VOCs廢氣的LEL燃燒下限計算

時間：2023-05-05 來源：關鍵詞：瀏覽：

導讀： 眾所周知，燃燒技術是當下處理VOCs的主流技術之一，其中包含催化燃燒、熱力燃燒、蓄熱催化燃燒、蓄熱熱力燃燒、濃縮催化燃燒等。燃燒技術的基理是VOCs在高溫下發生氧化反應...

眾所周知，燃燒技術是當下處理VOCs的主流技術之一，其中包含催化燃燒、熱力燃燒、蓄熱催化燃燒、蓄熱熱力燃燒、濃縮催化燃燒等。燃燒技術的基理是VOCs在高溫下發生氧化反應，氧化反應的本質就是燃燒反應，是一種放熱反應，VOCs在燃燒過程的放熱量與VOCs的種類和濃度有關。因而，從安全方面考慮，VOCs燃燒的安全使用濃度顯得尤為重要。了解VOCs燃燒過程的溫升和可燃氣體爆炸下限，有利于提高RTO、RCO設備技術的安全性能。

1、VOCs的爆炸下限是什么？

可燃氣體在空氣中遇明火火種爆炸的最低濃度，稱之為爆炸下限，亦稱燃燒下限，英文名稱Lower Explosion Limited，即%LEL�？諝庵锌扇細怏w濃度達到其爆炸下限值時，這個場所可燃氣環境爆炸危險度就達到了百分之百，即100％LEL；如果可燃氣體含量只達到其爆炸下限的百分之十，那這個場所此時的可燃氣環境爆炸危險度為10％LEL。

下表是常見VOCs在標準狀態下爆炸下限值。為了確保VOCs處理設備的安全運行，VOCs廢氣的濃度必須控制在對應有機物爆炸極限的25%以下。

為什么要控制在25%LEL以下呢？首先，可燃氣體的爆炸下限濃度與可燃氣體的初始溫度有關：以正己烷為例，下圖是溫度對于正己烷爆炸下限濃度的影響（姚潔等，工業安全與環保，2012，38（2）：48），可見當可燃氣體初始溫度提高，相應爆炸下限濃度下降。

當氣體溫度達到600K（327°C）時，爆炸下限濃度達到室溫的75%，所以提高溫度會導致爆炸下限濃度明顯下降。而且實際工況中大多數是混合VOCs，混合VOCs的爆炸下限濃度具有不確定性。所以，實際操作中要控制在LEL濃度的25%內。

2、VOCs燃燒過程中的絕熱溫升

什么是絕熱溫升？絕熱溫升指放熱反應物完全轉化時所放出的熱量可以使物料升高的溫度。其表達式為：

式中分子為反應熱（J/mol）與物料摩爾濃度(mol/L)的乘積；分母為物料平均密度(kg/L)與物料平均比熱容(J/kg*K)的乘積。

VOCs的燃燒過程是強放熱反應，因放熱使得氣體溫度的升高。下表是幾種常見VOCs濃度1000mg/m3時完全燃燒的絕熱溫升。

如果采用催化燃燒技術處理VOCs，在設備和催化正常的情況下，催化反應前后氣體溫度的變化（溫升）則反映了VOCs的濃度變化。如1000mg/m3甲苯完全燃燒的絕熱溫升為31.95°C，如在實際使用過程中，溫升達到320°C，那就說明甲苯濃度大約達到了10000mg/m3，此時已經非常接近甲苯的25%LEL值，已經是非常不安全了，必須及時降低甲苯濃度。

在活性炭濃縮-催化燃燒系統中，在活性炭脫附過程，可以通過VOCs催化劑床層的溫升，來檢測VOCs濃度的變化，很多可燃氣體濃度報警器就是利用這一原理。

3、VOCs設備的防爆注意點

1、處理裝置設計和采用的電器元件必須按照規范要求符合防爆等級

2、設備布置要滿足安全距離的要求

3、與氣體接觸的自動控制閥必須使用氣動閥

4、必須選用防爆風機

5、在所有處理系統中必須在適當位置安裝符合國家標準的阻火器

6、在處理裝置中的敏感部位（超溫、超壓等）要按照規范設置報警裝置及應急處理措施

7、為確保運行安全，必要時可采用連鎖設計

8、要考慮現場整體的安全、環境應急預案

4、VOCs的爆炸下限基本概念及求解案例

有機廢氣大多為易燃易爆物質，被處理的VOCs混合氣的爆炸性問題更是方案設計不可或缺的部分。

首先，分享幾個基本概念。

①閃點是指可燃氣體揮發出的蒸氣和空氣的混合物與火源接觸能夠閃燃的最低溫度。閃點越低，引發火災事故的危險性越大。如常見的VOCs類汽油、苯、酒精等閃點在28℃以下，容易引發火災事故。

②爆炸極限也稱爆炸濃度極限，是指可燃物質（可燃氣體、蒸氣和粉塵）與空氣（或氧氣）必須在一定的濃度范圍內均勻混合，形成預混氣，遇著火源才會發生爆炸，這個濃度范圍。

例如常見的VOC：苯，其與空氣混合的爆炸極限為1.5%～9.5%，前后兩個數字分別稱為爆炸下限和爆炸上限，這兩者有時亦稱為著火下限和著火上限。在低于爆炸下限時不爆炸也不著火；在高于爆炸上限時不會爆炸，但能燃燒。這是由于前者的可燃物濃度不夠，過量空氣的冷卻作用，阻止了火焰的蔓延；而后者則是空氣不足，導致火焰不能蔓延的緣故。常見物質的爆炸極限如下，僅供參考：

附：混合氣體的爆炸極限計算（僅供參考）

公式為：Lm=1/（Y1/L1+Y2/L2+Y3/L3）

式中：

Lm——混合VOCs爆炸極限（%）

Y1、Y2、Y3——混合物中組成（%）

L1、L2、L3——混合氣體各組份相應的爆炸極限（%）

例如：一天然氣組成如下：甲烷80%（L下=5.0%）、乙烷15%（L下=3.22%）、丙烷4%（L下=2.37%）、丁烷1%（L下=1.86%）

求該天然氣的爆炸下限。

解：

Lm=1/（80/5+15/3.22+4/2.37+1/1.86）= 4.369%

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環己胺、四氫呋喃廢氣爆炸下限計算返回列表