Нижний и верхний пределы взрываемости топливного газа в смеси с воздухом

Обновлено: 07.01.2025

Пределы воспламеняемости и взрываемости

Газовоздушные смеси могут воспламеняться (взрываться) только тогда, когда содержание газа в смеси находится в определенных (для каждого газа) пределах. В связи с этим различаютнижний и верхний концентрационные пределы воспламеняемости. Нижний предел соответствует минимальному, а верхний — максимальному количеству газа в смеси, при котором происходят их воспламенение (при зажигании) и самопроизвольное (без притока тепла извне) распространение пламени (самовоспламенение). Эти же пределы соответствуют и условиям взрываемости газовоздушных смесей.

Таблица 8.8. Степень диссоциации водяного пара H2O и диоксида углерода CO2 в зависимости от парциального давления

Температура,

Парциальное давление, МПа

Водяной пар H2O

Диоксид углерода CO2

Если содержание газа в газовоздушной смеси меньше нижнего предела воспламеняемости, такая смесь гореть и взрываться не может, поскольку выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты для подогрева смеси до температуры воспламенения недостаточно. Если содержание газа в смеси находится между нижним и верхним пределами воспламеняемости, подожженная смесь воспламеняется и горит как вблизи источника зажигания, так и при удалении его. Такая смесь является взрывоопасной.

Чем шире будет диапазон пределов воспламеняемости (называемых также пределами взрываемости) и ниже нижний предел, тем более взрывоопасен газ. И наконец, если содержание газа в смеси превышает верхний предел воспламеняемости, то количества воздуха в смеси недостаточно для полного сгорания газа.

Существование пределов воспламеняемости вызывается тепловыми потерями при горении. При разбавлении горючей смеси воздухом, кислородом или газом тепловые потери возрастают, скорость распространения пламени уменьшается, и горение прекращается после удаления источника зажигания.

Пределы воспламеняемости для распространенных газов в смесях с воздухом и кислородом приведены в табл. 8.11-8.9. С увеличением температуры смеси пределы воспламеняемости расширяются, а при температуре, превышающей температуру самовоспламенения, смеси газа с воздухом или кислородом горят при любом объемном соотношении.

Пределы воспламеняемости зависят не только от видов горючих газов, но и от условий проведения экспериментов (вместимости сосуда, тепловой мощности источника зажигания, температуры смеси, распространения пламени вверх, вниз, горизонтально и др.). Этим объясняются отличающиеся друг от друга значения этих пределов в различных литературных источниках. В табл. 8.11-8.12 приведены сравнительно достоверные данные, полученные при комнатной температуре и атмосферном давлении при распространении пламени снизу вверх в трубке диаметром 50 мм и более. При распространении пламени сверху вниз или горизонтально нижние пределы несколько возрастают, а верхние снижаются. Пределы воспламеняемости сложных горючих газов, не содержащих балластных примесей, определяются по правилу аддитивности:

где L_г — нижний или верхний предел воспламеняемости сложного газа (8.17)

где 1 2 — нижний или верхний предел воспламеняемости сложного газа в газовоздушной или газокислородной смеси, об. %; r,, r 2 . rn — содержание отдельных компонентов в сложном газе, об. %; r, + r 2 + . + rn = 100%; l,, l 2 . ln — нижние или верхние пределы воспламеняемости отдельных компонентов в газовоздушной или газокислородной смеси по данным табл. 8.11 или 8.12, об. %.

При наличии в газе балластных примесей пределы воспламеняемости могут быть определены по формуле:

где Lg — верхний и нижний пределы воспламеняемости смеси с балластными примесями, об. %; L 2 — верхний и нижний пределы воспламеняемости горючей смеси, об. %; Б — количество балластных примесей, доли единицы.

Таблица 8.11. Пределы воспламеняемости газов в смеси с воздухом (при t = 20°C и p = 101,3 кПа)

Нижний и верхний пределы взрываемости горючих газов

Другая важная особенность горения газо-воздушных смесей – это наличие концентрационных пределов. Горючие газы могут воспламеняться или взрываться, если они смешаны в определенных (для каждого газа) соотношениях с воздухом и нагреты не ниже температуры их воспламенения. Воспламенение и дальнейшее самопроизвольное горение газо-воздушной смеси при определенных соотношениях газа и воздуха возможно при наличии источника огня (даже искры).

Различают нижний и верхний концентрационные пределы взрываемости (воспламеняемости) - минимальное и максимальное процентное содержание газа в смеси, при которых может произойти воспламенение ее и взрыв.

Нижний предел соответствует минимальному, а верхний - максимальному количеству газа в смеси, при котором происходят их воспламенение (при зажигании) и самопроизвольное (без притока теплоты извне) распространение пламени (самовоспламенение). Эти же пределы соответствуют и условиям взрываемости газо-воздушных смесей.

Нижний предел взрываемости отвечает той минимальной концентрации паров горючего в смеси с воздухом, при которой происходит вспышка при поднесении пламени. Верхний предел взрываемости отвечает той максимальной концентрации паров горючего в смеси с воздухом, выше которой вспышки уже не происходит из-за недостатка кислорода воздуха. Чем шире диапазон пределов воспламеняемости (называемых также пределами взрываемости) и ниже нижний предел, тем более взрывоопасен газ. У большинства углеводородов пределы взрываемости невелики. Для метана СН₄ нижний и верхний пределы взрываемости 5% и 15% объемных соответственно.

Самые широкие пределы взрываемости (воспламеняемости) имеет ряд газов: водород (4,0 – 75%), ацетилен (2,0 – 81%) и окись углерода (12,5 – 75%). Объемное содержание горючего газа в газо-воздушной смеси, ниже которого пламя не может самопроизвольно распространяться в этой смеси при внесении в нее источника высокой температуры, называется нижним концентрационным пределом воспламенения (распространения пламени) или нижним пределом взрываемости данного газа. Таким образом, смесь газа с воздухом взрывоопасна только в том случае, если содержание в ней горючего газа находится в диапазоне между нижним и верхним пределами взрываемости.

Если содержание газа в газо-воздушной смеси меньше нижнего предела воспламеняемости, то такая смесь гореть и взрываться не может, поскольку выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты недостаточно для подогрева смеси до температуры воспламенения.

При содержании газа в смеси между нижним и верхним пределами взрываемости подожженная смесь загорается и горит как вблизи источника зажигания, так и при удалении его. Эта смесь взрывоопасна. А если содержание газа в смеси выше верхнего предела взрываемости, то количества воздуха в ней недостаточно для полного сгорания газа.

Существование пределов воспламеняемости (взрываемости) вызывается тепловыми потерями при горении. При разбавлении горючей смеси воздухом, кислородом или газом тепловые потери возрастают, скорость распространения пламени уменьшается и горение прекращается после удаления источника зажигания.

С увеличением температуры смеси пределы воспламеняемости расширяются, а при температуре, превышающей температуру самовоспламенения, смеси газа с воздухом или кислородом горят при любом объемном соотношении.

Пределы воспламеняемости (взрываемости) зависят не только от видов горючих газов, но и от условий проведения экспериментов (вместимости сосуда, тепловой мощности источника зажигания, температуры смеси, распространения пламени вверх, вниз, горизонтально и др.). Этим объясняются несколько отличающиеся друг от друга значения этих пределов в различных литературных источниках. При распространении пламени сверху вниз или горизонтально нижние пределы несколько возрастают, а верхние - снижаются.

Расчетное избыточное давление при взрыве таких смесей следующее: природного газа - 0,75 МПа, пропана и бутана - 0,86 МПа, водорода - 0,74 МПа, ацетилена - 1,03 МПа. В реальных условиях температура взрыва не достигает максимальных значений и возникающие давления ниже указанных, однако они вполне достаточны для разрушения не только обмуровки котлов, зданий, но и металлических емкостей, если в них произойдет взрыв.

Основной причиной образования взрывных газо-воздушных смесей является утечка газа из систем газоснабжения и отдельных ее элементов (неплотность закрытия арматуры, износ сальниковых уплотнений, разрывы швов газопроводов, негерметичность резьбовых соединений и т. д.), а также несовершенная вентиляция помещений, топки и газоходов котлов и печей, подвальных помещений и различных колодцев подземных коммуникаций. Задачей эксплуатационного персонала газовых систем и установок является своевременное выявление и устранение мест утечек газа и строгое выполнение производственных инструкций по использованию газообразного топлива, а также безусловное качественное выполнение планово-предупредительного осмотра и ремонта систем газоснабжения и газового оборудования.

ООО «СиБ Контролс»

Что такое нижний и верхний пределы взрываемости (НПВ и ВПВ)?

Для образования взрывоопасной атмосферы необходимо наличие воспламеняющегося вещества в определённой концентрации.

В основном, для воспламенения всех газов и паров необходим кислород. При избытке кислорода и его недостатке смесь не воспламенится. Единственным исключением является ацетилен, для воспламенения которого не требуется кислород. Низкая и высокая концентрация называется "пределом взрываемости".

Нижний предел взрываемости (НПВ): предел концентрации газо-воздушной смеси, ниже которой газо-воздушная смесь не может воспламенится.
Верхний предел взрываемости (ВПВ): предел концентрации газо-воздушной смеси, выше которой газо-воздушная смесь не может воспламенится.

Пределы взрываемости для взрывоопаснной среды:

Если концентрация вещества в воздухе слишком низкая (обеднённая смесь) или слишком высокая (насыщенная смесь), то взрыва не произойдёт, а скорее всего, может произойти реакция медленного сгорания или же её вообще не произойдёт.
Реакция воспламенения с последующей реакцией взрыва произойдёт в диапазоне между нижним (НПВ) и верхними (ВПВ) пределами взрываемости.
Пределы взрываемости зависят от давления окружающей атмосферы и концентрации кислорода в воздухе.

Примеры нижнего и верхнего пределов взрываемости для различных газов и паров:

Пыль, также является взрывоопасной, при определённых концентрациях:

Нижний предел взрываемости пыли: в пределах приблизительно от 20 до 60 г/м3 воздуха.
Верхний предел взрываемости пыли: в пределах приблизительно от 2 до 6 кг/м3 воздуха.

Эти параметры могут изменяться для разных типов пыли. Особо воспламеняющиеся виды пыли могут образовывать воспламеняющуюся смесь в концентрациях вещества менее 15 г/м3.

Нижний и верхний пределы взрываемости топливного газа в смеси с воздухом

ГОСТ 31610.20-1-2020
(ISO/IEC 80079-20-1:2017)

Характеристики веществ для классификации газа и пара. Методы испытаний и данные

Explosive atmospheres. Part 20-1. Material characteristics for gas and vapour classification. Test methods and data

Дата введения 2021-10-01

Предисловие

Цели, основные принципы и общие правила проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0 "Межгосударственная система стандартизации. Основные положения" и ГОСТ 1.2 "Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены"

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН Автономной некоммерческой национальной организацией "Ех-стандарт" (АННО "Ех-стандарт") на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 5

2 ВНЕСЕН Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 31 августа 2020 г. N 132-П)

За принятие проголосовали:

Краткое наименование страны по МК (ИСО 3166) 004-97

Сокращенное наименование национального органа по стандартизации

Госстандарт Республики Беларусь

Госстандарт Республики Казахстан

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 21 октября 2020 г. N 886-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 31610.20-1-2020 (ISO/IEC 80079-20-1:2017) введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 октября 2021 г.

5 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту ISO/IEC 80079-20-1:2017* "Взрывоопасные среды. Часть 20-1. Характеристики веществ для классификации газа и пара. Методы испытаний и данные" ("Explosive atmospheres - Part 20-1: Material characteristics for gas and vapour classification - Test methods and data", MOD), включая техническую поправку Cor. 1:2018, путем внесения дополнительных положений, что обусловлено потребностями экономики стран СНГ. Дополнительные положения выделены курсивом**. Разъяснение причин их внесения дано во введении.

* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей.

** В оригинале документа обозначения и номера стандартов и нормативных документов в разделах "Предисловие", "Введение" и приложении ДА приводятся обычным шрифтом, остальные по тексту документа выделены курсивом. - Примечания изготовителя базы данных.

Сведения о соответствии ссылочных межгосударственных стандартов международным стандартам, использованным в качестве ссылочных в примененном международном стандарте, приведены в дополнительном приложении ДА

Информация о введении в действие (прекращении действия) настоящего стандарта и изменений к нему на территории указанных выше государств публикуется в указателях национальных стандартов, издаваемых в этих государствах, а также в сети Интернет на сайтах соответствующих национальных органов по стандартизации.

В случае пересмотра, изменения или отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована на официальном интернет-сайте Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации в каталоге "Межгосударственные стандарты"

Введение

Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту ISO/IEC 80079-20-1:2017, включая техническую поправку Cor. 1:2018.

Настоящий стандарт содержит руководство по классификации газов и паров и устанавливает метод определения безопасных экспериментальных максимальных зазоров (БЭМЗ) для газо- или паровоздушных смесей при нормальной температуре и давлении (20°С, 101,3 кПа) для подбора соответствующих групп (подгрупп) оборудования. Настоящий стандарт описывает также метод испытаний для определения температуры самовоспламенения (ТС) для газо- или паровоздушных смесей при атмосферном давлении для выбора соответствующего температурного класса оборудования. Установленные в настоящем стандарте требования обеспечивают вместе со стандартом, устанавливающим общие требования, и стандартами по видам взрывозащиты, безопасность применения оборудования на опасных производственных объектах в газовой, нефтяной, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

В настоящем стандарте примечания к 3.7 и 4.1 приведены в соответствии с требованиями к группам/подгруппам в ГОСТ 31610.0 и применены ссылки на идентичные и модифицированные межгосударственные стандарты вместо международных стандартов.

1 Область применения

Справочные сведения о химических свойствах веществ приведены в таблице В.1 для помощи при выборе оборудования для взрывоопасных зон. Дополнительные сведения могут быть добавлены на основании результатов, подтвержденных испытаниями.

Для веществ, приведенных в приложении В, с учетом их характеристик, указано, каким взрывоопасным зонам эти вещества соответствуют и какие группы (подгруппы) оборудования в них допускается применять.

Данные методы допустимо применять для определения БЭМЗ и температуры самовоспламенения газовоздушной инертной смеси или паровоздушной инертной смеси. Однако сведения по инертным воздушным смесям не приведены.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие межгосударственные стандарты:

ГОСТ 31610.0 (IEC 60079-0:2011) Взрывоопасные среды. Часть 0. Оборудование. Общие требования

ГОСТ 31610.11 (IEC 60079-11:2011) Взрывоопасные среды. Часть 11. Оборудование с видом взрывозащиты "искробезопасная электрическая цепь "i"

ГОСТ IEC 60079-14 Взрывоопасные среды. Часть 14. Проектирование, выбор и монтаж электроустановок

3 Термины и определения

В настоящем стандарте приведены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 самовоспламенение (auto-ignition): Реакция, сопровождающаяся появлением четко различимого пламени и (или) взрывом, для которой период индукции воспламенения не превышает 5 мин.

Примечание - Метод испытания приведен в 7.2.2.

3.2 период индукции воспламенения (ignition delay time): Промежуток времени между завершением подачи горючего вещества и воспламенением.

3.3 температура самовоспламенения; ТС (auto-ignition temperature, AIT): Наименьшая температура (поверхности), при которой в указанных условиях происходит воспламенение горючего газа или пара в смеси с воздухом или воздухом/инертным газом.

Примечание - Метод испытания для температуры самовоспламенения приведен в разделе 7.

3.4 безопасный экспериментальный максимальный зазор; БЭМЗ (maximum experimental safe gap, MESG): Максимальный зазор соединения шириной 25 мм, который предотвращает распространение взрыва в условиях испытаний, заданных в настоящем стандарте.

Примечание - Метод испытания приведен в разделе 6.

3.5 минимальный воспламеняющий ток; МВТ (minimum ignition current, MIC): Минимальный ток в заданной испытательной цепи, который при испытаниях с использованием искрообразующего механизма согласно ГОСТ 31610.11 способен воспламенить испытательную смесь.

Примечание - Испытательная цепь приведена в 5.1.6.

3.6 концентрационные пределы распространения пламени; КПРП (flammable limits): Минимальная (нижний концентрационный предел распространения пламени, НКПРП) и максимальная (верхний концентрационный предел распространения пламени, ВКПРП) концентрация горючего газа в смеси с воздухом, при которой возможно воспламенение этой смеси.

1 Термин "концентрационные пределы взрываемости" ("explosive limits") используется в европейских нормативных документах по стандартизации и техническому регулированию.

2 Концентрация может выражаться либо в объемных долях, либо в единицах массы на единицу объема.

3.6.1 нижний концентрационный предел распространения пламени; НКПРП (lower flammable limit, LFL): Концентрация горючего газа или пара в воздухе, ниже которой газовая среда не является взрывоопасной.

1 Применительно к области Ех-оборудования ранее данный термин назывался "нижний предел взрываемости (НПВ)".

2 Концентрация может выражаться либо в объемных долях, либо в единицах массы на единицу объема.

3.6.2 верхний концентрационный предел распространения пламени; ВКПРП (upper flammable limit, UFL): Концентрация горючего газа или пара в воздухе, выше которой газовая среда не является взрывоопасной.

1 Применительно к области Ех-оборудования ранее данный термин назывался "верхний предел взрываемости (ВПВ)".

2 Концентрация может выражаться либо в объемных долях, либо в единицах массы на единицу объема.

3.7 классификация оборудования по группам (equipment grouping): Система классификации оборудования основана на его подразделении в зависимости от взрывоопасной среды, для использования в которой соответствующее оборудование предназначено.

Примечание - ГОСТ 31610.0 идентифицирует три группы оборудования:

Группа I - оборудование, предназначенное для применения в подземных выработках шахт и их наземных строениях, опасных по рудничному газу и (или) горючей пыли;

Группа II, которая разделена на подгруппы IIA, IIB и IIC, - оборудование, предназначенное для применения во взрывоопасных газовых средах, кроме подземных выработок шахт и их наземных строений, опасных по рудничному газу и (или) горючей пыли;

Группа III, которая разделена на подгруппы IIIA, IIIB и IIIC, - оборудование, предназначенное для применения во взрывоопасных пылевых средах, кроме подземных выработок шахт и их наземных строений, опасных по рудничному газу и (или) горючей пыли.

3.8 температура вспышки (flash point): Минимальная температура жидкости, при которой в регламентированных условиях над ее поверхностью образуются пары в количестве, достаточном для образования воспламеняемой паровоздушной смеси.

3.9 газ (gas): Газообразное состояние вещества, которое не может достичь равновесия с его жидким или твердым состоянием в рассматриваемом диапазоне температур и давлений.

Примечание - Данное определение является упрощенной формой научного определения. Согласно данному определению требуется, чтобы вещество находилось выше точки кипения или точки сублимации при температуре и давлении окружающей среды.

3.10 пар (vapour): Газообразное состояние вещества, которое может достигнуть равновесия с его жидким или твердым состоянием в рассматриваемом диапазоне температур и давлений.

Примечание - Данное определение является упрощенной формой научного определения. Согласно данному определению требуется, чтобы вещество находилось ниже точки кипения или точки сублимации при температуре и давлении окружающей среды.

Горючие газы: виды, взрывопожарная опасность, нормы

Воспламеняющимся, к которым относятся газы, что при нормальном атмосферном давлении имеют температуру кипения, равную или ниже 20℃, а смешиваясь с воздухом, способны воспламеняться.
Горючим, способным к самостоятельному возгоранию, а также загорающимся от внешнего источника пламени, и поддерживающим процесс горения после его устранения из зоны контакта с ними.

Приводя все к общему определению, можно сказать, что горючие газы – это те, природные или полученные в процессе технологических процессов, в том числе методами органического синтеза, летучие вещества, что способны при нормальных условиях среды, смешиваясь с воздухом, взрываться и/или гореть.

Кроме пожарной опасности, особое отношение к горючим газам формируют такие характеристики, как токсичность и высокая летучесть. Что позволяет им при разгерметизации технологического оборудования, трубопроводных систем и резервуаров хранения, быстро заполнять объемы помещений зданий, сооружений; зоны воздушного пространства на территориях производственных, складских объектов, создавая непригодную для дыхания среду, способную взорваться от малейшей искры.

Горючий газ в газопроводе

Виды газов

Способность таких газов длительно поддерживать самостоятельный процесс горения позволила использовать их в качестве бытового и промышленного топлива – от квартирной колонки автономного отопления до котлов и турбин тепловых электростанций.

Другие свойства горючих газов и их смесей сделали возможным применение в качестве агентов для холодильного оборудования, в качестве исходного сырья для синтеза большинства видов пластмасс, пластиков, жидких видов топлива, растворителей и других товарных продуктов химической промышленности.

В список используемых горючих природных и получаемых по технологиям промышленного синтеза, газов входят:

Природный газ, который состоит в различных пропорциях (в зависимости от места добычи) из смеси метана, пропана с бутанами, гексана, этана, диоксида углерода, азота.

Природный газ – это продукт биохимического разложения органических материалов в толще земли. Большинство месторождений располагаются на глубинах меньше 1,5 км. Главный компонент – метан с примесями пропана, бутана.

Газовый конденсат, попутный углеводородный газ с нефтегазовых месторождений, предприятий химико-технологической переработки нефти, отличающийся непостоянным составом, в котором преобладает наличие этана, пропана; а также присутствуют легкие, тяжелые нефтяные углеводородные соединения, включая керосиновые, бензиновые фракции.
Коксовый газ, состоящий из смеси метана, водорода, окиси углерода. .
Водород. .
Оксид углерода.
Метан, часто называемый болотным газом.
Пропан.
Бутан.
Изобутан.
Бытовая газовая смесь на основе пропана, бутана
Ацетилен, используемый при производстве работ по газовой резке металлических конструкций, металлолома.
Этилен, необходимый для производства полиэтилена.
Пропилен. .
Бутадиен.
Гексан.
Пентан.

Безопасное использование таких газов характерно трубопроводным поступлением в зону горения, что реализовано в варочном и отопительном оборудовании, газовых резаках, а также при плановом горении газовых фонтанов при разведке, на промышленных площадках месторождений.

Пожарная опасность

Пожарная опасность газовых смесей определяется концентрацией горючих газов, паров или пылей в смеси.

Зависимость давления взрыва Р_взр от концентрации горючего вещества φ_гв в смеси схематически изображена на рисунке.

Давление и концентрация горючего вещества

Давление при взрыве является одним из параметров, характеризующим пожарную опасность веществ и материалов. Так давление взрыва учитывают при пожарной профилактике в строительстве при расчете площади легкосбрасываемых конструкций, или при профилактике в технологии производств при категорировании промышленных объектов.

Для горючих смесей различают нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени.

Нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПРП) — наименьшая концентрация горючего вещества в смеси с воздухом, при который уже возможное стойкое, незатухающее распространение горения. На нижнем концентрационном пределе воспламенения (НКПВ) в смеси небольшое количество горючего и избыток воздуха. По мере повышения концентрации горючего в смеси появляется недостаток воздуха, что приводит к потере способности воспламенения.

Верхний концентрационный предел распространения пламени (ВКПРП) — наибольшая концентрация горючего вещества в смеси с воздухом, при который еще возможное стойкое, незатухающее распространение горения.

Концентрационные пределы распространения пламени (КПРП) — одна из важнейших характеристик взрывоопасности горючих газов и паров. Область концентрации горючего вещества, которая лежит между нижним и верхним КПРП, характеризуется возможностью загорания и устойчивого горения смеси и называется областью взрывоопасных концентраций. Если концентрация горючего вещества выходит за концентрационные пределы, горючая смесь становится взрывобезопасной. Так если концентрация горючего вещества меньшее нижнего КПРП, то горение вообще не возможно. Если концентрация горючего вещества больше ВКПРП, то возможно диффузионное горение такой газовой смеси при выходе ее в окружающее пространство и наличии источника зажигания.

Показатели пожарной опасности веществ

ГЖ — горючая жидкость, т. е жидкость, способная самостоятельно гореть после удаления источника зажигания и имеющая температуру вспышки в 61 °С (в закрытом тигле) или 66°С (в открытом тигле);
ЛВЖ — легковоспламеняющаяся жидкость, т.е. жидкость, способная самостоятельно гореть после удаления источника загорания и имеющая температуру вспышки не выше 61 °С (в закрытом тигле) или 66 °С в открытом тигле;
Т — горючий газ, т. е. газ, способный образовывать с воздухом воспламеняемые и взрывоопасные смеси при температурах не выше 55 °С;
ВВ — взрывоопасное вещество, т. е. вещество, способное к взрыву или детонации без участия кислорода воздуха;
t _всп — температура вспышки в закрытом тигле, °С;
t _{самовоспл} — температура самовоспламенения в закрытом тигле °С;
М — молекулярная масса;
В числителе дана минимальная температура самовоспламенения, а в знаменателе стандартная температура самовоспламенения.

В соответствии с «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ) все газо-, паро- и пылевоздушные смеси с НКПВ до 65 г/м3 считаются взрывоопасными.

Учитывая, что концентрационные пределы распространения пламени могут изменяться при изменении внешних условий, для обеспечения пожарной безопасности при работе с горючими веществами определяют не только концентрационные пределы, но и безопасные концентрации φ _нб и φ_вб, ниже или выше которых смесь гарантировано не будет зажигаться. Безопасные концентрации можно рассчитать по формулам:

φ_нб < 0,9(φ_н – 0,21), %;
φ_вб ≥ 1,1(φ_в + 0,42), %;

Расположение областей возможных концентраций горючего отображено на рисунке.

Области возможных концентраций горючего газа

Концентрационные пределы распространения пламя могут сильно изменяться при изменении внешних условий. Изменения КПРП объясняются с точки зрения баланса тепловыделения и теплоотдачи в системе. Все факторы, изменение которых приведет к увеличению тепловыделения, будут расширять КПРП (снижать нижний КПРП и повышать верхний КПРП). Факторы, увеличивающие теплоотдачу, будут суживать КПРП (увеличивать нижний КПРП и уменьшать верхний КПРП). Наибольшее влияние на КПРП оказывают:

концентрация окислителя в окислительной среде (содержание кислорода в воздухе);
концентрация инертных газов (флегматизаторов);
температура и давление смеси;
мощность источника зажигания;

Практическое значение КПРП

КПРП применяют в следующих случаях:

1. Для сравнительной оценки пожарной опасности веществ. Например, концентрационные пределы

бутана С₄Н₁₀ 1,8—9%;
бутена С₄Н₈ 1,6—10%;
винилацетилена С₄Н₄ 1,8—53,2%.

Наиболее пожароопасным из них является винилацетилен, поскольку в более широком диапазоне концентраций образует взрывоопасные смеси.

2. Для оценки пожарной опасности фактической концентрации парогазових систем. Например, для того чтобы определить степень пожарной опасности паровоздушной смеси бензола с концентрацией 4%, необходимо сравнить данную фактическую концентрацию с КПРП бензола. У бензола КПРП составляют 1,4—7,1%, следовательно фактическая концентрация является взрывоопасной.

3. Для определения взрывобезопасной концентрации паров и газов внутри технологического оборудования (ниже φ_нб и выше φ_вб).

4. Для расчета предельно допустимых концентраций газов при разработке мероприятий по обеспечению пожарной безопасности вентиляционных систем.

Для практического определения концентрации паров и газов в воздухе служат различные газоанализаторы и сигнализаторы предельнодопустимых концентраций периодического и постоянного действия.

Взрывопожарная опасность характеризуется образованием смесей горючих газов с воздухом в различных объемах – в помещениях, корпусах технологических установок, складских резервуаров, при разгерметизации трубопроводов, производственного оборудования; а также в незамкнутых воздушных пространствах вокруг них.

Процесс горения в таких условиях приобретает взрывной характер, сопровождающийся разрушениями несущих конструкций строительных объектов, технологического оборудования, трубопроводных систем; возникновением многочисленных очагов пожаров на территории объекта защиты.

Не меньшую опасность для людей, сохранности даже капитальных строений I, II степеней стойкости к огневому воздействию представляют не только вышеперечисленные газы, но и пары горючих, легко воспламеняемых жидкостей, которые при их обращении, хранении, технологической переработке внутри строительных объектов относят их помещения к категориям А, Б по опасности взрыва, пожара.

К категории А отнесены взрывопожароопасные производства связанные с применением веществ, взрыв и горение которых могут последовать в результате взаимодействия с водой, кислородом воздуха или друг с другом; жидкостей с температурой вспышки паров 28°С и ниже; горючих газов, нижний предел взрываемости (НКПВ) которых 10% и менее к объему воздуха.

К категории Б отнесены взрывопожароопасные производства, в которых обращаются горючие газы, нижний предел взрываемости которых более 10% к объему воздуха; жидкости с температурой вспышки паров от 28 до ОГС включительно; жидкости, нагретые в условиях производству до температуры вспышки и выше, горючие ныли или волокна, нижний предел взрываемости которых 65 г/м3 и менее к объему воздуха.

Нормативные документы

Рассмотрим основные требования нормативных документов к горючим газам.

Учитывая высокую степень взрывопожарной опасности горючих газов, специалистами исследовательских центров и предприятий, занимающихся добычей, транспортировкой, переработкой и хранением таких веществ, их смесей, подготовлены и утверждены на федеральном уровне немало нормативных документов, направленных на обеспечение безопасности людей, оборудования, строительных объектов, среди которых:

ТР ТС 012/2011, устанавливающий требования как к электрическому, так и технологическому оборудованию, предназначенному для эксплуатации во взрывоопасных средах.
Правила безопасного проведения газоопасных, ремонтных, включая земляные и огневых видов работ, что выполняются на опасных промышленных производствах, утвержденные Федеральной службой по технадзору.

Согласно данным правилам, при необходимости выполнения газоопасных видов работ в помещениях, воздушных зонах с возможным выбросом взрывопожароопасных летучих веществ, смесей, нужно использовать:

Переносные светильники, устройства связи, что соответствуют по заводскому взрывозащищенному исполнению взрывоопасным смесям в рабочих зонах.
Искробезопасный ручной, механизированный, электрический инструмент, рабочую обувь.
Устройства защиты дыхательных путей.
При этом разъемные устройства подключения всего используемого передвижного, переносного взрывозащищенного электрического оборудования, инструмента следует размещать вне пространства взрывоопасных зон, где проводятся работы.

Много требований к горючим газам, способным создавать взрывопожароопасные среды; оборудованию, способному безопасно эксплуатироваться в условиях загазованности, изложены в нескольких национальных стандартах:

ГОСТ 31610.0-2014, об общих требованиях к конструированию, испытаниям, маркированию всех видов электрического, технологического оборудования, что предназначено для эксплуатации во взрывоопасной среде в стандартных атмосферных условиях.

ГОСТ Р МЭК 60079-20-1-2011, устанавливающий классификацию, характеристики, методики испытаний взрывопожароопасных газов, паров.
ГОСТ 30852.9-2002, устанавливающий квалификацию взрывоопасных зон, где существуют возможности воспламенения смесей горючих газов с кислородом воздуха при стандартных условиях эксплуатации оборудования.
ГОСТ 30319.1-2015, в котором изложены методики расчета свойств природного газа.

Требования к безопасности работ, производственным и складским объектам, связанным с обращением горючих газов, также приведены в «ППР в РФ» – основных правилах ПБ на территории России.

8.5. Пределы воспламеняемости и взрываемости

Пределы воспламеняемости сложных горючих газов, не содержащих балластных примесей, определяются по правилу аддитивности:

где Lг — нижний или верхний предел воспламеняемости сложного газа в газовоздушной или газокислородной смеси, об. %;
r1, r2, …, rn — содержание отдельных компонентов в сложном газе, об. %;
r1 + r2 + … + rn = 100%;
l1, l2, …, ln — нижние или верхние пределы воспламеняемости отдельных компонентов в газовоздушной или газокислородной смеси по данным табл. 8.11 или 8.12, об. %.

При наличии в газе балластных примесей пределы воспламеняемости могут быть определены по формуле:

где Lб — верхний и нижний пределы воспламеняемости смеси с балластными примесями, об. %;
Lг — верхний и нижний пределы воспламеняемости горючей смеси, об. %;
Б — количество балластных примесей, доли единицы.

Давление, возникающее при взрыве газовоздушных смесей, можно определить с достаточным приближением по следующим формулам:
* для стехиометрического соотношения простого газа с воздухом:
Рвз = Рн(1 + βtк) (m/n) (8.20)
* для любого соотношения сложного газа с воздухом:
Рвз = Рн(1 + βtк) Vвлпс /(1 + αVm) (8.21)

где Рвз — давление, возникающее при взрыве, МПа;
рн — начальное давление (до взрыва), МПа;
β — коэффициент объемного расширения газов, численно равный коэффициенту давления (1/273);
tK — калориметрическая температура горения, °С;
т — число молей после взрыва, определяемое по реакции горения газа в воздухе;
п — число молей до взрыва, участвующих в реакции горения;
Vвлпс — объем влажных продуктов сгорания на 1 м3 газа, м3;
Vт — теоретический расход воздуха, м3/м3.

Возникающее при взрыве давление зависит от особенностей конструкции устройств защиты и коэффициента сброса kсб, представляющего собой отношение площади защитных устройств к объему помещения.

Предел воспламенения и максимальные концентрации в воздухе

Горючие газы – газы, которые хорошо поддерживают процесс горения и распространения огня.

Для поддержания процесса горения обязательно нужен окислитель. Воздух и входящий в него кислород – самые распространенные окислители. Они же являются газами-разбавителями для ПГС.

Горючие газы способны легко воспламеняться и приводить к взрыву при достижении определенной концентрации в смеси с воздухом или кислородом. Если концентрация горючего газа в смеси больше или меньше пределов распространения пламени, взрыва не произойдет. В этом случае говорят, что смесь слишком «богатая», или слишком «бедная» на горючий газ.

НКПР - нижний концентрационный предел распространения пламени – минимальная концентрация горючего газа в однородной смеси с окислителем, при которой возможно распространение пламени по смеси. Если концентрация горючего газа в смеси меньше НКПР, смесь не способна к распространению пламени, поскольку при горении такой «бедной» смеси выделяется так мало тепла, что его не хватает для прогрева и воспламенения остальных объемов газа.

ВКПР - верхний концентрационный предел распространения пламени – максимальная концентрация горючего газа в однородной смеси с окислителем, при котором возможно распространение пламени по смеси. Если концентрация горючего вещества в смеси превышает ВКПР, то количества окислителя в смеси недостаточно для полного сгорания горючего газа.

Область воспламенения - диапазон концентраций, находящийся выше нижнего (НКПР) и ниже верхнего (ВКПР) пределов воспламенения. Горючий газ, концентрация которого находится в пределах этой ограниченной области, способен воспламеняться от искры, вызванной обыкновенным статическим электричеством или трением.

Смесь с концентрацией горючего газа, входящей в область воспламенения, является взрывоопасной. Чем шире диапазон области воспламенения и ниже НКПР, тем более взрывоопасен горючий газ.

Значения НКПР и ВКПР по горючим газам приведены в ГОСТ 51330.19-99 (МЭК 60079-20-96).

Ниже приведены значения НКПР и ВКПР для компонентов газовых смесей, выпускаемых на нашем производстве. В последнем столбце в соответствии с «Технологическим регламентом» приведены максимальные концентрации компонентов в смеси с воздухом. Разница между НКПР и максимальной концентрацией компонента – запас, позволяющий безопасно производить, хранить и эксплуатировать газовые смеси с горючими газами. Этот запас обусловлен расчётами и подтверждён многолетним опытом работы.

Пожаровзрывоопасность природного газа

Природный газ — газообразная смесь, состоящая из метана и более тяжелых углеводородов, азота, диоксида углерода, водяных паров, серосодержащих соединений, инертных газов. Примечания:
1 Метан является основным компонентом природного газа.
2 Природный газ обычно содержит также следовые количества других компонентов. (ГОСТ Р 53521-2009 Переработка природного газа. Термины и определения от 14.12.2009).

Взрывоопасная газовая смесь — смесь горючих газов или паров с воздухом при нормальных атмосферных условиях, у которой при воспламенении горение распространяется на весь объем несгоревшей смеси.
Примечание — Несмотря на то, что смесь, концентрация которой превышает верхний концентрационный предел воспламенения не является взрывоопасной газовой смесью, она может стать таковой. В ряде случаев рекомендуется рассматривать ее как взрывоопасную, в частности, при классификации зон (ГОСТ 30852.9-2002 (МЭК 60079-10:1995) Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 10. Классификация взрывоопасных зон от 29.11.2012).

Сам по себе природный газ, не смешанный с воздухом, взорваться не может. Опасными являются газовоздушные смеси при определенных соотношениях в них природного газа и воздуха.

В Российской Федерации концентрационные пределы воспламенения (по метану) в смеси с воздухом в объемных процентах: нижний — 4,4, верхний — 17,0, температура самовоспламенения (по метану) — 537°С (ГОСТ 5542-2014 Газы горючие природные промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия от 09.10.2014).

Пределы воспламенения смесей горючих газов с воздухом различны и зависят от химического свойства газов. Для природного газа конкретного состава показатели пожаровзрывоопасности определяют по ГОСТ 12.1.044-89 (ИСО 4589-84) ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения (с Изменением N 1) от 12.12.1989.

Обратите также внимание, что в соответствии указанными ГОСТами привычное понятие «взрывопожароопасность» (федеральный закон о промышленной безопасности опасных производственных объектов) звучит иначе – «пожаровзрывоопасность».

Так вот, при содержании газа (метана) в газовоздушной смеси менее 4,4 % горение возможно только в поверхностном слое вблизи постороннего открытого огня, в связи с тем, что количество тепла, выделяющегося при горении такого обедненного газа, недостаточно для подогрева последующего слоя газа до температуры воспламенения: пламя в такой смеси не распространяется — при отдалении постороннего источника тепла горение прерывается.

Аналогично при содержании газа (метана) по объему более 17 % его горение требует постоянного подвода к смеси дополнительного воздуха. Впрочем, в обоих случаях газовоздушная смесь будет гореть при всех соотношениях газа и воздуха, если прогреть ее до температуры воспламенения газа.

Таким образом, взрыв газовоздушной смеси происходит, когда одновременно воспламеняется значительный объем смеси. Из-за мгновенного выделения большого количества тепла и расширения продуктов сгорания давление в объеме резко возрастет.

Ну и напоследок разберемся с основными причинами образования взрывных газовоздушных смесей — таковыми являются утечка газа из систем газоснабжения и отдельных ее элементов (неплотность закрытия арматуры, износ сальниковых уплотнений, разрывы швов газопроводов, негерметичность резьбовых соединений и т. д.), а также несовершенная вентиляция помещений, топки и газоходов котлов и печей, подвальных помещений и различных колодцев подземных коммуникаций.

Взрывоопасные и токсичные газы

К взрывоопасным газам относится метан и сероводород. Появление метана в рабочей атмосфере углеобогатительных фабрик обусловлено выделением его из угля. При длительном пребывании угля в накопительных бункерах опасность по метановому фактору возрастает.

Сероводород образуется в смотровых колодцах и в скважинах насосных станций.

Взрывоопасные газы характеризуются нижним и верхним пределами взрываемости.

Нижним пределом взрывоопасности называется то минимальное содержание газа в воздухе, которое способно при воспламенении вызвать взрыв.

Верхним пределом взрывоопасности называется то максимальное количество газа в воздухе, которое при некотором его превышении уже не способно инициировать взрыв.

Нижний и верхний пределы взрываемости:

для метана соответственно 5 и 15%;

для сероводорода соответственно 4,5 и 45%.

Концентрация метана в воздухе более 2% считается взрывоопасной.

ПДК вредных веществ (мг/м3) в воздухе рабочих зон для:

По степени воздействия на организм вредные вещества подразделяются на четыре класса опасности:

I - вещества чрезвычайно опасные;

II - вещества высокоопасные;

III - вещества умеренно опасные;

IV - вещества малоопасные.

Сероводород относится ко II классу опасности, диоксид серы - к III, оксид углерода - IV.

Токсичными газами являются диоксид серы SO2, оксид углерода CO, сероводород H2S, хлорид цинка ZnCl2, и при повышенных концентрациях (более 4%) диоксид углерода CO2.

Вредным газом, способным создавать некомфортные условия и быть причиной утомляемости обслуживающего персонала, является в малой концентрации диоксид углерода.

Наиболее вероятными производственными зонами образования оксида углерода, диоксида углерода и сернистого газа являются топочные помещения отделений сушки УОФ.

Диоксид серы выделяется при сжигании углей с повышенным содержанием серы (более 0,7%) в топочных отделениях корпусов сушки углеобогатительных фабрик, токсичен. Симптомы при отравлении - насморк, кашель, охриплость, першение в горле. При вдыхании сернистого газа более высокой концентрации - удушье, расстройство речи, затруднение глотания, рвота, возможен острый отек легких.

ПДК максимально-разового воздействия диоксида серы - 0,5 мг/м3.

Оксид углерода не вызывает раздражающего действия, весьма опасен.

Симптомы отравления оксидом углерода - головокружение, сонливость.

Сероводород - очень токсичен. Симптомы отравления сероводородом - головокружение, головная боль, тошнота, судороги, отек легких.

Хлорид цинка используется на УОФ в химических лабораториях для проведения фракционных анализов угля. При вдыхании паров растворов, содержащих ионы цинка, у человека поражаются дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт.

Диоксид углерода. При содержании 4 - 6% диоксида углерода в рабочей атмосфере дыхание и пульс учащаются, появляется шум в ушах, при содержании 10% диоксида углерода наступает обморочное состояние, слабо ядовит, но при большой концентрации опасен для жизни.

Читайте также: