燃气爆炸极限计算方法的研究

作者：田贯三于畅李兴泉　来源：山东建筑工程学院热能工程学院　评论：　更新日期：2013年08月10日

表4 初始压力对CH₄爆炸极限的影响
Tab.4.Impact Of initial pressure on explosion limits
of methane

初始压力/MPa	爆炸下限	爆炸上限
0.101	5.6	14.3
1.013	5.9	17.2
5.056	5.4	29.4
12.660	5.7	45.7

    一般情况下，随初始压力的升高，爆炸上限明显提高，但在已知的可燃气体中，CO随初始压力的增加，爆炸上限降低；初始压力降低，爆炸极限范围缩小。当初始压力降低至某个定值时，爆炸上、下限重合，此时的压力称为爆炸临界压力。低于爆炸临界压力的系统不爆炸，因此在密闭容器内减压操作对安全有利。
    在0.1～1.0MPa内，低碳氢化合物在氧气中爆炸上限可用以下实验式进行比较准确的计算^[4]。
    甲烷：L_h=56.0(p-0.9)^0.040 (1)
    乙烷：L_h=52.5(p-0.9)^0.045 (2)
    丙烷：L_h=47.7(p-0.9)^0.042 (3)
    乙烯：L_h=64.O(p-0.9)^0.083 (4)
    丙烯：L_h=43.5(p-0.9)^0.095 (5)
式中 L_h——可燃气体爆炸上限，％
     p——绝对压力，MPa
    目前有关文献发表的关于燃气爆炸极限的数据，多数是用小的点火源(多数起爆能量<100J)和比较小的爆炸容器(O.001～0.005m³)，而且在常温下进行测定。有关研究结果表明，起爆能量为10kJ、爆炸容器容积为1m³时，确定的参数接近实际情况。因此，在选用有关燃气爆炸极限参数时，应弄清楚测试条件，并考虑安全系数。考虑到燃气与空气的混合均匀性以及由实验测定的爆炸极限与实际有差别，因此我国《城镇燃气设计规范》规定燃气泄漏到空气中，达到爆炸下限的20％时应能觉察或报警；液化石油气混空气中液化石油气的含量必须超过爆炸上限的1.5倍。
2 燃气爆炸极限的估算
    燃气爆炸极限的计算方法有多种，主要根据完全燃烧反应所需的氧原子数、化学计量比体积分数和燃烧热等计算出近似值。目前文献^{[1～4、7～13]}介绍的典型可燃气体爆炸极限的经验计算公式分别适用于单组分的纯可燃气体、全部为可燃成分的混合气体以及含有CO₂、N₂及蒸汽3种惰性气体的混合可燃气体。
    ①单组分纯可燃气体
    a.按完全燃烧反应所需的氧原子数根据可燃气体燃烧反应所需的氧原子数和热平衡，考虑空气中的氧含量，推算出可燃气体的爆炸极
限^[1、4]。
    爆炸下限：
         (6)
    爆炸上限：    (7)

式中 L₁——可燃气体爆炸下限，％
     N——可燃气体完全燃烧反应所需的氧原子数，对烃类N≥4
    上述2式一般只适用于烷烃碳氢化合物爆炸极限的估算，不适用于H₂、CO气体的计算。常用燃气爆炸极限按燃烧反应所需氧原子数的计算结果见表5。从结果可以看出，对烷烃气体爆炸下限计算较为准确，在实际工程中可采用；对其他气体计算结果误差较大，不可采用。

表5 常用燃气爆炸极限按燃烧反应所需氧原子数的计算结果
Tab.5 Result of explosion limits of common gases calculated
according to atomicity of oxygen atoms for combustion reaction
%

燃气	实验值下限/上限	计算值下限/上限	计算值与实验值的绝对偏差	计算值与实验值的相对偏差
CH₄	5.0/15.0	6.5/17.3	-1.5/-2.3	-30.0/-15.0
C₂H₆	3.0/12.5	3.4/10.7	-O.4/1.8	-13.0/14.O
C₃H₈	2.1/9.5	2.3/7.8	-0.2/1.7	-9.5/17.8
C₃H₆	2.0/11.7	2.6/9.1	-0.6/2.6	-28.0/22.0
n-C₄H₁₀	1.5/8.5	1.7/6.1	-0.2/2.4	-13.0/28.0
i-C₄H₁₀	1.8/8.5	1.7/6.1	0.1/2.4	5.5/28.0
C₄H₈	1.6/10.0	1.9/6.5	-0.3/3.5	-16.9/52.0
n-C₅H₁₂	1.3/7.6	1.4/5.0	-0.1/2.6	-O.8/34.0

    b.按化学计量比体积分数
    化学计量比体积分数就是可燃气体完全燃烧，按化学反应方程式计算出的可燃气体-空气混合物中可燃气体的体积分数。可燃气体的化学计量比体积分数与其热值有关，热值高的可燃气体其燃烧反应所需的理论空气量大，由于可燃气体热值与燃烧反应所需的理论空气量的比值基本相同，因此可燃气体的爆炸极限与化学计量比体积分数的比值应该相同，根据这一理论通过实验数据回归得出了以下关系式^[1、4]。
    爆炸下限：L₁=O.55_st (8)
    爆炸上限：L_h=4.8L   (9)

式中 L_st——燃气的化学计量比体积分数，％
    式(8)、(9)只适用于链烷烃碳氢化合物爆炸极限的估算，不适用于H₂、CO、烯烃和炔烃等可燃气体的计算。常用燃气爆炸极限按化学计量比体积分数的计算结果见表6。从结果可以看出，对烷烃气体爆炸极限计算较为准确，一般爆炸下限略大于实验值，爆炸上限略小于实验值，相对误差大多小于10％。

表6 常用燃气爆炸极限按化学计量比体积分数的计算结果
Tab.6 Result of explosion limits of common gases calculated
according to stoichiometric volume fraction

燃气	实验值下限/上限	计算值下限/上限	计算值与实验值的绝对偏差	计算值与实验值的相对偏差
CH₄	5.0/15.0	5.2/14.3	-0.2/0.7	-4.0/4.7
C₂H₆	3.0/12.5	3.1/12.2	-0.1/0.3	-3.3/2.5
C₃H₈	2.1/9.5	2.2/9.5	-0.1/0.0	-4.8/0.0
C₃H₆	2.0/11.7	2.5/10.2	-0.5/1.6	-23.5/13.8
n-C₄H₁₀	1.5/8.5	1.7/8.5	-0.2/0.0	-13.3/0.0
i-C₄H₁₀	1.8/8.5	1.7/8.5	0.1/0.0	5.6/0.0
C₄H₈	1.6/10.0	1.8/8.8	-0.2/1.2	-12.5/12.0
n-C₅H₁₂	1.3/7.6	1.4/7.7	-0.1/-0.1	-7.7/-1.3

②多组分可燃混合气体
对于多组分可燃气体的爆炸极限可用混合法则估算，当已知每种气体的体积分数和爆炸极限时，其体积分数与爆炸极限之比的和等于混合气体总爆炸极限的倒数^{[1、24、7～13]}，即：

式中 L——可燃气体的爆炸上(下)限，％
     φ_i——各可燃气体体积分数，％
     L_i——各组分可燃气体的爆炸上(下)限，％
     n——可燃气体的组分数
     根据可燃气体组分的不同分以下3种情况计算^[1～3]：a.纯可燃气体直接用式(6)、(7)或式(8)、(9)计算。b.可燃混合气体含有惰性气体时，惰性气体对可燃气体爆炸极限有抑制作用，随惰性气体的含量增加，爆炸极限范围变窄，当惰性气体含量超过一定值，变为不可燃气体。在石油化工和燃气行业^[1～4]，目前都采用如下方法计算：将某一惰性气体组分与某一可燃组分组合起来作为可燃气体中的一种组分，其体积分数为二者之和，然后根据有关文献上发表的C₂H₆、C₃H₈、C₃H₆、C₄H₁₀、C₆H₆等8种可燃气体与CO₂、N₂及蒸汽3种惰性气体的混合爆炸极限图，查得调整后各组分的爆炸极限，再用式(10)计算。c.混合气体中含有O₂时，可认为混入了空气，先扣除含氧量以及按空气氧氮比例求得的氮含量，重新调整可燃气体的体积分数，再按上述步骤b计算其爆炸极限。
    对煤制气、天然气和液化石油气等混合气计算比较准确，而对H₂与C₂H₄、H₂与H₂S、CH₄与H₂S等混合气体的计算误差较大。当不同气体以等体积分数混合时，H₂、CO和CH₄混合气体爆炸极限的实验值与计算值见表7。
表7 H₂、CO和CH₄混合燃气爆炸极限的计算结果
Tab．7 Calculated result of explosion limits of H₂，
CO and CH₄ mixture

燃气	实验值 (下限/上限)	计算值 (下限/上限)	相对偏差 (下限/上限)
H₂/CO	6.05/71.80	6.20/72.20	-2.5/-0.56
CO/CH₄	7.70/22.80	7.75/25.00	-0.65/-9.65
H₂/CO/CH₄	5.70/26.90	6.60/32.40	-15.78/20.44

此外还可用下式估算含有惰性气体的可燃气体爆炸极限：

式中 L_c——不含惰性气体的爆炸极限，％
     φ——惰性气体体积分数
    由于式(11)未考虑不同类型的惰性气体对可燃气体爆炸极限的惰化效率的影响，计算误差较大，但仍有一定参考价值。
3 结论
    ①各种文献发表的可燃气体爆炸极限与实验值和实际值都有一定的误差，其原因是在计算式中只考虑到可燃混合物的组成，而未考虑键能、不完全燃烧和燃烧产物的分解等因素的影响。因此使用时要考虑安全系数。在实际工程中应用爆炸极限估算公式估算可燃气体爆炸极限应该注意使用条件，保证其计算精度满足工程要求。
    ②空气中燃气的浓度在测试或计算爆炸极限范围之外，特别是在接近爆炸极限时，在遇到大的点火能、环境温度较高或压力较高的情况下实际爆炸极限范同扩大，有可能产生爆炸，在实际工程中应特别注意。

参考文献：
[1] 田贯三．可燃制冷剂爆炸理论与爆炸极限抑制机理的研究(博士学位论文)[D]．天津：天津大学，2000．
[2] 杨泗霖．防火与防爆[M]．北京：北京经济学院出版社．1991．22—32．
[3]《煤气设计手册》编写组．煤气设计手册(上)[M]．北京：中国建筑工业出版社，1983．85—91．
[4] 许文．化工安全工程概论[M]．北京：化学工业出版社．2002．110—114．
[5] Bowes P C．Self—heating：evaluatigg and controlling the hazards[M]．London：H M Stationary Office，1984．
[6] Lewis B，Beer J M．Combustion,flames and explosions，of gases[M]．New York：Academic Press，1961．
[7] 胡栋．可爆性气体爆炸极限和爆燃转变成爆轰的研究[J]．爆炸与冲击，1989，(3)：266—274．
[8] 纳伯尔特K，雄恩G(著)，李合得(译)．可燃气体和蒸汽的安全技术参数手册[M]．北京：机械工业出版社，1983．
[9] 田贯三，李振鸣，王焱兴．城市燃气站房防爆泄压问题的分析[J]．煤气与热力，2003，23(4)：200—204．
[10] 李美萍．混合燃气爆炸极限计算方法的补充[J]．煤气与热力，1983，3(3)：30—32．
[11] 项友谦，严铭卿，周传利，等．混合燃气爆炸极限的确定[J]．煤气与热力，1992，12(6)：40—45．
[12] 卢捷，宁建国，王成．城镇燃气爆炸特性的研究[J]．煤气与热力，2005，25(9)：1—4．
[13] 于京春，刘闯，马国泰，等．压力管道输送煤层气的爆炸性分析[J]．煤气与热力，2005，25(10)：4—5．