(一)可燃性气体检测
1、可燃气体的爆炸范围和爆炸极限
可燃性气体在空气中可能会发生燃烧(即在点燃后,火焰会从燃点开始扩散)和爆炸时的周围环境必须符合四个条件,即适量的氧气、适量的可燃性气体、点火源以及足够的分子能量,这样才能维持燃烧的链式反应。如果这四个条件中的任何一个没有或不足,燃烧或爆炸就不可能发生。
我们将空气混合物中可燃性气体可以发生燃烧时的最低体积浓度%vol称为燃烧下限lfl%。将空气混合物中可燃性气体可能被点燃后发生爆炸时的最低体积浓度%vol称为爆炸下限lel%。
从定义上可以看出,燃烧下限lfl%和爆炸下限lel%两者的含义是不同的。但在实际应用上的方便,可以不加区分,互相替代使用。不同的可燃性气体有不同的lfl/ lel。低于lfl/ lel的可燃性气体或蒸气,由于对氧气的比例太低,不可能发生燃烧或爆炸。
大多数的(不是全部)可燃性气体或蒸气还具有一个高限体积浓度,在此浓度值之上,可燃性气体也不会发生燃烧或爆炸。燃烧上限ufl%是可燃性气体的蒸气和气体在空气中支持燃烧的最大体积浓度。相对应的还有一个爆炸上限ufl%。同样在使用上也不加区分。高于ufl/ uel时,因为可燃性气体的蒸气和气体同氧气的浓度比例太大,或者说由于氧气不足,以至于无法反应而是燃烧扩散,也就不会发生燃烧或爆炸。
2、可燃性气体的定义
在实际工作中,可燃性气体泛指具有燃烧能力的气体。在国际上一般采用列举(特指)和概括两种方式来规定那些气体是可燃性气体(简称可燃气体)。
(1)国际上特指以下32种气体为可燃气体。
序
可燃性气体
爆炸范围,%
序
可燃性气体
爆炸范围,%
1
丙烯腈
3~7
17
环丙烷
2.4~10.4
2
丙烯醛
2.8~31
18
二甲胺
2.8~14.4
3
乙炔
2.5~81
19
氢气
4~75
4
乙醛
4.1~55
20
三甲胺
2~11.6
5
氨
16~25
21
二硫化碳
1.3~44
6
一氧化碳
12.5~74.5
22
丁二烯
2~11.5
7
乙烷
3~12.5
23
丁烷
1.9~8.5
8
乙胺
3~14
24
丁烯
1.6~9.3
9
乙苯
1~6.7
25
丙烷
2.2~9.5
10
乙烯
3.1~32
26
丙烯
2.4~10.3
11
氯乙烷
3.8~15.4
27
溴甲烷
13.5~14.5
12
氯乙烯
4~22
28
苯
1.3~7.1
13
氯甲烷
10.7~17.4
29
甲烷
5.3~14
14
环氧乙烷
3~100
30
甲胺
4.9~20.7
15
环氧丙烷
2.1~21.5
31
二甲醚
3.4~27
16
氰化氢
6~14
32
硫化氢
4.3~45
备注:爆炸范围是指lel和uel的体积浓度。
(2)其他气体符合下列条件之一者,也属于可燃气体范畴。
①爆炸下限在10%vol以下者。
②爆炸范围的上限与下限之差在20%vol以上者。
3、常用的浓度单位工程换算
(1)%lel与%vol的换算
当可燃气体达到了爆炸下限lel以上就有爆炸的危险。为了计算和说明的方便,一般将爆炸下限lel分成100份,即1lel = 100%lel;例如,甲烷单独存在100%lel = 5.3%vol,也就是说,一般的报警单位10%lel = 0.53%vol;即当环境中甲烷浓度0.53%体积时,就应该意识到危险状况的存在。
(2)%vol与ppm、ppb的换算
1ppm = 1000ppb =1/1000000vol或者10-6
100%vol = 106ppm = 109ppb
以甲烷为例,10%lel = 0.53%vol = 53000ppm
如果是苯,则10%lel = 0.13%vol = 13000ppm(注意,苯的立即致死量idhl是500ppm!!)
(3)ppm与mg/m3的换算
v(ppm)= w(mg/m3)×24.46 / m
式中:v为ppm为单位的体积浓度值。
w为mg/m3为单位的绝对重量的浓度值。
m为待测物质的分子量。
(4)混合可燃气体的爆炸极限的计算
用vn表示一种可燃气体在混合物中的体积分数,leln和ueln分别为此种可燃气体的爆炸下限和爆炸上限,则混合气体的爆炸下限为:
lel = 100/(v1/lel1+ v2/lel2+ … +vn/leln)(%vol)
同理,混合气体的爆炸上限为:
uel = 100 /(v1/uel1+ v2/uel2+ … +vn/ueln)(%vol)
例如,一天然气的组成为甲烷80%vol(lel甲烷=5.3),乙烷15%vol(lel乙烷=3.0)、丙烷4%vol(lel丙烷=2.2)、丁烷1%vol(lel丁烷=1.9),则此天然气的爆炸下限为:
lel天然气= 100 /(805.3 + 15/3.0 + 4/2.2 + 1/1.9)= 4.46%vol
从以上计算可以看出,尽管甲烷占了大多数,但由于乙烷、丙烷和丁烷的存在,使得天然气的爆炸下限相对于甲烷降低了很多。
4、可燃气体爆炸场所的划分
世界各国对危险场所区域划分不同,但大致分为两大派系:中国和大多数欧洲国家采用国际电工委员会(iec)的划分方法,而以美国和加拿大为主要代表的其他国家采用北美划分方法。
中国标准gb3836.14--2000《爆炸性其他环境用电气设备,第14部分:危险场所分类》的规定如下:
0区爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的场所。
1区在正常运行时可能出现爆炸性气体环境的场所。
2区在正常运行时不可能出现爆炸性气体环境,如果出现也是偶尔发生,并且仅是短时间存在的场所。
0区,一般只存在于密闭的容器、储罐等内部气体空间;在实际防爆设计过程中1区也很少涉及;大多数情况属于2区。
美国、加拿大等北美国家危险区域的划分依据nec(美国国家电气规程)的定义,对爆炸性气体环境划分为1区、2区(没有0区)。
两者之间的对应关系大致如下:
气体iec 0区、1区——nec 1区
iec 2区——nec 2区
具体的比较见下表。
爆炸性
物质
区域定义
iec
标准
nec
标准
气体
class ⅰ
在正常情况下,爆炸性气体混合物连续或长时间存在的场所。
0区
div. 1
在正常情况下,爆炸性气体混合物有可能出现的场所。
1区
在正常情况下,爆炸性气体混合物不可能出现,仅仅在不正常情况下偶尔或短时间出现的场所。
2区
div. 2
可燃性粉尘或纤维
class
ⅱ/ⅲ
在正常情况下,爆炸性粉尘或可燃性纤维与空气的混合物可能连续出现、短时间频繁地出现或长时间存在的场所。
10区
div. 1
在正常情况下,爆炸性粉尘或可燃性纤维与空气的混合物不可能出现,仅仅在不正常情况下偶尔或短时间出现的场所。
2区
div. 2
备注:iec中的“区”的英文定义为zone,而在nec中的“区”的英文定义为division。
4、本质安全型电气设备的安全特点
(1)本质安全型电气设备防爆特点
本质安全型电气设备又称安全火花型电气设备。它的特点时电气设备在正常状态下和故障状态下,电路、系统产生的火花和达到的温度都不会引燃爆炸性混合物。它的防爆主要有以下措施来实现。
①采用新型集成电路元件等组成仪表电路,在较低的工作电压和较小的工作电流下工作。
②用安全栅把危险场所和非危险场所的电路分隔开,限制由非危险场所传递到危险场所去的能量。
③仪表的连接导线不会形成过大的分布电感和分布电容,以减少电路中的储能。
(2)本质安全型电气设备应用特点
由于本质安全型电气设备的防爆性能不需要采用通风、充气、充油、隔爆等外部措施实现,而是通过其电路设计本身实现,因而是本质安全。这类电气设备可适用于一切危险场所和一切爆炸性气体、蒸气混合物,并可以在通电的情况下进行维修和调整。但是,对于本安型固定式仪表,由于必须使用控制器(或系统)。所以不能单独使用,必须和本安关联设备(安全栅)、外部配线一起组成本安系统,才能发挥防爆功能。
(3)本安型ia和ib两种的区别
ia等级:在正常工作状态下,以及电路中存在一个故障或两个故障时,均不能点燃爆炸性气体混合物。在ia型电路中,工作电流被限制在100ma以下。
ib等级:在正常工作状态下,以及电路中存在一个故障时,不能点燃爆炸性气体混合物。在ib型电路中,工作电流被限制在150ma以下。
从本质安全角度讲,ia型适用于0区和1区,以及工厂;而ib型仅适用于1区和煤矿井下。
5、防爆方法对危险场所的适用性
序号
防爆型式
代号
国家标准
防爆措施
适用区域
1
隔爆型
d
gb3836.2
隔离存在的点火源
zone1,zone2
2
增安型
e
gb3836.3
设法防止产生点火源
zone1,zone2
3
本安型
ia
gb3836.4
限制点火源的能量
zone0~2
ib
gb3836.4
4
正压型
p
gb3836.5
危险物质与点火源隔开
zone1,zone2
5
充油型
o
gb3836.6
zone1,zone2
6
充砂型
q
gb3836.7
zone1,zone2
7
无火花型
n
gb3836.8
设法防止产生点火源
zone2
8
浇封型
m
gb3836.9
zone1,zone2
9
气密型
h
gb3836.10
zone1,zone2
6、爆炸性危险气体的分类
按照爆炸性危险气体的形态存在的场所,防爆等级分为三大类,见下表。
工况类别
气体分类
代表性气体
最小引爆火花能量,mj
矿井下
ⅰ
甲烷
0.280
矿井外的工厂
ⅱa
丙烷
0.180
ⅱb
乙烯
0.060
ⅱc
氢气
0.019
粉尘纤维类
ⅲ
爆炸性危险气体的分类、分级、分组举例见电气安全技术问答部分。
7、防爆标志格式说明
(1)工厂或矿区中常用防爆电气设备要求的防爆形式
①e_(ia)ⅱct6
标志内容
符号
含义
防爆声明
e_
符合某种防爆标准,如我国的国家标准。
防爆方式
ia
采用ia级本质安全防爆方法,可安装在0区。
气体类别
ⅱc
被允许涉及ⅱc类爆炸性气体。
温度组别
t6
仪表表面温度不超过85℃。
②e_(ia)ⅱc
标志内容
符号
含义
防爆声明
e_
符合某种防爆标准,如我国的国家标准。
防爆方式
ia
采用ia级本质安全防爆方法,可安装在0区。
气体类别
ⅱc
被允许涉及ⅱc类爆炸性气体。
(2)煤矿中常用防爆电气设备要求的防爆形式
煤矿用隔爆型电气设备为e_dⅰ,本质安全型为e_ibⅰ或e_iaⅰ,隔爆兼本质安全型为e_d(ib)ⅰ或e_d(ia)ⅰ,增安型为e_eⅰ,增安兼本质安全型为e_e(ib)ⅰ。
氧气浓度与深度之间的关系
美国niosh测出氧气浓度随深度变化的数据见下表。
由表面开始的深度,m
氧气浓度,%
由表面开始的深度,m
氧气浓度,%
1.5
20.5
4.0
6.5
2.0
20.0
5.0
4.0
3.0
14.0
从上表中可以看出,如果仅仅从有限空间的进入点检测氧气浓度,可能就无法发现在有限空间底部的烟气不足。因此,所有的有限空间的垂直分布都要进行氧气浓度的检测。
工业中常见的几种耗氧行为
在工业生产过程中,常见的耗氧行为有:
(1)微生物行为。微生物(包括植物微生物和动物微生物)通过新陈代谢的方式消耗氧气。如苔藓、绿藻的生长,动物身体的腐败等都要消耗氧气。曾有报道,在一个2.23m3干燥的空间,因底部有一只老鼠的粉状尸体,因尸体分解导致其空间底部的氧气浓度只有5%。
(2)氧化。有机物的氧化、钢铁的生锈就是一种消耗氧气的氧化过程。在像水罐、船舱等有湿度的情况下,金属的锈蚀可以引起强烈的氧气不足。
(3)燃烧。可燃物的燃烧可以不仅仅消耗氧气,同时还会产生大量的有毒物质,包括氮、碳、硫的氧化物。
(4)吸收或吸附。有些物质(如活性炭)可以在空气中直接吸收或吸附氧气,造成缺氧。
各类传感器的使用寿命
各类传感器都具有一定的使用寿命(或称为使用年限)。一般将来,lel传感器的使用寿命较长,可以使用3年。红外和光离子化检测仪的使用寿命为3年或更长一些。电化学特定气体传感器的使用寿命相对短一些,一般在1~2年。氧气传感器的使用寿命最短,一般只有1年左右的时间。
电化学传感器的使用寿命取决于其中电解液的干涸,所以如果长时间不用,将其密封放在较低温度的环境中可以延长一些使用寿命。
对于固定式仪器由于体积相对较大,传感器的使用寿命也较长一些。
常见气体传感器的检测范围、分辨率和最高承受浓度
常见气体传感器的检测范围、分辨率和最高承受浓度见下表。
传感器
检测范围,ppm
分辨率
最高浓度,ppm
一氧化碳
0~500
1
1500
硫化氢
0~100
1
500
二氧化硫
0~20
0.1
150
一氧化氮
0~250
1
1000
氨气
0~50
1
200
氰化氢
0~100
1
100
氯气
0~10
0.1
30
voc
0~5000
0.1
--
备注:voc是有机有毒有害气体的统称。
各类有毒有害气体检测器都有其固定的检测范围,即线性范围,只有在线性范围内进行检测,才能保证检测的准确性。在线性范围之外的检测,其准确性是不能被保证的。此外,长时间在线性范围之外进行检测,将使传感器遭到永久性的破坏。
例如,lel传感器,如果不慎在超过100%lel的环境中使用,就有可能彻底烧毁传感器。而对于有毒有害气体传感器长时间工作在较高浓度下,就会造成电解液饱和,使传感器遭到永久性的破坏。所以,对于便携式或固定式检测器在使用时发出超限信号时,要立即离开现场,以保证人员和检测仪器的安全。
使用气体检测仪器时应注意的问题
在选择和使用气体检测仪器时应注意的以下问题:
(1)对有毒有害气体的检测与可燃气体的检测同等重要。
(2)对可能引起慢性中毒的气体检测与可能引起急性中毒的气体检测同等重要。
(3)检测可燃气体时应同时检测有毒有害气体的浓度。
(4)检测可燃气体浓度时应考虑标定气体影响。
使用催化燃烧式的可燃气体检测仪器(lel)并不是对所有的可燃气体都有效,因为可燃气体检测仪器是使用甲烷进行标定的,当检测甲烷以外的可燃气体的下限浓度时,要远远高于他们的允许安全浓度。对于苯、氨气等具有可燃性和有毒性的气体,单纯检测其可燃性时是十分危险的。例如,苯的爆炸下限是1.3%,它在lel检测仪上的校正系数是2.8,也就是说,苯在一个用甲烷标定的lel检测仪上的显示的浓度只是其实际浓度的30%;这样,用lel可以检测道德苯的最低警报浓度是10%lel=10%×1.3%×2.8=36400ppm,这个浓度同苯的立即致死浓度(idhl)的500pmm相比要高近70倍。或者说,在lel检测报警仪对苯的10l%lel报警时,现场工作人员的生命已经受到了极大的威胁。
可燃及有毒有害气体检测仪的选用技术要求
可燃及有毒有害气体检测仪的安装技术要求
(1)可燃及有毒有害气体检测仪的安装技术要求
①检测器宜布置在可燃气体或有毒气体释放源的最小频率风向的上风侧。
②可燃气体检测器的有效覆盖水平平面半径,室内宜为7.5m;室外宜为15m。在有效覆盖面积内,可设一台检测器。
有毒气体检测器与释放源的距离,室外不宜大于2m,室内不宜大于1m。
③应设置可燃气体或有毒气体检测报警仪的场所,宜采用固定式;当不具备设置固定式的条件时,应配置便携式检测报警仪。
④可燃气体和有毒气体检测报警系统宜为相对独立的仪表系统。
⑤在露天或半露天布置的设备区内,当检测点位于释放源的最小频率风向的上风侧时,可燃气体检测点与释放源的距离不宜大于15m,有毒气体检测点与释放源的距离不宜大于2m;当检测点位于释放源的最小频率风向的下风侧时,可燃气体检测点与释放源的距离不宜大于5m,有毒气体检测点与释放源的距离宜小于lm。
⑥可燃气体释放源处于封闭或半封闭厂房内,每隔15m可设一台检测器,且检测器距任一释放源不宜大于7.5m。
有毒气体检测器距释放源不宜大于1m。
⑦比空气轻的可燃气体释放源处于封闭或半封闭厂房内,应在释放源上方设置检测器,还应在厂房内最高点易于积聚可燃气体处设置检测器。
⑧不在检测器有效覆盖面积内的下列场所,宜设检测器:
a 使用或产生液化烃和/或有毒气体的工艺装置、储运设施等可能积聚可燃气体、有毒气体的地坑及排污沟最低处的地面上。
b 易于积聚甲类气体、有毒气体的“死角”。
⑨检测比空气重的可燃气体或有毒气体的检测器,其安装高度应距地坪(或楼地板)0.3-0.6m。
注:气体密度大于0.97kg/m3(标准状态下)的即认为比空气重;气体密度小于0.97kg/m3(标准状态下)的即认为比空气轻。
⑩检测比空气轻的可燃气体或有毒气体的检测器,其安装高度宜高出释放源0.5--2m。
(2)可燃及有毒有害气体检测仪控制器的安装技术要求
①可燃气体控制器应安装在仪表室等非防爆场所,严禁安装在防爆场所。
②控制器无论何种安装方式,应确保固定牢靠,避免震动、灰尘和水,环境应符合仪器说明要求。
③控制器应采用相对清洁的电源,避免与大型电机设备使用同路电源。
④控制器应外壳接地或电源插头的地线接地。
