关于爆炸极限及影响因素分析

1.爆炸

物质自一种状态迅速转变为另外一种状态，并在瞬间以对外做机械功的形式放出大量能量的现象称为爆炸。可燃气体、可燃液体的蒸气或可燃粉尘在与空气混合达到一定浓度后，遇到火源就会发生爆炸。这个遇到火源能够发生爆炸的浓度范围，称为爆炸极限。通常用可燃气体在空气中的体积分数比（%）表示。可燃粉尘则以毫克/升（mg/L）表示。

爆炸可以分为物理爆炸、化学爆炸（核爆炸不在日常防火防爆研究范围）。

（1）物理爆炸 爆炸由物理变化所致，其特征是爆炸前后系统内物质的化学组成及化学性质均不发生变化。物理爆炸主要是指压缩气体、液化气体和过热液体在压力容器内，由于某种原因使容器承受不住压力而破裂，内部物质迅速膨胀并释放大量能量的过程。

（2）化学爆炸 化学爆炸是由化学变化造成的，其特征是爆炸前后物质的化学组成及化学性质都发生了变化。化学爆炸有的是氧化还原型，有的是分解反应型。

仅从气体和蒸气的角度上看，燃烧与爆炸在化学变化上没有本质的区别。

2.易燃介质的爆炸极限

可燃气体和空气的混合物，并不是在任何混合比例下都能发生燃烧或爆炸的，当混合物中可燃气体含量接近反应当量浓度时，燃烧最激烈。若含量减少或增加，燃烧速度就降低。当含量低于或高于某一值时，火焰便不再蔓延。所以可燃气体或蒸气与空气（或氧气、或其他氧化剂）组成的混合物在点着后可以使火焰蔓延的最低浓度，称为该气体或蒸气的爆炸下限（LEL，燃烧下限为LFL）。同理，能使火焰蔓延的最高浓度，称为该气体或蒸气的爆炸上限（UEL，燃烧上限为UFL）。在上限和下限之间的范围称为爆炸范围。

通常工程上的爆炸下限是指可燃气体或蒸气在空气中的体积分数在空气中刚刚达到足以使火焰蔓延的最低浓度；爆炸上限是指可燃气体或蒸气在空气中的体积分数在空气中刚刚达到足以使火焰蔓延的最高浓度。气体所谓爆炸极限是可燃气体或蒸气与空气的混合物遇到着火源能够发生爆炸燃烧的浓度范围。气体的化学性爆炸与气体的特性关系很大，GB/T 16163《瓶装气体分类》将可燃气体分为0～5类，如表5-14所示。第0类为不燃（惰性）气体，第1类为助燃（氧化性）气体，如空气。可燃气体的编码为2是代表燃烧性，如果这些可燃气体与具有助燃性能编码中第一位数字为1的空气（助燃）或具有强氧化性的编码数字为4的气体（例如氧）混合，则会产生剧烈的氧化反应，反应热将使气体急剧升温、增压，并造成爆炸，这就是通常所说的化学性爆炸。发生氧化反应时，由于多数参数难以确定，其爆炸能量也不能准确计算，一般只能估算其最大爆炸能量及其范围。

如果可燃气体在空气中的含量低于下限，由于空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延，即使遇到火源，也不会爆炸燃烧。同样，可燃气体在空气中的含量高于上限，因空气（助燃气体）不足，所以也不会爆炸，但此时若补充空气，可以将可燃气体含量稀释到爆炸范围，意味着有火灾或爆炸的危险。因此，对于上限以上的可燃气体（蒸气）-空气混合物不能认为是安全的。

易燃介质压缩气体或液化气体在空气中的爆炸极限见表5-15。

表5-15 液化石油气主要成分的爆炸极限（%）

3.易燃介质为混合物的爆炸极限

压力容器中的易燃介质常常为混合物质，对于这类物质的爆炸极限可按下式计算。

式中 L_m 混合气的爆炸上限或下限；

L_i 混合气中某一组分的爆炸上限或下限；

y_i 某一可燃组分的体积分数；

n 可燃组分的数量。

当求混合气爆炸上限时，y_i全部以上限值带入，求爆炸下限值时，y_i全部以下限值带入。

例如：某液化石油气中各液态烃的组份比为丙烷占20%，丙烯25%，丁烷30%，丁烯-1 25%，则该液化石油气的爆炸下限为(www.zuozong.com)

同样，由N=100/[20/9.5+25/11.7+30/8.4+25/10]%=9.70%，可求得其爆炸上限为9.70%。

4.影响爆炸极限的因素

爆炸极限值是随多种不同条件影响而变化的，并非固定值，其影响因素有：

（1）初始温度 爆炸性气体的初始温度越高，爆炸极限范围越宽，即下限降低，上限升高。因为系统温度升高，其分子内能增加，这是活性分子也就相应增加，使原来不燃不爆的混合物变成可燃可爆。以易燃介质丙酮、煤油为例，其爆炸范围随温度升高而扩大的情况如表5-16所示。

（2）初始压力 压力对爆炸上限的影响十分显著，对下限的影响较小。压力增加爆炸范围随之扩大。这是因为系统压力增加，物质分子间距离缩小，碰撞几率增加，使燃烧容易进行。压力下降，则气体分子间距拉大，爆炸极限范围会变小。待压力降到某一数值时，其上限即与下限重合，出现一个临界值，若压力再下降，系统便不燃不爆。因此，在密闭容器内进行负压操作，对安全生产是有利的。已知可燃气体中，只有一氧化碳随着压力增加爆炸范围变小。表5-17所示为压力对甲烷爆炸极限的影响。

表5-16 初始温度对混合物爆炸极限的影响

表5-17 压力对甲烷爆炸极限的影响

（3）惰性介质及杂质 若混合物中所含的惰性气体量增加，爆炸范围就会缩小。惰性气体的浓度提高到某值时，混合物就不会爆炸。混合物中惰性气体量增加，对上限的影响比对下限的影响更为显著。惰性气体种类不同对爆炸极限的影响也不同，以汽油为例，其爆炸范围按氮气、二氧化碳、氟利昂21顺序依次缩小。

（4）容器 容器的材质和尺寸等对物质的爆炸极限均有影响。试验表明，容器管道的直径越小，则爆炸范围缩小。当管径小到一定程度时，火焰就不能通过，这一间距称为临界直径，也称最大灭火间距、阻火直径。常见气体阻火直径见表5-18。

容器材质对物质的爆炸极限也有很大影响，如氢气与氟气在玻璃器皿中混合，即使在液态空气温度下，置于黑暗之中也会爆炸，而在银器之中，在一般温度下才能发生反应。

表5-18 常见气体的阻火直径

（5）点火源能量 燃烧和爆炸都需有点火源。火源的能量、热表面的面积、火源与混合介质的接触时间等，对爆炸极限均有影响。点火能量对甲烷-空气混合物的影响见表5-19。

表5-19 点火能量对甲烷-空气混合物爆炸极限的影响

（6）含氧量 空气中氧气的含量是21%，当混合气中氧气含量增加时，爆炸极限范围变宽。增加氧气含量，主要影响爆炸上限。一些可燃气体在氧气中的爆炸极限见表5-20。

表5-20 部分可燃气体在空气和氧气中的爆炸极限