气体的燃烧与爆炸
气体的燃烧要同时具备三个条件,可燃气体、空气(或氧气)和点火源,才可以发生气体燃烧。气体在燃烧的过程中放出光和热,不同气体有不同的燃烧热值,见表1-1。
表1-1 常用气体的燃烧热值
名称 |
分子式 |
燃烧热值 (J/mol) |
名称 |
分子式 |
燃烧热值 (J/mol) |
氢 |
H2 |
2.43X105 |
丁烷 |
C4H10 |
2.66X106 |
乙炔 |
C2H2 |
1.27X106 |
异丁烷 |
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 |
苯 |
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 |
气体的燃烧速度随气体的性质不同而有差异。单一的气体燃烧(如氢气)只需受热氧化等过程,而混合气体(如天然气等)要经过受热、分解、氧化等过程才能开始燃烧,因此单一气体的燃烧速度要比混合气体快。
气体在燃烧过程中,扩散燃烧速度的大小取决于气体的扩散速度,而混合气体燃烧速度要取决于气体的化学反应速度。混合气体燃烧速度要取决于气体的化学反应速度。混合燃烧速度应大于扩散燃烧速度,所以气体的燃烧性能,常以火焰传播速度的大小为尺度。
气体火焰传播速度随着管道直径大小的不同,测试的速度也不同。一般随着管径的加大而增加,但当达到某一直径时,再加大直径时,速度也不再增加;同样火焰传播速度随着管径的减小而减小、并达到某个最小管径时火焰不再继续传播,阻火器就利用可燃气体的这一特性进行设计。火焰在管道中传播速度可见表1-2。
表1-2 某些可燃气体在管道中火焰传播速度
名称 |
最大火焰传播 (m/s) |
空气中可燃气体含量 % |
名称 |
最大火焰传播 (m/s) |
空气中可燃气体含量 % |
氢 |
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 |
高炉煤气 |
1.70 |
17 |
乙烷 |
0.85 |
6.5 |
水煤气 |
3.1 |
43 |
丙烷 |
0.82 |
4.6 |
|
|
|
1、管道直径25.4mm
可燃气体与空气混合形成混合气体,当可燃气体的浓度达到爆炸下限和上限的爆炸范围之内(见表1-3),遇到一定能量的点火源(见表1-4),就会形成燃烧,因为产生了燃烧波,使生成的气体与空气被加热,由于气体受热膨胀,压力急剧上升而发生爆炸。
可燃气体的浓度,在接近发热量最大的化学计量比时,混合气体爆炸的最大压力,约为初压的6~7倍,在这个浓度比下,混合气点火能的值最小。但是当可燃气体浓度低于下限高于上限时,就是最大点火也不会引起气体爆炸。
表1-3 几种可燃气体的爆炸极限
气体名称 |
爆 炸 极 限 /% (体积) |
上限 |
下限 |
氢 |
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 |
天然气 |
4.5 |
13.5 |
煤气 |
5.3 |
32 |
硫化氢 |
4.3 |
45.5 |
氨 |
16 |
37 |
表1-4 几种可燃气体最小点燃能量
气体名称 |
浓度/% |
最小点燃能量/μJ |
氢 |
29.5 |
20 |
乙炔 |
7.7 |
20 |
乙烷 |
6.0 |
310 |
乙烯 |
6.5 |
96 |
丙烷 |
4.4 |
240 |
氨 |
21.8 |
0.68X106 |
硫化氢 |
12.2 |
77 |
乙醚 |
3.4 |
490 |
环氧乙烷 |
7.7 |
85 |
混合气体中燃烧波的传播速度,在常压下约为1m/s左右。但发生在密闭容器内情况则不同,因为在密闭容器内被点燃的可燃气体火焰迅速向四周器壁传播,压力同时增高,这种压力称为爆炸压力。大多数可燃气体的最高爆炸压力与初压之比不会超过8:1.可燃气体爆炸压力见表1-5。
表1-5 几种可燃气体爆炸压力特性
气体名称 |
气体浓度/ % |
最高压力/ 105Pa |
达到最高压力时间/ ms |
压力上升最大速度/ (105Pa/s) |
压力上升平均速度/ (105Pa/s) |
氢 |
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 |
环乙烷 |
3 |
7.3 |
52 |
154.7 |
140.6 |
可燃气体在密闭容器内被点燃,气体的压力升高,密度增加,因此,燃烧波传播的速度逐渐增大,有时会产生爆轰波,产生很高的压力,对容器有严重的破坏性。为了防止可燃气体爆轰的发生,可以安装使用阻火器以组织火焰的继续传播,保证容器的安全。