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技術文章 TECHNICAL
技術方案

氣體的燃燒與爆炸

    氣體的燃燒要同時具備三個條件,可燃氣體、空氣(或氧氣)和點火源,才可以發生氣體燃燒。氣體在燃燒的過程中放出光和熱,不同氣體有不同的燃燒熱值,見表1-1。

表1-1 常用氣體的燃燒熱值

 

名稱

分子式

燃燒熱值
(J/mol)

名稱

分子式

燃燒熱值
(J/mol)

H2

2.43X105

丁烷

C4H10

2.66X106

乙炔

C2H2

1.27X106

異丁烷

C4H10

2.65X106

二氧化硫

SO2

1.04X106

戊烷

C5H12

3.25X106

一氧化碳

CO

2.84X106

己烷

C6H14

3.85X106

甲烷

CH4

8.05X105

C6H6

3.15X106

乙烷

C2H6

1.41X106

甲苯

CH3C6H5

3.75X106

乙烯

C2H4

1.31X106

二甲苯

C8H10

4.36X106

丙烷

C3H8

1.93X106

丙烯

C3H6

1.93X106

 

 

     氣體的燃燒速度隨氣體的性質不同而有差異。單一的氣體燃燒(如氫氣)只需受熱氧化等過程,而混合氣體(如天然氣等)要經過受熱、分解、氧化等過程才能開始燃燒,因此單一氣體的燃燒速度要比混合氣體快。
    氣體在燃燒過程中,擴散燃燒速度的大小取決于氣體的擴散速度,而混合氣體燃燒速度要取決于氣體的化學反應速度。混合氣體燃燒速度要取決于氣體的化學反應速度。混合燃燒速度應大于擴散燃燒速度,所以氣體的燃燒性能,常以火焰傳播速度的大小為尺度。
    氣體火焰傳播速度隨著管道直徑大小的不同,測試的速度也不同。一般隨著管徑的加大而增加,但當達到某一直徑時,再加大直徑時,速度也不再增加;同樣火焰傳播速度隨著管徑的減小而減小、并達到某個最小管徑時火焰不再繼續傳播,阻火器就利用可燃氣體的這一特性進行設計。火焰在管道中傳播速度可見表1-2。

表1-2 某些可燃氣體在管道中火焰傳播速度

 

名稱

最大火焰傳播
(m/s)

空氣中可燃氣體含量 %

名稱

最大火焰傳播
(m/s)

空氣中可燃氣體含量 %

4.83

38.5

丁烷

0.82

3.6

一氧化碳

1.25

45

乙烯

1.42

7.1

甲烷

0.67

9.8

高爐煤氣

1.70

17

乙烷

0.85

6.5

水煤氣

3.1

43

丙烷

0.82

4.6

 

 

 

 

 

 

1、管道直徑25.4mm

    可燃氣體與空氣混合形成混合氣體,當可燃氣體的濃度達到爆炸下限和上限的爆炸范圍之內(見表1-3),遇到一定能量的點火源(見表1-4),就會形成燃燒,因為產生了燃燒波,使生成的氣體與空氣被加熱,由于氣體受熱膨脹,壓力急劇上升而發生爆炸。
    可燃氣體的濃度,在接近發熱量最大的化學計量比時,混合氣體爆炸的最大壓力,約為初壓的6~7倍,在這個濃度比下,混合氣點火能的值最小。但是當可燃氣體濃度低于下限高于上限時,就是最大點火也不會引起氣體爆炸。

表1-3 幾種可燃氣體的爆炸極限

 


氣體名稱

爆    炸    極    限   /%   (體積)

上限

下限

4

75.6

乙炔

1.5

82

甲烷

5

15

丙烷

2.1

9.5

正丁烷

1.5

8.5

天然氣

4.5

13.5

煤氣

5.3

32

硫化氫

4.3

45.5

16

37

 

 

 

表1-4 幾種可燃氣體最小點燃能量

 

氣體名稱

濃度/%

最小點燃能量/μJ

29.5

20

乙炔

7.7

20

乙烷

6.0

310

乙烯

6.5

96

丙烷

4.4

240

21.8

0.68X106

硫化氫

12.2

77

乙醚

3.4

490

環氧乙烷

7.7

85

 

     混合氣體中燃燒波的傳播速度,在常壓下約為1m/s左右。但發生在密閉容器內情況則不同,因為在密閉容器內被點燃的可燃氣體火焰迅速向四周器壁傳播,壓力同時增高,這種壓力稱為爆炸壓力。大多數可燃氣體的最高爆炸壓力與初壓之比不會超過8:1.可燃氣體爆炸壓力見表1-5。

表1-5 幾種可燃氣體爆炸壓力特性

 

氣體名稱

氣體濃度/
%

最高壓力/
105Pa

達到最高壓力時間/
ms

壓力上升最大速度/
(105Pa/s)

壓力上升平均速度/
(105Pa/s)

35

7.1

10

773.4

703.1

乙炔

13

10.5

17

843.7

618.7

乙烯

16

8.4

18

597.6

464.0

乙烷

7

6.9

47

175.8

147.7

丙烷

5

6.7

56

175.8

119.5

丁烷

5

6.8

57

116.7

119.5

己烷

8

6.5

60

119.8

105.5

環乙烷

3

7.3

52

154.7

140.6

 

 

    可燃氣體在密閉容器內被點燃,氣體的壓力升高,密度增加,因此,燃燒波傳播的速度逐漸增大,有時會產生爆轟波,產生很高的壓力,對容器有嚴重的破壞性。為了防止可燃氣體爆轟的發生,可以安裝使用阻火器以組織火焰的繼續傳播,保證容器的安全。

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