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可燃气体和蒸汽的检测

2008-12-18

一般概念在任何场所，我们都会遇到各种各样的可燃气体和蒸气。当它们的浓度足够时，许多物质的蒸气和气体都变成了可燃性危险气体，如果此时遇到火源并提供一定的能量就会发生燃烧。可其中的火源可能包括我们并不在意的东西比如：光源、电动工具、电子仪器甚至静电等等

一般概念
在任何场所，我们都会遇到各种各样的可燃气体和蒸气。当它们的浓度足够时，许多物质的蒸气和气体都变成了可燃性危险气体，如果此时遇到火源并提供一定的能量就会发生燃烧。可其中的火源可能包括我们并不在意的东西比如：光源、电动工具、电子仪器甚至静电等等。
发生燃烧（即，在点燃后，火焰会由燃点开始扩散）必须符合四个条件：气体中必须含有适量的氧气、适量的燃气、火源以及足够的分子能量维持火链反应。这四个条件一般被称为“火四边体”。如果这四个其中的任何一个没有或不足，燃烧都不可能发生。
在火四边形的其它条件满足后，任何一种气体或蒸气都存在一个特定的最小浓度，只有在此浓度之上的气体或蒸气同空气或氧混合才会发生燃烧。我们将混合物发生燃烧的最低浓度称为燃烧下限（LFL，Lower Flammable Limit）；一个混合物可能被点燃而后爆炸的最低浓度为爆炸下限（即常说的LEL，Lower Explosive Limit）。可以看出，二者在定义上并不完全相同，但在实际上却可互相替代使用。不同的可燃物有不同的LFL/LEL，低于LFL/LEL的气体或蒸气对氧气的比例太低而不会燃烧。
大多数（不是全部）的可燃气体或蒸气还具有一个高限浓度，在此之上，也不会发生爆炸。燃烧高限UFL (Upper Flammable Limit) 是蒸气和气体在空气中支持燃烧的最大浓度。在表述上，它与爆炸高限UEL (Lower Explosive Limit）通常也不加区分。高于UFL/UEL时，蒸气或气体同氧气的比例太大以至于无法反应使燃烧扩散。在LFL/LEL和UFL/UEL之间的差值就是可以燃烧的浓度区间。如果符合了燃烧四边形的条件，在此之间的浓度的可燃气体或蒸气就可能发生燃烧。
各类气体或蒸气间的燃烧范围有很大的不同。这也导致了一般我们要使用百分比浓度而不是用g/m3来表示LFL/LEL和UFL/UEL。当使用g/m3表示时，大多数的物质LFL/LEL都是相近的，平均在45-50g/m3。表3 给出了常见物质的燃烧限度：

表3 燃烧极限的例子 (NFPA 可燃性液体、气体和挥发性固体，1977)
物质 LFL/LEL (% Vol.) UFL/UEL (% Vol.)
丙酮 2.6 12.8
乙炔 2.5 100
氨气 16 25
一氧化碳 12.5 74
氧化乙烯 3 100
氢气 4 75
硫化氢 4.3 46
甲烷 5 15
丙烷 2.2 9.5

通常在资料上所列出的燃烧限度都是在标准大气中氧的浓度（20.9%V/V）和温度压力下得到的数据。任何情况下的氧气富裕都会导致对燃烧过程的加速而使得燃烧限度范围发生改变。
可燃性气体的监测仪器读数大都是“%LEL”而不是“%VOL”，这是相当重要的。为了说明这一问题，假设一个仪器读数为3%VOL的环境。如果得到这个读数的气体/蒸气或者混合物的精确组份是已知的，那么它的可燃性就是已知的，而在另一方面，如果不知道它们的准确组成，也就无法决定它的可燃性。假设这个读数是由甲烷引起的（甲烷的LEL是5%VOL），这个浓度就低于它的LEL/LFL，但如果这个读数是由丙烷引起的，那么这个浓度就高于LEL（丙烷的LEL是2.2%VOL），就会有爆炸的危险。
大多数易燃易爆气体监测仪器的读数是在0-100%LEL之间，这是因为大多数的标准都使用LEL/LFL的百分数来制定危险程度指标。一般的警报限度是5%或10%的LEL/LFL，在许多仪器上的缺省值都设为10%LEL/LFL。
不论何时，一旦读数超过10%LEL都意味着可能存在燃烧的危险或者非正常情况，10%LEL是监测易燃易爆气体或混合物的最保守的（或最高可以接受的）警报设置点。绝对安全的环境中一定是0%LEL/LFL！
用%VOL（体积）浓度检测仪可以测得较高水平的易燃易爆气体的浓度，即可以检测高于LEL/LFL的浓度。有些仪器还可以检测ppm级的爆炸气体。有些仪器还可以在不同浓度间进行切换。
图3，既可监测LEL%又可监测ppm级烷烃浓度的iTx复合式气体检测仪（ISC公司）
蒸气是液体和固体的在室温下的气体状态。气化或蒸发的速度，或者说由液体或固体转化为气体的速度是我们考虑形成可燃气体混合物的一个重要因素。蒸发是温度的函数，温度增加，液体转化为气体的量也增加。相反，温度降低可能会降低气体的量，有些气体可能还会冷凝为液体。
爆炸的前提是空气中存在可燃物物质的蒸气。一般规律下，液体是不会燃烧的。防火的重要概念是避免足够量可燃气体的存在。闪点是液体释放蒸气的最低温度，也是LEL/LFL形成的温度，它是物质的固有特征。
表4 常见物质的闪点
标4 闪点
闪点
物质 °C °F
汽油(航空级)a - 46 - 50
丙酮 - 20 - 4
甲基乙级酮 - 9 16
乙醇 (96%) 17 62
柴油(#1-D)a 38 100
a 大致最低温度

因此，如果工作人员需要检测易燃易爆物质，那么他还要考虑工作场所中可能存在的液体的闪点。
在检测过程中，待测周围环境的温度变化是必需要注意到的因素。检测前后温度的增加会显著地增加蒸气的量。温度增加的因素包括：太阳光对物体（固体及液体、气体）的直射；一般的工作行为（焊接、研磨、切割、钻孔等等在局部加热过程）等等。温度增加使得危险性增加，如果不注意这一点，就会导致工作过程中的爆炸和火灾。因此，有必要在工作过程中对气体进行连续监测。例如，在 10 °C 时，乙醇的蒸气还不会达到点燃程度。而在21 °C时, 乙醇的蒸气就很容易被点燃。
在使用易燃易爆监测仪器时可能遇到其他的问题还包括：首先，测定的仪器必须用要检测的气体进行校正，例如，用甲烷标定的仪器对煤油就不是很灵敏。第二，将气体引入仪器的较长的探杆可能会吸收某些气体，使之无法到达传感器，从而使得仪器的实际读数有很大的降低。第三，温度的影响不容忽视。比如，某些密闭空间内的温度通常要比它外面高许多，空间内部的煤油蒸气在导到外部仪器时可能会冷凝成了液体，而无法被气体传感器检测到。
另一个问题是仪器的分辨率，一个可以读出百分比LEL的仪器的增量是1%LEL/LFL，它就不可能读出小于1%LEL/LFL变化的数值。例如，一个可燃气体的浓度是0.7%LEL/LFL，低于了仪器的分辨率，此时仪器的读数可能是零。因此当用仪器去检测高闪点的液体时，比如对于松节油、汽油或柴油等，了解仪器的分辨率是非常重要的。在这种情况下，只能读取%LEL的仪器就不太够用，就可能需要光离子化检测器。
在检测过程中，还要注意到待测气体或蒸气的密度，那些比空气轻的气体会上升到空间的上部，而比空气重的气体会积聚到空间的底部。这在实际的空间分布上就有所不同。轻的气体包括氢气、甲烷和氨气等，而重的气体包括丙烷、硫化氢、汽油和其他很多常见的有机溶剂。

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