化工装置爆燃、爆轰阻火器的选择

吴爱军

众一伍德工程有限公司 （上海 200235）

化工装置生产或存储过程中，阻火器是阻止内部火焰传播的重要设施。如何确定阻火器类型（爆燃、爆轰）是阻火器选型的关键因素之一。目前，爆燃或爆轰阻火器选型的主要依据是火焰传播速度：到达阻火器之前，火焰传播速度为亚音速时选爆燃阻火器，超过音速时选爆轰阻火器。但现有规范未给出火焰传播速度计算公式，化工装置工程设计人员很难依据火焰传播速度来确定阻火器类型。本研究提出根据工程设计人员常用的气体理化特性（如易燃性、易爆性）和爆燃距离来确定阻火器类型，为爆燃、爆轰阻火器的选择提供参考和借鉴。

1 爆燃、爆轰阻火器类型及现状

从热量的角度来讲，燃烧是着火点附近的化合物释放热量加热其附近的化合物/空气混合物的过程。着火点附近的混合物吸收足够热量后就会持续燃烧，并释放热量到相邻的气体，进一步燃烧其周围混合物。如果混合物中化合物分子数量过少，则释放的热量很少，导致燃烧不能继续。

影响阻火器选择的主要因素是燃烧类型和最大实验安全间隙，本研究主要考虑燃烧类型的影响。燃烧类型有爆燃和爆轰。爆燃是以热传导和扩散方式、相对于前方介质以亚音速传播的燃烧反应形式[1]。爆轰分为稳定爆轰和非稳定爆轰：稳定爆轰是激波压缩方式、相对于前方介质以超音速传播的燃烧反应形式；非稳定爆轰是燃烧进程由爆燃转为稳定爆轰过程中的爆轰，其燃烧波的速度不是常数，且爆炸压力明显高于稳定爆轰[1]。

阻火器按阻火性能可分为爆燃型、爆轰型。

在到达阻火器之前：燃烧为爆燃时选择爆燃阻火器；燃烧为爆轰时可选择爆轰阻火器。

对于化工装置工程设计人员，由于现有规范未给出火焰速度的计算公式，无法计算出火焰到达阻火器之前是亚音速还是超音速，从而无法确认是爆燃还是爆轰，因此无法正确选择阻火器类型。

2 爆燃、爆轰阻火器选择及其计算

根据气体理化特性，有的气体（含蒸气）及气体混合物仅仅易燃，有的易燃且易爆，有的非易燃、非易爆。提出依据气体理化特性中易燃性、易爆性和爆燃距离确定阻火器类型。具体如下：

（1）如果气体及气体混合物仅易燃，选择爆燃阻火器。（2）如果气体及气体混合物易燃易爆，且在爆燃距离内，选择爆燃阻火器。（3）如果气体及气体混合物易燃易爆，且在爆燃距离外，选爆轰阻火器。

其中爆燃距离采用SH/T 3413—2019《石油化工石油气管道阻火器选用、检验及验收标准》6.2.10 款的建议值，即管道中的阻火器法兰面至潜在火源的距离（Lu）与管径（D）的比值应满足以下要求：

（1）适用于爆炸组级别为II A1，IIA，II B1，IIB2和IIB3 的阻火器，Lu/D≤50；（2）适用于爆炸组级别为IIB 和IIC 的阻火器，Lu/D≤30；（3）除满足标准6.2.10 a）款或b）款外，还应满足制造商提供的设计和测试限定的距离要求；（4）对于未识别点火源位置的，不得使用爆燃阻火器。

纯气体（含蒸气）、纯气体（含蒸气）混合物、纯气体（含蒸气）与氮气或空气的混合物、纯气体（含蒸气）与非氮气或空气以外惰性气体的混合物，以及含有氧气的混合物，易燃性、易爆性计算方法及其要求是不同的。

2.1 纯气体（含蒸气）物质

纯气体（含蒸气）可燃性可查找GB/T 3836.11—2017《爆炸性环境 第11 部分：气体和蒸气物质特性分类试验方法和数据》附录B。如果该物质仅易燃且无爆炸性，则选爆燃阻火器。

纯气体（含蒸气）易爆性可查找GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》附录C 或化学品安全技术说明书（MSDS）。如果该物质处于爆炸范围中且在爆燃距离之外，则选爆轰阻火器；如果该物质处于爆炸范围中且在爆燃距离内，则选爆燃阻火器。

易燃易爆的纯气体（含蒸气）物质，按易爆性选择阻火器类型。

2.2 纯气体（含蒸气）混合物、纯气体（含蒸气）与氮气和/或空气的混合物

2.2.1 易燃易爆上下限计算

混合气体易燃易爆上下限可采用Le Chateliers公式[2]计算。

式中：LM为混合物易燃易爆上限或下限物质的量分数；Ai为易燃气体i的物质的量分数；Li为易燃气体i的易燃易爆上限或下限物质的量分数。

2.2.2 案例

易燃气体、氮气和空气组成的混合物，其物质的量分数分别是：氢气65%，氮气30%，空气5%，计算混合物的易燃性下限。

经查ISO 10156：2017《汽缸- 气体和气体混合物- 通过测定燃烧潜力和氧化能力选择汽缸阀排气口》表2 知氢气的燃烧下限为4.0%，代入式（1）：

原来氢气的燃烧下限为4.0%，在减少空气并增加氮气后，氢气的燃烧下限逐步提高，即混合气体越来越不容易燃烧。

对于易燃气体与氮气的混合物，易燃气体燃烧下限将和Tci（易燃气体和定量氮气混合时不可燃的最高值）进行比较。

2.3 易燃气体与非氮气和空气以外的惰性气体的混合物

2.3.1 易燃易爆上下限计算

表1 中惰性气体的氮气当量系数（KK）[2]是根据气体工业的实验数据和经验保守值估计的。对于化学式中含有3 个或3 个以上原子的其他非易燃、非氧化性气体，当量系数KK=15。

表1 惰性气体的氮气当量系数KK

非氮气和空气以外的惰性气体中，由于惰性气体的KK不一样，空气- 惰性混合物摩尔热容在LM′时的变化会影响火焰传播所需的燃烧热。其中，KK可查询表1。

式中Li′由式（3）计算。

式中：LM′为仅含易燃物质混合物的易燃下限（物质的量分数），按式（2）计算；K为惰性气体按物质的量分数加权的平均值；Ai为易燃气体i的物质的量分数；Bk为基于计算LM′混合物中惰性气体物质的量分数。

式（3）中，计算的混合物中空气或氧气的量视为惰性气体，即K值为1。

2.3.2 案例

氢气、甲烷、二氧化碳、氮气和空气组成的混合物，其物质的量分数分别是：氢气15%，甲烷15%，二氧化碳30%，氮气35%，空气5%，计算混合物易燃性下限。

由图1[2]混合气体类别可知该混合物无爆炸性。

图1 混合气体类别

2.4 含氧气和易燃气体的混合物

含氧气和易燃气体的混合物可分为4 类（图1）：

（1）非易燃且非氧化气体。氧气物质的量分数不大于23.5%，且易燃气体含量低于Tci,F或Li。

（2）氧化气体。其氧气物质的量分数大于23.5%，且易燃气体含量低于Li。

（3）易燃气体。其易燃气体含量大于Tci,F与Li。

（4）潜在爆炸气体。其氧气物质的量分数大于极限氧浓度（LOC，指在常压条件下，易燃物质、空气或惰性气体组成的混合物不会发生爆炸的最大氧气物质的量分数）且易燃气体含量大于Tci,F和Li。

2.4.1 易燃性分类的基础

易燃且具有氧化性的气体混合物，如果满足下列2 个条件，则被归类为易燃气体：（1）易燃气体物质的量分数Ai≥Li；（2）易燃气体物质的量分数Ai≥Tci,F。

式中：xo为氧气物质的量分数，小于21%。

对于风险评估和避免爆炸性气体混合物，表2[2]给出了LOC（仅在常压下有效）。

表2 部分易燃气体LOC

2.4.2 案例

单一易燃气体和其他惰性气体组成的混合物，其物质的量分数分别是：一氧化碳10%，氧气5%，氮气10%，二氧化碳20%，氩气25%，氖气30%。判断混合气体类别。

该案例的特点是有不同惰性氮气当量的惰性气体。首先，这些惰性气体的物质的量分数乘以表1 中的Kk值，然后将易燃气体、氧化剂和氮气当量归一化至总计100%。

归一化因子的计算公式为：

代入数据得：

易燃气体物质的量分数=10%×1.114=11.1%，Li=10.9%，Tci=15.2%。

易燃气体物质的量分数11.1%≥Li（10.9%），条件（1）成立；易燃气体物质的量分数11.1%≤Tci,F（11.2%），条件（2）不成立。由于条件（1）和（2）不能同时成立，因此混合气体非易燃。

对于混合气体，首先判断其易燃性和易爆性，再结合2.1 中的方法来选择阻火器。

3 爆燃、爆轰阻火器选型注意事项

3.1 适用限制

含氧气和易燃气体混合物的易燃易爆性计算方法不适用于易燃气体和其他氧化气体混合物，也不适用于自分解物质（环氧乙烷、乙炔）或富氧混合物（氯作为氧化剂等），具体情况需要和阻火器厂家进行沟通和确认。

混合气体如果氧气含量过高，将会具有氧化性；氧化性气体的特性在文中暂不讨论。

3.2 温度影响

根据实验测试数据，温度对混合物的易燃性有影响。一般而言，混合物温度较高，则可燃气体的燃烧下限降低，即易于燃烧。

3.3 安装位置

爆燃和爆轰阻火器的安装位置也非常重要，一般有如下考虑：端部爆燃阻火器应安装在储罐/容器外的管口上，以便于维护和拆除。容器/储罐顶部的爆燃阻火器应安装在储罐/容器顶部的平台上，排气管的长度应尽可能短，以避免发生爆轰。容器/储罐顶部的爆轰阻火器应安装在靠近容器/储罐顶部平台边缘的管嘴上，且最好在明火设备的上游并距离热源或辐射热足够远的地方，具体距离可与供应商确认。

4 结语

根据火焰传播速度到达阻火器前是否超过音速来选择阻火器类型，现阶段工程设计人员很难计算出具体的火焰传播速度。依据气体及气体混合物理化特性（易燃性、易爆性）及不同爆炸组别气体是否在建议当量直径范围内，可以让工程设计人员在工作中快速选择阻火器类型，为其提供新的方法。