爆炸极限的计算

爆炸与防爆前言（1）

爆炸是物质的一种非常急剧的物理、化学变化，在变化过程中，伴有物质所含能量的快速转变，即变为该物质本身、变化产物或周围介质的压缩能和运动能。其重要特征是大量能量在有限的时间里突然释放或急剧转化，这种能量能在有限的时间和有限的体积内大量积聚造成高温高压等非寻常状态，对邻近介质形成急剧的压力突跃和随后的复杂运动，显示出不寻常的移动或破坏效应。在石油、化工等行业生产过程中，从原料到成品，使用、产生的易燃易爆物质很多，一旦发生爆炸事故，常会带来非常严重的后果，造成巨大的经济损失和人员伤害，譬如泵房垮塌、油罐爆炸着火、装置报废、人员伤亡。正因如此，控制爆炸是石油、化工等行业的重中之重。要科学有效地控制气体、粉尘爆炸，就不能不对爆炸极限有一个正确的理解。爆炸极限的定义（2）

可燃性气体或蒸气与助燃性气体的均匀混合系在标准测试条件下引起爆炸的浓度极限值，称为爆炸极限。助燃性气体可以是空气、氧气或辅助性气体。一般情况提及的爆炸极限是指可燃气体或蒸气在空气中的浓度极限，能够引起爆炸的可燃气体的最低含量称为爆炸下限LowExplosion-Level（LEL），最高浓度UpperExplosion-Level称为爆炸上限（UEL）。影响爆炸极限的因素（3）1可燃气体

1.1混合系的组分不同，爆炸极限也不同。

1.2同一混合系，由于初始温度、系统压力、惰性介质含量、混合系存在空间及器壁材质以及点火能量的大小等都能使爆炸极限发生变化。

a.温度影响

因为化学反应与温度有很大的关系，所以，爆炸极限数据必定与混合物规定的初始温度有关。初始温度越高，引起的反应越容易传播。一般规律是，混合系原始温度升高，则爆炸极限范围增大即下限降低，上限增高。但是，目前，还没有大量的系统实验结果。因为系统温度升高，分子内能增加，使原来不燃的混合物成为可燃、可爆系统。初始温度对混合物爆炸极限的影响示例见表1。

b.压力影响

系统压力增高，爆炸极限范围也扩大，明显体现在爆炸上限的提高。这是由于压力升高，使分子间的距离更为接近，碰撞几率增高，使燃烧反应更容易进行，爆炸极限范围扩大，特别是爆炸上限明显提高。压力减小，则爆炸极限范围缩小，当压力降至一定值时，其上限与下限重合，此时的压力称为为混合系的临界压力，低于临界压力，系统不爆炸。以甲烷为例说明压力对爆炸极限的影响（见表2）。

c.惰性气体含量影响

混合系中惰性气体量增加，爆炸极限范围缩小，惰性气体浓度提高到某一数值时，混合系就不能爆炸。

惰性气体种类不同，对爆炸极限的影响也不同。以汽油为例，其爆炸极限范围按氮气、燃烧废气、二氧化碳、氟利昂21、氟利昂12、氟利昂11顺序依次缩小。

d.容器、管径影响

容器、管子直径越小，则爆炸范围越小，当管径小到一定程度时，单位体积火焰所对应的固体冷却表面散发出的热量就会大于产生的热量，火焰便会中断熄灭。火焰不能传播的最大管径称为临界直径。

容器材料也有很大影响，如氢和氟在玻璃器皿中混合，即使在液态空气温度下，置于黑暗处仍可发生爆炸，而在银器中，在一般温度下才能发生爆炸反应。

e.点火强度影响

点火能的强度高，燃烧自发传播的浓度范围也就越宽。尤其是爆炸上限向可燃气含量较高的方向移动。如甲烷在100V电压、1A电流火花作用下，无论何种混合比例情况均不爆炸；若电流增加到2A，其爆炸极限为5.9%-13.6%；电流上繁荣昌盛到3A时，其爆炸极限为5.85%-14.8%。

f.干湿度影响

通常可燃气与空气混合物的相对湿度对于爆炸宽度影响虽小，但在极度干燥时，爆炸范围宽度为最大。

g.热表面、接触时间的影响

热表面的面积大，点火源与混合物的接触时间长等都会使爆炸极限扩大。

h.除此之外，混合系统接触的封闭外壳的材质、机械杂质、光照、表面活性物质等都可能影响到爆炸极限范围。

i.可燃气体的爆炸上限和氧与氮在空气中的比例几乎无关。因为氧和氮的比热相近，燃烧热传递到这两种气体都会导致相同的燃烧温度，所以，混俣气体一旦被点燃，过剩的氧是否被氮所取代，无关紧要。

j.在生产实践中，爆炸上限与空气中的氧含量有很大的关系。这是由于可燃气或可燃蒸气过剩，也就是氧气不足所致

2可燃蒸气

a.可燃蒸气的爆炸极限是由可燃液体产生的蒸气浓度决定的。对于可燃液体而言，爆炸下限对应的闪点温度又可以称为爆炸下限温度，爆炸上限浓度对应的液体温度又可以称为爆炸上限温度。

b.可燃蒸气的爆炸上限和氧与氮在空气中的比例几乎无关。原因与上述2.1.2i一样。

c.爆炸上限与空气中的氧含量有很大的关系。原因也是由于氧气不足致使可燃气或可燃蒸气过剩。

3可燃粉尘

3.1可燃粉尘爆炸机理

粉尘爆炸是因其粒子表面氧化而发生的。其爆炸过程如下：

粒子表面接受热能时，表面温度上升；粒子表面的分子产生热分解或干馏作用成为气体排放在粒子周围；该气体同空气混合成为爆炸性混合气体，发火产生火焰；这种火焰产生的热，进一步促进粉末的分解不断成为气相，放出可燃气体与空气混合而发火、传播。

3.2粉尘爆炸极限受以下因素影响

（1）粒度粉尘爆炸下限受粒度的影响很大，粒度越高（粒径越小）爆炸下限越低。

（2）水分含尘空气有水分存在时，爆炸下限提高，甚至失去爆炸性。欲使产品成为不爆炸的混合物，至少使其含50%的水。

（3）氧的浓度粉尘与气体的混合物中，氧气浓度增加将导致爆炸下限降低。

（4）点燃源粉尘爆炸下限受点燃源温度、表面状态的影响。温度高、表面积大的点燃源，可使粉尘爆炸下限降低。

4对爆炸极限的正确认识

2系统密闭和负压操作

2.1为防止易燃气体、蒸气或可燃性粉尘与空气形成爆炸性混合物，应设法使设备密闭。为了保证设备的密闭性，对危险设备及系统应尽量少用法兰连接，但要保证安全检修的方便。

2.2为防止有毒或爆炸性危险气体向器外逸散，可以采用负压操作系统。对于在负压操作下生产的设备，应防止空气吸入。

3通风置换

通过通风可以有效防止易燃易爆气体积取并达到爆炸极限。排除有燃烧爆炸危险粉尘的排风系统，应采用不产生火花的除尘器。含有爆炸性粉尘的空气，在进入风机前，应进行净化。

4阻止容器或室内爆炸的安全措施

4.1抗爆容器

对已知的爆炸结果作系统的评定表明，在符合一定结构要求的前提下，即使容器和设备没有附加防护措施，也能承受一定的爆炸压力。如果选择这种结构形式的设备在剧烈爆炸情况下没有被炸碎，而只产生部分变形，那么设备的操作人员就可以安然无恙，这也就达到了最重要的防护目的。

由于这一方法的成本很高，而且，与相关设备的安全可靠性判别太大，因此，在生产实践中很少用到，非特别危险或发生事故造成严重后果的装置不采用。

4.2爆炸卸压

通过固定的开口及时进行卸压，则容器内部就不会产生不可容纳的高爆炸压力，因而也就不必使用能抗这种高压的结构，把没有燃烧的混合物和燃烧的气体排放到大气里去，就可把爆炸压力限制在容器材料强度所能承受的某一数值。卸压装置可分为一次性（如爆破膜）和重复使用的装置（如安全阀）。

4.3房间卸压

主要是用来保护容器和装置的，它能使被保护设备不被炸毁和使用人员不受伤害。也可用卸压措施来保护房间，但不能保护房间里的人。这种情况下，房间里的设备必须是遥控的，并在运行期间严禁人员进入房间。一般可以通过窗户、外墙和建筑物的房顶来进行卸压。

5爆炸遏制

爆炸遏制系统由能检测初始爆炸的传感器和压力式的灭火剂罐组成，灭火剂罐通过传感装置动作。在尽可能短的时间里，把灭火剂均匀地喷射到应保护的容器里。于是，爆炸燃烧被扑灭，控制住爆炸的发生。爆炸燃烧能自行进行检测，并在停电后的一定时间里仍能继续进行工作。

爆炸遏制系统示意图

爆炸遏制系统的重要作用，就是当可燃气或粉尘爆炸时，防止容器里出现不许可的高压，从而使容器、设备免受爆炸损坏，并不会对人造成任何伤害。如果爆炸能引起有毒的或对环境有害的可燃气、蒸气或粉尘散发，那么，爆炸遏制是很重要的措施。

6阻止管道爆炸的防护措施

6.1阻火器

利用阻火器把可能发生的爆炸限制在一定的空间内，阻火器常用的是机械阻火器，但由于其工作面上的狭窄孔隙易附着污物，阻火器必须定期清扫，所以这类阻火器仅被用作输送可燃气或蒸气的管道里。输送易爆粉尘的管道已开始使用自动灭火剂阻火器。这种灭火剂阻火器是根据光学火焰信号器可以探测管道里的爆炸的原理而制造的。信号器发出的脉冲经过放大器后很快打开由雷管启动的灭火剂贮罐活门，从而使喷出的灭火剂畅通地到达管道的内部，切断粉尘爆炸的传播。

6.2管道卸压

一是装爆破膜。管道发生的爆炸压力使爆破膜破裂，从而使管道卸压。为了能使管道在最恰当的时机泄压，防止爆轰的形成，现在已经发展应用外部控制式阻火器。

二是装防爆瓣阀。这是一种具有一定重量的能自动闭合的卸压装置。当爆炸或爆轰发生时，防爆瓣阀能够打开管端的排气口，接着再重新关闭，并尽可能地密