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常用气体的燃爆特性和使用安全要求

信息来源:http://www.kdgc.cn 

一、乙炔

乙炔属于碳氢化合物,又名电石气,化学分子式为C2H2,在常温和常压下是无色无味的气体。工业用乙炔因含有硫化氢(H2S)、磷化氢(PH3)和氨(NH3)等杂质,故具有特殊的刺激性臭味和一定的毒性。

在标准状态下,乙炔的密度为1.17kg/m3,易与空气均匀?昆合形成爆炸性混合物。

乙炔的液化温度为-82.4~-83.6℃,液态和固态乙炔,受摩擦或冲击会发生爆炸。

乙炔微溶于水,能溶于苯、汽油,易溶于丙酮。其在丙酮中的溶解度与乙炔的压力和温度有关,如在1MPa、10℃时溶解度为293g/kg。

1.乙炔的燃烧特性

乙炔是可燃气体,它与空气混合燃烧时所产生的火焰温度可达2350℃,乙炔与氧气混合燃烧温度可达3000~3300℃。

(1)乙炔完全燃烧的反应式为

2C2H2+5O2=4CO2+2H2O+Q

乙炔的高热值(在0℃和0.1MPa下)为Q=58520kJ/m3;低热值(换算到20℃和0.1MPa)为Q=52668kJ/m3;

(2)乙炔的自燃点为335℃,易受热自燃。

(3)火焰传播速度快,在空气中传播的最高速度为2.87m/s,在氧气中为13.5m/s。

(4)点火能量小,仅0.019mJ,容易发火。

由此可见,乙炔是一种具有爆炸性危险的气体。乙炔分子不稳定,很易分解,随着乙炔的分解即放出它在生成时所吸收的全部热量。

2.乙炔的爆炸特性

乙炔是不饱和的碳氢化合物,可发生分解反应和聚合反应,具有爆炸的危险性。

乙炔的爆炸性首先取决于乙炔在一瞬间的压力和温度,同时,乙炔爆炸的可能性也决定于其中含有的杂质、水分、催化剂以及火源的性质、形状和散热的条件等。

一般来说,当温度超过200~300℃时,就开始聚合反应,形成其他更复杂的化合物,如苯(C6H6)、苯乙烯(C8H8)、甲苯(C6H5CH3)等。聚合反应是放热反应,气体温度越高,聚合反应越大,放出的热量会促使更进一步聚合。当温度高于500℃时,未聚合的乙炔分子就会发生爆炸性分解,生成碳和氢气。如果这种分解是在乙炔发生器或乙炔瓶等密闭容器内进行时,由于温度和压力的急剧增高就会引起爆炸。

增加压力也能促使和加速乙炔的聚合和分解反应。温度和压力对乙炔的聚合反应和爆炸分解的关系由图2-4中的曲线表示。从图中可以看出:当压力为0.15MPa,温度超过580℃时,就能形成分解爆炸。

图2-4  乙炔的聚合和分解爆炸范围

乙炔与空气混合能形成爆炸性?昆合物,爆炸极限为2.55%~80%,自燃点为305%;与氧气混合有更宽的爆炸浓度范围,其爆炸极限为2.8%~93%,自燃点为300℃;与氯气混合在日光照射下或加热即发生爆炸;乙炔还能和氟、溴等化合,发生燃烧爆炸。

乙炔与铜、银接触会生成乙炔铜(Cu2C2)和乙炔银(Ag2C2)等爆炸化合物,当受到摩擦冲击时就会发生爆炸。

工业用乙炔含有磷化氢和硫化氢,磷化氢的自燃点较低,温度为100~149℃时就会发生自燃,容易引起发生器乙炔和空气混合气的着火爆炸事故。磷化气来自电石内杂质磷化钙与水的作用。

将乙炔与氮、水蒸气和一氧化碳等不起反应的气体混合或者将乙炔溶于液体,可降低其分解爆炸的危险性。

3.乙炔的安全使用

根据对乙炔的危险性分析,使用乙炔时必须注意下列安全要求。

(1)不得超过安全规则规定的压力极限,如中压乙炔发生器的工作压力不得超过0.147MPa。

(2)不得超过安全规则规定的温度,如发生器发气室的乙炔温度不得超过90℃,水温不得超过60℃。

(3)装盛乙炔的容器和管道需保持良好的冷却条件,例如在给发生器灌水时,必须达到规定的水位,以保证有足够的冷却用水,又如发生器不得在夏季烈日下曝晒等。

(4)在操作使用乙炔发生器或在乙炔存在的车间、库房等场所工作时,必须严格遵守有关规定,严禁烟火。

(5)装盛乙炔的容器或管道应远离火源,以防喷溅的火星点燃乙炔,造成事故。安全规则规定,乙炔发生器距离火源不得小于10m。

(6)在气焊与气割操作中,一旦形成了乙炔与空气(或氧气)的爆炸性混合气(如加入电石后在发生器的发气室里,在发生回火的胶管里,或者在焊补的燃料容器里等),就必须采取安全措施,彻底排除后,才能给焊割炬点火或者进行焊补动火。

(7)乙炔着火时,严禁使用四氯化碳灭火器扑救。否则除了有爆炸危险外,还会产生有毒气体光气(COCl2)。

(8)乙炔发生器的零件,如管接头、阀门、衬垫及其他附件损坏时,不得用银和铜制造的零件替换。某些容易腐蚀生锈的管件需用铜制零件替换时,含铜量应低于70%。

(9)乙炔发生器上禁止使用水银温度计。

(10)乙炔中磷化氢含量应低于0.08%。在启用新的一批电石或者对电石质量情况不明或发现质量有问题时,应及时化验分析乙炔的杂质含量。洒落在地面上的电石粉末,不得用水冲洗,以免磷化氢自燃着火。

(11)电石与水接触前,可先用氮气吹扫发气室,将空气排出。

(12)在浮桶式发生器的浮桶放人室桶里的操作中,

人的头部不得处于浮桶上方,尽量两人操作。

(13)限制乙炔管道的直径也是防爆的一种技术措施。例如安全规则规定:工作压力0.007~0.15MPa的中压乙炔管道,应采用内径为80mm以下的无缝钢管;工作压力0.15~0.25MPa的高压乙炔管道,应采用20mm以下的无缝钢管。使用中不得随意更换大管径管道。

  

二、液化石油气

液化石油气是石油炼制工业的副产品。其主要成分丙烷(C3H8)约占50%~80%,其余为丙烯(C3H6)、丁烷(C4H10)和丁烯(C4H8)等。液化石油气在气态时是一种略带臭味的无色气体。在常温常压下,组成液化石油气的这些碳氢化合物以气体状态存在,只要外加不大的压力(0.5~1.5MPa)即变成黄绿色油状液体,因此便于装入瓶中储存和运输。

随着我国石油化学工业的发展,用液化石油气代替乙炔用于气割,具有较好的安全性。液化石油气也可用于焊接有色金属。国外还用乙炔和液化石油气混合,作为气焊的燃烧气源。

1.液化石油气的燃烧特性

(1)液化石油气燃烧的化学反应,以丙烷代表石油气为例分析。

C3H8+5O2=3CO2+4H2O+Q

其中,Q=2340.8kJ/mol,火焰温度为2000~2800℃,由此可见,其比氧乙炔焰温度低200~300℃,用于气割时金属热时间需稍长,但可减少切口边缘过烧现象,切口整齐,切割质量较好。

(2)组成石油气的几种气体都能和空气形成爆炸混合气。但它们的爆炸极限范围都比较窄。例如丙烷、丁烷和丁烯的爆炸极限分别为2.17%~9.5%,1.15%~8.4%,1.7%~9.6%,比乙炔要安全得多。但液化石油气与氧气混合有较宽的爆炸极限,其范围为3.2%~64%。有关石油和氧气混合的燃烧爆炸性能的试验结果见表2-2。

(3)液化石油气易挥发、闪点低,其中的主要成分丙烷挥发点为-42℃,闪点为-20℃,所以在低温时,它的易燃性是很大的。

(4)气态石油气比空气密度大,易向低处流动并能扩散到很远的地方,遇明火燃烧而滞留积聚在低洼处与空气易形成爆炸性混合气。液态石油气比汽油密度小,能漂浮在水面上,随水流动并在死角处聚集,而且常温常压下会迅速挥发,这时体积可以膨胀250~350倍而快速扩散。

(5)液化石油气有一定的毒性,在空气中含量很少时一般不会中毒;当浓度较高时,就会引起人的麻醉;当空气中的浓度大于10%时,则有使人中毒的危险。

(6)液化石油气对普通橡胶导管和衬垫有膨润和腐蚀作用,能造成胶管和衬垫的穿孔或破裂。

2.液化石油气使用安全

(1)使用和储存液化石油气瓶的车间和库房下水道的排水口,应设置安全水封,电缆沟进出口应填装砂土,暖气沟进出口应砌砖抹灰,防止气体窜人其中发生火灾爆炸,室内通风孔除设在高处外,亦应在低处设有通风孔,以利空气对流。

(2)衬垫、胶管等必须采用耐油性强的橡胶,不得随意更换衬垫和胶管,以防因受腐蚀而发生漏气。

(3)冬季使用液化石油气,可在用气过程中以低于40℃的温水加热,也可用几个石油气瓶并联,以保证供气量的需要,严禁用火烤或沸水加热,不得靠近炉火和暖气片等热源。

(4)防止泄漏。如胶管与气瓶和焊割炬的连接处,以及气瓶阀等应保证连接严密。

(5)在使用和储存过程中,如发现漏气而又无法制止时,应立即把瓶体移至室外安全地带,让其逸出,直到瓶内气体排尽为止。有缺陷的气瓶和瓶阀应标明,并送专门修理部门,经修理和试验合格后,才能重新使用。

  

三、氧气

1.压缩纯氧及其危险性

在标准状态下,氧气是一种无色、无味、无臭的活性气体,其分子式为O2密度为1.43kg/m3,比空气稍重(空气密度为1.29k8/m3);在-183℃时,氧变成淡蓝色的液体;在-219℃时,就凝成淡蓝色雪状的固体。

国内经常发生输氧管道着火事故,其燃烧多始于管路或管件内部,尤其是减压阀、截止阀、弯头、三通或四通、法兰连接等管件处。当其因某种原因被引燃后,首先管壁的某处被高热的火焰烧穿,高压氧气流夹带火舌从孔口喷出,引起管道呈白热状态的更炽热的燃烧。同时,常在氧气流喷出之际,发生爆炸似的响声,此响声常被误认为发生爆炸。其实只不过是伴随金属火灾而产生的管道破裂,并在压力下气体喷出的燃烧现象。

氧气只是助燃物质,本身是不燃烧的,管道材质为碳钢也是难燃的,那为什么会发生输送管道火灾呢?

(1)氧气流中夹带的可燃固体颗粒是造成输氧管道火灾的能源之一。

当管道中残存有铁锈垢,或氧气流中因某种原因混入固体颗粒,而被高速流动的氧气流席卷流动时,尽管固体小颗粒经摩擦所携带的热量很小。但颗粒间被热导率很低的氧气流所包围,就存在蓄热可能。如该颗粒是砂子、Fe3O4等难燃物质,是不会引燃管壁而着火;若为焦炭粒子(积炭)、煤粒子、铁粉(FeO、Fe2O3)等可燃粒子,因其着火温度远低于铁的着火温度,在常压氧气中约300~400℃,而在高压氧气流中还要低数十摄氏度。因此铁粉,在氧气中流中流动时与管壁摩擦很容易达到着火温度而自燃引起受热燃烧。铁粉燃烧放热量大(7285J/g),而且又被热导率很低的氧气流包围,热的传递受阻,故铁粉在高压氧气流中燃烧热的蓄积会使自身成为高热(多为1000~2000℃)的炽热粒子,其温度足以把管道内的可燃

物点燃,特别是燃烧反应的铁粒子表面,具有中间生成物的活性氧使燃烧反应更为剧烈。

在铁锈垢中,主要是未完全氧化的FeO、Fe2O3和Fe3O4,铁锈垢的颗粒度为10目、50目、100目时,瞬间引燃温度为312~315℃。比铁粉着火温度还低。由此可见,输送潮湿氧气的管道,如再改输干燥氧气时,因其内壁会产生铁锈,则有发生输氧管道火灾的极大危险。

(2)输氧管道中存在着可燃物,必定会造成输氧管道着火。

任何可燃物质在氧气流中的燃点要比在空气中为低,而氧的浓度和纯度越高,燃点越低,压力越大,燃点越低。表2-3列出金属的燃点与氧气压力的关系。

又如,工业矿物油脂与30atm(3039750Pa)以上的氧气接触,会立即发生强烈的化学反应而自燃,并且这些可燃物一旦燃烧起来,燃烧速度比空气中快得多。这样强烈的燃烧是以诱发法兰盘、管道等金属材料的燃烧,而且当可燃材料的燃烧热越大,引燃金属材料的可能性越大。特别是当管道的法兰、阀门、三通等处的密封元件为橡胶、石棉板、塑料等高分子材质时,燃烧软化后会被带压的氧气流吹走,进而造成喷氧灾害。

(3)绝热压缩产生的热量可以酿成管道火灾的火源。

在管道内,当处于高压状态的氧气急剧降至低压状态,可产生近于绝热状态的压缩过程。由于压缩热量产生的速度快,而且难于在瞬间传递出去,故会使压缩系统急剧升温。其温升与压力变化幅度的函数关系为

式中  Y——气体的比热容比(Cp,Cv)。

当p2=150atm(15198750Pa)时绝热压缩后的气体温度为953℃,足以引起管壁与氧之间的燃烧反应发生。当其中存有铁垢(312~315℃)、铁粉(300~400℃)、润滑油、纤维、橡胶聚乙烯(300~500℃)等可燃物时,15atm(1519875Pa)的氧气急剧压缩就可引起可燃物质着火。因此,绝热压缩发生在输氧管道内是不可忽视的火源之一。

(4)熔敷在内壁上的赤热铁粉会烧穿管壁。

根据资料记载;铁粉自燃点为316℃,粉碎下限为120g/m3,最小点火能量为100mJ。这样,坚硬固体颗粒或气流冲刷管壁,而摩擦损耗脱离的铁粉,在摩擦热的作用下,是很容易发生自燃。处于自燃状态的赤热铁粉在高速氧气流中高速运动,而流到急变的直转弯部位(如T形管处),便以极大的动量撞击管内壁,耗去大部分动能后,沿管壁沉积下来,造成赤热铁粉的蓄积,其在燃烧中会逐步熔化而黏附在管内壁上。熔敷处的管壁在此高温下,可发生铁与氧的燃烧反应,造成管壁切割穿孔,发生喷氧灾害。

因此,输氧管道选用不锈钢管材。密封垫选难燃或不燃材料。润滑油选用蒸气冷储液。安装检修完后要认真脱脂,并用干燥氮气吹扫、试压。

2.氧气使用安全

(1)常压下空气中氧含量超过正常数值时,会急剧增加可燃物的燃烧速度。如空气中氧浓度达30%时,棉布的燃烧速度比在含氧21%的空气中快两倍,因此,制氧工厂动火时,空气中氧浓度不得超过21%。

(2)常压下,空气中氧含量超过40%时,有可能发生氧中毒。吸入40%~60%含氧空气时,会出现胸骨后不适感,轻咳、进而胸闷,胸骨后烧灼感和呼吸困难。严重时可发生肺水肿,甚至出现呼吸窘迫综合征。长期处于氧分压为60~100kPa(相当于吸人氧浓度为40%左右)的条件下,可发生眼损伤,严重时可失明。因此,禁止用纯氧来改善空气条件或通风换气。

(3)氧气充装、排放速度过快,容易产生静电火花。充氧时压力超过9.8MPa,氧气流速将大于允许流速几倍,氧分子与管壁摩擦会产生静电火花,若瓶阀上有油脂,就会发生燃烧。



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