國內(nèi)外關(guān)于混合氣體可燃性及爆炸極限的標(biāo)準(zhǔn)化研究

武麗娜， 陳睿謙

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢　430223)

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國內(nèi)外關(guān)于混合氣體可燃性及爆炸極限的標(biāo)準(zhǔn)化研究

武麗娜， 陳睿謙

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢430223)

摘要：闡述了爆炸極限對國內(nèi)外可燃?xì)怏w分類的影響及類別對可燃?xì)怏w的意義，分析了操作溫度與爆炸極限的關(guān)系及修正方法，總結(jié)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(biāo)準(zhǔn)化方法，提出了國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中存在的盲區(qū)及修訂盲區(qū)問題的建議，為石化行業(yè)的設(shè)計及生產(chǎn)提供更精確、更安全的參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：混合氣體；爆炸極限；可燃性；分類；安全

在當(dāng)今石油化工生產(chǎn)中，混合燃?xì)獗ㄊ菍?dǎo)致重大災(zāi)害的主要原因。防止工業(yè)系統(tǒng)多混合氣爆炸的關(guān)鍵是深入研究并掌握混合燃?xì)獾谋O限。國內(nèi)外根據(jù)可燃?xì)怏w的爆炸下限及爆炸極限范圍確定其火災(zāi)危險性類別，不同類別的可燃?xì)怏w，其設(shè)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(shù)及防火分區(qū)的最大允許建筑面積也不同，因此，石油化工相關(guān)單位應(yīng)掌握混合燃?xì)獾谋O限，以便確定工藝、設(shè)備及管道的安全操作條件，并采取有效的防護(hù)措施[1]。

1混合燃?xì)獗O限確定的意義

1.1國內(nèi)外可燃?xì)怏w的分類對比

國內(nèi)外對于可燃?xì)怏w的分類對比見表1。

表1　國內(nèi)外可燃?xì)怏w分類對比

由表1可知，國內(nèi)外可燃?xì)怏w都是根據(jù)爆炸極限來進(jìn)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?xì)怏w的重要性。

1.2類別對可燃?xì)怏w的意義

國外不同類別的可燃?xì)怏w，其危險公示不同，其標(biāo)簽要素見表2。

表2　國外易燃?xì)怏w的標(biāo)簽要素[3]

國內(nèi)不同類別的可燃?xì)怏w對化工項目防火間距、廠房耐火等級、層數(shù)及防火分區(qū)的影響詳見《混合燃?xì)獗O限確定的重要意義及計算方法》一文[1]。由此可見，可燃?xì)怏w類別的劃分對石化行業(yè)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(zhì)的爆炸極限值是在20 ℃、101.3 kPa條件下所得出的數(shù)據(jù)，而在生產(chǎn)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?xì)怏w泄漏出來后在瞬間即轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒熱，kJ/mol。

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

解：查得CO氣體的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒熱為：

ΔHci=282.8 kJ/mol

標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中未提出溫度修正的概念，工程設(shè)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(zhì)的爆炸極限容易獲取，然而混合氣體的爆炸極限則需要預(yù)測，本文結(jié)合國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[4,6]，在文獻(xiàn)[1]提出的觀點的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步詳細(xì)闡述混合氣體可燃性及類別劃分的預(yù)測方法。

2.1混合燃?xì)獾挠嬎?/p>

若混合物中的氣體均為可燃?xì)怏w，我們可稱其為混合燃?xì)?，其爆炸下限直接采用Le Chatelier公式進(jìn)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?xì)獾捏w積組成為H2： 5%，CO： 10%，NH3： 80%，C2H6： 5%，求該混合燃?xì)獾幕馂?zāi)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?xì)怏w，因此，直接帶入公式(2)中得：

由計算可得，該混合燃?xì)饣馂?zāi)危險性為乙類。

2.2可燃?xì)怏w+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(jù)公式(2)計算其爆炸下限。根據(jù)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(shù)；Tci為可燃?xì)怏w與氮氣混合物在空氣中不燃燒的最大濃度；Ai為可燃?xì)怏w組分?jǐn)?shù)；Bi惰性氣體的組分?jǐn)?shù)。

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(zāi)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?xì)怏w+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?xì)怏w的總濃度≥爆炸下限Lm；

(2)可燃?xì)怏w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(zāi)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?xì)怏w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(shè)計在可燃?xì)怏w混合物可燃性及爆炸下限預(yù)測方面的參考依據(jù)，我們在設(shè)計時可以借鑒。

3國內(nèi)化工標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的建議

國外的工業(yè)化早于國內(nèi)，中國標(biāo)準(zhǔn)是在詳細(xì)調(diào)研國外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上進(jìn)行編訂的。國內(nèi)關(guān)于可燃?xì)怏w的分級和可燃性判別的問題，在GB50160《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》及GB20577《化學(xué)品分類、警示標(biāo)簽和警示性說明安全規(guī)范》中有體現(xiàn)，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(yīng)如何應(yīng)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(shù)Tci、Ki的值，也未闡明混合可燃?xì)怏w爆炸下限的預(yù)測方法，這是國內(nèi)關(guān)于爆炸極限及混合氣體的問題存在盲區(qū)的地方。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和經(jīng)濟全球化的推進(jìn)，對于化工設(shè)計的安全系數(shù)和準(zhǔn)確度要求越來越高，標(biāo)準(zhǔn)的國際化也是勢不可擋，我們必須對標(biāo)準(zhǔn)中的盲區(qū)進(jìn)行掃盲。這就要求我們善于借鑒國內(nèi)外先進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)中的盲區(qū)進(jìn)行不斷修訂，使我們的標(biāo)準(zhǔn)化體系更加完善，也讓我們的設(shè)計有據(jù)可依，規(guī)范合理。

4結(jié)語

(1)爆炸極限直接影響到可燃?xì)怏w類別的劃分，從而決定國內(nèi)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(shè)計人員在項目設(shè)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(shù)據(jù)以指導(dǎo)化工設(shè)計和生產(chǎn)。

(3)對于只含有可燃?xì)怏w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(yīng)根據(jù)文中介紹的方法首先判斷其可燃性，若可燃，則再根據(jù)Le Chatelier公式計算爆炸極限，劃分火災(zāi)危險性級別。

(4)筆者提出了國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于混合氣體問題的盲區(qū)，并建議在標(biāo)準(zhǔn)修訂中應(yīng)通過借鑒國外先進(jìn)理念、最新科技成果及試驗驗證的方法，重點明確盲區(qū)問題，以完善標(biāo)準(zhǔn)化體系，從而規(guī)范設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

[1] 武麗娜, 陳睿謙, 徐瑩, 張喜春. 混合燃?xì)獗O限確定的重要意義及計算方法[J]. 化肥設(shè)計, 2014, 52(2)： 18 - 21.

[2] GB50160-2008, 石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范[S].

[3] GHS全球化學(xué)品統(tǒng)一分類和標(biāo)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(xué)品分類、警示標(biāo)簽和警示性說明安全規(guī)范易燃?xì)怏w[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(yè)于南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事化工管理設(shè)計工作。

中圖分類號：X 932

文獻(xiàn)標(biāo)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