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可燃气体爆炸极限的计算

可燃气体爆炸极限计算

 

01概念

 
爆炸极限（着火极限）：可燃气体和空气的混合物遇明火而引起爆炸时的可燃气体含量（体积分数）范围成为爆炸极限。
爆炸下限Low Explosion - Level（LEL），指的是可燃性混合物能够发生爆炸的低浓度。由于可燃物浓度不够，过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延，因此在低于爆炸下限时不爆炸也不着火。

爆炸上限Upper Explosion - Level（UEL），指的是可燃性混合物能够发生爆炸的高浓度。在高于爆炸上限时，空气不足，导致火焰不能蔓延，既不爆炸，也不着火。

 

02

计算方法

 

2.1单组分可燃气体爆炸极限的计算

一般单组分可燃气体的爆炸极限可以直接查到。在查不到的情况下，可以用下列方法去估算。
2.1.1直接查阅方法：
（1）爆炸危险环境电力装置设计规范GB 50058-2014 附录C
（2）压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类标准HG/T 20660-2017 附录B
（3）查询物质的MSDS，参考网站http://www.somsds.com/
（4）石油化工工艺计算图表
查阅方法较多，仅列出以上几种，不同的查阅方法，结果会有些许的差别，引用时注明参考的资料即可。
 
2.1.2估算方法：
常规可燃气体的爆炸极限可用经验公式公式进行预估。在相应的适用条件内，利用爆炸极限公式得到的估算值与实验测量值差距不大，利用爆炸极限公式计算可燃气体爆炸极限值仍具有参考意义，其计算方法如下文所述。
目前，单组份可燃气体可通过完全燃烧反应所需的氧原子数、化学计量浓度、碳原子数、北川徽三法等估算爆炸极限。
（1）根据化学反应方程式计算
爆炸下限计算公式：LEL=100/[4.76(n0-1)+1]
爆炸上限计算公式：UEL=100/[4.76(n0-1)+4]
式中n0为可燃气体燃烧的化学反应方程式中，可燃性气体完全反应时消耗的氧原子数。

（2）按照化学计量浓度计算

此方法适用于计算烷烃类可燃气体的爆炸下限：LEL=0.55C0
式中C0为烃类气体完全燃烧时的体积占比。

如甲烷的燃烧反应为CH4+2O2=CO2+2H2O，空气中氧含量约为20.9vol%，则C0可用下式确定

 
式中n0代表充分燃烧时所需理论的甲烷数量，这里n0=2，带入公式可得：

即甲烷的爆炸下限值为5.2vol%。

（3）按照含碳原子数计算
对于脂肪族的碳氢化合物，可根据其碳原子数估算其爆炸极限：
 

式中nc代表脂肪族碳氢化合物化学表达式中的碳原子数。

（4）北川徽三法
北川徽三通过实验研究发现对于烷烃类化合物，可燃气体中的碳原子数与完全燃烧时所需的氧原子数n0存在如下关系：
当α=2时，2n0=0.5α+2；当α>2时，2n0=0.5α+2.5
再利用（2）中的公式进行计算。

 

2.2多组分可燃气体爆炸极限的计算

2.2.1 不含氧或惰性气体的可燃混合气体爆炸极限

常用Le Chatelier经验方程作为混合可燃气体的爆炸极限计算公式：

 

 

2.2.2 不含氧且含惰性气体的可燃混合气体爆炸极限

（1）可燃气体含有惰性气体时，可将某一惰性气体组分与某一可燃气体组分组合起来视为可燃气体中的一种组分，其体积分数为二者之和。然后由图1或图2 查得爆炸极限，再用下面的公式计算混合气体的爆炸极限。

 

 

 

 

 

（2）当某一惰性气体组分与某一可燃气体组分的组合不在图1或图2上时，可用下面办法估算。

式中 LD--含有惰性气体的混合气体爆炸极限（上限或下限）（vol％）

L--按2.2.1节不含惰性气体的混合气体计算的爆炸极限(上限或下限)（vol％）

ϕD--惰性气体在混合气体中所占的体积分数（vol％）

但是该办法有局限性，未考虑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，详见文章《惰洗塔放空尾气爆炸极限计算》，该文用实验证明了该公式的局限性，但实在没有参数的时候可以使用这个公式估算。

2.2.3 含氧且含惰性气体的可燃混合气体爆炸极限

可燃混合气体含有氧时，可视为混入了空气。因此，应先扣除氧含量以及按空气组成的氧、氮比例求得的氮含量。据此重新调整可燃混合气体各组分的体积分数，并使各组分的体积分数之和为100%，然后再用下式和图1、图2计算可燃气体的爆炸极限。

 

对于这种含有氧气(可折算出相应的空气)的混合气体，也可以将它视为一个整体，则相应有其在空气中的爆炸上(下)限数值。 我们将其称为该混合气体的整体爆炸极限，其表达式：

式中 LT—包括有空气的混合气体的整体爆炸极限（上限或下限）（vol％）

Lna—混合气体的无空气基爆炸极限(上限或下限)（vol％）

yair—空气在混合气体中所占的体积分数（vol％）

2.2.4 含氧且含惰性气体的有机化合物的废气的爆炸极限

催化燃烧法工业有机废气治理工程技术规范(HJ 2027—2013)第4.3条规定：对于含有混合有机化合物的废气，其控制浓度P应低于最易爆组分或混合气体爆炸下限值的25%，即P<min（Pe，Pm）×25%，Pe为最易爆组分爆炸下限值（vol%），Pm为混合气体爆炸下限值（vol%），计算如下：

Pm=（P1+P2+…+Pn）/(V1/P1+ V2/P2+…+ Vn/Pn)

式中 P1,P2,Pn—混合有机废气中各组分的爆炸下限值（vol％）

V1,V2,Vn—混合有机废气中各组分的体积分数（vol％）（去除氧和惰性气体归一化后的）

n—混合有机废气中所含有机化合物的种数。

发布时间：2023-03-09