可燃气体的爆炸极限和最大允许氧含量的测定及影响因素研究图文精.docx

1、可燃气体的爆炸极限和最大允许氧含量的测定及影响因素研究图文精第28卷第3期2006年9月湘潭师范学院学报(自然科学版Journal of X iangtan Normal University (Natural Science Edition Vol.28No.3Sep.2006可燃气体的爆炸极限和最大允许氧含量的测定及影响因素研究张增亮a ,李革梅b(湖南科技大学a.能源与安全工程学院;b.信息与电气工程学院,湖南湘潭411201摘要:通过实验分析了可燃气体(液体蒸汽的爆炸极限规律,同时独到地分析了各浓度可燃气体(液体蒸汽的最大允许氧含量的规律;通过爆炸极限和最大允许氧含量规律的对比研究,分

2、析了两者的影响因素,指出两者从不同角度界定了可燃气体(液体蒸汽的爆炸范围。关键词:可燃气体;液体蒸汽;最大允许氧含量;爆炸极限;影响因素中图分类号:T Q620文献标识码:A 文章编号:1671-0231(200603-0067-04可燃气体(液体蒸汽发生燃烧和爆炸的三个基本因素是火源,可燃气体(液体蒸汽,氧气。即燃烧爆炸,不仅需要达到最小点火能以上能量值的火源,还需要两个重要条件:高于爆炸上限的可燃气浓度和混合物中氧含量达到最大允许氧含量以上。目前,对最大允许氧含量的理论及影响因素尚无报道,鉴于此,笔者通过对十氢萘和煤气等做了大量爆炸实验,将可燃气体(液体蒸汽的最大允许氧含量与爆炸极限进行了

3、类比研究,深入揭示了两者之间的相似与不同之处,从而进一步挖掘出最大允许氧含量的内在性质,特别是对最大允许氧含量的变化规律及其对安全生产工作的指导方面的研究,开创了国内研究之先河。笔者认为本研究的创新思想将对安全工作发挥有力的指导作用。1爆炸筒2放电极针3混合喷嘴4电磁阀5引射器6可燃液体计量装置7可燃气体流量计8空气干燥器9空气流量计10空气加热蛇管11空气湿度仪12氧分析仪13真空泵14温度传感器15温度传感器16电加热器17电加热器18电加热丝19压电晶体传感器图1测试系统总布置图1实验装置实验所用装置系统如图1,为中北大学研制的可燃气体(液体蒸汽爆炸特性测试装置。其主体为20L 柱形爆炸

4、筒,共分爆炸筒、点火源、配气系统三部分。该装置性能可靠、测试精确,尤其对可燃液体的测试,巧妙地性地运用引射技术,将可燃液体利用引射器引射到预热的空气输送管道,从而得以气化并混合输送到特定温度的爆炸筒中,成功地解决了液体气化计量及混合的难题,从而能够在同一装置中对可燃气体和可燃液体蒸汽的爆炸特性进行测试。2实验原理当可燃性气体或液体蒸汽与空气(或氧在一定范围内均匀混合,遇到火源会发生爆炸,这个浓度范围收稿日期:2006-03-24作者简介:张增亮(1968-,男,山东寿光人,讲师,研究方向:安全技术及工程。即为其爆炸极限。最大允许氧含量是指当给以足够的点燃能量能使某一浓度的可燃气体或液体蒸汽刚好

5、不发生燃烧爆炸的临界最高氧浓度,即为爆炸与不爆的临界点。若氧含量高于此浓度,便会发生燃烧或爆炸。换句话说,氧含量低于此浓度便不会发生燃烧或爆炸。爆炸极限和最大允许氧含量的测试方法基本是一致的。即:将一定浓度的可燃气体与其它气体(根据浓度比等于体积比的规律混合。对于液体则首先根据实验所需液体蒸汽的浓度换算出需要的液体体积,然后运用引射混合方法与其它气体混合,通过电极放电点火,根据压力传感器的压力波形前沿是否较快上升或爆炸筒内的火焰是否升起,采用逐步逼近法进行爆与不爆的判定。3实验结果与讨论3.1实验结果通过对煤气和十氢萘等做了大量爆炸实验,分别对它们的爆炸极限及爆炸极限范围内(主要是空气中爆炸极

6、限范围内的最大允许氧含量进行了对比测试,并得出以下数据:表1200时十氢萘在空气中各浓度下的实际氧含量与最大允许氧含量(% concentration of decahydronaphthalene0.650.7 1.4252 2.5345 6.5 actual oxygen content20.8620.8520.7020.5820.4820.3720.1619.9519.64 M AOC9.51010.511121416.218.119.64表21大气压下加入不同配比的惰性气体时煤气的爆炸极限及所对应的最大允许氧含量(% inert gas1atm20inert gas1atm80flam

7、mable explosion explosion flammable explosion explosion(N2C oal lower M AOC upper M AOC(N2C oal lower M AOC upper M AOC gaslimit limit gaslimit limit07 5.863513.6507 5.863912.8117 5.862211.7617 5.862311.3627 5.861610.9227 5.861710.2937 5.86149.2437 5.86149.2447 5.86128.447 5.86128.4597.5397.5357 5.8

8、6108.468 6.708 6.70表31.5大气压下加入不同配比的惰性气体时煤气的爆炸极限及所对应的最大允许氧含量(% inert gas 1.5atm20inert gas 1.5atm80flammable explosion explosion flammable explosion explosion(N2C oal lower M AOC upper M AOC(N2C oal lower M AOC upper M AOC gaslimit limit gaslimit limit0 6.3 5.273613.440 6.3 5.273912.811 6.7 5.612211.

9、761 6.6 5.5223.711.052 6.7 5.6116.710.482 6.7 5.6117.310.103 6.7 5.61149.243 6.4 5.3614.78.654 6.7 5.61128.44 6.4 5.3613.27.1459.37.789.37.785 6.5 5.4410.77.5268.77.288.77.28表4实验所用煤气的组成ingredients H2CH4C O CnHm C O2O2N2content%54.824 6.6 1.8 3.20.49.23.2对实验结果的讨论(1爆炸极限和氧含量的关系从表1及表5中文献数据可以看出,氧含量几乎对下限不

10、产生影响,而对上限影响却很大。从上面分析知,下限与当量浓度之间,氧处于过剩状态,尤其在下限附近,氧过剩很多,因此再加过多的氧,甚至可燃物在全氧环境中,对下限也不会产生影响。而当量浓度与上限之间处于缺氧状态,尤其在上限,氧更是严重匮乏,可燃物之所以不爆,就是因为氧严重不足,不足以引燃可燃物,因此当加氧时,上限会急速加大,特别是在全氧环境中,上限值要比在空气中的大得多。表5某些可燃气体在空气和氧气中的爆炸极限(%name in the airin the oxygenlower limitupper limitlower limitupper limitCH 4515561C 2H 6 3.012

11、.5 3.066H 2475494(2就可燃物的浓度来说,它具有爆炸极限。实际上,在整个可爆范围内,最大允许氧含量也存在极限值。从理论上讲,对多数碳氢化合物,其反应方程式可写为:C n H m +(n +m4O 2=nCO 2+m2H 2O(1其最大允许氧含量的最小值在数值上等于处于下限浓度(L 下的可燃物刚好完全反应所需要的临界氧含量1,用等式表示为:O m =L 下(n +m4(2而最大允许氧含量的最大值则对应于爆炸上限时的实际氧含量,可见两者的极限值具有一一对应的关系。(3根据表1可以看出,最大允许氧含量值是随可燃气体的浓度呈现逐渐递增规律的。而且在爆炸范围内,可燃物每一浓度都对应唯一的

12、最大允许氧含量值。因此可运用数值分析原理根据所给定的部分数据拟合出相应的规律函数,如:根据表1所列数据,可运用计算机拟合出三次函数:Y =10.02497-1.09745X +1.06675X 2-0.10329X3(3图2十氢萘浓度与其最大允许氧含量的关系其对应模拟图形如图2。当然根据精度及其它需要还可拟合出次数更高更精确的函数及图形。这样对可燃物每个浓度所对应的最大允许氧含量都可从理论上估算出。(4温度和压力等物理因素对爆炸极限有影响,同样对最大允许氧含量也有影响。当温度和压力升高时,爆炸下限下降,上限上升,爆炸极限范围变宽;反之,则爆炸极限范围变窄2。如实验数据表2、表3所示。从下面图更

13、能直观地观察到这种趋势。由于最大允许氧含量最小值和最大值与爆炸极限是一一对应的关系,因此它们也随之发生变化,表现为:当温度和压力升高时,最大值和最小值相对各自原来的值变小,相应地可燃物各个浓度所对应的最大允许氧含量也较原值变小,反之则都较原值变大,如表2、表3所列数据及图3、图4所示。这是因为当温度升高,反应物分子运动加剧;压力升高,反应物分子间距变小,相应地单位时间反应物分子碰撞机会都会增多,反应更容易进行,刚好维持反应所需要的氧即其相应的最大允许氧含量变小。(5若在可燃气体中加入惰性气体(如表2、表3数据及图3、图4所示,则对爆炸极限产生较大影响,表现为爆炸范围缩小,下限上升,上限下降,但

14、对上限的影响比对下限的影响更为显著3。这是因为下限附近氧含量原本过剩较多,所以加入少量惰性气体不会对下限产生较大影响。而上限附近本来氧含量相对不足,所以即使加入少量惰性气体,也会引起上限值剧烈下降。随着惰性气体的不断加入,上下限值逐渐靠近,直至两者重合,当继续加入惰性气体时,便会超出爆炸范围之外,可燃气体不再发生爆炸。同样当加入惰性气体时,由于最大允许氧含量的最小值和最大值与爆炸上下限的对应关系,最大允许氧含量也产生较大影响,表现为:最小值上升,最大值下降,两者差值减小,但对最大值的影响更为显著(如表2、表3数据及图5、图6所示。随着惰性气体的不断加入,两者也不断接近,直至重合,乃至退出爆炸范

15、围。最小值上升主要因为加入惰性气体后,其分子会使可燃气体分子与氧分子分散隔离,在两者之间形成一道屏障,使两种分子不能有效碰撞,减小了两者反应机会,同时当活化分子撞击惰性气体分子时,则会减少甚至失去活化能,要想不致反应链中断,必须提高氧含量以抵消其损失。最大值下降主要是由于惰性气体的加入,空气相对减少,导致氧气的直接减少,同时也使可燃气浓度相对降低了。氧气和可燃气的减少、惰性气体分子的阻隔及活化分子与惰性气体分子撞击的损失,使反应热急剧降低,从而也导致了爆炸上限的下降。 (6当然,以上对最大允许氧含量的讨论主要是针对空气中爆炸极限范围内的。其实,它的最大允许氧含量的最大值还不是最大值,当继续加氧

16、时,可燃物还会爆炸,直至可燃物达到全氧环境时的爆炸上限,这个范围内的每一浓度的可燃物都唯一对应相应的最大允许氧含量,在同一温度、压力等条件下,全氧环境时的爆炸上限才是本条件下的最大值。因此,以上结论针对整个爆炸范围是普遍适用的。4结论(1在整个爆炸极限范围内,爆炸上下限与最大允许氧含量的最大值、最小值是一一对应的关系。(2在同一温度、压力等条件下,可燃气体(液体蒸汽每一浓度都有唯一的最大允许氧含量与之对应,并随着浓度的逐渐增加呈现递增规律。(3温度、压力和惰性气体等因素都对爆炸极限和最大允许氧含量产生不同程度的影响4,5。根据它们的不同影响,可通过减少反应中氧浓度、降压、降温、加入惰性气体等办

17、法,以缩小爆炸极限范围、增大该浓度的最大允许氧含量,从而将其控制在爆炸范围之外。(4要控制爆炸,将可燃气体控制在爆炸下限以下和最大允许氧含量的最小值以下是最安全的方法6。(5从经济、作业因素的具体条件而论,将可燃气体控制在爆炸极限以外或该浓度可燃物的最大允许氧含量以上,并适当附加一定的安全系数即可。参考文献:1蔡风英,谈宗山,孟赫.化工安全工程M.北京:科学出版社,2001.2陈莹.工业防火与防爆M.北京:中国劳动出版社,1993.3田兰,曲和鼎,蒋永明,等.化工安全技术M.北京:化学工业出版社,1984.4周邦智,郭珍,魏永生.煤气-空气多元爆炸性混合气体爆炸反应极限范围的研究J.青海师范大学学报(自然科学版,2003,(4:46-48.5田贯三,李兴泉.城镇燃气爆炸极限影响因素与计算误差的分析J.中国安全科学学报,2002,12(6:48-51.6万成略,汪莉.可燃性气体含氧量安全限值的探讨J.中国安全科学学报,1999,9(1:48-53.