惰洗塔放空尾气爆炸极限计算

望姣赟

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

惰洗塔放空尾气爆炸极限计算

望姣赟

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

论述了尿素装置惰洗塔放空尾气爆炸极限的3种计算方法：方法1，将混合气体分为含惰性气体的可燃气体和空气，利用理·查特理公式计算可燃气体在空气中的爆炸上、下限，此方法没有考虑各种惰性气体对可燃气体的惰化作用，计算误差偏大，且按此方法计算，得出加入惰性气体不能起到防爆作用的结论，与实际相悖；方法2，利用理·查特理公式计算可燃气体在三角相图中的爆炸区域，此方法只能用于低压、常压的可燃气体爆炸区域计算，有应用局限性；方法3，利用惰性气体与可燃气的比率查混合气爆炸极限图来确认爆炸上、下限，此方法法既考虑了各种惰性气体的惰化作用，又可用于高压可燃气体爆炸极限的计算。

可燃性气体；惰性气体；爆炸性区域；Le Chateli(理·查特理)公式

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.009

尿素厂有可能发生爆炸事故，原因在于：原料液氨具有爆炸性，原料CO2中含有H2、CO、甲醇、甲烷、乙烷等杂质,而在生产过程中，为了防腐，在CO2原料气中加入空气，所以无论常压、中压和高压段的尿素放空尾气中均含有H2、CO、CH4、NH3、O2、N2、H2O等，都会在某种条件下形成爆炸性气体混合物。国内尿素厂发生过几十次爆炸事故，爆炸的设备中就有涉及尾气放空的高压洗涤器、4bar吸收塔、惰性气体洗涤塔。

因此,为了设计安全的尿素装置，必须明确放空尾气的爆炸界限，以便采取措施使放空尾气组分在爆炸性区域之外。

可燃性气体的爆炸界限与温度、压力有关，也与气体的组成有关，通常通过实验测定数据绘制出爆炸区域图。但是在开停车、装置运行不稳、原料CO2气体组成波动的情况下，放空尾气的组成也随之发生变化，这样就不太可能通过实验测定放空尾气的爆炸极限。

本文主要讨论放空尾气爆炸极限的3种理论计算方法，通过改变尾气中惰性气体、可燃性气体的浓度，分析混合气爆炸极限的变化趋势，并比较3种计算方法的优缺点，确定出最接近实际爆炸极限的计算方法。

1 方法1

1.1 爆炸上、下限计算方法

(1)首先假设：可燃气体中不含惰性气体，依据Le Chateli(理·查特里)公式(1)计算可燃气体在空气中的爆炸极限。

(1)

其中：L表示不含惰性气体的可燃气体在空气中的爆炸极限；Pi表示可燃气体中每种可燃气体的相对体积百分数；Ni表示可燃气体各组分在空气中的爆炸极限；n表示可燃性气体的组分数。

表1为某项目惰洗塔放空尾气的组成，以它为例计算其爆炸上下限。表2为尾气中可燃气体各组分的相对摩尔分数。

表1 某项目放空尾气的组成

表2 可燃气体组成

利用理·查特里公式计算不含惰气的可燃性气体在空气中的爆炸上、下限：

爆炸上限：L上=20.98%

爆炸下限：L下=4.28%

(2)计算含惰性气体的可燃性气体在空气中的爆炸上、下限。将尾气中的部分N2和O2按空气组成配比成空气量，其余混合气体看作含惰性气体(N2)的可燃气，利用公式(2)计算其爆炸极限。

(2)

其中：L表示不含惰气时，可燃气体的爆炸上、下极限；L′表示含惰气时，可燃气体的爆炸上、下极限；B表示惰气的组成。

按照尾气中的O2含量配好的空气组分见表3，含有惰性气体的可燃气组分见表4。

表3 按照尾气中的O2含量配好的空气组分

表4 含有惰性气体的可燃气组分

采用公式(2)计算含惰气的可燃性气体在空气中的爆炸上、下限：

爆炸上限：L上=22.18%

爆炸下限：L下=4.58%

1.2 爆炸上、下限的变化趋势

通常认为，向可燃性气体中加入惰性气体，例如N2、水蒸气等，会将可燃气体迁移至爆炸区域之外。但利用公式(2)的计算结果显示：随着惰性气体(N2)含量的增加，爆炸区域逐渐缩小，爆炸上、下限不断上移，含惰性气体的可燃气体浓度也无限接近爆炸上限，但可燃气体始终在爆炸区域内。增加惰性气体(N2)含量后爆炸极限的变化趋势见图1。

图1 增加惰性气体(N2)的含量后爆炸极限的变化趋势

从图1可以看出，若最初可燃性气体在爆炸区域内，之后无论增加多少惰性气体量，可燃性气体始终在爆炸区域内，这样的计算结果显然与实际不相符。因为公式(2)未考虑到不同类型的惰性气体对可燃气体爆炸极限的惰化作用不同，计算误差较大。但是若将惰性气体全视为N2，计算结果又偏保守。所以依据公式(2)计算含惰性气体的可燃性气体有其局限性。

2 方法2

2.1 爆炸上、下限计算方法

依据Le Chateli(理·查特里)方法，用三角相图表示可燃气体的爆炸区域，三角形的3个顶点分别表示可燃物、氧气、惰性气体。以表1所示的某项目中压惰性气体洗涤塔放空尾气为例，依据Le Chateli(理·查特里)计算公式(1)得出可燃性气体在氧气中的爆炸上限LHOX为97.77%，在氧气中的爆炸下限LLOX为6.97%，最低可燃物含量(Min.Flam)为6.95%，最低含氧量(Min.Ox)为7.95%，可燃气体的含量为22.8%，惰性气体含量为61.4%，氧气含量为15.8%。

图2为依据LHOX：97.77%；LLOX：6.97%；Min.Flam：6.95%和Min.Ox：7.95%绘制出的放空尾气的爆炸区域图。与方法1的计算结果一样，点A所示的放空尾气在爆炸区域内。

图2 放空尾气的爆炸区域图

2.2 爆炸上、下限的变化趋势

由于吸收塔放空尾气在爆炸区域内，向尾气中添加惰性气体，使放空尾气迁移出爆炸区域。三角相图里爆炸区域的划分，它只计算可燃性气体的爆炸区域，没有计算包含惰性气体的可燃性气体的爆炸区域，所以与方法1不同，改变惰性气体的含量，可燃气体的爆炸区域是不变的。但随着惰性气体(水蒸气)的添加，放空尾气所示的点不停向惰性气体顶点迁移，并最终迁移出爆炸区域。蒸汽含量改变时，放空尾气表示的点在三角相图中的位置见图3。

图3 蒸汽含量改变时，放空尾气表示的点在 三角相图中的位置

显然，利用三角相图绘制放空尾气的爆炸区域，比依据公式(2)计算的含惰性气体的可燃性气体的爆炸上、下限要合理、可靠，且与实际相符。但上述三角相图所示的可燃气体的爆炸区域与温度、压力有关，上图是低压、常压下的可燃性气体爆炸区域，高温高压下可燃气体的爆炸区域仍然需要通过实验测定数据来绘制。所以三角相图法也有其应用局限性。

3 方法3

由于上述两种计算方法都有其局限性，在石油化工和燃气行业一般都采用如下方法计算可燃气体的爆炸区域：将某一惰性气体组分与某一可燃组分组合起来作为一种可燃气体组分，其体积分数为两者之和，然后依据图4和图5给出的CO、H2、CH4、C2H6、C3H8与CO2、N2及水蒸气3种惰性气体组合的混合气爆炸极限图，查得调整后的混合气体的爆炸极限，再利用公式(3)计算。

(3)

图4 C2H6与N2、CO2混合物的爆炸极限

图5 CO、H2、CH4、C3H8与H2O、N2混合物的爆炸极限

其中，L表示混合气体爆炸上、下极限；ri表示可燃气体i组分的容积分数；Li表示可燃气体i组

4 结语

综上所述,3种放空尾气的爆炸极限计算方法，各有利弊：方法1计算简单，但是没有考虑各种惰性气体对可燃气体的惰化作用，计算误差偏大，且按此方法计算，得出加入惰性气体不能起到防爆作用的结论，与实际相悖，此法慎用；方法2，只能用于低压、常压的可燃气体爆炸区域计算，有应用局限性，可选择使用此法；方法3，既考虑了各种惰性气体的惰化作用，又可用于高压可燃气体爆炸极限计算，推荐使用。

[1] 袁一，王文善.化肥工业丛书——尿素[M].北京：化学工业出版社，1997.

[2] 严铭卿.燃气工程设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2009.

[3] 李国梁,潘勇，蒋军成.可燃气体-空气-氮气混合物爆炸极限的预测[J].天然气化工,2012,36(1)：41-52.

[4] 田贯三，于畅,李兴泉.燃气爆炸极限计算方法的研究[J].煤气与热力,2016,26(3)：33-37.

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修改稿日期： 2016-09-27

Calculation of Off Gas Explosion Limit of Inert Washing Tower

WANG Jiao-yun

(WuhuanEngineeringCo.，Ltd.，WuhanHubei430223China)

This paper mainly discusses three calculation methods of off gas explosion limit of urea inert washing tower.①The mixed gas is divided into the combustible gas containing inert gas and air；then，the explosion up or low limit of the combustible gas in the air is calculated by using the Lee Chatley formula.However，this method does not consider the inerting effect of inert gas on various combustible gases，resulting in bigger calculation errors.Moreover，with this calculation method，a conclusion that the addition of the inert gas cannot prevent the explosion is drawn，which is contrary to the actual case.②To calculate the explosion area of the combustible gas in the triangle phase diagram by using the Lee Chatley formula.But this method can only be used for the explosion area of the combustible gas with low or constant pressure.③To confirm the explosion up and low limits by checking the explosion limit diagram of mixed gas by using the ratio of the inert gas and combustible gas.This method not only considers the inerting effect of various inert gases，but also can be used to calculate the explosion limit of high pressure flammable gas.Keywords： flammable gas；inert gas；explosive area；Le Chateli formula

望姣赟(1981年—)，女，湖北宜昌人，2008年毕业于清华大学化学工程与工艺专业，硕士，工程师，现主要从事尿素工艺设计等工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.01.009

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A

1004-8901(2017)01-0037-04