微觀組分變化對轉(zhuǎn)爐煤氣爆炸下限的影響研究★

蘇岱峰

（山西工程職業(yè)學(xué)院冶金與環(huán)境工程系，山西 太原 030001）

轉(zhuǎn)爐煤氣是煉鋼生產(chǎn)過程中的伴隨產(chǎn)物，具有重要的利用價值。轉(zhuǎn)爐煤氣的主要成分是CO、CO2、H2、N2和O2，具有易發(fā)生火災(zāi)、爆炸等危險性，是煉鋼車間最主要的危險物質(zhì)之一。在收集轉(zhuǎn)爐煤氣過程中，煤氣一旦發(fā)生泄漏，易與空氣形成爆炸性混合物，遇明火則會發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。因此，研究轉(zhuǎn)爐煤氣發(fā)生爆炸的條件，對車間安全生產(chǎn)具有重要的借鑒意義[1]。

爆炸極限、爆炸壓力以及爆炸壓力上升速率是表征轉(zhuǎn)爐煤氣爆炸特性的重要參數(shù)，也是指導(dǎo)現(xiàn)場安全管理的重要數(shù)據(jù)。爆炸極限表征的是轉(zhuǎn)爐煤氣能夠發(fā)生爆炸的濃度范圍。煤氣爆炸極限會受到環(huán)境溫度、濕度等多種因素的影響，當(dāng)轉(zhuǎn)爐煤氣組分發(fā)生變化時，其爆炸上下限也會相應(yīng)發(fā)生變化。因此，研究轉(zhuǎn)爐煤氣組分變化對其爆炸上下限的影響，對企業(yè)預(yù)防煤氣爆炸事故具有重要的意義。

1 轉(zhuǎn)爐煤氣成分

轉(zhuǎn)爐煤氣中的可燃組分包括CO以及微量的H2，同時也含有CO2和N2等惰性氣體，此外，還有微量的O2。具體組分如表1所示。

表1 冶金企業(yè)轉(zhuǎn)爐煤氣組分變化范圍 %

2 多種可燃?xì)怏w組成的混合物爆炸極限計算

式中：x為混合可燃?xì)怏w的爆炸極限；p1、p2、p3、…、pi為混合氣中各組分的體積分?jǐn)?shù)，%；N1、N2、N3、…、Ni為混合氣中各組分的爆炸極限，%。

該式稱為萊—夏特爾公式，將各組分可燃?xì)獗ㄏ孪迬牍接嬎愠鰜淼慕Y(jié)果為可燃混合氣的爆炸下限；將各組分可燃?xì)獗ㄉ舷迬牍接嬎愠鰜淼慕Y(jié)果為可燃混合氣的爆炸上限。應(yīng)用該公式計算的爆炸下限接近實際，爆炸上限偏差較大[4]。

如果混合氣中含有惰性氣體，如N2、CO2等，計算其爆炸極限時，仍然可用萊—夏特爾公式進行計算。但需要將每種惰性氣體與一種可燃?xì)饩帪橐唤M，將該組氣體看成一種可燃性氣體成分進行計算。該組在混合氣體中的體積分?jǐn)?shù)為該組中惰性氣體和可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)之和。計算該組氣體的爆炸極限時，可先分別列出該組惰性氣體與可燃?xì)獾慕M合比例，然后從圖1中查出該組在混合氣體中的體積分?jǐn)?shù)，然后帶入公式進行計算。

圖1 氣體的爆炸極限圖

3 煤氣組分變化對煤氣爆炸下限的影響

3.1 φ（CO）對轉(zhuǎn)爐煤氣爆炸下限的影響

本次研究參考文獻1中煤氣組分的變化，由于CO、CO2可以相互轉(zhuǎn)化，當(dāng)煤氣中φ（CO）較低時，φ（CO2）勢必較高，當(dāng)φ（CO）較高時，φ（CO2）則會降低，將N2作為平衡氣體。本次研究當(dāng)煤氣濃度為表2情況時，其爆炸下限的變化趨勢，具體如表3、圖2所示。

表2 煤氣各組分體積濃度%

表3 煤氣爆炸極限

圖2 轉(zhuǎn)爐煤氣中φ（CO）對其爆炸下限的影響趨勢

通過研究可得，隨著轉(zhuǎn)爐煤氣中φ（CO）的增多，煤氣的爆炸下限逐漸降低。這是因為當(dāng)煤氣中φ（CO）較多時，其與空氣混合，一氧化碳分子與氧分子的碰撞、接觸的幾率變大，使它們之間更加容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進而引起煤氣爆炸。

3.2 φ（O2）對轉(zhuǎn)爐煤氣爆炸下限的影響

轉(zhuǎn)爐煤氣中除了含有大量的CO、N2以及CO2外，還有微量的H2和O2，本次借助于萊—夏特爾公式，研究微量O2對轉(zhuǎn)爐煤氣爆炸下限的影響。表4為φ（O2）=1.0%下的煤氣各組分體積分?jǐn)?shù)，相應(yīng)的煤氣爆炸下限如表5所示。圖3為φ（O2）對轉(zhuǎn)爐煤氣爆炸下限的影響趨勢圖。

圖3 φ（O2）對轉(zhuǎn)爐煤氣爆炸下限的影響趨勢

表4 φ（O2）=1.0%下煤氣各組分體積分?jǐn)?shù)%

表5 煤氣爆炸下限

通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)爐煤氣中含有少許O2時，其爆炸下限較不含O2轉(zhuǎn)爐煤氣的爆炸下限更低。

4 結(jié)論

1）隨著轉(zhuǎn)爐煤氣中φ（CO）的升高，其爆炸下限逐漸降低，這是由于φ（CO）較多時，其與空氣混合，一氧化碳分子與氧分子的碰撞、接觸的幾率變大，使它們之間更容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進而發(fā)生爆炸。

2）當(dāng)轉(zhuǎn)爐煤氣中含有少量O2時，與空氣形成的爆炸性混合物的爆炸下限較無O2時的更低，這是由于φ（O2）增加，使其更容易與CO發(fā)生反應(yīng)，從而引發(fā)爆炸。