混合可燃气体的爆炸极限及计算

化工生产中，废气中都会混有各类的可燃有机物，而这些可燃有机物大部分是闪点低于28°C的易燃易爆物质，废气中的氧含量达到某一比例，只要存在点火源就会引发爆炸反应。

1、爆炸下限和爆炸上限定义及计算公式

可燃气体在空气中遇明火火种爆炸的最低浓度，称之为爆炸下限（LEL—Lower Explosive Limit）；

可燃气体在空气中遇明火火种爆炸的最高浓度，称之为爆炸上限（UEL—Upper Explosive Limit）。

LEL和UEL的计算公式通常用于气体或蒸汽混合物的爆炸性质分析：

-LEL =(最低爆炸浓度)/(混合物中气体总体积)-UEL =(最高爆炸浓度)/(混合物中气体总体积)。

对于两种或多种可燃蒸气混合物，如果已知每种可燃气的爆炸极限，那么根据莱•夏特尔定律，可以算出与空气相混合的气体的爆炸极限。

2、可燃混合气体LEL & UEL计算

以参考资料上的案例，使用Excel编辑了混合气体LEL & UEL的计算表。

3、可燃有机物的物性和爆炸极限表

从参考资料《化工工艺设计手册》-上册摘取了常用有机物的物性表，可查找多种物质的爆炸极限。

4、引申知识点

为什么RTO要控制废气浓度在25%LEL以下呢？

首先，可燃气体的爆炸下限浓度与可燃气体的初始温度有关，以正己烷为例， 当气体温度达到 600K(327°C)时，爆炸下限浓度达到室温的 75%，所以提高温度会导致爆炸下限浓度明显下降。而且实际工况中大多数是混合VOCs，混合 VOCs 的爆炸下限浓度具有不确定性。所以实际操作中要控制在LEL浓度的 25%内。

①火焰温度（FTA）型分析仪

FTA分析仪内部配备精确计算过的燃烧火焰，可以直接测量样品的易燃性。分析仪内部测量池内有很小的火焰燃烧室，在分析仪工作的过程中火焰持续燃烧。样品气体从工艺管线经过取样管路进入燃烧室内，被燃烧室内的火焰燃烧掉，安装在燃烧室两头的热偶元件会检测到火焰温度的变化，传感器会将信号转换成%LEL数值显示在仪表面板上。

火焰温度型分析仪可直接测量混合气体爆炸下限的仪表，反应迅速，响应时间短（可以做到＜1s），可以直接安装在样品管道上，在缺氧环境需配助燃模块。据了解，目前只有美国CIC公司生产该种分析仪，为专利保护产品，价格昂贵。因废气中的可燃气体体积分数会出现波动或可燃气体组分不确定，需尽量减少取样管线长度且要求分析仪测量准确迅速。

②催化燃烧（CAT）式气体探测器

CAT式气体传感器检测原理为催化燃烧的热效应，即检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，它内部的铂丝电阻阻值相应升高导致惠斯通电桥的平衡被打破，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。根据电阻增量与可燃气体组分体积分数成正比的关系，可以得知可燃气体组分的体积分数。

催化燃烧式可燃气体报警器具有与其它非可燃气体无交叉干扰、测量可靠、相对实惠、且输出信号线性度好（基于铂丝电阻阻值随温度变化的线性度好）。但测量元件易受卤素化合物、硫化物等中毒影响，通常用来测量环境中可燃气体的爆炸下限，若测量封闭管道内可燃气体组分的体积分数，需在探测器前增加采样装置和预处理装置，则滞后会超过20s。催化燃烧式可燃气体报警器响应时间一般小于 20s，预处理装置取样会滞后几秒（具体时间与取样介质压力与流速、取样管道内径、取样管道长度有关）。密闭空间测量可燃气体的爆炸下限在化工行业中极少应有。

③氢焰检测器（FID）气相色谱仪

FID气相色谱仪的工作原理是根据混合气体通过色谱柱的沸点、极性及吸附系数的差异，使各组份在色谱柱中得到分离，然后根据组份的物理化学特性将各组份按顺序检测出来，最后由色谱工作站将各组份的气相色谱图记录并进行分析从而得到各组份的分析结果。其工作原理简图如下所示。

FID气相色谱仪稳定可靠、性能优越、操作方便且对有机化合物具有很高的灵敏度。FID气相色谱仪的测量原理决定了其为非连续型测量仪表，混合气体通过色谱柱的分离时间决定了分析仪的分析周期较长；当分析仪只有1个流路时，其最短的分析周期可不大于1min。由于该FID气相色谱仪的信号输出结果为可燃气体组分的体积分数，而不是直接输出混合气体的爆炸下限值，因此测量数据转换为混合气体爆炸下限值。

④红外线气体分析仪

红外线气体分析仪是利用某些气体分子对红外辐射吸收的原理来测量气体的体积分数。依据SH/T 3005-2016中第9.2.2条的规定，可知红外线气体分析仪只适用于测量混合可燃气体中一种或几种可燃气体组分的体积分数。并且红外不是对所有化合物都有吸收，这样会屏蔽一些爆炸物质，除采样时间外红外线气体分析仪的响应时间一般在10s以内，所以红外线气体分析仪不宜用在该VOCs装置的工况。

来源：浙江省生态环境厅

编辑：长三角VOCs治理产学研用联盟

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