有毒有害气体的检测原理和应用--可燃气体

时间:2018-04-12 20:30:00


在密闭空间中遇到的可燃气体和蒸气可能来自几个方面。比如细菌分解、置换、残留、工作产物等等。残留因素包括:残留(液体或淤泥)组份的蒸发;化学过程的产物;建筑材料的脱附。


井壁或其它建筑材料的脱附是一个特别的考虑。它可能产生远远超过暴露限度的各类有害气体。可以形成可燃物混合气体的物质的脱附更要注意。在存储过程中,液态的丙烷会被多孔的墙壁吸附并保留其中,而在抽干以后,墙壁中的丙烷就开始连续地脱附进了容器的气氛之中。


很多使用有机溶剂的工作都会在其周围环境中产生高浓度的混合物。一个特别的例子是喷漆。喷漆可产生许多的挥发性液体的液滴悬浮,同喷好的表面一样,这些都是有毒蒸气的来源。


不论是在进入密闭空间时以及在进入工作后,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。在密闭空间中的火源可能包括:产生热量的工作活动、打火工具、光源、电动工具、电子仪器甚至静电。


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。一个包含易燃易爆物质的可燃混合物,可以得到足够气体浓度的温度是38°C和93°C之间(100F-200F)。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)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)通常也不加区分。我们在此也是这样。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会发生燃烧。


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:

 

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


一般所列出的燃烧限度都是在标准大气中氧的浓度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。


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是在密闭空间内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。


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,即由液体或固体转化为气体的速度是考虑形成可燃气体混合物的重要因素。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。


常见物质的闪点

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,工作人员在检测时也要对工作场所中可能存在的液体的闪点加以考虑。


一个非常重要的提示是要十分注意检测周围环境的温度变化。检测以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:太阳光对空间外表面的照射;一般的工作行为(焊接、研磨、切割、钻孔等等在局部加热过程)。


正是由于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。


在使用仪器时,我们还会遇到其他的问题。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,将气体引入仪器的管道可能会吸收某些气体,使之无法到达传感器,仪器的实际读数会有很大的降低。第三,温度的影响不容忽视。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。


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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