混空輕烴燃氣爆炸極限計算方法的研究

樊玉光，張 碩，史冬雨，魏 嘉

西安石油大學機械工程學院 （陜西 西安710065）

我國城市燃氣發展規劃提出，以提高居民生活質量、改善大氣環境、節約能源為目的，在國家政策的支持下，積極發展城市燃氣；配合西氣東輸工程，積極利用天然氣，改善沿線城市大氣環境質量；加快燃氣管網的改造，提高燃氣供應系統的安全性；大力開拓天然氣市場[1]。目前我國的城市燃氣由以液化石油氣和人工煤氣為主轉向以天然氣為主。但由于城鎮及農村住戶太分散、距離城市氣源遠、管道鋪設難、管道成本高、維護成本也高，因此在城鎮及農村用新型燃氣代替天然氣安裝入戶是非常必要的。

輕烴燃料大部分為C5、C6組成的烴類混合物，這種烴類在常溫下為液態，將液態烷烴氣化后與常溫空氣以不同比例混合，最終即可得到常溫常壓下混空輕烴燃氣。

1 爆炸極限的含義

爆炸極限是指當可燃氣體和空氣（氧氣）均勻混合后，在外界能量的作用下能發生燃燒的體積濃度極限，分為爆炸上限和爆炸下限。爆炸下限和爆炸上限是指能使火焰傳播的可燃氣體的最低體積濃度和最高體積濃度。簡言之只要可燃氣體的體積濃度在爆炸極限的濃度范圍內，可燃氣體才能發生燃燒甚至爆炸[2]。可燃氣體的爆炸極限是用來評估可燃氣體燃燒潛在危險性的重要指標之一。

2 爆炸極限的理論計算方法

目前所用的混空燃料中所使用的輕烴原料各組分含量如下：戊烷總質量分數為98.40%，其中正戊烷的質量分數為44.35%，異戊烷54.05%，C6及以上的重組分的質量分數為1.0%，C4組分的質量分數為0.60%，考慮到C6以及C4組分均為少量，計算時可忽略，并視為正戊烷與異戊烷的體積比為1∶1，用以下幾種方法分別計算出輕烴燃料的爆炸極限。

2.1 按可燃物熱值的低熱值估算

根據CJ/T 341—2010《混空輕烴燃氣》可以得到爆炸極限的計算方法[3]，輕烴燃料各組分的低熱值見表1。

表1 輕烴燃料各組分的低熱值

爆炸下限按下式計算：

式中：L為可燃物的爆炸下限（可燃物體積分數，下同），%；M為可燃物的相對分子質量；ΔHi為可燃物的低熱值，kJ/kg。

爆炸上限按下式計算：

式中：R為可燃物的爆炸上限（可燃物體積分數，下同），%；M為可燃物的相對分子質量。

混合燃氣的平均摩爾質量：

M=x1×M1+x2×M2+……+xiMi（3）

式中：xi為各種組分的含量，%；Mi為各組分的相對分子量。

通過此方法計算得到輕烴燃料的爆炸極限為：1.32%～8.45%。

2.2 按完全燃燒所需氧原子數估算

根據可燃氣體燃燒反應時所需的氧原子數、熱平衡以及空氣中的氧含量，推算其爆炸極限[4]：

式中：N為每一分子可燃氣體完全燃燒時所需的氧原子數，對烴類N≥4。

通過此方法計算得到輕烴燃料的爆炸極限為：1.38%～4.9%。

2.3 按化學計量濃度估算

根據可燃氣體完全燃燒時的化學計量濃度進行估算,即可估算可燃氣體的爆炸下限：

式中：C0為可燃氣體完全燃燒時化學理論體積分數。

如果可燃氣體和空氣混合，假設空氣中的氧含量為20.9%，則

式中：n0為一個可燃氣體分子完全燃燒時所需的氧的分子數。

在常溫常壓下可燃氣體在空氣中的爆炸上限和爆炸下限的關系為

如果在爆炸上限附近沒有冷火焰出現，則可表示為

通過此方法計算得到輕烴燃料的爆炸極限為：1.4%～8.57%。

2.4 多組元可燃氣氣體混合物爆炸極限的估算

通常使用呂·查德律定律進行計算∶

式中：Z為混合燃氣的爆炸上（下）限（可燃物體積分數），%；Zi為各組分的爆炸上（下）限（可燃物體積分數），%；Xi為各組分的體積百分數[5]。

通過此方法計算得到輕烴燃料的爆炸極限為：1.4%～8.29%。

以上4種方法都可得到輕烴燃料的爆炸極限，由于本文給出的輕烴原料含量戊烷占絕大比例，按理得到的爆炸極限應在戊烷的爆炸極限1.4%～8.3%附近[3]。可以看出，按可燃物熱值的低熱值估算、按化學計量濃度和按多組元可燃氣氣體混合物的爆炸極限的估算得到的爆炸極限都在戊烷爆炸極限附近，具有可靠性。但按完全燃燒所需氧原子數估算得到的爆炸上限有很大差距，因此，此方法的準確性還有待考究。

3 不同比例情況下混空輕烴燃氣爆炸極限的估算

通過實驗，將液態輕烴燃料加熱到60℃，使其在氣體狀態下與常溫空氣以不同比例的體積比進行混合，計算得到不同比例下的混空輕烴燃氣。

通過上文計算，出于安全考慮，輕烴燃料的爆炸極限取按化學計量濃度估算方法得到的爆炸極限為：1.32%～8.57%，對不同比例情況下混空輕烴燃氣爆炸極限的估算。

將混空輕烴燃氣視為一個整體，與空氣的混合按摩爾比為1：n，在混空輕烴燃氣和輕烴燃料的可燃物含量相同情況下，按爆炸極限的定義推導得到混空輕烴燃氣的爆炸極限計算公式為：

式中：Z為輕烴燃料的爆炸上（下）限（可燃物體積分數），%；Z混空為混空輕烴燃氣的爆炸上（下）限（可燃物體積分數），%。通過此方法計算得到不同混合比例下混空輕烴燃氣的爆炸極限，計算結果見表2。

表2 不同比例混合后得到的混空輕烴燃氣的爆炸極限

4 惰性氣體條件下混合燃氣爆炸極限的估算

用氮氣代替混空燃氣中的空氣，與輕烴燃料混合的比例不變，并且氮氣可以近似看成是惰性氣體，由此整個過程可以理解為輕烴燃料在惰性氣體的環境下與空氣混合，根據相關研究可知[6]：混合氣體中氮氣含量的增加，可燃物的爆炸極限范圍將減小，爆炸下限有少量的上移，爆炸上限卻下移很多。這是因為在爆炸性混合物中，隨著惰性氣體含量的增加，氧的含量相對減少；而在爆炸上限濃度下氧的含量本來已經很小，故惰性氣體含量稍微增加一點，即產生很大影響，使爆炸上限劇烈下降，當惰性氣體含量增加到某一值時，爆炸上限與爆炸下限重合，混合氣體此時就不會發生爆炸。

因為充入氮氣對爆炸有抑制作用，所以混氮氣的輕烴燃氣的爆炸極限在1.32%～8.57%之間，隨著氮氣的增加趨于某個值。

5 結論

通過對爆炸極限參數的幾種不同計算方法結果的對比得到：通過按可燃物熱值的低熱值、按化學計量濃度和按多組元可燃氣氣體混合物的爆炸極限的估算得到的爆炸極限相近且都在戊烷爆炸極限附近，具有可靠性；但按完全燃燒所需氧原子數計算得到的爆炸上限有很大差距。得出輕烴燃料與空氣和惰性氣體混合的爆炸極限的計算方法。