混空轻烃燃气爆炸极限计算方法的研究

樊玉光，张 硕，史冬雨，魏 嘉

西安石油大学机械工程学院 （陕西 西安710065）

我国城市燃气发展规划提出，以提高居民生活质量、改善大气环境、节约能源为目的，在国家政策的支持下，积极发展城市燃气；配合西气东输工程，积极利用天然气，改善沿线城市大气环境质量；加快燃气管网的改造，提高燃气供应系统的安全性；大力开拓天然气市场[1]。目前我国的城市燃气由以液化石油气和人工煤气为主转向以天然气为主。但由于城镇及农村住户太分散、距离城市气源远、管道铺设难、管道成本高、维护成本也高，因此在城镇及农村用新型燃气代替天然气安装入户是非常必要的。

轻烃燃料大部分为C5、C6组成的烃类混合物，这种烃类在常温下为液态，将液态烷烃气化后与常温空气以不同比例混合，最终即可得到常温常压下混空轻烃燃气。

1 爆炸极限的含义

爆炸极限是指当可燃气体和空气（氧气）均匀混合后，在外界能量的作用下能发生燃烧的体积浓度极限，分为爆炸上限和爆炸下限。爆炸下限和爆炸上限是指能使火焰传播的可燃气体的最低体积浓度和最高体积浓度。简言之只要可燃气体的体积浓度在爆炸极限的浓度范围内，可燃气体才能发生燃烧甚至爆炸[2]。可燃气体的爆炸极限是用来评估可燃气体燃烧潜在危险性的重要指标之一。

2 爆炸极限的理论计算方法

目前所用的混空燃料中所使用的轻烃原料各组分含量如下：戊烷总质量分数为98.40%，其中正戊烷的质量分数为44.35%，异戊烷54.05%，C6及以上的重组分的质量分数为1.0%，C4组分的质量分数为0.60%，考虑到C6以及C4组分均为少量，计算时可忽略，并视为正戊烷与异戊烷的体积比为1∶1，用以下几种方法分别计算出轻烃燃料的爆炸极限。

2.1 按可燃物热值的低热值估算

根据CJ/T 341—2010《混空轻烃燃气》可以得到爆炸极限的计算方法[3]，轻烃燃料各组分的低热值见表1。

表1 轻烃燃料各组分的低热值

爆炸下限按下式计算：

式中：L为可燃物的爆炸下限（可燃物体积分数，下同），%；M为可燃物的相对分子质量；ΔHi为可燃物的低热值，kJ/kg。

爆炸上限按下式计算：

式中：R为可燃物的爆炸上限（可燃物体积分数，下同），%；M为可燃物的相对分子质量。

混合燃气的平均摩尔质量：

M=x1×M1+x2×M2+……+xiMi（3）

式中：xi为各种组分的含量，%；Mi为各组分的相对分子量。

通过此方法计算得到轻烃燃料的爆炸极限为：1.32%～8.45%。

2.2 按完全燃烧所需氧原子数估算

根据可燃气体燃烧反应时所需的氧原子数、热平衡以及空气中的氧含量，推算其爆炸极限[4]：

式中：N为每一分子可燃气体完全燃烧时所需的氧原子数，对烃类N≥4。

通过此方法计算得到轻烃燃料的爆炸极限为：1.38%～4.9%。

2.3 按化学计量浓度估算

根据可燃气体完全燃烧时的化学计量浓度进行估算,即可估算可燃气体的爆炸下限：

式中：C0为可燃气体完全燃烧时化学理论体积分数。

如果可燃气体和空气混合，假设空气中的氧含量为20.9%，则

式中：n0为一个可燃气体分子完全燃烧时所需的氧的分子数。

在常温常压下可燃气体在空气中的爆炸上限和爆炸下限的关系为

如果在爆炸上限附近没有冷火焰出现，则可表示为

通过此方法计算得到轻烃燃料的爆炸极限为：1.4%～8.57%。

2.4 多组元可燃气气体混合物爆炸极限的估算

通常使用吕·查德律定律进行计算∶

式中：Z为混合燃气的爆炸上（下）限（可燃物体积分数），%；Zi为各组分的爆炸上（下）限（可燃物体积分数），%；Xi为各组分的体积百分数[5]。

通过此方法计算得到轻烃燃料的爆炸极限为：1.4%～8.29%。

以上4种方法都可得到轻烃燃料的爆炸极限，由于本文给出的轻烃原料含量戊烷占绝大比例，按理得到的爆炸极限应在戊烷的爆炸极限1.4%～8.3%附近[3]。可以看出，按可燃物热值的低热值估算、按化学计量浓度和按多组元可燃气气体混合物的爆炸极限的估算得到的爆炸极限都在戊烷爆炸极限附近，具有可靠性。但按完全燃烧所需氧原子数估算得到的爆炸上限有很大差距，因此，此方法的准确性还有待考究。

3 不同比例情况下混空轻烃燃气爆炸极限的估算

通过实验，将液态轻烃燃料加热到60℃，使其在气体状态下与常温空气以不同比例的体积比进行混合，计算得到不同比例下的混空轻烃燃气。

通过上文计算，出于安全考虑，轻烃燃料的爆炸极限取按化学计量浓度估算方法得到的爆炸极限为：1.32%～8.57%，对不同比例情况下混空轻烃燃气爆炸极限的估算。

将混空轻烃燃气视为一个整体，与空气的混合按摩尔比为1：n，在混空轻烃燃气和轻烃燃料的可燃物含量相同情况下，按爆炸极限的定义推导得到混空轻烃燃气的爆炸极限计算公式为：

式中：Z为轻烃燃料的爆炸上（下）限（可燃物体积分数），%；Z混空为混空轻烃燃气的爆炸上（下）限（可燃物体积分数），%。通过此方法计算得到不同混合比例下混空轻烃燃气的爆炸极限，计算结果见表2。

表2 不同比例混合后得到的混空轻烃燃气的爆炸极限

4 惰性气体条件下混合燃气爆炸极限的估算

用氮气代替混空燃气中的空气，与轻烃燃料混合的比例不变，并且氮气可以近似看成是惰性气体，由此整个过程可以理解为轻烃燃料在惰性气体的环境下与空气混合，根据相关研究可知[6]：混合气体中氮气含量的增加，可燃物的爆炸极限范围将减小，爆炸下限有少量的上移，爆炸上限却下移很多。这是因为在爆炸性混合物中，随着惰性气体含量的增加，氧的含量相对减少；而在爆炸上限浓度下氧的含量本来已经很小，故惰性气体含量稍微增加一点，即产生很大影响，使爆炸上限剧烈下降，当惰性气体含量增加到某一值时，爆炸上限与爆炸下限重合，混合气体此时就不会发生爆炸。

因为充入氮气对爆炸有抑制作用，所以混氮气的轻烃燃气的爆炸极限在1.32%～8.57%之间，随着氮气的增加趋于某个值。

5 结论

通过对爆炸极限参数的几种不同计算方法结果的对比得到：通过按可燃物热值的低热值、按化学计量浓度和按多组元可燃气气体混合物的爆炸极限的估算得到的爆炸极限相近且都在戊烷爆炸极限附近，具有可靠性；但按完全燃烧所需氧原子数计算得到的爆炸上限有很大差距。得出轻烃燃料与空气和惰性气体混合的爆炸极限的计算方法。