国内外关于混合气体可燃性及爆炸极限的标准化研究

武丽娜， 陈睿谦

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉　430223)



国内外关于混合气体可燃性及爆炸极限的标准化研究

武丽娜， 陈睿谦

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉430223)

摘要：阐述了爆炸极限对国内外可燃气体分类的影响及类别对可燃气体的意义，分析了操作温度与爆炸极限的关系及修正方法，总结了不同类型的混合气体可燃性的判别及爆炸极限计算的标准化方法，提出了国内标准中存在的盲区及修订盲区问题的建议，为石化行业的设计及生产提供更精确、更安全的参考数据。

关键词：混合气体；爆炸极限；可燃性；分类；安全

在当今石油化工生产中，混合燃气爆炸是导致重大灾害的主要原因。防止工业系统多混合气爆炸的关键是深入研究并掌握混合燃气的爆炸极限。国内外根据可燃气体的爆炸下限及爆炸极限范围确定其火灾危险性类别，不同类别的可燃气体，其设备及建筑物的防火间距的要求是不同的，且其危险品公示、厂房及仓库的耐火等级、层数及防火分区的最大允许建筑面积也不同，因此，石油化工相关单位应掌握混合燃气的爆炸极限，以便确定工艺、设备及管道的安全操作条件，并采取有效的防护措施[1]。

1混合燃气爆炸极限确定的意义

1.1国内外可燃气体的分类对比

国内外对于可燃气体的分类对比见表1。

表1　国内外可燃气体分类对比

由表1可知，国内外可燃气体都是根据爆炸极限来进行分类，只是分类的范围有所不同，再次凸显出了爆炸极限对可燃气体的重要性。

1.2类别对可燃气体的意义

国外不同类别的可燃气体，其危险公示不同，其标签要素见表2。

表2　国外易燃气体的标签要素[3]

国内不同类别的可燃气体对化工项目防火间距、厂房耐火等级、层数及防火分区的影响详见《混合燃气爆炸极限确定的重要意义及计算方法》一文[1]。由此可见，可燃气体类别的划分对石化行业意义重大。

1.3温度对爆炸下限的修正

通常我们所查阅到的纯物质的爆炸极限值是在20 ℃、101.3 kPa条件下所得出的数据，而在生产实际中往往不是此工况。压力的影响一般可以忽略，因为可燃气体泄漏出来后在瞬间即转为常压，但是温度的降低则需要一定时间的传热，且温度越高，爆炸极限的范围越大，即爆炸下限越低，爆炸上限越高，Zabetakis(1965)[5]提出一种温度对爆炸下限的修正方法：

Li(t)=Li(25)-0.182(t-25)/ΔHci

(1)

其中，t为操作温度， ℃；ΔHci为标准摩尔燃烧热，kJ/mol。

例：煤气化气化炉中的CO气体(不考虑H2)，设其操作温度为1 700 ℃，则此区域的火灾危险性级别是多少？

解：查得CO气体的标准摩尔燃烧热为：

ΔHci=282.8 kJ/mol

标准条件下的爆炸下限为10.9%，带入公式(1)得：

LCO(1 700)=10.9%-0.182×(1 700-25)/282.8/100

=9.8%<10%

即，由原乙类气体升级为甲类气体。

因此，温度对爆炸下限的影响不容忽视，国内标准中未提出温度修正的概念，工程设计人员在项目实际中需综合考虑，以提高化工项目的安全性。

2混合气体爆炸极限的计算方法

纯物质的爆炸极限容易获取，然而混合气体的爆炸极限则需要预测，本文结合国内外标准规范[4,6]，在文献[1]提出的观点的基础上，进一步详细阐述混合气体可燃性及类别划分的预测方法。

2.1混合燃气的计算

若混合物中的气体均为可燃气体，我们可称其为混合燃气，其爆炸下限直接采用Le Chatelier公式进行计算：

(2)

式中，Ai为i组分的比例, %；L为i组分的爆炸下限, %。

例：在20 ℃、101.3 kPa条件下，混合燃气的体积组成为H2： 5%，CO： 10%，NH3： 80%，C2H6： 5%，求该混合燃气的火灾危险性级别。

解：查得各组分的爆炸下限分别为：H2， 4%；CO，10.9%；NH3，15.4%；C2H6，2.4%，该混合气体只含有可燃气体，因此，直接带入公式(2)中得：

由计算可得，该混合燃气火灾危险性为乙类。

2.2可燃气体+惰性气体的计算

对于含有惰性气体的混合气体，需要首先判断该混合气体的可燃性，若其可燃，则再根据公式(2)计算其爆炸下限。根据ISO10156[4]，混合气体可燃性的判别式为：

(3)

式中，n为n种可燃组分；p为p种惰性组分；Kk为 惰性组分相对于氮气的惰性系数；Tci为可燃气体与氮气混合物在空气中不燃烧的最大浓度；Ai为可燃气体组分数；Bi惰性气体的组分数。

若该不等式成立，则不可燃；反之，可燃。

Kk值一览表见表3。

表3　Kk值一览表

例：混合气体7%H2+93%CO2，判断其火灾危险性。

解：由表3可知，KCO2=1.5，查得H2的Tci=5.5%，带入公式(3)得：

7×(100/5.5-1)=120.3

93×1.5=139.5

120.3<139.5，因此该混合气体不可燃。

2.3可燃气体+惰性气体+氧气的计算

对于既含惰性气体又含氧气的混合气体，其可燃性的判别如下：

(1)可燃气体的总浓度≥爆炸下限Lm；

(2)可燃气体的总浓度>Tci,F。

Tci,F=Tcm×(1-Xo/21%)

(4)

其中，Xo为氧气的浓度，通常<21%。Lm和Tcm均采用Le Chatelier公式计算。

若上述条件均成立，则该混合气体为可燃，反之不可燃。

例：混合气体2% H2+1% CH4+13% O2+84% N2，判断其火灾危险性。

解：查得H2的爆炸下限为4%，Tci=5.5%；CH4的爆炸下限为4.4%，Tci=8.7%

可燃气体的总浓度为：2%+1%=3%；

Lm=(2+1)/(2/4+1/4.4)=4.12%

Tc,m=(2+1)/(2/5.5+1/8.7)=6.27%

Xo=13%

Tci,F=6.27×(1-13/21)=2.39%

判断：3%<4.12%，3%>2.39%

因此，该混合气体不可燃。

上述方法是国外工程设计在可燃气体混合物可燃性及爆炸下限预测方面的参考依据，我们在设计时可以借鉴。

3国内化工标准化发展的建议

国外的工业化早于国内，中国标准是在详细调研国外标准规范的基础上进行编订的。国内关于可燃气体的分级和可燃性判别的问题，在GB50160《石油化工企业设计防火规范》及GB20577《化学品分类、警示标签和警示性说明安全规范》中有体现，但GB50160仅给出分级要求，并未说明该爆炸极限的取值条件，例如高温的操作工况应如何应对。而GB20577是参考ISO10156编订的，其仅借鉴了可燃性的判别方法，并未给出参数Tci、Ki的值，也未阐明混合可燃气体爆炸下限的预测方法，这是国内关于爆炸极限及混合气体的问题存在盲区的地方。

随着科学技术的飞速发展和经济全球化的推进，对于化工设计的安全系数和准确度要求越来越高，标准的国际化也是势不可挡，我们必须对标准中的盲区进行扫盲。这就要求我们善于借鉴国内外先进的理念和方法，查阅最新的科技成果，并辅助以试验验证，对标准中的盲区进行不断修订，使我们的标准化体系更加完善，也让我们的设计有据可依，规范合理。

4结语

(1)爆炸极限直接影响到可燃气体类别的划分，从而决定国内外化工项目中的防火间距、危险品公示等诸多方面，是化工设计人员在项目设计时首要要考虑的因素。

(2)温度对爆炸下限的影响不容忽视，采用温度修正公式修正爆炸下限，可以得到更加安全的数据以指导化工设计和生产。

(3)对于只含有可燃气体的气体混合物，可直接运用Le Chatelier公式计算爆炸极限；对于含有惰性气体或氧气的混合气体，则应根据文中介绍的方法首先判断其可燃性，若可燃，则再根据Le Chatelier公式计算爆炸极限，划分火灾危险性级别。

(4)笔者提出了国内标准中关于混合气体问题的盲区，并建议在标准修订中应通过借鉴国外先进理念、最新科技成果及试验验证的方法，重点明确盲区问题，以完善标准化体系，从而规范设计。

参考文献：

[1] 武丽娜, 陈睿谦, 徐莹, 张喜春. 混合燃气爆炸极限确定的重要意义及计算方法[J]. 化肥设计, 2014, 52(2)： 18 - 21.

[2] GB50160-2008, 石油化工企业设计防火规范[S].

[3] GHS全球化学品统一分类和标签制度[S].

[4] ISO10156-2010, Gases and gas mixtures- Determination of fire potential and oxidizing ability for the selection of cylinder valve outlets [S].

[5] Jurgen Gmehling， Peter Rasmussen. Flash Point of Flammable Liquid Mixtures Using UNIFAC [J]. Ind.Eng.Chem.Fundam， 1982, 21： 186-188.

[6] GB20577-2006，化学品分类、警示标签和警示性说明安全规范易燃气体[S].

修改稿日期： 2015-12-25

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Standardization Study of Gas Mixture Flammability and Explosion Limit at Home and Abroad

WU Li-na, CHEN Rui-qian

(WuhuanEngineeringCo.,Ltd.,WuhanHubei430223China)

Abstract：The paper states the impacts of explosion limit on gas mixtures classification and the significance of classification to gas mixtures; and analyzes the relations of operating temperature and explosion limit and the correction method; and summarizes the distinguishment of flammability and standard calculating methods of explosion limits of different composition gas mixtures. Meanwhile, both the blind zones existing in domestic standards and the revision suggestions are provided with more secure and accurate reference data for the design and production of petrochemical industry.

Keywords：gas mixture; explosion limit; flammability; classification; safety

作者简介：武丽娜(1985年-)，女，河北邢台人，2011年毕业于南京工业大学化学工程专业，工程师，现主要从事化工管理设计工作。

中图分类号：X 932

文献标识码：A

文章编号：1004-8901(2016)01-0008-03

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.002 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.002