苏岱峰

（山西工程职业学院冶金与环境工程系，山西 太原 030001）

转炉煤气是炼钢生产过程中的伴随产物，具有重要的利用价值。转炉煤气的主要成分是CO、CO2、H2、N2和O2，具有易发生火灾、爆炸等危险性，是炼钢车间最主要的危险物质之一。在收集转炉煤气过程中，煤气一旦发生泄漏，易与空气形成爆炸性混合物，遇明火则会发生火灾爆炸事故。因此，研究转炉煤气发生爆炸的条件，对车间安全生产具有重要的借鉴意义[1]。

爆炸极限、爆炸压力以及爆炸压力上升速率是表征转炉煤气爆炸特性的重要参数，也是指导现场安全管理的重要数据。爆炸极限表征的是转炉煤气能够发生爆炸的浓度范围。煤气爆炸极限会受到环境温度、湿度等多种因素的影响，当转炉煤气组分发生变化时，其爆炸上下限也会相应发生变化。因此，研究转炉煤气组分变化对其爆炸上下限的影响，对企业预防煤气爆炸事故具有重要的意义。

1 转炉煤气成分

转炉煤气中的可燃组分包括CO以及微量的H2，同时也含有CO2和N2等惰性气体，此外，还有微量的O2。具体组分如表1所示。

表1 冶金企业转炉煤气组分变化范围 %

2 多种可燃气体组成的混合物爆炸极限计算

式中：x为混合可燃气体的爆炸极限；p1、p2、p3、…、pi为混合气中各组分的体积分数，%；N1、N2、N3、…、Ni为混合气中各组分的爆炸极限，%。

该式称为莱—夏特尔公式，将各组分可燃气爆炸下限带入公式计算出来的结果为可燃混合气的爆炸下限；将各组分可燃气爆炸上限带入公式计算出来的结果为可燃混合气的爆炸上限。应用该公式计算的爆炸下限接近实际，爆炸上限偏差较大[4]。

如果混合气中含有惰性气体，如N2、CO2等，计算其爆炸极限时，仍然可用莱—夏特尔公式进行计算。但需要将每种惰性气体与一种可燃气编为一组，将该组气体看成一种可燃性气体成分进行计算。该组在混合气体中的体积分数为该组中惰性气体和可燃气体体积分数之和。计算该组气体的爆炸极限时，可先分别列出该组惰性气体与可燃气的组合比例，然后从图1中查出该组在混合气体中的体积分数，然后带入公式进行计算。

图1 气体的爆炸极限图

3 煤气组分变化对煤气爆炸下限的影响

3.1 φ（CO）对转炉煤气爆炸下限的影响

本次研究参考文献1中煤气组分的变化，由于CO、CO2可以相互转化，当煤气中φ（CO）较低时，φ（CO2）势必较高，当φ（CO）较高时，φ（CO2）则会降低，将N2作为平衡气体。本次研究当煤气浓度为表2情况时，其爆炸下限的变化趋势，具体如表3、图2所示。

表2 煤气各组分体积浓度%

表3 煤气爆炸极限

图2 转炉煤气中φ（CO）对其爆炸下限的影响趋势

通过研究可得，随着转炉煤气中φ（CO）的增多，煤气的爆炸下限逐渐降低。这是因为当煤气中φ（CO）较多时，其与空气混合，一氧化碳分子与氧分子的碰撞、接触的几率变大，使它们之间更加容易发生化学反应，进而引起煤气爆炸。

3.2 φ（O2）对转炉煤气爆炸下限的影响

转炉煤气中除了含有大量的CO、N2以及CO2外，还有微量的H2和O2，本次借助于莱—夏特尔公式，研究微量O2对转炉煤气爆炸下限的影响。表4为φ（O2）=1.0%下的煤气各组分体积分数，相应的煤气爆炸下限如表5所示。图3为φ（O2）对转炉煤气爆炸下限的影响趋势图。

图3 φ（O2）对转炉煤气爆炸下限的影响趋势

表4 φ（O2）=1.0%下煤气各组分体积分数%

表5 煤气爆炸下限

通过研究发现，当转炉煤气中含有少许O2时，其爆炸下限较不含O2转炉煤气的爆炸下限更低。

4 结论

1）随着转炉煤气中φ（CO）的升高，其爆炸下限逐渐降低，这是由于φ（CO）较多时，其与空气混合，一氧化碳分子与氧分子的碰撞、接触的几率变大，使它们之间更容易发生化学反应，进而发生爆炸。

2）当转炉煤气中含有少量O2时，与空气形成的爆炸性混合物的爆炸下限较无O2时的更低，这是由于φ（O2）增加，使其更容易与CO发生反应，从而引发爆炸。