14.5. Расчеты воспламенения газов и взрывобезопасности рабочего пространства печей

Областью воспламенения горючего газа назы­вается область концентрации данного вещест­ва, внутри которой смесь его с воздухом или кислородом способна воспламеняться. Граничные концентрации области воспламенения называются соответственно верхним и нижним пределами воспламенения (П_В и П_Н).
В табл. 14.12 приведены значения пределов воспламенения горючих газов в смеси с воздухом или кислородом при абсолютном давлении 101,3 кПа и температуре смеси 20 °С, а также указаны температуры самовоспламенения газо­воздушной смеси.
В связи с наличием периода индукций при воспламенении газовоздушной смеси следует принимать, что только температура не ниже 750 °С может обеспечить немедленное воспламенение смесей горючих газов с воздухом.
Пределы воспламенения сложной смеси горючих газов определяют по формуле

где а, b, с — содержание компонентов в слож­ной смеси; П_СМ предел воспламенения слож-

ТАБЛИЦА 14.11.   ЗНАЧЕНИЯ КОНСТАНТ РАВНО­ВЕСИЯ K₆ и К₇

ТАБЛИЦА 14.12. ПРЕДЕЛЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ  И КИСЛОРОДНЫХ СМЕСЕЙ ОСНОВНЫХ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ

Примечание. В числителе — верхний предел воспламенения, в знаменателе — нижний.

ной смеси, %; П_a, П_b, П_c — пределы воспла­менения компонентов сложной смеси.
На рис. 14.14 даны пределы воспламене­ния воздушных смесей горючих газов при разбавлении их негорючими газами: двуокисью углерода, азотом и водяным паром.
Для вычисления пределов воспламенения многокомпонентной смеси горючих и негорю­чих газов следует сгруппировать попарно горючие и негорючие газы, по рис. 14.14 опреде­лить пределы воспламенения для каждой пары горючего и негорючего газов и по формуле (14.24) рассчитать пределы воспламенения сложной газовой смеси.
Пример 1. Определить нижний и верхний пределы воспламенения в воздухе контроли­руемой атмосферы, состоящей из 90 % экзо­термической атмосферы состава 2,4 % Н₂; 0,2% С0₂; 3,7% СО; N₂ — остальное и 10% природного газа, содержащего 98,6 % СН₄ (условно заменяем углеводороды высших поряд­ков на метан) и 1,4 % N₂.
Результаты расчетов сводим в табл. 14.13.
Пример 2. Определить нижний и верхний пределы воспламенения в воздухе эндотерми­ческой контролируемой атмосферы (эндогаза) состава, %: 40 Н₂, 20 СО, 0,5 СН₄, 0,5 С0₂, N₂ — остальное.
Результаты расчетов сводим в табл. 14.14.
Ниже приведены диаграммы А. П. Петрука для определения предельных концентраций горючих компонентов и кислорода в сложных газовых смесях.
Область диаграммы на рис. 14.15, ограни­ченная кривой 1 и ординатой содержания воз­духа, соответствует взрывоопасным смесям во­дорода с воздухом и азотом; область, ограни­ченная кривой 2, — взрывоопасным смесям во­дорода с воздухом и двуокисью углерода.
На рис. 14.16 приведены тройные диаграм­мы и предельные концентрации смесей: мета­на или окиси углерода с воздухом и азотом (двуокисью углерода) (рис. 14.16, а); эндога­за состава 40 % Н₂,   20 % СО,   0,5 % СН₄,

ТАБЛИЦА14.13.ПРИМЕР РАСЧЕТА ПРЕДЕЛОВ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ В ВОЗДУХЕ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКОЙ КОНТРОЛИРУЕМОЙ АТМОСФЕРЫ

0,5 % С0₂, остальное — N₂ с воздухом и азотом (см. рис. 14.16,6); экзогаза с воздухом и азо­том (рис. 14.16, в) и эндогаза состава 40% Н₂0, 20 % СО, остальное — N₂ с воздухом и экзогазом (рис. 14.16, г).На этом рисунке область взрывоопасных концентраций также ограничена соответствующей кривой и ордина­той содержаний воздуха.
Тройные диаграммы рис. 14.15 и 14.16 являются основой для расчета условий продувки рабочего пространства печей, когда подаваемый и удаляемые газы полностью смешиваются в продуваемом объеме. Время продувки, ч, определяется по формуле
τ = 2,303 (Vlq)lg(100/LГ), (14.25)
где LГ— конечная концентрация удаляемого газа, %; q— расход газа, м³/ч; V— объем рабочего пространства, подлежащий продув­ке, м³.

ТАБЛИЦА 14.14. ПРИМЕР РАСЧЕТА ПРЕДЕЛОВ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ В ВОЗДУХЕ ЭНДОГАЗА

Величина qτ/Vявляется кратностью про­дувки. На рис 14.17 показана кратность про­дувки в зависимости от конечной концентра­ции удаляемого газа.

Для обеспечения взрывобезопасности про­дувка рабочего пространства печей должна продолжаться до получения в объеме концен­траций горючих компонентов или кислорода, не превышающих максимальнодопустимых для данной смеси (табл. 14.15).

Рис. 14.15. Тройная диаграмма   и   предельные кон­центрации системы водород—воздух—негорючий газ: 1 — N₂; 2 - С0₂

ТАБЛИЦА 14.15. ПАРАМЕТРЫ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ КОНТРОЛИРУЕМЫХ АТМОСФЕР

1. Обеспечивающее отсутствие воспламенения.
2. Обеспечивающее отсутствие взрыва.

Рис. 14.16. Тройная диаграмма и предельные концентрации газовоздушных смесей:

а — метан и окись углерода; б — эндогаз; в — для экзогаза; г — для смеси эндогаза и экзогаза; 1 — СН₄ и N;2 — СН₄ и С0₂; 3 — СО и N₂; 4 — СО и С0₂; 5 — эндогаз и N₆; 6 — эндогаз и С0₂; 7 — экзогаз с α = 0,5 (20,5 % Н₂ 14 % СО- 1,25 % СН₄, ост. N₂): 8 — то же, с α = 0,6 (15,0 - Н₂, 11,4 % СО, 0,84 % СН₄ ост. N₂); 9 — то же, с α = 0,7 (92 % Н₂; 8,55% СО, 0,25% СН₄ ост. N₂);10 — тоже, с α =0,8 (5,33% Н₂, 5,68 СО, ост. N₂); 11— то же, с α =0,9(1,8% Н₂, 2,7% СО, 10,4 С0₂, ост. N₂);12 em>— то же, с α = 10 (12,5% СO₈, ост. N₂)

ТАБЛИЦА 14.16. МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА И ГОРЮЧИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ В СМЕСИ ГОРЮЧЕГО (КОНТРОЛИРУЕМОЙ АТМОСФЕРЫ) И НЕГОРЮЧЕГО ГАЗОВ И РЕКОМЕНДУЕМЫЕ КРАТНОСТИ ПРОДУВОК РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ПЕЧЕЙ

Продолжение табл.14.16

ТАБЛИЦА 14.17. ПРИМЕР РАСЧЕТА КРАТНОСТИ И ДЛИТЕЛЬНОСТИ ПРОДУВКИ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ПЕЧИ

К приведенным в табл. 14.15 и на рис. 14.15 и 14.16 значениям пределов воспламене­ний и предельных концентраций следует вво­дить коэффициент надежности, равный 1,2, на который следует умножать полученные цифры для верхних пределов воспламенения и разделить цифры для нижних пределов воспламенения.
С учетом этого коэффициента в табл. 14.16 даются максимально допустимые значения кон­центраций кислорода и горючих составляющих в смеси горючего газа (контролируемой атмо­сферы) и негорючего газа, применяемого для продувки рабочего пространства печей и величины рекомендуемых кратностей проду­вок, определяемых величиной q^τ/V.

Рис. 14.17. Кратность   продувки q^τ/V в зависимости от конечной концентрации удаляемого газа

При указанных в табл. 14.16 концентраци­ях кислорода в продуваемый объем можно подавать горючий газ или контролируемую ат­мосферу, а при приведенных содержаниях суммы горючих составляющих в рабочее пространство печи подавать воздух, не опасаясь взрыва. Кратности продувки, указанные в табл. 14.16, рассчитаны при условии полного перемешивания газов в продуваемом объеме.
Пример 3. Произвести расчет кратности и длительности продувки проходной роликовой печи с объемами рабочего пространства 80 м³ и тамбура 5 м³. Продувка рабочего пространства производится азотом, подаваемым от газ­гольдера в количестве 300 м³/ч (приведенном к 0°С и 101,3 кПа). Азот для продувки тамбура подается от заводского трубопровода.
Расчет выполнить для двух вариантов со­става контролируемой атмосферы в печи: 100 % Н₂ (I вариант) и 20 % Н₂, остальное N₂ (II вариант). Результаты расчета сведены в табл. 14.17.