微觀組分變化對轉爐煤氣爆炸下限的影響研究★

蘇岱峰

（山西工程職業學院冶金與環境工程系，山西 太原 030001）

轉爐煤氣是煉鋼生產過程中的伴隨產物，具有重要的利用價值。轉爐煤氣的主要成分是CO、CO2、H2、N2和O2，具有易發生火災、爆炸等危險性，是煉鋼車間最主要的危險物質之一。在收集轉爐煤氣過程中，煤氣一旦發生泄漏，易與空氣形成爆炸性混合物，遇明火則會發生火災爆炸事故。因此，研究轉爐煤氣發生爆炸的條件，對車間安全生產具有重要的借鑒意義[1]。

爆炸極限、爆炸壓力以及爆炸壓力上升速率是表征轉爐煤氣爆炸特性的重要參數，也是指導現場安全管理的重要數據。爆炸極限表征的是轉爐煤氣能夠發生爆炸的濃度范圍。煤氣爆炸極限會受到環境溫度、濕度等多種因素的影響，當轉爐煤氣組分發生變化時，其爆炸上下限也會相應發生變化。因此，研究轉爐煤氣組分變化對其爆炸上下限的影響，對企業預防煤氣爆炸事故具有重要的意義。

1 轉爐煤氣成分

轉爐煤氣中的可燃組分包括CO以及微量的H2，同時也含有CO2和N2等惰性氣體，此外，還有微量的O2。具體組分如表1所示。

表1 冶金企業轉爐煤氣組分變化范圍 %

2 多種可燃氣體組成的混合物爆炸極限計算

式中：x為混合可燃氣體的爆炸極限；p1、p2、p3、…、pi為混合氣中各組分的體積分數，%；N1、N2、N3、…、Ni為混合氣中各組分的爆炸極限，%。

該式稱為萊—夏特爾公式，將各組分可燃氣爆炸下限帶入公式計算出來的結果為可燃混合氣的爆炸下限；將各組分可燃氣爆炸上限帶入公式計算出來的結果為可燃混合氣的爆炸上限。應用該公式計算的爆炸下限接近實際，爆炸上限偏差較大[4]。

如果混合氣中含有惰性氣體，如N2、CO2等，計算其爆炸極限時，仍然可用萊—夏特爾公式進行計算。但需要將每種惰性氣體與一種可燃氣編為一組，將該組氣體看成一種可燃性氣體成分進行計算。該組在混合氣體中的體積分數為該組中惰性氣體和可燃氣體體積分數之和。計算該組氣體的爆炸極限時，可先分別列出該組惰性氣體與可燃氣的組合比例，然后從圖1中查出該組在混合氣體中的體積分數，然后帶入公式進行計算。

圖1 氣體的爆炸極限圖

3 煤氣組分變化對煤氣爆炸下限的影響

3.1 φ（CO）對轉爐煤氣爆炸下限的影響

本次研究參考文獻1中煤氣組分的變化，由于CO、CO2可以相互轉化，當煤氣中φ（CO）較低時，φ（CO2）勢必較高，當φ（CO）較高時，φ（CO2）則會降低，將N2作為平衡氣體。本次研究當煤氣濃度為表2情況時，其爆炸下限的變化趨勢，具體如表3、圖2所示。

表2 煤氣各組分體積濃度%

表3 煤氣爆炸極限

圖2 轉爐煤氣中φ（CO）對其爆炸下限的影響趨勢

通過研究可得，隨著轉爐煤氣中φ（CO）的增多，煤氣的爆炸下限逐漸降低。這是因為當煤氣中φ（CO）較多時，其與空氣混合，一氧化碳分子與氧分子的碰撞、接觸的幾率變大，使它們之間更加容易發生化學反應，進而引起煤氣爆炸。

3.2 φ（O2）對轉爐煤氣爆炸下限的影響

轉爐煤氣中除了含有大量的CO、N2以及CO2外，還有微量的H2和O2，本次借助于萊—夏特爾公式，研究微量O2對轉爐煤氣爆炸下限的影響。表4為φ（O2）=1.0%下的煤氣各組分體積分數，相應的煤氣爆炸下限如表5所示。圖3為φ（O2）對轉爐煤氣爆炸下限的影響趨勢圖。

圖3 φ（O2）對轉爐煤氣爆炸下限的影響趨勢

表4 φ（O2）=1.0%下煤氣各組分體積分數%

表5 煤氣爆炸下限

通過研究發現，當轉爐煤氣中含有少許O2時，其爆炸下限較不含O2轉爐煤氣的爆炸下限更低。

4 結論

1）隨著轉爐煤氣中φ（CO）的升高，其爆炸下限逐漸降低，這是由于φ（CO）較多時，其與空氣混合，一氧化碳分子與氧分子的碰撞、接觸的幾率變大，使它們之間更容易發生化學反應，進而發生爆炸。

2）當轉爐煤氣中含有少量O2時，與空氣形成的爆炸性混合物的爆炸下限較無O2時的更低，這是由于φ（O2）增加，使其更容易與CO發生反應，從而引發爆炸。