混合燃气爆炸极限计算方法探讨

周运志

中石化上海工程有限公司（上海 200120）

在石油化工生产过程中，混合燃气爆炸是引发重大生产事故的主要原因，严重威胁人民的生命及财产安全。爆炸极限是表征可燃气体爆炸特性的重要参数，也是工业生产中一个重要的安全技术指标。爆炸极限的下限越低、上限越高，就越容易引发火灾和爆炸，危险性越大，反之，危险性越小。因此，有必要研究并掌握混合燃气的爆炸极限，这对准确把握、控制爆炸的发生，对石油化工生产装置的工程设计和安全生产都具有积极作用。

1 确定混合燃气爆炸极限的意义

GB 50160—2008（2018年版）《石油化工企业设计防火标准》[1]根据可燃气体的爆炸下限是否小于10%把可燃气体的火灾危险性分成甲、乙两类，其类别的归属对石油化工厂的总平面布置及工艺装置和系统单元的设备、建筑物平面布置要求的防火间距有很大差异，甲类可燃气体的危险性、危害性大，要求的安全间距也更大。

GB 50016—2014（2018年版）《建筑设计防火规范》[2]中规定的甲类、乙类生产和存储物品的火灾危险性分别包含了按爆炸下限是否小于10%划分的气体，不同类别的可燃气体对生产、存储的厂房和仓库的耐火等级、层数、面积、平面布置等方面的设计要求也大不相同。

有爆炸危险的工艺设备，其内允许的最大可燃气体含量以及动火作业时允许的最大可燃气体含量等均和爆炸极限有关。因此，对混合燃气爆炸极限进行研究和计算是很有必要的。确定了混合燃气的爆炸极限尤其是爆炸下限，就可以从根本上了解其爆炸危险性，从而准确把握、控制爆炸的发生，降低危险系数，对石油化工生产装置的工程设计和安全生产具有重要意义。

2 混合燃气爆炸极限的计算及比较

利用实验室爆炸极限测定装置[3]能够获得准确的可燃气体在空气中的爆炸极限，但实际生产中可燃气体及其形成混合物的种类和组成多种多样，而且这种测试比较困难，不具有广泛应用性。因此，采用理论公式对混合燃气的爆炸极限进行计算，并将计算结果与文献中的实测值进行对比，以证明用理论公式计算可燃气体的爆炸极限是可行的，具有实际参考意义。

单组分气体的爆炸极限容易获取，然而日常生产实践中，遇到的大多是气体混合物。在混合气体中，各组分之间会相互影响，使混合气体形成一个新的爆炸极限。混合气体爆炸极限的计算大致分3种情况。

2.1 多种可燃气体组成的混合气体

对于两种或两种以上可燃气体组成的混合气体，可根据理·查特里（Le Chatelier）公式计算出混合可燃气体与空气相混合的爆炸极限[4]。理·查特里公式是一个经验公式，适用于混合气体的各组分均为可燃气体，每种可燃气体的爆炸极限已知，且各组分之间不发生化学反应[5]。

式中：Lm为可燃气体混合物的爆炸极限；Li为某一可燃气体的爆炸极限；Vi为某一可燃气体的体积分数，∑Vi=100%。

2.2 可燃气体和惰性气体组成的混合气体

如果在可燃气体混合物中混入N2，CO2等惰性气体，仍可根据理·查特里公式计算爆炸极限，但需要按式（2）进行惰性气体修正[4]。其计算方法是：先扣除混合气体中的惰性气体，对剩下的可燃气体部分按体积分数为100%进行调整，先用（1）式计算出全部可燃气体混合时的爆炸极限，然后用（2）式进行修正计算，得到可燃气体和惰性气体的混合气体的爆炸极限。

式中：LN为混合气体的爆炸极限；Lm为可燃气体混合物的爆炸极限；B为惰性气体的体积分数。

2.3 可燃气体、惰性气体和氧气组成的混合气体

当混合气体中含有氧气时，可以认为混合气体中含有部分空气，这类混合气体爆炸极限的计算需要2次调整体积分数，过程烦琐，容易出错。其计算过程是先将混合气体中的氧气和氮气按空气氮氧比3.762进行扣除，对剩下的可燃气体和惰性气体按体积分数为100%进行调整，然后根据2.2用（1）式、（2）式计算出不含空气的混合气体的爆炸极限，最后用（3）式计算出整体混合气体的爆炸极限[6]。

式中：LT为混合气体的爆炸极限；LN为无空气基时可燃气体和惰性气体混合的爆炸极限；Xair为混合气体中氧氮折算的空气体积分数。

2.4 混合气体爆炸极限计算值与实测值的比较

查阅文献，单一可燃气体的爆炸极限见表1[6]，文献中实测的混合气体的爆炸极限见表2[7-8]。根据式（1）、（2）、（3），分别按类型对混合气体的爆炸极限进行计算并与实测值进行对比，具体见表2。

表1 单一可燃气体的爆炸极限%

从上述计算值与实测值的对比可以看出，用理论公式计算的爆炸下限比文献中的实测值要低，而上限比文献中的实测值要高，这对实际运用是偏安全的。所以，用理论公式计算的爆炸极限值是可用的，在工程上具有参考意义。

3 可燃气体很少的混合气体易燃性判定

石油化工装置在生产过程中往往会排放大量废气，这些废气中可燃气体浓度很低，大部分是N2，CO2等惰性气体。如果直接套用理论公式，会得到相应的爆炸极限计算值，但该计算结果未必有意义。这是因为，惰性气体会对可燃气体的爆炸极限有抑制作用，而且随着惰性气体浓度的提高，混合气体的爆炸极限范围不断变窄，当惰性气体浓度超过某一定值时就会变成不可燃气体。针对这类情况，建议先按ISO10156：2017《Gas cylinders—Gases and gas mixtures—Determination of fire potential and oxidizing ability for the selection of cylinder value outlets》[9]对可燃气体含量很低的混合气体的易燃性进行判定，然后再计算其爆炸极限。

3.1 可燃气体和惰性气体的混合气体

可燃气体和惰性气体的混合气体的易燃性判定原则如下：

式中：Vi为可燃气体的体积分数；Tci为可燃气体与氮气混合气体在空气中不可燃的最大体积分数；i为混合气体中的第i种可燃气体，n为混合气体中的第n种可燃气体。

若混合气体中含有CO2，Ar等非氮气的惰性气体，应采用该惰性气体的氮等价系数来调整混合气体的体积。惰性气体的氮等价系数见表4。

当R≤1时，说明该混合气体在空气中不易燃，反之则易燃。判定出易燃性后，再根据经验公式来计算气体混合物的爆炸极限。

案例：气体混合物中含有7%的H2和93%的CO2，判断其易燃性。

由表4可知，CO2相应的氮等价系数为1.5，即7%（H2）+1.5×93%（CO2）,然后调整体积分数总和为1，即4.78%（H2）+95.22%（CO2），查得H2的Tci=5.5%，代入式（4）得：

表4 惰性气体的氮等价系数K k

R＜1，说明则该混合气体不易燃。

3.2 可燃气体、惰性气体和氧气的混合气体

如果符合以下两个条件，含有易燃和氧化气体的混合物被判定为易燃：

（1）易燃气体体积分数Ai＞Li；

（2）易燃气体体积分数A i≥T ci(flamox)，

式中：Ai为混合气体中可燃气体的体积分数；Li为可燃气体的爆炸下限；Tci为可燃气体与氮气混合气体在空气中不可燃的最大体积分数；X（O2）为混合气体中氧气的体积分数。

案例：气体混合物中含有2%H2，1%CH4，13%O2，84%N2，判断其易燃性。

查得H2的爆炸下限为4%，Tci为5.5%；CH4的爆炸下限为4.4%，Tci为8.7%。

易燃气体体积分数=2%+1%=3%，混合易燃气体 的爆炸下限=（2%+1%）/(2%/4%+1%/4.4%)=4.12%，混合易燃气体在空气中不可燃的最大体积分数=（2%+1%）/(2%/5.5%+1%/8.7%)=6.27%。

X（O2）=13%,则Tci(flamox)=6.27%×(1-13%/21%)=2.39%。

根据判定原则，条件（1）不成立，条件（2）成立，两个条件不同时成立，所以该混合气体不易燃。

4 结语

确定可燃气体的爆炸极限尤其是爆炸下限，可以从根本上了解可燃气体的爆炸危险性，从而准确把握、控制爆炸的发生，降低危险系数，对石油化工的设计和安全生产有积极作用。

对于可燃混合气体，利用理·查特里（Le Chatelier）公式计算的爆炸下限比实测值低，而上限比实测值高。因此，用理论公式计算的爆炸极限是可用的，在工程上具有参考意义。对于含有低浓度可燃气体的混合物，应先判断其易燃性，再计算爆炸极限。