的CO2和CO組合

查圖1，可得：其爆炸下限為L下=18%，L上=70.5%，將上述氣體中的N2和CH4組合

查圖1，可得：其爆炸下限為L下=10%，L上=21.5%，調整后的氣體組分和爆炸下限如表4所示。

表4 調整后氣體組分和爆炸極限表

(3)將抽出的空氣進行回歸計算

上述計算結果為去除占比1.428%的O2和N2后的混合氣體的爆炸極限，將該值回歸至原混合氣體，則

3 結語

綜上，采用Lechteilier法則計算水煤氣的爆炸極限，其計算值與實測值L水煤氣下=6.9%[4]，L水煤氣上=69.5%[4]的誤差如下：

該計算結果滿足物質火災危險性類別判別需要。