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城市燃气燃烧机理与安全措施

作者:金志刚  来源:天津大学 
评论: 更新日期:2014年08月01日

 C点为熄火点。当T0=T01时。温度微小降低,马上q1小于q2+3,温度降低,直至熄火。当温度微小升高后,q1仍小于q2+3,于是又回到C点,虽然不能熄火,但是随时准备着,温度稍低就能熄火。故C点是熄火的临界点,与C点相应的温度Tc为熄火温度。
    很明显,着火温度与熄火温度不仅与可燃混合物性质有关,而且与周围环境及散热条件有密切联系,所以着火温度与熄火温度不是燃气的物理化学特性参数,而是与散热条件有密切关系的参数。所以无论是在准备点燃燃气还是在熄灭火灾时,不能只考虑燃气的性质,还要根据散热的环境决定点火或灭火的措施。否则在使用燃气时点不着火;在消防时灭不了火。
    为了防止燃气的爆燃与爆炸,就要尽量避免B点。对于已经酿成的火灾(此时已处于D点),则尽量使D点移动至C点,最后使其熄火。
    (二)影响着火的因素
    着火温度是由不燃烧过度到燃烧的转折点。因此它也是衡量能否燃烧或爆炸的界限。简化物理概念,可以这样认为,着火温度越高,越不容易着火,反之,越容易着火。
    


 



 


 



    上式是着火温度的特性方程式。
    1 着火与压力的关系:
    当M、H、V、K2及E为已知值时,根据式(11)可画出Pc与TB的关系曲线,见图2。
    由图2可知:在低压时,达到着火需要很高的温度,在高压时,温度不高时也可能着火。
    2 着火与浓度的关系:
    没有助燃气体(空气或氧)的燃气是不能燃烧的。只有燃气与空气混合时才可能燃烧。但是。混合物中燃气过少不会燃烧,过多也不会燃烧。很多初学者对燃气过多不会燃烧往往不容易理解。为解释此问题还是从热平衡的机理及着火温度说起。
    根据式(11)还可以画出TB与xg的关系曲线,见图3。

 


    由图3可见:当燃气在混合物中的浓度过高(高于高限),TB值为无限大,无法达到TB,表示混合物不能着火,相反当燃气浓度过低时,也不能着火。当燃气浓度低时,表示燃气燃烧产生的热量无法把混合物加热到着火温度TB,所以也不能着火。当燃气浓度过大时,表示空气不足,只有很少的燃气可以得到空气燃烧产生热量。这时得不到空气的燃气不但不能燃烧产生热量并且还会和惰性气体那样吸收热量,使产生的热量永远小于散热,于是也不能着火。这就是燃气过多也不能燃烧的原因。
    此外,环境温度越高,此着火的浓度范围越宽。
    不能着火当然也不能爆炸,所以在工程界认为着火的浓度范围也可称为爆炸界限。在常压常温下,不同燃气的爆炸界限见表1。


 



    (三)产生爆炸的条件:
    “爆燃”是指没有控制的急剧燃烧,而爆炸是在一个相对封闭的空间内,因“爆燃”引起的高温与高压,最后压力破坏了封闭维护层,产生了爆炸。它们都会为人类造成灾害。我们可以利用着火与熄火的机理分析发生爆炸的原因,不断总结经验,控制爆炸灾害的发生。在城市燃气事业中,爆炸事故较多,综合各种爆炸事故,从理论上分析,可以总结出,造成爆炸的三个必须条件和三个必然条件,三个必须条件为:
    1、必须有一个相对封闭的空间;在敞开的空间只能爆燃,不能爆炸。
    2、燃气中混有空气(或空气中混有燃气);单纯的燃气在容器内不可能着火也不可能爆炸。
    3、必须有点火源。没有点火的开始能量,系统处于平衡状态也不会着火,也不会爆炸。
    以上的必须条件只能说是产生爆炸的必须具备的条件。有此条件时有可能爆炸,但不一定立即发生爆炸。因为燃气在燃气空气混合物中的浓度过高与过低时都不会爆炸。如果点火源的能量比较低,引不起热量的积聚,温度达不到着火温度,也不能引起爆炸。如果封闭的空间有大面积的“防爆面积”,压力增加到规定值时,防爆面积打开,压力不会再增加。也就不会爆炸了(可能转为爆燃)。
    可见,所谓必须的条件是有可能发生爆炸的条件,但是不一定立即发生爆炸。肯定发生爆炸的必然条件应为:
    1、有一个相对封闭的空间;此封闭的空间,密闭得越严,维护结构越强,爆炸力也就越大。
    2、燃气中混有空气,并且燃气的浓度在着火界限范围内;
    3、具有一定能量的点火源,其能量足以使系统温度达到着火温度。
    因为着火温度、着火浓度范围界限与点火所需的能量等参数都受环境影响。所以,这三个条件的具体参数不是一成不变的,并且互相牵制。例如燃气的浓度虽然在着火范围内,如果浓度靠近上限或下限,就要求能量比较大的点火源,如果燃气浓度靠近化学比例,很小的点火源就能引起爆炸。再者,温度、压力对爆炸界限都有影响。遇到事故时,必须根据实际情况,依据着火理论全面分析,才能找出事故原因,从而总结经验,制定、完善安全条例,减少今后的事故发生。
    在实际工作中,首先要采取各种措施避免三个必须的条件,也就是说防止有可能发生爆炸的条件同时存在。例如燃气设备与管道的气密性、燃气设备空间的防爆面积、采用防爆电器开关等等措施,都是针对这三个必备的条件决定的。

    三、燃气火焰的传播、回火与爆震波

 

    由图4可见,当气流速度为线2时,火焰稳定在A平面。当气流速度逐渐增加时,火焰可以稳定在B或C平面上。如果气流速度增加至5时,由于射流作用,沿气流边界会混入过多的空气,使Su下降,火焰得不到平衡的位置,火焰脱离管口,发生脱火现象。相反当气流速度下降,达到线1时,火焰可以进入管内,发生回火现象。

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