混合燃氣爆炸極限計算方法探討
2022-08-23 13:32:18周運志
周運志
中石化上海工程有限公司（上海 200120）
在石油化工生產過程中，混合燃氣爆炸是引發(fā)重大生產事故的主要原因，嚴重威脅人民的生命及財產安全。爆炸極限是表征可燃氣體爆炸特性的重要參數，也是工業(yè)生產中一個重要的安全技術指標。爆炸極限的下限越低、上限越高，就越容易引發(fā)火災和爆炸，危險性越大，反之，危險性越小。因此，有必要研究并掌握混合燃氣的爆炸極限，這對準確把握、控制爆炸的發(fā)生，對石油化工生產裝置的工程設計和安全生產都具有積極作用。
1 確定混合燃氣爆炸極限的意義
GB 50160—2008（2018年版）《石油化工企業(yè)設計防火標準》[1]根據可燃氣體的爆炸下限是否小于10%把可燃氣體的火災危險性分成甲、乙兩類，其類別的歸屬對石油化工廠的總平面布置及工藝裝置和系統(tǒng)單元的設備、建筑物平面布置要求的防火間距有很大差異，甲類可燃氣體的危險性、危害性大，要求的安全間距也更大。
GB 50016—2014（2018年版）《建筑設計防火規(guī)范》[2]中規(guī)定的甲類、乙類生產和存儲物品的火災危險性分別包含了按爆炸下限是否小于10%劃分的氣體，不同類別的可燃氣體對生產、存儲的廠房和倉庫的耐火等級、層數、面積、平面布置等方面的設計要求也大不相同。
有爆炸危險的工藝設備，其內允許的最大可燃氣體含量以及動火作業(yè)時允許的最大可燃氣體含量等均和爆炸極限有關。因此，對混合燃氣爆炸極限進行研究和計算是很有必要的。確定了混合燃氣的爆炸極限尤其是爆炸下限，就可以從根本上了解其爆炸危險性，從而準確把握、控制爆炸的發(fā)生，降低危險系數，對石油化工生產裝置的工程設計和安全生產具有重要意義。
2 混合燃氣爆炸極限的計算及比較
利用實驗室爆炸極限測定裝置[3]能夠獲得準確的可燃氣體在空氣中的爆炸極限，但實際生產中可燃氣體及其形成混合物的種類和組成多種多樣，而且這種測試比較困難，不具有廣泛應用性。因此，采用理論公式對混合燃氣的爆炸極限進行計算，并將計算結果與文獻中的實測值進行對比，以證明用理論公式計算可燃氣體的爆炸極限是可行的，具有實際參考意義。
單組分氣體的爆炸極限容易獲取，然而日常生產實踐中，遇到的大多是氣體混合物。在混合氣體中，各組分之間會相互影響，使混合氣體形成一個新的爆炸極限?；旌蠚怏w爆炸極限的計算大致分3種情況。
2.1 多種可燃氣體組成的混合氣體
對于兩種或兩種以上可燃氣體組成的混合氣體，可根據理·查特里（Le Chatelier）公式計算出混合可燃氣體與空氣相混合的爆炸極限[4]。理·查特里公式是一個經驗公式，適用于混合氣體的各組分均為可燃氣體，每種可燃氣體的爆炸極限已知，且各組分之間不發(fā)生化學反應[5]。
式中：Lm為可燃氣體混合物的爆炸極限；Li為某一可燃氣體的爆炸極限；Vi為某一可燃氣體的體積分數，∑Vi=100%。
2.2 可燃氣體和惰性氣體組成的混合氣體
如果在可燃氣體混合物中混入N2，CO2等惰性氣體，仍可根據理·查特里公式計算爆炸極限，但需要按式（2）進行惰性氣體修正[4]。其計算方法是：先扣除混合氣體中的惰性氣體，對剩下的可燃氣體部分按體積分數為100%進行調整，先用（1）式計算出全部可燃氣體混合時的爆炸極限，然后用（2）式進行修正計算，得到可燃氣體和惰性氣體的混合氣體的爆炸極限。
式中：LN為混合氣體的爆炸極限；Lm為可燃氣體混合物的爆炸極限；B為惰性氣體的體積分數。
2.3 可燃氣體、惰性氣體和氧氣組成的混合氣體
當混合氣體中含有氧氣時，可以認為混合氣體中含有部分空氣，這類混合氣體爆炸極限的計算需要2次調整體積分數，過程煩瑣，容易出錯。其計算過程是先將混合氣體中的氧氣和氮氣按空氣氮氧比3.762進行扣除，對剩下的可燃氣體和惰性氣體按體積分數為100%進行調整，然后根據2.2用（1）式、（2）式計算出不含空氣的混合氣體的爆炸極限，最后用（3）式計算出整體混合氣體的爆炸極限[6]。
式中：LT為混合氣體的爆炸極限；LN為無空氣基時可燃氣體和惰性氣體混合的爆炸極限；Xair為混合氣體中氧氮折算的空氣體積分數。
2.4 混合氣體爆炸極限計算值與實測值的比較
查閱文獻，單一可燃氣體的爆炸極限見表1[6]，文獻中實測的混合氣體的爆炸極限見表2[7-8]。根據式（1）、（2）、（3），分別按類型對混合氣體的爆炸極限進行計算并與實測值進行對比，具體見表2。
表1 單一可燃氣體的爆炸極限%
從上述計算值與實測值的對比可以看出，用理論公式計算的爆炸下限比文獻中的實測值要低，而上限比文獻中的實測值要高，這對實際運用是偏安全的。所以，用理論公式計算的爆炸極限值是可用的，在工程上具有參考意義。
3 可燃氣體很少的混合氣體易燃性判定
石油化工裝置在生產過程中往往會排放大量廢氣，這些廢氣中可燃氣體濃度很低，大部分是N2，CO2等惰性氣體。如果直接套用理論公式，會得到相應的爆炸極限計算值，但該計算結果未必有意義。這是因為，惰性氣體會對可燃氣體的爆炸極限有抑制作用，而且隨著惰性氣體濃度的提高，混合氣體的爆炸極限范圍不斷變窄，當惰性氣體濃度超過某一定值時就會變成不可燃氣體。針對這類情況，建議先按ISO10156：2017《Gas cylinders—Gases and gas mixtures—Determination of fire potential and oxidizing ability for the selection of cylinder value outlets》[9]對可燃氣體含量很低的混合氣體的易燃性進行判定，然后再計算其爆炸極限。
3.1 可燃氣體和惰性氣體的混合氣體
可燃氣體和惰性氣體的混合氣體的易燃性判定原則如下：
式中：Vi為可燃氣體的體積分數；Tci為可燃氣體與氮氣混合氣體在空氣中不可燃的最大體積分數；i為混合氣體中的第i種可燃氣體，n為混合氣體中的第n種可燃氣體。
若混合氣體中含有CO2，Ar等非氮氣的惰性氣體，應采用該惰性氣體的氮等價系數來調整混合氣體的體積。惰性氣體的氮等價系數見表4。
當R≤1時，說明該混合氣體在空氣中不易燃，反之則易燃。判定出易燃性后，再根據經驗公式來計算氣體混合物的爆炸極限。
案例：氣體混合物中含有7%的H2和93%的CO2，判斷其易燃性。
由表4可知，CO2相應的氮等價系數為1.5，即7%（H2）+1.5×93%（CO2）,然后調整體積分數總和為1，即4.78%（H2）+95.22%（CO2），查得H2的Tci=5.5%，代入式（4）得：
表4 惰性氣體的氮等價系數K k
R＜1，說明則該混合氣體不易燃。
3.2 可燃氣體、惰性氣體和氧氣的混合氣體
如果符合以下兩個條件，含有易燃和氧化氣體的混合物被判定為易燃：
（1）易燃氣體體積分數Ai＞Li；
（2）易燃氣體體積分數A i≥T ci(flamox)，
式中：Ai為混合氣體中可燃氣體的體積分數；Li為可燃氣體的爆炸下限；Tci為可燃氣體與氮氣混合氣體在空氣中不可燃的最大體積分數；X（O2）為混合氣體中氧氣的體積分數。
案例：氣體混合物中含有2%H2，1%CH4，13%O2，84%N2，判斷其易燃性。
查得H2的爆炸下限為4%，Tci為5.5%；CH4的爆炸下限為4.4%，Tci為8.7%。
易燃氣體體積分數=2%+1%=3%，混合易燃氣體 的爆炸下限=（2%+1%）/(2%/4%+1%/4.4%)=4.12%，混合易燃氣體在空氣中不可燃的最大體積分數=（2%+1%）/(2%/5.5%+1%/8.7%)=6.27%。
X（O2）=13%,則Tci(flamox)=6.27%×(1-13%/21%)=2.39%。
根據判定原則，條件（1）不成立，條件（2）成立，兩個條件不同時成立，所以該混合氣體不易燃。
4 結語
確定可燃氣體的爆炸極限尤其是爆炸下限，可以從根本上了解可燃氣體的爆炸危險性，從而準確把握、控制爆炸的發(fā)生，降低危險系數，對石油化工的設計和安全生產有積極作用。
對于可燃混合氣體，利用理·查特里（Le Chatelier）公式計算的爆炸下限比實測值低，而上限比實測值高。因此，用理論公式計算的爆炸極限是可用的，在工程上具有參考意義。對于含有低濃度可燃氣體的混合物，應先判斷其易燃性，再計算爆炸極限。
