化工裝置爆燃、爆轟阻火器的選擇

吳愛軍

眾一伍德工程有限公司 （上海 200235）

化工裝置生產(chǎn)或存儲過程中，阻火器是阻止內(nèi)部火焰?zhèn)鞑サ闹匾O(shè)施。如何確定阻火器類型（爆燃、爆轟）是阻火器選型的關(guān)鍵因素之一。目前，爆燃或爆轟阻火器選型的主要依據(jù)是火焰?zhèn)鞑ニ俣龋旱竭_阻火器之前，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹閬喴羲贂r選爆燃阻火器，超過音速時選爆轟阻火器。但現(xiàn)有規(guī)范未給出火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嬎愎?，化工裝置工程設(shè)計人員很難依據(jù)火焰?zhèn)鞑ニ俣葋泶_定阻火器類型。本研究提出根據(jù)工程設(shè)計人員常用的氣體理化特性（如易燃性、易爆性）和爆燃距離來確定阻火器類型，為爆燃、爆轟阻火器的選擇提供參考和借鑒。

1 爆燃、爆轟阻火器類型及現(xiàn)狀

從熱量的角度來講，燃燒是著火點附近的化合物釋放熱量加熱其附近的化合物/空氣混合物的過程。著火點附近的混合物吸收足夠熱量后就會持續(xù)燃燒，并釋放熱量到相鄰的氣體，進一步燃燒其周圍混合物。如果混合物中化合物分子數(shù)量過少，則釋放的熱量很少，導(dǎo)致燃燒不能繼續(xù)。

影響阻火器選擇的主要因素是燃燒類型和最大實驗安全間隙，本研究主要考慮燃燒類型的影響。燃燒類型有爆燃和爆轟。爆燃是以熱傳導(dǎo)和擴散方式、相對于前方介質(zhì)以亞音速傳播的燃燒反應(yīng)形式[1]。爆轟分為穩(wěn)定爆轟和非穩(wěn)定爆轟：穩(wěn)定爆轟是激波壓縮方式、相對于前方介質(zhì)以超音速傳播的燃燒反應(yīng)形式；非穩(wěn)定爆轟是燃燒進程由爆燃轉(zhuǎn)為穩(wěn)定爆轟過程中的爆轟，其燃燒波的速度不是常數(shù)，且爆炸壓力明顯高于穩(wěn)定爆轟[1]。

阻火器按阻火性能可分為爆燃型、爆轟型。

在到達阻火器之前：燃燒為爆燃時選擇爆燃阻火器；燃燒為爆轟時可選擇爆轟阻火器。

對于化工裝置工程設(shè)計人員，由于現(xiàn)有規(guī)范未給出火焰速度的計算公式，無法計算出火焰到達阻火器之前是亞音速還是超音速，從而無法確認(rèn)是爆燃還是爆轟，因此無法正確選擇阻火器類型。

2 爆燃、爆轟阻火器選擇及其計算

根據(jù)氣體理化特性，有的氣體（含蒸氣）及氣體混合物僅僅易燃，有的易燃且易爆，有的非易燃、非易爆。提出依據(jù)氣體理化特性中易燃性、易爆性和爆燃距離確定阻火器類型。具體如下：

（1）如果氣體及氣體混合物僅易燃，選擇爆燃阻火器。（2）如果氣體及氣體混合物易燃易爆，且在爆燃距離內(nèi)，選擇爆燃阻火器。（3）如果氣體及氣體混合物易燃易爆，且在爆燃距離外，選爆轟阻火器。

其中爆燃距離采用SH/T 3413—2019《石油化工石油氣管道阻火器選用、檢驗及驗收標(biāo)準(zhǔn)》6.2.10 款的建議值，即管道中的阻火器法蘭面至潛在火源的距離（Lu）與管徑（D）的比值應(yīng)滿足以下要求：

（1）適用于爆炸組級別為II A1，IIA，II B1，IIB2和IIB3 的阻火器，Lu/D≤50；（2）適用于爆炸組級別為IIB 和IIC 的阻火器，Lu/D≤30；（3）除滿足標(biāo)準(zhǔn)6.2.10 a）款或b）款外，還應(yīng)滿足制造商提供的設(shè)計和測試限定的距離要求；（4）對于未識別點火源位置的，不得使用爆燃阻火器。

純氣體（含蒸氣）、純氣體（含蒸氣）混合物、純氣體（含蒸氣）與氮氣或空氣的混合物、純氣體（含蒸氣）與非氮氣或空氣以外惰性氣體的混合物，以及含有氧氣的混合物，易燃性、易爆性計算方法及其要求是不同的。

2.1 純氣體（含蒸氣）物質(zhì)

純氣體（含蒸氣）可燃性可查找GB/T 3836.11—2017《爆炸性環(huán)境 第11 部分：氣體和蒸氣物質(zhì)特性分類試驗方法和數(shù)據(jù)》附錄B。如果該物質(zhì)僅易燃且無爆炸性，則選爆燃阻火器。

純氣體（含蒸氣）易爆性可查找GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》附錄C 或化學(xué)品安全技術(shù)說明書（MSDS）。如果該物質(zhì)處于爆炸范圍中且在爆燃距離之外，則選爆轟阻火器；如果該物質(zhì)處于爆炸范圍中且在爆燃距離內(nèi)，則選爆燃阻火器。

易燃易爆的純氣體（含蒸氣）物質(zhì)，按易爆性選擇阻火器類型。

2.2 純氣體（含蒸氣）混合物、純氣體（含蒸氣）與氮氣和/或空氣的混合物

2.2.1 易燃易爆上下限計算

混合氣體易燃易爆上下限可采用Le Chateliers公式[2]計算。

式中：LM為混合物易燃易爆上限或下限物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)；Ai為易燃氣體i的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)；Li為易燃氣體i的易燃易爆上限或下限物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。

2.2.2 案例

易燃氣體、氮氣和空氣組成的混合物，其物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別是：氫氣65%，氮氣30%，空氣5%，計算混合物的易燃性下限。

經(jīng)查ISO 10156：2017《汽缸- 氣體和氣體混合物- 通過測定燃燒潛力和氧化能力選擇汽缸閥排氣口》表2 知氫氣的燃燒下限為4.0%，代入式（1）：

原來氫氣的燃燒下限為4.0%，在減少空氣并增加氮氣后，氫氣的燃燒下限逐步提高，即混合氣體越來越不容易燃燒。

對于易燃氣體與氮氣的混合物，易燃氣體燃燒下限將和Tci（易燃氣體和定量氮氣混合時不可燃的最高值）進行比較。

2.3 易燃氣體與非氮氣和空氣以外的惰性氣體的混合物

2.3.1 易燃易爆上下限計算

表1 中惰性氣體的氮氣當(dāng)量系數(shù)（KK）[2]是根據(jù)氣體工業(yè)的實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗保守值估計的。對于化學(xué)式中含有3 個或3 個以上原子的其他非易燃、非氧化性氣體，當(dāng)量系數(shù)KK=15。

表1 惰性氣體的氮氣當(dāng)量系數(shù)KK

非氮氣和空氣以外的惰性氣體中，由于惰性氣體的KK不一樣，空氣- 惰性混合物摩爾熱容在LM′時的變化會影響火焰?zhèn)鞑ニ璧娜紵裏帷Ｆ渲?，KK可查詢表1。

式中Li′由式（3）計算。

式中：LM′為僅含易燃物質(zhì)混合物的易燃下限（物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)），按式（2）計算；K為惰性氣體按物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)加權(quán)的平均值；Ai為易燃氣體i的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)；Bk為基于計算LM′混合物中惰性氣體物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。

式（3）中，計算的混合物中空氣或氧氣的量視為惰性氣體，即K值為1。

2.3.2 案例

氫氣、甲烷、二氧化碳、氮氣和空氣組成的混合物，其物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別是：氫氣15%，甲烷15%，二氧化碳30%，氮氣35%，空氣5%，計算混合物易燃性下限。

由圖1[2]混合氣體類別可知該混合物無爆炸性。

圖1 混合氣體類別

2.4 含氧氣和易燃氣體的混合物

含氧氣和易燃氣體的混合物可分為4 類（圖1）：

（1）非易燃且非氧化氣體。氧氣物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)不大于23.5%，且易燃氣體含量低于Tci,F或Li。

（2）氧化氣體。其氧氣物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)大于23.5%，且易燃氣體含量低于Li。

（3）易燃氣體。其易燃氣體含量大于Tci,F與Li。

（4）潛在爆炸氣體。其氧氣物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)大于極限氧濃度（LOC，指在常壓條件下，易燃物質(zhì)、空氣或惰性氣體組成的混合物不會發(fā)生爆炸的最大氧氣物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）且易燃氣體含量大于Tci,F和Li。

2.4.1 易燃性分類的基礎(chǔ)

易燃且具有氧化性的氣體混合物，如果滿足下列2 個條件，則被歸類為易燃氣體：（1）易燃氣體物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)Ai≥Li；（2）易燃氣體物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)Ai≥Tci,F。

式中：xo為氧氣物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，小于21%。

對于風(fēng)險評估和避免爆炸性氣體混合物，表2[2]給出了LOC（僅在常壓下有效）。

表2 部分易燃氣體LOC

2.4.2 案例

單一易燃氣體和其他惰性氣體組成的混合物，其物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別是：一氧化碳10%，氧氣5%，氮氣10%，二氧化碳20%，氬氣25%，氖氣30%。判斷混合氣體類別。

該案例的特點是有不同惰性氮氣當(dāng)量的惰性氣體。首先，這些惰性氣體的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)乘以表1 中的Kk值，然后將易燃氣體、氧化劑和氮氣當(dāng)量歸一化至總計100%。

歸一化因子的計算公式為：

代入數(shù)據(jù)得：

易燃氣體物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)=10%×1.114=11.1%，Li=10.9%，Tci=15.2%。

易燃氣體物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)11.1%≥Li（10.9%），條件（1）成立；易燃氣體物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)11.1%≤Tci,F（11.2%），條件（2）不成立。由于條件（1）和（2）不能同時成立，因此混合氣體非易燃。

對于混合氣體，首先判斷其易燃性和易爆性，再結(jié)合2.1 中的方法來選擇阻火器。

3 爆燃、爆轟阻火器選型注意事項

3.1 適用限制

含氧氣和易燃氣體混合物的易燃易爆性計算方法不適用于易燃氣體和其他氧化氣體混合物，也不適用于自分解物質(zhì)（環(huán)氧乙烷、乙炔）或富氧混合物（氯作為氧化劑等），具體情況需要和阻火器廠家進行溝通和確認(rèn)。

混合氣體如果氧氣含量過高，將會具有氧化性；氧化性氣體的特性在文中暫不討論。

3.2 溫度影響

根據(jù)實驗測試數(shù)據(jù)，溫度對混合物的易燃性有影響。一般而言，混合物溫度較高，則可燃氣體的燃燒下限降低，即易于燃燒。

3.3 安裝位置

爆燃和爆轟阻火器的安裝位置也非常重要，一般有如下考慮：端部爆燃阻火器應(yīng)安裝在儲罐/容器外的管口上，以便于維護和拆除。容器/儲罐頂部的爆燃阻火器應(yīng)安裝在儲罐/容器頂部的平臺上，排氣管的長度應(yīng)盡可能短，以避免發(fā)生爆轟。容器/儲罐頂部的爆轟阻火器應(yīng)安裝在靠近容器/儲罐頂部平臺邊緣的管嘴上，且最好在明火設(shè)備的上游并距離熱源或輻射熱足夠遠的地方，具體距離可與供應(yīng)商確認(rèn)。

4 結(jié)語

根據(jù)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊竭_阻火器前是否超過音速來選擇阻火器類型，現(xiàn)階段工程設(shè)計人員很難計算出具體的火焰?zhèn)鞑ニ俣?。依?jù)氣體及氣體混合物理化特性（易燃性、易爆性）及不同爆炸組別氣體是否在建議當(dāng)量直徑范圍內(nèi)，可以讓工程設(shè)計人員在工作中快速選擇阻火器類型，為其提供新的方法。