可燃性混合气体爆炸特性计算

可燃性混合气体爆炸特性计算

摘要对可燃气体（或蒸汽）爆炸特性参数的测定方法进行研究，给出丙烷、丙烯、甲烷三种可燃气体与空气混合物混合爆炸的爆炸极限和最小点火能数据。为防灾提供相应的数据参考，能更好的把握可燃气体的性质及危险性。

关键词：可燃气体;爆炸;爆炸极限;最小点火能。

1 绪论

气体混合物的爆炸是生产生活，特别是化工生产中极为普遍的爆炸现象。气体混合物有两种情况：一是单一的可燃气体与空气的混合；另有一种是多种可燃气体与空气的混合。在这两种情况并非在任何情况下都发生爆炸，只有在一定的爆炸浓度范围，还需要一定的能量的点燃，才可能发生爆炸。由此可知对气体混合物的爆炸的最小点火能和爆炸极限的测定是相当重要了，也对生产生活特别是化工生产有着积极的指导意义。

2 可燃性混合气体爆炸特性计算的相应条件

可燃性混合气体爆炸参数影响的因素很多，例如，可燃气体及氧化剂的种类；气体浓度；点火源能量大小；点火位置；爆炸空间的封闭程度,障碍物的大小，数量及现状等。在文章中其他条件不变的情况下，仅仅对丙烷、丙烯、甲烷三种可燃气体与空气混合物混合爆炸的爆炸极限和最小点火能进行计算和研究。

3 可燃性混合气体爆炸特性计算

3.1 最小点火能的计算

3.1.1 常用最小点火能的计算

可燃气体与空气混合物引燃所必需的能量临界值亦称为最小火花引燃能或者临界点火能①。引燃源的能量低于这个临界值时，可燃混合系一般不会被点燃。最小点火能的测定可用电火花法，其放电能量可通过计算求得：

（3.1-1）

式中 E——放电能量，J；

V——导体间的电位差，V；

C——导体间等效电容，F。

电火花点燃混合气体时，点火能量过低将影响燃烧极限，使其值缩小。当混合系温度或压力升高时，所需临界点火能减小。如:乙炔在燃烧下限附近时需要很大的点火能，在稍大于化学计算浓度7．8％的附近(约9％)则只需最低的点火能(约0．02mJ)。10％的乙炔只要给足点火能(约100J)就能被点燃。压力上升时。乙炔分解爆炸的最小点火能减小。当两导体内的电位低于15kV时，将不会因静电放电使最小点燃能量大于或等于25mJ的烷烃类石油蒸气引燃；在接地针尖等局部空间发生的感应电晕放电不会引燃最小点燃能量大于0．2mJ的可燃气体(富氧环境除外)。

3.1.2 最小点火能的精确计算

由于上述测试方法忽略了火花放电过程等其他因素造成的能量损失，往往会导致最小点火能量的估算偏高。②更精确的测试方法是直接测出电极两端电压U（t）和放电电流波形I(t)曲线，然后通过功率曲线对时间积分来估算放电火

花能量E，即：

E=（3.1-2）

t——放电时间，R——回路电阻

3.1.3 丙烷80%、丙烯15%、甲烷5%三种可燃气体与空气混合物混合爆炸

的最小点火能的计算

将丙烷80%、丙烯15%、甲烷5%的混合可燃气与空气混合物混合导入可燃气体最小点火能量测试装置中，当可燃气从可点燃到不能点燃时的电压V, 导体间等效电容为C,由公式（3.1-1）计算三种可燃气体与空气混合物混合爆炸的最小点火能：

3.2 爆炸极限的计算

可燃物质(可燃气体、蒸气和粉尘)与空气(或氧气)必须在一定的浓度范围内均匀混合，形成预混气，遇着火源才会发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限，或爆炸浓度极限。例如一氧化碳与空气混合的爆炸极限为12．5％～80％。可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度，分别称为爆炸下限和爆炸上限，这两者有时亦称为着火下限和着火上限。在低于爆炸下限和高于爆炸上限浓度时，既不爆炸，也不着火。这是由于前者的可燃物浓度不够，过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延；而后者则是空气不足，导致火焰不能蔓延的缘故。当可燃物的浓度大致相当于反应当量浓度时，具有最大的爆炸威力(即根据完全燃烧反应方程式计算的浓度比例)。

可燃性混合物的爆炸极限范围越宽、爆炸下限越低和爆炸上限越高时，其爆炸危险性越大。这是因为爆炸极限越宽则出现爆炸条件的机会就多；爆炸下限越低则可燃物稍有泄漏就会形成爆炸条件；爆炸上限越高则有少量空气渗入容器，就能与容器内的可燃物混合形成爆炸条件。应当指出，可燃性混合物的浓度高于爆炸上限时，虽然不会着火和爆炸，但当它从容器或管道里逸出，重新接触空气时却能燃烧，仍有发生着火的危险。

3.2.1 爆炸极限的单位

气体或蒸气的爆炸极限的单位，是以在混合物中所占体积的百分比(％)来表示的，如氢与空气混合物的爆炸极限为4％～75％。可燃粉尘的爆炸极限是以混合物中所占体积的质量比g／m3来表示的，例如铝粉的爆炸极限为40g／m3。

3.2.2 爆炸极下限和上限计算

各种可燃气体和燃性液体蒸气的爆炸极限，可用专门仪器测定出来，或用经验公式估算。爆炸极限的估算值与实验值一般有些出入，其原因是在计算式中只考虑到混合物的组成，而无法考虑其他一系列因素的影．响，但仍不失去参考价值。

根据完全燃烧反应所需的氧原子数估算有机物的爆炸下限和上限③，其经验公式如下：

爆炸下限公式:

（3.2-1 ）

爆炸上限公式：

（3.2-2）

式中——可燃性混合物爆炸下限；

——可燃性混合物爆炸上限；

N——1mol可燃气体完全燃烧所需的氧原子数。

某些有机物爆炸上限和下限估算值如表3-2：

表3-2些可燃性气体的爆炸极限

3.2.3 多种可燃气体组成混合物的爆炸极限

由多种可燃气体组成爆炸混合气的爆炸极限，可根据各组分的爆炸极限进行估算，其经验计算公式如下：

(3.2-3)

式中 Lm——爆炸性混合气的爆炸极限(％)；

L1、L2、L3、Ln——组成混合气各组分的爆炸极限(％)；

V1、V2、V3、…Vn——各组分在混合气中的浓度(％)。

V1+V2+V3+…Vn=100

该公式用于煤气、水煤气、天然气等混合气爆炸极限的计算比较准确，而对于氢与乙烯、氢与硫化氢、甲烷与硫化氢等混合气及二硫化碳的混合气体，则计算的误差较大，不得应用④。

3.2.4 爆炸危险度

可燃气体或蒸气的爆炸危险性可以用爆炸极限和爆炸危险度来表示，爆炸危险度即是爆炸浓度极限范围与爆炸下限浓度之比值：

爆炸危险度说明，当气体或蒸气的爆炸浓度极限范围越宽，爆炸下限浓度越低，爆炸上限浓度越高时，其爆炸危险性就越大

3.2.5 丙烷80%、丙烯15%、甲烷5%混合气体爆炸极限

三种可燃气体丙烷80%、丙烯15%、甲烷5%混合的

爆炸下限：

爆炸上限：

爆炸危险度：为爆炸危险度=(9.88％－2.39％)/2.39％＝3.134

该混合气体的爆炸范围为(2.39%～9.88%),在此范围外为安全的,但是在爆炸上限以上是潜在着危险的,由于外界的空气可以随时将该混合气体稀释至爆炸范围以内,而导致危险,因此在实际生产中一般情况下都将气体控制在爆炸下限以下。

4 可燃气体混合爆炸特性

混合系的组分不同，爆炸极限也不同。同一混合系，由于初始温度、系统压力、惰性介质含量、混合系存在空间及器壁材质以及点火能量的大小等的都能使爆炸极限发生变化。一般规律是⑤：混合系原始温度升高，则爆炸极限范围增大，即下限降低、上限升高。因为系统温度升高，分子内能增加，使原来不燃的混合物成为可燃、可爆系统。系统压力增大，爆炸极限范围也扩大，这是由于系统压力增高，使分子间距离更为接近，碰撞几率增高，使燃烧反应更易进行。压力降低，则爆炸极限范围缩小；当压力降至一定值时，其上限与下限重合，此时对应的压力称为混合系的临界压力。压力降至临界压力以下，系统便不成为爆炸系统(个别气体有反常现象)。混合系中所含惰性气体量增加，爆炸极限范围缩小，惰性气体浓度提高到某一数值，混合系就不能爆炸。容器、管子直径越小，则爆炸范围就越小。当管径(火焰通道)小到一定程度时，单位体积火焰所对应的固体冷却表面散出的热量就会大于产生的热量，火焰便会中断熄灭。火焰不能传播的最大管径称为该混合系的临界直径。点火能的强度高、热表面的面积大、点火源与混合物的接触时间不等都会使爆炸极限扩大。除上述因素外，混合系接触的封闭外壳的材质、机械杂质、光照、表面活性物质等都可能影响到爆炸极限范围。可燃性蒸气的爆炸极限值是由可燃液体表面产生的蒸气浓度决定的。对于可燃液体而言，爆炸下限浓度对应的闪点温度又可以称为爆炸下限温度；爆炸上限浓度对应的液体温度又可以称为爆炸上限温度。

5 危险性分析

可燃气体的最小点火能的测定可以掌握并控制外界的能量释放或聚集的能量在最小点火能以下，以保证气体不发生燃烧和爆炸，同时我们可以控制可燃气体的外界环境以提高该气体的最小点火能；可燃气体的爆炸极限测定可以为我们对一些易爆的气体控制，在现实生产中所遇到的气体爆炸大多数为可燃气体混合爆炸，因此研究它们的爆炸极限的计算是有必要的。对最小点火能和爆炸极限对化工生产中极具指导意义，并且在产品的生产、存储、运输、包装过程有很强的参考价值。

6 气体爆炸安全防护措施

对可燃气体采用密封设备，同时要在容器上安装抑爆与泄爆安全装置。在一些情况下可以考虑混合惰性气体，对危险性混合气体进行惰化处理。对于有气体爆炸危险的场合要用传感器进行监测控制，使爆炸性混合气体的浓度在爆炸极限以外，要注意爆炸的上限，（实际上爆炸的上限是比不安全的）此外应加强对明火的管理，防止在有气体爆炸的危险区火花等其他能量的释放。

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