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(chǔ)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_(dá)阻火器之前，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹閬喴羲贂r(shí)選爆燃阻火器，超過音速時(shí)選爆轟阻火器。但現(xiàn)有規(guī)范未給出火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?jì)算公式，化工裝置工程設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)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(diǎn)附近的混合物吸收足夠熱量后就會(huì)持續(xù)燃燒，并釋放熱量到相鄰的氣體，進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(kuò)散方式、相對(duì)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(duì)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(jìn)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(dá)阻火器之前：燃燒為爆燃時(shí)選擇爆燃阻火器；燃燒為爆轟時(shí)可選擇爆轟阻火器。

對(duì)于化工裝置工程設(shè)計(jì)人員，由于現(xiàn)有規(guī)范未給出火焰速度的計(jì)算公式，無法計(jì)算出火焰到達(dá)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(jì)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(yàn)及驗(yàn)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(jí)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(jí)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(jì)和測(cè)試限定的距離要求；（4）對(duì)于未識(shí)別點(diǎn)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?dú)饣蚩諝獾幕旌衔?、純氣體（含蒸氣）與非氮?dú)饣蚩諝庖酝舛栊詺怏w的混合物，以及含有氧氣的混合物，易燃性、易爆性計(jì)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(yàn)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(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)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?dú)夂?或空氣的混合物

2.2.1 易燃易爆上下限計(jì)算

混合氣體易燃易爆上下限可采用Le Chateliers公式[2]計(jì)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?xì)怏wi的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)；Li為易燃?xì)怏wi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?xì)怏w、氮?dú)夂涂諝饨M成的混合物，其物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別是：氫氣65%，氮?dú)?0%，空氣5%，計(jì)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(cè)定燃燒潛力和氧化能力選擇汽缸閥排氣口》表2 知?dú)錃獾娜紵孪逓?.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?dú)夂?，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(duì)于易燃?xì)怏w與氮?dú)獾幕旌衔?，易燃?xì)怏w燃燒下限將和Tci（易燃?xì)怏w和定量氮?dú)饣旌蠒r(shí)不可燃的最高值）進(jìn)行比較。

2.3 易燃?xì)怏w與非氮?dú)夂涂諝庖酝獾亩栊詺怏w的混合物

2.3.1 易燃易爆上下限計(jì)算

表1 中惰性氣體的氮?dú)猱?dāng)量系數(shù)（KK）[2]是根據(jù)氣體工業(yè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)保守值估計(jì)的。對(duì)于化學(xué)式中含有3 個(gè)或3 個(gè)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?dú)猱?dāng)量系數(shù)KK

非氮?dú)夂涂諝庖酝獾亩栊詺怏w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(shí)的變化會(huì)影響火焰?zhèn)鞑ニ璧娜紵裏?。其中，KK可查詢表1。

式中Li′由式（3）計(jì)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(jì)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?xì)怏wi的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)；Bk為基于計(jì)算LM′混合物中惰性氣體物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。

式（3）中，計(jì)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?dú)夂涂諝饨M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?dú)?5%，空氣5%，計(jì)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?xì)怏w的混合物

含氧氣和易燃?xì)怏w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?xì)怏w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?xì)怏w含量低于Li。

（3）易燃?xì)怏w。其易燃?xì)怏w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(huì)發(fā)生爆炸的最大氧氣物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）且易燃?xì)怏w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(gè)條件，則被歸類為易燃?xì)怏w：（1）易燃?xì)怏w物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)Ai≥Li；（2）易燃?xì)怏w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(duì)于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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?xì)怏wLOC

2.4.2 案例

單一易燃?xì)怏w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?dú)?0%，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(diǎn)是有不同惰性氮?dú)猱?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?xì)怏w、氧化劑和氮?dú)猱?dāng)量歸一化至總計(jì)100%。

歸一化因子的計(jì)算公式為：

代入數(shù)據(jù)得：

易燃?xì)怏w物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)=10%×1.114=11.1%，Li=10.9%，Tci=15.2%。

易燃?xì)怏w物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)11.1%≥Li（10.9%），條件（1）成立；易燃?xì)怏w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(shí)成立，因此混合氣體非易燃。

對(duì)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(xiàng)

3.1 適用限制

含氧氣和易燃?xì)怏w混合物的易燃易爆性計(jì)算方法不適用于易燃?xì)怏w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(jìn)行溝通和確認(rèn)。

混合氣體如果氧氣含量過高，將會(huì)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(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，溫度對(duì)混合物的易燃性有影響。一般而言，混合物溫度較高，則可燃?xì)怏w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(chǔ)罐/容器外的管口上，以便于維護(hù)和拆除。容器/儲(chǔ)罐頂部的爆燃阻火器應(yīng)安裝在儲(chǔ)罐/容器頂部的平臺(tái)上，排氣管的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短，以避免發(fā)生爆轟。容器/儲(chǔ)罐頂部的爆轟阻火器應(yīng)安裝在靠近容器/儲(chǔ)罐頂部平臺(tái)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(yuǎn)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_(dá)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(jì)人員很難計(jì)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(jì)人員在工作中快速選擇阻火器類型，為其提供新的方法。