CN107506942A - 一种评估混合湿烟气爆炸风险的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种评估混合湿烟气爆炸风险的方法及系统，该方法包括：1)检测含有空气的混合气体的各项参数；2)根据步骤1)的检测数据，分别计算混合湿烟气中扣除空气后的可燃煤气各组分浓度以及混合湿烟气中可燃煤气干态浓度；3)将可燃煤气中的每种可燃气与每种惰性气进行两两组合，定义4个分配系数并初始化分配系数矩阵，筛选获得最终满足要求的分配系数矩阵，分别计算各组气体的体积浓度，获得在各个分配系数取值时各组合气体的爆炸上限和爆炸下限，判断混合烟气在干态下是否存在爆炸风险。本发明根据对混合湿烟气各项参数的检测，进行数据处理之后，可实现对混合气体的实时爆炸风险评估以及未来某一时刻的爆炸风险预测。
Description
技术领域
本发明涉及混合湿烟气爆炸风险评估领域，特别是涉及一种评估混合湿烟气爆炸风险的方法及系统。
背景技术
可燃性气体中混入空气后，当空气的混入量达到一定程度时，则会发生爆炸，例如，转炉炼钢过程中会产生大量的高温转炉一次烟气，其中蕴含的能量通常采用湿法(OG)或干法(LT)工艺回收。由于转炉冶炼的周期性以及转炉煤气自身的易爆特性，一般是通过喷水、喷蒸汽等方式将转炉煤气迅速降温至200℃以下。对于LT工艺，降温后的转炉煤气再通过静电除尘器净化处理。实际运行中，常出现由于转炉煤气爆炸导致系统停运的现象，这严重影响了转炉的生产以及系统安全性。目前判断转炉一次烟气是否安全的方法较为保守，一般认为一次烟气中氧气浓度低于2％则无爆炸风险，但对于某些混合湿烟气，例如转炉冶炼前期和后期，转炉一次烟气中的氧气浓度(0～21％)和一氧化碳浓度(0～50％)变化范围较大、变化速率较快，常规方法很难准确评估此时转炉一次烟气的爆炸风险。
因此，需要一种可准确评估转炉一次烟气等混合湿烟气爆炸风险的方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种评估混合湿烟气的爆炸风险的方法及系统，用于解决现有技术中混合湿烟气的爆炸风险难以评估等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种评估混合湿烟气爆炸风险的方法，包括如下步骤：
1)检测含有空气的混合湿烟气的各项参数，包括混合湿烟气中各种成分的干态浓度(包括一氧化碳浓度αCO、氢气浓度αH2、二氧化碳浓度αCO2、氮气浓度αN2、氧气浓度αO2等)、烟气温度T(℃)、烟气压力P(MPa)、烟气相对湿度RH；
2)
计算混合湿烟气中扣除空气后的可燃煤气各组分浓度，包括：一氧化碳浓度αCO′、氢气浓度αH2′、二氧化碳浓度αCO2′以及氮气浓度αN2′；具体计算公式如下：
αCO′＝0.21αCO/(0.21-αO2)，
αH2′＝0.21αH2/(0.21-αO2)，
αCO2′＝0.21αCO2/(0.21-αO2)，
αN2′＝(0.21αN2-0.79αO2)/(0.21-αO2)。
计算混合湿烟气中可燃煤气浓度(干态)，具体为：
αD’＝1-αO2/0.21。
3)将可燃煤气中每种可燃气与每种惰性气进行两两组合，定义4个分配系数p、q、m和n的取值范围为0～1，初始化分配系数矩阵A＝[p,q,m,n]。
将气体分为：CO+CO2，CO+N2，H2+CO2和H2+N2四组混合气，四组混合气体积比分别为pαCO2’+mαCO’，qαN2’+(1-m)αCO’，(1-p)αCO2’+nαH2’和(1-q)αN2’+(1-n)αH2’。
分配系数的设置需满足如下条件：①若p＝0，则n＝0；②若p＝1，则n≠0；③若0<p<1，则0<n<1；④若q＝0，则m＝0；⑤若q＝1，则m≠0；⑥若0<q<1，则0<m<1；⑦n/pαN2’/αCO’≤3.97；⑧m/qαCO2’/αH2’≤9.74；⑨(1-m)/(1-p)αCO2’/αCO’≤2.03；⑩(1-n)/(1-q)αN2’/αH2’≤16；其中i表示矩阵A第i行。若不满足上述条件，则矩阵A第i行数据无效，令A(i,:)＝[]，由此获得最终的满足要求的分配系数矩阵A。
根据最终获得的分配系数矩阵分别计算各组气体的体积浓度，根据该体积浓度查询组合气体的爆炸极限图，获得在各个分配系数取值时各组合气体的爆炸上限和爆炸下限，分别为：上限LU1(i)、LU2(i)、LU3(i)和LU4(i)，下限LD1(i)、LD2(i)、LD3(i)和LD4(i)，通过Le Chatelier公式计算不同分配系数A(i,:)下的易爆气体爆炸上限LU和气体爆炸下限LD，具体为：
得到相应的爆炸上限LU和爆炸下限LD，判断是否存在某一分配方案i，使得不等式LD(i)≤αD′≤LU(i)成立。若不存在，则混合湿烟气无爆炸风险。
若存在，则说明该混合烟气在干态下存在爆炸风险，根据步骤1)的检测数据，计算混合湿烟气中水蒸气浓度αH2O＝Pvap(T)×RH/P，式中，Pvap(T)为温度T对应的水蒸汽饱和压力，单位MPa，可查阅水蒸气性质图表(或采用NIST软件计算)获得。进而计算可燃煤气在爆炸下限LU时的绝热火焰温度Tad,LEL以及混合湿烟气绝热燃烧温度Tad,W，计算方法可参考文献“李国梁,蒋军成,潘勇.基于绝热火焰温度混合气体爆炸下限的预测[J].中国安全科学学报,2011,21(7):57.”。
计算Tad,W≥Tad的概率，评估混合湿烟气的爆炸风险。
此处的混合湿烟气是指含有CO、H2、CO2、N2、H2O和O2的混合气。
进一步地，所述混合湿烟气为转炉一次烟气。当然，混合湿烟气也可以为发生炉煤气、天然气、焦炉煤气、水煤气等其他气体与空气的混合气。
进一步地，所述混合湿烟气中扣除空气后的可燃煤气为不含O2的混合气体。
进一步地，步骤3)中，对混合湿烟气的爆炸风险评估包括实时评估和预测评估。
进一步地，步骤3)中，对混合湿烟气爆炸风险的预测评估具体是根据步骤1)所述的检测数据按时间拟合计算未来某一时刻的混合湿烟气各项参数。
本发明第二方面提供一种评估混合气体爆炸风险的系统，包括用于检测含有空气的混合气体各项参数的检测模块、用于处理数据的处理模块、用于对混合气体的爆炸风险进行评估的风险评估模块。
进一步地，所述风险评估模块包括实时爆炸风险评估模块、爆炸风险预测模块。
如上所述，本发明的评估混合湿烟气爆炸风险的方法及系统，具有以下有益效果：本发明根据对转炉一次烟气等混合气体各项参数的检测，进行数据处理之后，实现对混合湿烟气的实时爆炸风险评估以及未来一段时间内的爆炸风险评估。
附图说明
图1为实施例1的计算结果与实验结果对比图。
图2为本发明实施例的系统构成示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
本实施例对混合气体爆炸极限进行计算，并与实验结果进行对比。
实验用混合气体成分及对应浓度如下(浓度均指体积浓度)：CO-29.97％，H2-1.04％，CO2-29.99％，N2-39％。通过爆炸球实验，测试得到该混合气体的爆炸极限为：爆炸下限49.2％，爆炸上限76.8％。
若采用常规的Le Chatelier，只有两种组合方案：CO/CO2+H2/N2或CO/N2+H2/CO2。根据组合气的浓度比，查混合气体爆炸极限图发现，αN2/αH2＝37.5或αCO2/αH2＝28.8均超过了混合气的爆炸浓度比范围，(αN2/αH2)MAX＝16或(αCO2/αH2)MAX＝9.74。因此，采用常规的LeChatelier方法无法计算本混合气体的爆炸极限。
采用本发明所述方法，首先设置分配系数p、q、m和n，其取值范围均为0～1，得到初始化分配系数矩阵A＝[p,q,m,n]，其中pi+1-pi＝qi+1-qi＝mi+1-mi＝ni+1-ni＝dt，取值间隔dt越小，初始化分配系数矩阵A越大，矩阵A的行数等于(1+1/dt)4。
以下举例说明矩阵A的构建方式：
设dt取值1，则各分配系数取值为[0,1]，分配系数矩阵A为16×4矩阵，具体如下：
根据以下条件：①若A(i,1)＝0，则A(i,4)＝0；②若A(i,1)＝1，则A(i,4)≠0；③若0<A(i,1)<1，则0<A(i,4)<1；④若A(i,2)＝0，则A(i,3)＝0；⑤若A(i,2)＝1，则A(i,3)≠0；⑥若0<A(i,2)<1，则0<A(i,3)<1，删除不满足要求的行，获得分配系数矩阵如下：
该矩阵即为采用常规Le Chatelier方法的组分分配方式，即分配方案A(1,:)，CO/CO2+H2/N2，和分配方案A(2,:)，CO/N2+H2/CO2。将本实施例各组分浓度带入计算发现分配矩阵A，无法满足如下条件：⑦A(i,4)/A(i,1)αN2’/αCO’≤3.97；⑧A(i,3)/A(i,2)αCO2’/αH2’≤9.74；⑨(1-A(i,3))/(1-A(i,1))αCO2’/αCO’≤2.03；⑩(1-A(i,4))/(1-A(i,2))αN2’/αH2’≤16；因此，当dt＝1时无法计算本实施例所述混合气体爆炸极限。
通过对比分析，dt建议取值为0.1，此时构建的初始化分配系数矩阵A为11641×4矩阵，根据如下条件：①若A(i,1)＝0，则A(i,4)＝0；②若A(i,1)＝1，则A(i,4)≠0；③若0<A(i,1)<1，则0<A(i,4)<1；④若A(i,2)＝0，则A(i,3)＝0；⑤若A(i,2)＝1，则A(i,3)≠0；⑥若0<A(i,2)<1，则0<A(i,3)<1；⑦A(i,4)/A(i,1)αN2’/αCO’≤3.97；⑧A(i,3)/A(i,2)αCO2’/αH2’≤9.74；⑨(1-A(i,3))/(1-A(i,1))αCO2’/αCO’≤2.03；⑩(1-A(i,4))/(1-A(i,2))αN2’/αH2’≤16；删除不满足要求的行，获得45×4的分配系数矩阵如下(仅列出了部分行)：
由矩阵A可获得45种气体分配方案，之后根据Le Chatelier公式可计算每种分配方案下的混合气体爆炸极限，分配方案1～分配方案45的计算结果见图1。计算爆炸下限平均值为45.1％，计算爆炸上限平均值为67.6％，与实验结果偏差分别为8.3％和12％。
实施例2
本实施例展示混合湿烟气爆炸风险评估的方法。
混合湿烟气各成分浓度(干态)为：CO-15％，H2-0.5％，CO2-15％，N2-59％，O2-10.5％，混合湿烟气温度为T＝65℃，压力P＝0.1MPa，湿度RH＝100％。
(1)根据混合湿烟气温度查水蒸气性质图表(或采用NIST软件计算)得水蒸气对应饱和压力Pvap＝0.025MPa，计算混合湿烟气中水蒸气浓度：
αH2O＝Pvap(T)×RH/P＝0.025×100％/0.1＝25％。
计算混合湿烟气中扣除空气后的可燃煤气各组分浓度为：
αCO′＝0.21αCO/(0.21-αO2)＝30％，
αH2′＝0.21αH2/(0.21-αO2)＝1％，
αCO2′＝0.21αCO2/(0.21-αO2)＝30％，
αN2′＝(0.21αN2-0.79αO2)/(0.21-αO2)＝39％。
计算混合湿烟气中可燃煤气浓度：αD′＝1-αO2/0.21＝50％。
(2)设置分配系数p、q、m和n，初始化分配系数矩阵A＝[p,q,m,n]，其中pi+1-pi＝qi+1-qi＝mi+1-mi＝ni+1-ni＝dt，取值间隔dt取值0.1，得到初始化分配系数矩阵A，根据如下条件：①若A(i,1)＝0，则A(i,4)＝0；②若A(i,1)＝1，则A(i,4)≠0；③若0<A(i,1)<1，则0<A(i,4)<1；④若A(i,2)＝0，则A(i,3)＝0；⑤若A(i,2)＝1，则A(i,3)≠0；⑥若0<A(i,2)<1，则0<A(i,3)<1；⑦A(i,4)/A(i,1)αN2’/αCO’≤3.97；⑧A(i,3)/A(i,2)αCO2’/αH2’≤9.74；⑨(1-A(i,3))/(1-A(i,1))αCO2’/αCO’≤2.03；⑩(1-A(i,4))/(1-A(i,2))αN2’/αH2’≤16，删除不满足要求的行，获得35×4分配系数矩阵A如下：
根据最终获得的分配系数矩阵分别计算各组气体的体积浓度，根据该体积浓度查询组合气体的爆炸极限图，获得在各个分配系数取值时各组合气体的爆炸上限和爆炸下限。通过LeChatelier公式计算不同分配系数A(i,:)下的易爆气体爆炸上限LU(i)和气体爆炸下限LD(i)，具体为：
判断是否存在某一分配方案i，使得不等式LD(i)≤αD′≤LU(i)成立。
经判断有多个方案可使不等式成立，说明混合烟气在干态下存在爆炸风险，进而计算可燃煤气在爆炸下限LD时的绝热火焰温度Tad,LEL以及混合湿烟气绝热燃烧温度Tad,W，计算方法可参考文献“李国梁,蒋军成,潘勇.基于绝热火焰温度混合气体爆炸下限的预测[J].中国安全科学学报,2011,21(7):57.”，计算结果如下：
Tad,W＝693.5(℃)。
计算Tad,W≥Tad的概率为0，因此评估本实施例所述混合湿烟气的爆炸风险为0。
实施例3
本实施例对转炉一次烟气进行爆炸风险评估。
图2示出了本发明的系统构成。通过转炉一次烟气参数检测模块对转炉一次烟气中的一氧化碳浓度αCO、二氧化碳浓度αCO2、氧气浓度αO2、氢气浓度αH2、氮气浓度αN2以及转炉一次烟气的压力P、温度T和相对湿度RH进行实时检测并将检测数据传递给烟气数据处理模块。
烟气数据处理模块对烟气参数进行实时分析处理，具体包括：根据烟气温度T，计算所述烟气温度T对应的水蒸汽饱和压力Pvap(T)，计算烟气中水蒸气浓度为αH2O＝Pvap(T)×RH/P。
计算混合湿烟气中扣除空气后的可燃煤气各组分浓度，包括：一氧化碳浓度αCO′、氢气浓度αH2′、二氧化碳浓度αCO2′以及氮气浓度αN2′；具体计算公式如下：
αCO′＝0.21αCO/(0.21-αO2)；
αH2′＝0.21αH2/(0.21-αO2)；
αCO2′＝0.21αCO2/(0.21-αO2)；
αN2′＝(0.21αN2-0.79αO2)/(0.21-αO2)；
计算混合湿烟气中可燃煤气浓度：αD′＝1-αO2/0.21。
若评估混合湿烟气实时状态下的爆炸风险，则所述烟气数据处理模块将计算的实时数据传递给所述烟气爆炸风险评估模块。若要预测混合湿烟气未来一段时间内的爆炸风险，则所述烟气数据处理模块将历史1min内的烟气数据进行多项式拟合，根据拟合方程计算得到未来某一时刻烟气数据传递给所述烟气爆炸风险评估模块。
烟气爆炸风险评估模块再根据所可燃煤气组分浓度等数据进行爆炸风险实时评估或预测评估。采用与实施例1相同的方法获得分配系数矩阵A，再由分配系数矩阵A计算可燃煤气爆炸上限LU和爆炸下限LD。判断是否存在某一分配方案i，使得不等式LD(i)≤αD′≤LU(i)成立。若不存在，则混合湿烟气无爆炸风险。
若存在，则说明该混合烟气在干态下存在爆炸风险。进而计算可燃煤气在爆炸下限LD时的绝热火焰温度Tad,LEL以及混合湿烟气绝热燃烧温度Tad,W。计算Tad,W≥Tad的概率，评估混合湿烟气的爆炸风险。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种评估混合湿烟气爆炸风险的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)检测含有空气的混合湿烟气的各项参数，包括混合湿烟气中各种成分的干态浓度、烟气温度T(℃)、烟气压力P(MPa)、烟气相对湿度RH，混合湿烟气中各种成分的干态浓度包括一氧化碳浓度αCO、氢气浓度αH2、二氧化碳浓度αCO2、氮气浓度αN2、氧气浓度αO2；
2)
计算混合湿烟气中扣除空气后的可燃煤气各组分浓度，包括：一氧化碳浓度αCO′、氢气浓度αH2′、二氧化碳浓度αCO2′以及氮气浓度αN2′；
计算混合湿烟气中可燃煤气浓度(干态)：αD′＝1-αO2/0.21；
3)将可燃煤气中每种可燃气与每种惰性气进行两两组合，定义4个分配系数p、q、m和n，取值范围为0～1，初始化分配系数矩阵A＝[p,q,m,n]；
将气体分为：CO+N2、H2+CO2，CO+CO2和H2+N2四组混合气，四组混合气体积比分别为nαN2’+pαCO’，mαCO2’+qαH2’，(1-m)αCO2’+(1-p)αCO’和(1-n)αN2’+(1-q)αH2’；
分配系数矩阵的设置需满足如下条件：①若A(i,1)＝0，则A(i,4)＝0；②若A(i,1)＝1，则A(i,4)≠0；③若0<A(i,1)<1，则0<A(i,4)<1；④若A(i,2)＝0，则A(i,3)＝0；⑤若A(i,2)＝1，则A(i,3)≠0；⑥若0<A(i,2)<1，则0<A(i,3)<1；⑦A(i,4)/A(i,1)αN2’/αCO’≤3.97；⑧A(i,3)/A(i,2)αCO2’/αH2’≤9.74；⑨(1-A(i,3))/(1-A(i,1))αCO2’/αCO’≤2.03；⑩(1-A(i,4))/(1-A(i,2))αN2’/αH2’≤16；其中i表示矩阵A第i行，若不满足上述条件，则矩阵A第i行数据无效，令A(i,:)＝[]，由此获得最终满足要求的分配系数矩阵A；
根据最终获得的分配系数矩阵分别计算各组气体的体积浓度，根据该体积浓度查询组合气体的爆炸极限图，获得在各个分配系数取值时各组合气体的爆炸上限和爆炸下限，分别为：上限LU1(i)、LU2(i)、LU3(i)和LU4(i)，下限LD1(i)、LD2(i)、LD3(i)和LD4(i)，通过LeChatelier公式计算不同分配系数A(i,:)下的可燃煤气爆炸上限LU(i)和爆炸下限LD(i)，得到相应的爆炸上限LU和爆炸下限LD，判断是否存在某一分配方案i，使得不等式LD(i)≤αD′≤LU(i)成立，若不存在，则混合湿烟气无爆炸风险；若存在，则判断该混合烟气在干态下存在爆炸风险。
2.根据权利要求1所述的评估混合湿烟气爆炸风险的方法，其特征在于：所述混合湿烟气中含有CO、H2、CO2、N2、H2O和O2。
3.根据权利要求1所述的评估混合湿烟气爆炸风险的方法，其特征在于：步骤3)中，若混合湿烟气在干态下存在爆炸风险，则根据步骤1)的检测数据，计算混合湿烟气中水蒸气浓度αH2O＝Pvap(T)×RH/P；式中，Pvap(T)为温度T对应的水蒸汽饱和压力，单位MPa；然后计算可燃煤气在爆炸下限LD时的绝热火焰温度Tad,LEL以及混合湿烟气绝热燃烧温度Tad,W，计算Tad,W≥Tad的概率，评估混合湿烟气的爆炸风险。
4.根据权利要求1所述的评估混合湿烟气爆炸风险的方法，其特征在于：步骤2)中，混合湿烟气中扣除空气后的可燃煤气各组分浓度的具体计算公式包括：
αCO′＝0.21αCO/(0.21-αO2)；
αH2′＝0.21αH2/(0.21-αO2)；
αCO2′＝0.21αCO2/(0.21-αO2)；
αN2′＝(0.21αN2-0.79αO2)/(0.21-αO2)。
5.根据权利要求1所述的评估混合湿烟气爆炸风险的方法，其特征在于，所述混合湿烟气选自如下气体中的至少一种：a、转炉一次烟气；b、发生炉煤气、天然气、焦炉煤气、水煤气中的至少一种与空气的混合气。
6.根据权利要求1所述的评估混合湿烟气爆炸风险的方法，其特征在于，步骤3)中，爆炸上限LU(i)、爆炸下限LD(i)的具体计算公式如下：
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7.根据权利要求1所述的评估混合湿烟气爆炸风险的方法，其特征在于：步骤3)中，对混合湿烟气的爆炸风险评估包括实时评估和预测评估。
8.根据权利要求7所述的评估混合湿烟气爆炸风险的方法，其特征在于：步骤3)中，对混合湿烟气爆炸风险的预测评估具体是根据步骤1)所述的检测数据按时间拟合计算未来某一时刻的混合湿烟气各项参数，再根据步骤2)和步骤3)对拟合数据进行爆炸风险评估。
9.一种评估混合湿烟气爆炸风险的系统，其特征在于，包括用于检测混合湿烟气各项参数的检测模块、用于处理数据的处理模块、用于对混合湿烟气的爆炸风险进行评估的风险评估模块。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述风险评估模块包括实时爆炸风险评估模块、爆炸风险预测模块。
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