可燃?xì)怏w的爆炸極限和最大允許氧含量的測定及影響因素研究

1、第28卷第3期2006年9月湘潭師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版Journal of X iangtan Normal University (Natural Science Edition Vol.28No.3Sep.2006可燃?xì)怏w的爆炸極限和最大允許氧含量的測定及影響因素研究張增亮a ,李革梅b(湖南科技大學(xué)a.能源與安全工程學(xué)院;b.信息與電氣工程學(xué)院,湖南湘潭411201摘要:通過實驗分析了可燃?xì)怏w(液體蒸汽的爆炸極限規(guī)律,同時獨到地分析了各濃度可燃?xì)怏w(液體蒸汽的最大允許氧含量的規(guī)律;通過爆炸極限和最大允許氧含量規(guī)律的對比研究,分析了兩者的影響因素,指出兩者從不同角度界定了可燃?xì)怏w(液體蒸

2、汽的爆炸范圍。關(guān)鍵詞:可燃?xì)怏w;液體蒸汽;最大允許氧含量;爆炸極限;影響因素中圖分類號:T Q620文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-0231(200603-0067-04可燃?xì)怏w(液體蒸汽發(fā)生燃燒和爆炸的三個基本因素是火源,可燃?xì)怏w(液體蒸汽,氧氣。即燃燒爆炸,不僅需要達(dá)到最小點火能以上能量值的火源,還需要兩個重要條件:高于爆炸上限的可燃?xì)鉂舛群突旌衔镏醒鹾窟_(dá)到最大允許氧含量以上。目前,對最大允許氧含量的理論及影響因素尚無報道,鑒于此,筆者通過對十氫萘和煤氣等做了大量爆炸實驗,將可燃?xì)怏w(液體蒸汽的最大允許氧含量與爆炸極限進行了類比研究,深入揭示了兩者之間的相似與不同之處,從而進一步挖掘

3、出最大允許氧含量的內(nèi)在性質(zhì),特別是對最大允許氧含量的變化規(guī)律及其對安全生產(chǎn)工作的指導(dǎo)方面的研究,開創(chuàng)了國內(nèi)研究之先河。筆者認(rèn)為本研究的創(chuàng)新思想將對安全工作發(fā)揮有力的指導(dǎo)作用。1爆炸筒2放電極針3混合噴嘴4電磁閥5引射器6可燃液體計量裝置7可燃?xì)怏w流量計8空氣干燥器9空氣流量計10空氣加熱蛇管11空氣濕度儀12氧分析儀13真空泵14溫度傳感器15溫度傳感器16電加熱器17電加熱器18電加熱絲19壓電晶體傳感器圖1測試系統(tǒng)總布置圖1實驗裝置實驗所用裝置系統(tǒng)如圖1,為中北大學(xué)研制的可燃?xì)怏w(液體蒸汽爆炸特性測試裝置。其主體為20L 柱形爆炸筒,共分爆炸筒、點火源、配氣系統(tǒng)三部分。該裝置性能可靠、測試

4、精確,尤其對可燃液體的測試,巧妙地性地運用引射技術(shù),將可燃液體利用引射器引射到預(yù)熱的空氣輸送管道,從而得以氣化并混合輸送到特定溫度的爆炸筒中,成功地解決了液體氣化計量及混合的難題,從而能夠在同一裝置中對可燃?xì)怏w和可燃液體蒸汽的爆炸特性進行測試。2實驗原理當(dāng)可燃性氣體或液體蒸汽與空氣(或氧在一定范圍內(nèi)均勻混合,遇到火源會發(fā)生爆炸,這個濃度范圍收稿日期:2006-03-24作者簡介:張增亮(1968-,男,山東壽光人,講師,研究方向:安全技術(shù)及工程。即為其爆炸極限。最大允許氧含量是指當(dāng)給以足夠的點燃能量能使某一濃度的可燃?xì)怏w或液體蒸汽剛好不發(fā)生燃燒爆炸的臨界最高氧濃度,即為爆炸與不爆的臨界點。若氧

5、含量高于此濃度,便會發(fā)生燃燒或爆炸。換句話說,氧含量低于此濃度便不會發(fā)生燃燒或爆炸。爆炸極限和最大允許氧含量的測試方法基本是一致的。即:將一定濃度的可燃?xì)怏w與其它氣體(根據(jù)濃度比等于體積比的規(guī)律混合。對于液體則首先根據(jù)實驗所需液體蒸汽的濃度換算出需要的液體體積,然后運用引射混合方法與其它氣體混合,通過電極放電點火,根據(jù)壓力傳感器的壓力波形前沿是否較快上升或爆炸筒內(nèi)的火焰是否升起,采用逐步逼近法進行爆與不爆的判定。3實驗結(jié)果與討論3.1實驗結(jié)果通過對煤氣和十氫萘等做了大量爆炸實驗,分別對它們的爆炸極限及爆炸極限范圍內(nèi)(主要是空氣中爆炸極限范圍內(nèi)的最大允許氧含量進行了對比測試,并得出以下數(shù)據(jù):表1

6、200時十氫萘在空氣中各濃度下的實際氧含量與最大允許氧含量(% 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大氣壓下加入不同配比的惰性氣體時煤氣的爆炸極限及所對應(yīng)的最大允許氧含量(% inert gas1atm20inert gas1atm80flammable explosion explosion flam

7、mable 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 5.86108.468 6.708 6.70表31.5大氣壓下加入

8、不同配比的惰性氣體時煤氣的爆炸極限及所對應(yīng)的最大允許氧含量(% 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 5.612211.761 6.6 5.5223.711.052 6.7 5.6

9、116.710.482 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實驗所用煤氣的組成ingredients H2CH4C O CnHm C O2O2N2content%54.824 6.6 1.8 3.20.49.23.2對實驗結(jié)果的討論(1爆炸極限和氧含量的關(guān)系從表1及表5中文獻數(shù)據(jù)可以看出,氧含量幾乎對下限不產(chǎn)生影響,而對上限影響卻很大。從上面分析知,下限與當(dāng)量濃度之

10、間,氧處于過剩狀態(tài),尤其在下限附近,氧過剩很多,因此再加過多的氧,甚至可燃物在全氧環(huán)境中,對下限也不會產(chǎn)生影響。而當(dāng)量濃度與上限之間處于缺氧狀態(tài),尤其在上限,氧更是嚴(yán)重匱乏,可燃物之所以不爆,就是因為氧嚴(yán)重不足,不足以引燃可燃物,因此當(dāng)加氧時,上限會急速加大,特別是在全氧環(huán)境中,上限值要比在空氣中的大得多。表5某些可燃?xì)怏w在空氣和氧氣中的爆炸極限(%name in the airin the oxygenlower limitupper limitlower limitupper limitCH 4515561C 2H 6 3.012.5 3.066H 2475494(2就可燃物的濃度來說,它

11、具有爆炸極限。實際上,在整個可爆范圍內(nèi),最大允許氧含量也存在極限值。從理論上講,對多數(shù)碳?xì)浠衔?其反應(yīng)方程式可寫為:C n H m +(n +m4O 2=nCO 2+m2H 2O(1其最大允許氧含量的最小值在數(shù)值上等于處于下限濃度(L 下的可燃物剛好完全反應(yīng)所需要的臨界氧含量1,用等式表示為:O m =L 下(n +m4(2而最大允許氧含量的最大值則對應(yīng)于爆炸上限時的實際氧含量,可見兩者的極限值具有一一對應(yīng)的關(guān)系。(3根據(jù)表1可以看出,最大允許氧含量值是隨可燃?xì)怏w的濃度呈現(xiàn)逐漸遞增規(guī)律的。而且在爆炸范圍內(nèi),可燃物每一濃度都對應(yīng)唯一的最大允許氧含量值。因此可運用數(shù)值分析原理根據(jù)所給定的部分?jǐn)?shù)據(jù)

12、擬合出相應(yīng)的規(guī)律函數(shù),如:根據(jù)表1所列數(shù)據(jù),可運用計算機擬合出三次函數(shù):Y =10.02497-1.09745X +1.06675X 2-0.10329X3(3圖2十氫萘濃度與其最大允許氧含量的關(guān)系其對應(yīng)模擬圖形如圖2。當(dāng)然根據(jù)精度及其它需要還可擬合出次數(shù)更高更精確的函數(shù)及圖形。這樣對可燃物每個濃度所對應(yīng)的最大允許氧含量都可從理論上估算出。(4溫度和壓力等物理因素對爆炸極限有影響,同樣對最大允許氧含量也有影響。當(dāng)溫度和壓力升高時,爆炸下限下降,上限上升,爆炸極限范圍變寬;反之,則爆炸極限范圍變窄2。如實驗數(shù)據(jù)表2、表3所示。從下面圖更能直觀地觀察到這種趨勢。由于最大允許氧含量最小值和最大值與爆

13、炸極限是一一對應(yīng)的關(guān)系,因此它們也隨之發(fā)生變化,表現(xiàn)為:當(dāng)溫度和壓力升高時,最大值和最小值相對各自原來的值變小,相應(yīng)地可燃物各個濃度所對應(yīng)的最大允許氧含量也較原值變小,反之則都較原值變大,如表2、表3所列數(shù)據(jù)及圖3、圖4所示。這是因為當(dāng)溫度升高,反應(yīng)物分子運動加劇;壓力升高,反應(yīng)物分子間距變小,相應(yīng)地單位時間反應(yīng)物分子碰撞機會都會增多,反應(yīng)更容易進行,剛好維持反應(yīng)所需要的氧即其相應(yīng)的最大允許氧含量變小。(5若在可燃?xì)怏w中加入惰性氣體(如表2、表3數(shù)據(jù)及圖3、圖4所示,則對爆炸極限產(chǎn)生較大影響,表現(xiàn)為爆炸范圍縮小,下限上升,上限下降,但對上限的影響比對下限的影響更為顯著3。這是因為下限附近氧含量

14、原本過剩較多,所以加入少量惰性氣體不會對下限產(chǎn)生較大影響。而上限附近本來氧含量相對不足,所以即使加入少量惰性氣體,也會引起上限值劇烈下降。隨著惰性氣體的不斷加入,上下限值逐漸靠近,直至兩者重合,當(dāng)繼續(xù)加入惰性氣體時,便會超出爆炸范圍之外,可燃?xì)怏w不再發(fā)生爆炸。同樣當(dāng)加入惰性氣體時,由于最大允許氧含量的最小值和最大值與爆炸上下限的對應(yīng)關(guān)系,最大允許氧含量也產(chǎn)生較大影響,表現(xiàn)為:最小值上升,最大值下降,兩者差值減小,但對最大值的影響更為顯著(如表2、表3數(shù)據(jù)及圖5、圖6所示。隨著惰性氣體的不斷加入,兩者也不斷接近,直至重合,乃至退出爆炸范圍。最小值上升主要因為加入惰性氣體后,其分子會使可燃?xì)怏w分子

15、與氧分子分散隔離,在兩者之間形成一道屏障,使兩種分子不能有效碰撞,減小了兩者反應(yīng)機會,同時當(dāng)活化分子撞擊惰性氣體分子時,則會減少甚至失去活化能,要想不致反應(yīng)鏈中斷,必須提高氧含量以抵消其損失。最大值下降主要是由于惰性氣體的加入,空氣相對減少,導(dǎo)致氧氣的直接減少,同時也使可燃?xì)鉂舛认鄬档土?。氧氣和可燃?xì)獾臏p少、惰性氣體分子的阻隔及活化分子與惰性氣體分子撞擊的損失,使反應(yīng)熱急劇降低,從而也導(dǎo)致了爆炸上限的下降。 (6當(dāng)然,以上對最大允許氧含量的討論主要是針對空氣中爆炸極限范圍內(nèi)的。其實,它的最大允許氧含量的最大值還不是最大值,當(dāng)繼續(xù)加氧時,可燃物還會爆炸,直至可燃物達(dá)到全氧環(huán)境時的爆炸上限,這個

16、范圍內(nèi)的每一濃度的可燃物都唯一對應(yīng)相應(yīng)的最大允許氧含量,在同一溫度、壓力等條件下,全氧環(huán)境時的爆炸上限才是本條件下的最大值。因此,以上結(jié)論針對整個爆炸范圍是普遍適用的。4結(jié)論(1在整個爆炸極限范圍內(nèi),爆炸上下限與最大允許氧含量的最大值、最小值是一一對應(yīng)的關(guān)系。(2在同一溫度、壓力等條件下,可燃?xì)怏w(液體蒸汽每一濃度都有唯一的最大允許氧含量與之對應(yīng),并隨著濃度的逐漸增加呈現(xiàn)遞增規(guī)律。(3溫度、壓力和惰性氣體等因素都對爆炸極限和最大允許氧含量產(chǎn)生不同程度的影響4,5。根據(jù)它們的不同影響,可通過減少反應(yīng)中氧濃度、降壓、降溫、加入惰性氣體等辦法,以縮小爆炸極限范圍、增大該濃度的最大允許氧含量,從而將其控制在爆炸范圍之外。(4要控制爆炸,將可燃?xì)怏w控制在爆炸下限以下和最大允許氧含量的最小值以下是最安全的方法6。(5從經(jīng)濟、作業(yè)因素的具體條件而論,將可燃?xì)怏w控制在爆炸極限以外或該濃度可燃物的最大允許氧含量以上,并適當(dāng)附加一定的安全系數(shù)即可。參考文獻:1蔡風(fēng)英,談宗山,孟赫.化工安