爆炸極限及其影響因素
《城鎮燃氣工程基本術語標準》 GB/T 50680-2012
2.2.8??爆炸極限explosive?limits
可燃氣體與空氣的混合物遇火源產生爆炸的可燃氣體體積分數范圍。
2.2.9??爆炸上限upper?explosive?limit
可燃氣體與空氣的混合物遇火源產生爆炸時的可燃氣體最高體積分數。
2.2.10??爆炸下限lower?explosive?limit
可燃氣體與空氣的混合物遇火源產生爆炸時的可燃氣體最低體積分數。
城市燃氣如果泄漏到環境中與空氣形成混合物,當燃氣在空氣中的濃度處于爆炸下限(LEL)、爆炸上限(UEL)兩個濃度之間范圍內時,有可能產生燃燒爆炸。燃氣爆炸極限不是一個固定值,除受氣體特性的影響外,還受各種外界因素的影響而變化,如果掌握了內在和外界條件對爆炸極限的影響,在一定條件下測得或計算的爆炸極限就有參考價值。主要影響因素有以下幾種:
影響爆炸極限因素
(1)燃氣的種類及化學性質
可燃氣體的分子結構和反應能力影響其爆炸極限。爆炸極限還與導熱系數(導溫系數)有關,導熱系數越大導熱越快,爆炸極限范圍就越大。
注:從此表中可以看出,5~15%的爆炸極限范圍是甲烷在常規條件下的一個爆炸下限和爆炸上限的一個范圍值(而且不同資料給出的數據也不同),正常的天然氣是以甲烷為主,但還有其他的不同爆炸極限的組份,作為混合氣體的天然氣爆炸極限是應當根據其組份計算出來的,正確的說法可以是天然氣的爆炸極限約為5~15%。
(2)可燃氣體的純度
可燃氣體的純度影響其爆炸極限??扇細怏w中惰性氣體含量增加,將縮小爆炸極限的范圍。當惰性氣體含量增加到某一值時,混合氣體不再發生爆炸。
(3)燃氣與空氣混合的均勻程度
當燃氣與空氣充分混合均勻時,某一點的燃氣濃度達到爆炸極限時,整個混合空間的燃氣濃度都達到爆炸極限,燃燒或爆炸反應是在整個混合氣體空間同時進行,其反應不會中斷, 因此爆炸極限范圍大;當混合不均勻時,就會產生在混合氣體內某些點的燃氣濃度達到或超過爆炸極限,而另外一些點的燃氣濃度達不到爆炸極限,燃燒或爆炸反應就會中斷,因此爆炸極限范圍就變小。
(4)點火源的形式、能量和點火位置
點火源的性質對爆炸極限范圍的影響是:能量強度越高;加熱面積越大,作用時間越長,點火的位置越靠近混合氣體中心,則爆炸極限范圍越寬。下表為點火能量對甲烷(天然氣)爆炸極限的影響,隨點火能量的增加,爆炸范圍明顯增大。
(5)爆炸容器的幾何形狀和尺寸
可燃氣體爆炸極限是通過容器測量的,不同測試容器的幾何形狀、尺寸及壁面材料的導熱性能,影響測試燃氣爆炸極限的大小。容器大小對爆炸極限的影響可從器壁效應解釋。燃燒是自由基進行一系列連鎖反應的結果。只有自由基的產生數量大于消失數量時,燃燒爆炸反應才能進行。若容器表面積大,壁面材料導熱系數大,向外散失的反應熱量大,需要維持燃燒或爆炸反應的能量大,同時自由基與器壁碰撞的幾率減少,有利于自由基的產生,因此,爆炸極限范圍就小;反之,若容器表面積小,壁面材料導熱系數小,向外散失的反應熱量小,需要維持燃燒或爆炸反應的能量小,自由基與器壁碰撞的幾率增加,有礙于自由基的產生,爆炸極限范圍就大。目前測試可燃氣體爆炸極限的方法很多,主要有球形密閉的容器、柱狀容器和開口玻璃管測試,不同的測試方法和不同的測試條件,所測同一種可燃氣體的爆炸極限也略有不同。應采用現行國家標準《空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法》GB/T12474規定的空氣中可燃氣體爆炸極限的測定方法,測定燃氣的爆炸極限。
(6)可燃氣體與空氣混合的溫度、壓力
1)溫度。提高可燃混合物的溫度,可使燃燒或爆炸反應增快,反應溫度上升,從而使爆炸極限范圍變大。所以,溫度升高使可燃氣體混合物的爆炸危險性增加。下表列出了初始溫度對天然氣混合物爆炸極限的影響的一組數據。
2)壓力。提高可燃混合物的壓力,其分子間距縮小,碰撞幾率增加,反應速度提高,爆炸范圍擴大,爆炸上限變化顯著,爆炸極限范圍增大。下表列出了初始壓力對甲烷爆炸極限的影響。在一般情況下,隨初始壓力的提高,爆炸上限明顯提高,但在已知的可燃氣體中,只有一氧化碳隨初始壓力的增加,爆炸極限縮小。
初始壓力降低,爆炸極限范圍縮小。當初始壓力降低至某個定值時,爆炸上、下極限重合,此時的壓力稱為爆炸臨界壓力。低于爆炸臨界壓力的系統不爆炸,因此在密閉容器內減壓操作對安全有利。
爆炸極限范圍其上、下限數據的大小,在燃氣的運行管理中有重要的指導參考意義,后續會整理其數值在日常工作中的指導應用。