爆炸極限的計算

爆炸與防爆前言（1）

爆炸是物質(zhì)的一種非常急劇的物理、化學(xué)變化，在變化過程中，伴有物質(zhì)所含能量的快速轉(zhuǎn)變，即變?yōu)樵撐镔|(zhì)本身、變化產(chǎn)物或周圍介質(zhì)的壓縮能和運(yùn)動能。其重要特征是大量能量在有限的時間里突然釋放或急劇轉(zhuǎn)化，這種能量能在有限的時間和有限的體積內(nèi)大量積聚造成高溫高壓等非尋常狀態(tài)，對鄰近介質(zhì)形成急劇的壓力突躍和隨后的復(fù)雜運(yùn)動，顯示出不尋常的移動或破壞效應(yīng)。在石油、化工等行業(yè)生產(chǎn)過程中，從原料到成品，使用、產(chǎn)生的易燃易爆物質(zhì)很多，一旦發(fā)生爆炸事故，常會帶來非常嚴(yán)重的后果，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害，譬如泵房垮塌、油罐爆炸著火、裝置報廢、人員傷亡。正因如此，控制爆炸是石油、化工等行業(yè)的重中之重。要科學(xué)有效地控制氣體、粉塵爆炸，就不能不對爆炸極限有一個正確的理解。爆炸極限的定義（2）

可燃性氣體或蒸氣與助燃性氣體的均勻混合系在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下引起爆炸的濃度極限值，稱為爆炸極限。助燃性氣體可以是空氣、氧氣或輔助性氣體。一般情況提及的爆炸極限是指可燃?xì)怏w或蒸氣在空氣中的濃度極限，能夠引起爆炸的可燃?xì)怏w的最低含量稱為爆炸下限LowExplosion-Level（LEL），最高濃度UpperExplosion-Level稱為爆炸上限（UEL）。影響爆炸極限的因素（3）1可燃?xì)怏w

1.1混合系的組分不同，爆炸極限也不同。

1.2同一混合系，由于初始溫度、系統(tǒng)壓力、惰性介質(zhì)含量、混合系存在空間及器壁材質(zhì)以及點(diǎn)火能量的大小等都能使爆炸極限發(fā)生變化。

a.溫度影響

因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)與溫度有很大的關(guān)系，所以，爆炸極限數(shù)據(jù)必定與混合物規(guī)定的初始溫度有關(guān)。初始溫度越高，引起的反應(yīng)越容易傳播。一般規(guī)律是，混合系原始溫度升高，則爆炸極限范圍增大即下限降低，上限增高。但是，目前，還沒有大量的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因?yàn)橄到y(tǒng)溫度升高，分子內(nèi)能增加，使原來不燃的混合物成為可燃、可爆系統(tǒng)。初始溫度對混合物爆炸極限的影響示例見表1。

b.壓力影響

系統(tǒng)壓力增高，爆炸極限范圍也擴(kuò)大，明顯體現(xiàn)在爆炸上限的提高。這是由于壓力升高，使分子間的距離更為接近，碰撞幾率增高，使燃燒反應(yīng)更容易進(jìn)行，爆炸極限范圍擴(kuò)大，特別是爆炸上限明顯提高。壓力減小，則爆炸極限范圍縮小，當(dāng)壓力降至一定值時，其上限與下限重合，此時的壓力稱為為混合系的臨界壓力，低于臨界壓力，系統(tǒng)不爆炸。以甲烷為例說明壓力對爆炸極限的影響（見表2）。

c.惰性氣體含量影響

混合系中惰性氣體量增加，爆炸極限范圍縮小，惰性氣體濃度提高到某一數(shù)值時，混合系就不能爆炸。

惰性氣體種類不同，對爆炸極限的影響也不同。以汽油為例，其爆炸極限范圍按氮?dú)?、燃燒廢氣、二氧化碳、氟利昂21、氟利昂12、氟利昂11順序依次縮小。

d.容器、管徑影響

容器、管子直徑越小，則爆炸范圍越小，當(dāng)管徑小到一定程度時，單位體積火焰所對應(yīng)的固體冷卻表面散發(fā)出的熱量就會大于產(chǎn)生的熱量，火焰便會中斷熄滅?；鹧娌荒軅鞑サ淖畲蠊軓椒Q為臨界直徑。

容器材料也有很大影響，如氫和氟在玻璃器皿中混合，即使在液態(tài)空氣溫度下，置于黑暗處仍可發(fā)生爆炸，而在銀器中，在一般溫度下才能發(fā)生爆炸反應(yīng)。

e.點(diǎn)火強(qiáng)度影響

點(diǎn)火能的強(qiáng)度高，燃燒自發(fā)傳播的濃度范圍也就越寬。尤其是爆炸上限向可燃?xì)夂枯^高的方向移動。如甲烷在100V電壓、1A電流火花作用下，無論何種混合比例情況均不爆炸；若電流增加到2A，其爆炸極限為5.9%-13.6%；電流上繁榮昌盛到3A時，其爆炸極限為5.85%-14.8%。

f.干濕度影響

通?？扇?xì)馀c空氣混合物的相對濕度對于爆炸寬度影響雖小，但在極度干燥時，爆炸范圍寬度為最大。

g.熱表面、接觸時間的影響

熱表面的面積大，點(diǎn)火源與混合物的接觸時間長等都會使爆炸極限擴(kuò)大。

h.除此之外，混合系統(tǒng)接觸的封閉外殼的材質(zhì)、機(jī)械雜質(zhì)、光照、表面活性物質(zhì)等都可能影響到爆炸極限范圍。

i.可燃?xì)怏w的爆炸上限和氧與氮在空氣中的比例幾乎無關(guān)。因?yàn)檠鹾偷谋葻嵯嘟紵裏醾鬟f到這兩種氣體都會導(dǎo)致相同的燃燒溫度，所以，混俁氣體一旦被點(diǎn)燃，過剩的氧是否被氮所取代，無關(guān)緊要。

j.在生產(chǎn)實(shí)踐中，爆炸上限與空氣中的氧含量有很大的關(guān)系。這是由于可燃?xì)饣蚩扇颊魵膺^剩，也就是氧氣不足所致

2可燃蒸氣

a.可燃蒸氣的爆炸極限是由可燃液體產(chǎn)生的蒸氣濃度決定的。對于可燃液體而言，爆炸下限對應(yīng)的閃點(diǎn)溫度又可以稱為爆炸下限溫度，爆炸上限濃度對應(yīng)的液體溫度又可以稱為爆炸上限溫度。

b.可燃蒸氣的爆炸上限和氧與氮在空氣中的比例幾乎無關(guān)。原因與上述2.1.2i一樣。

c.爆炸上限與空氣中的氧含量有很大的關(guān)系。原因也是由于氧氣不足致使可燃?xì)饣蚩扇颊魵膺^剩。

3可燃粉塵

3.1可燃粉塵爆炸機(jī)理

粉塵爆炸是因其粒子表面氧化而發(fā)生的。其爆炸過程如下：

粒子表面接受熱能時，表面溫度上升；粒子表面的分子產(chǎn)生熱分解或干餾作用成為氣體排放在粒子周圍；該氣體同空氣混合成為爆炸性混合氣體，發(fā)火產(chǎn)生火焰；這種火焰產(chǎn)生的熱，進(jìn)一步促進(jìn)粉末的分解不斷成為氣相，放出可燃?xì)怏w與空氣混合而發(fā)火、傳播。

3.2粉塵爆炸極限受以下因素影響

（1）粒度粉塵爆炸下限受粒度的影響很大，粒度越高（粒徑越?。┍ㄏ孪拊降?。

（2）水分含塵空氣有水分存在時，爆炸下限提高，甚至失去爆炸性。欲使產(chǎn)品成為不爆炸的混合物，至少使其含50%的水。

（3）氧的濃度粉塵與氣體的混合物中，氧氣濃度增加將導(dǎo)致爆炸下限降低。

（4）點(diǎn)燃源粉塵爆炸下限受點(diǎn)燃源溫度、表面狀態(tài)的影響。溫度高、表面積大的點(diǎn)燃源，可使粉塵爆炸下限降低。

4對爆炸極限的正確認(rèn)識

例如：一天然氣組成如下：甲烷80%（L下=5.0%）、乙烷15%（L下=3.22%）、丙烷4%（L下=2.37%）、丁烷1%（L下=1.86%）求爆炸下限。

Lm=100/（80/5+15/3.22+4/2.37+1/1.86）=4.369

3可燃粉塵

許多工業(yè)可燃粉塵的爆炸下限在20-60g/m3之間，爆炸上限在2-6kg/m3之間。

碳?xì)浠衔镆活惙蹓m如能完全氣化燃盡，則爆炸下限可由布爾格斯-維勒關(guān)系式計算：

c×Q=k

式中c——爆炸下限濃度；

Q——該物質(zhì)每靡爾的燃燒熱或每克的燃燒熱；

k——常數(shù)。超過爆炸極限的危險性（5）超過爆炸極限可能產(chǎn)生的危險，許多資料都是這樣描述的：超過爆炸下限則可燃?xì)饣蛘魵饩图炔槐ㄒ膊恢穑怀^爆炸上限也是如此。從發(fā)生機(jī)理上講，爆炸是在經(jīng)歷氣體受熱、發(fā)生燃燒并在特殊情形下發(fā)生爆炸。由此來看，上述將爆炸極限與燃燒極限混為一談是不嚴(yán)密的，因?yàn)椋@里面涉及一個燃燒極限問題。超過爆炸極限不再發(fā)生爆炸顯然是正確的，但是，在具別情況下，不發(fā)生爆炸但仍可能發(fā)生燃燒。只是這個爆炸極限與燃燒極限的差值一般很小，在很多情況下可以視為等值，但不應(yīng)視為等值，從而一概把超過爆炸極限的危險狀況認(rèn)定為既不爆炸也不燃燒的“安全狀況”。利用這一原理，可以在燃燒情況下進(jìn)行帶壓不置換動火，從而省時省力。爆炸控制（6）由于爆炸造成的后果大多非常嚴(yán)重，在化工生產(chǎn)作業(yè)中，爆炸壓力的作用和火災(zāi)的蔓延，不僅會使生產(chǎn)設(shè)備遭受損失，而且使建筑破壞，甚至致人死亡。因此，科學(xué)防爆是非常重要的一項(xiàng)工作。

防止爆炸的一般原則是：一是控制混合氣體的組分處在爆炸極限以外；二是使用惰性氣體取代空氣；三是使氧氣濃度處于其極限值以下。為此應(yīng)防止可燃?xì)庀蚩諝庵行孤蚍乐箍諝膺M(jìn)入可燃?xì)怏w中；控制、監(jiān)視混合氣體組分濃度；裝設(shè)氣體組分接近危險范圍的報警裝置。

防止爆炸的具體措施主要有以下幾點(diǎn)：

1惰性介質(zhì)保護(hù)

由于爆炸的形成需要有可燃物質(zhì)和氧氣，以及一定的點(diǎn)火能量。利用惰性氣體取代空氣中的氧氣，就消除了引發(fā)爆炸的一大因素，從而使爆炸過程無法完成。在化工生產(chǎn)中，采取的惰化氣體主要用氮?dú)?、二氧化碳、水蒸氣、煙道氣等?/p>

1.1易燃固體物質(zhì)的粉碎、篩選處理及其粉末輸送時，采用惰性氣體進(jìn)行覆蓋保護(hù)。

1.2處理可燃易爆的物料系統(tǒng)，在進(jìn)料前，用惰性氣體進(jìn)行置換，以排除系統(tǒng)中原有的氣體，防止形成爆炸性混合物。

1.3將惰性氣體通過管線與有火災(zāi)爆炸危險的設(shè)備、貯槽等連接起來，在萬一發(fā)生危險時使用。

1.4易燃液體利用惰性氣體充壓輸送。

1.5在有爆炸性危險的生產(chǎn)場所，對有引起火災(zāi)危險的電器、儀表等采用充氮正壓保護(hù)。

1.6易燃易爆系統(tǒng)檢修動火前，使用惰性氣體進(jìn)行吹掃置換。

1.7發(fā)現(xiàn)易燃易爆氣體泄漏時，采用惰性氣體（水蒸氣）沖淡。發(fā)生火災(zāi)時，用惰性氣體進(jìn)行滅火。

2系統(tǒng)密閉和負(fù)壓操作

2.1為防止易燃?xì)怏w、蒸氣或可燃性粉塵與空氣形成爆炸性混合物，應(yīng)設(shè)法使設(shè)備密閉。為了保證設(shè)備的密閉性，對危險設(shè)備及系統(tǒng)應(yīng)盡量少用法蘭連接，但要保證安全檢修的方便。

2.2為防止有毒或爆炸性危險氣體向器外逸散，可以采用負(fù)壓操作系統(tǒng)。對于在負(fù)壓操作下生產(chǎn)的設(shè)備，應(yīng)防止空氣吸入。

3通風(fēng)置換

通過通風(fēng)可以有效防止易燃易爆氣體積取并達(dá)到爆炸極限。排除有燃燒爆炸危險粉塵的排風(fēng)系統(tǒng)，應(yīng)采用不產(chǎn)生火花的除塵器。含有爆炸性粉塵的空氣，在進(jìn)入風(fēng)機(jī)前，應(yīng)進(jìn)行凈化。

4阻止容器或室內(nèi)爆炸的安全措施

4.1抗爆容器

對已知的爆炸結(jié)果作系統(tǒng)的評定表明，在符合一定結(jié)構(gòu)要求的前提下，即使容器和設(shè)備沒有附加防護(hù)措施，也能承受一定的爆炸壓力。如果選擇這種結(jié)構(gòu)形式的設(shè)備在劇烈爆炸情況下沒有被炸碎，而只產(chǎn)生部分變形，那么設(shè)備的操作人員就可以安然無恙，這也就達(dá)到了最重要的防護(hù)目的。

由于這一方法的成本很高，而且，與相關(guān)設(shè)備的安全可靠性判別太大，因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中很少用到，非特別危險或發(fā)生事故造成嚴(yán)重后果的裝置不采用。

4.2爆炸卸壓

通過固定的開口及時進(jìn)行卸壓，則容器內(nèi)部就不會產(chǎn)生不可容納的高爆炸壓力，因而也就不必使用能抗這種高壓的結(jié)構(gòu)，把沒有燃燒的混合物和燃燒的氣體排放到大氣里去，就可把爆炸壓力限制在容器材料強(qiáng)度所能承受的某一數(shù)值。卸壓裝置可分為一次性（如爆破膜）和重復(fù)使用的裝置（如安全閥）。

4.3房間卸壓

主要是用來保護(hù)容器和裝置的，它能使被保護(hù)設(shè)備不被炸毀和使用人員不受傷害。也可用卸壓措施來保護(hù)房間，但不能保護(hù)房間里的人。這種情況下，房間里的設(shè)備必須是遙控的，并在運(yùn)行期間嚴(yán)禁人員進(jìn)入房間。一般可以通過窗戶、外墻和建筑物的房頂來進(jìn)行卸壓。

5爆炸遏制

爆炸遏制系統(tǒng)由能檢測初始爆炸的傳感器和壓力式的滅火劑罐組成，滅火劑罐通過傳感裝置動作。在盡可能短的時間里，把滅火劑均勻地噴射到應(yīng)保護(hù)的容器里。于是，爆炸燃燒被撲滅，控制住爆炸的發(fā)生。爆炸燃燒能自行進(jìn)行檢測，并在停電后的一定時間里仍能繼續(xù)進(jìn)行工作。

爆炸遏制系統(tǒng)示意圖

爆炸遏制系統(tǒng)的重要作用，就是當(dāng)可燃?xì)饣蚍蹓m爆炸時，防止容器里出現(xiàn)不許可的高壓，從而使容器、設(shè)備免受爆炸損壞，并不會對人造成任何傷害。如果爆炸能引起有毒的或?qū)Νh(huán)境有害的可燃?xì)?、蒸氣或粉塵散發(fā)，那么，爆炸遏制是很重要的措施。

6阻止管道爆炸的防護(hù)措施

6.1阻火器

利用阻火器把可能發(fā)生的爆炸限制在一定的空間內(nèi)，阻火器常用的是機(jī)械阻火器，但由于其工作面上的狹窄孔隙易附著污物，阻火器必須定期清掃，所以這類阻火器僅被用作輸送可燃?xì)饣蛘魵獾墓艿览?。輸送易爆粉塵的管道已開始使用自動滅火劑阻火器。這種滅火劑阻火器是根據(jù)光學(xué)火焰信號器可以探測管道里的爆炸的原理而制造的。信號器發(fā)出的脈沖經(jīng)過放大器后很快打開由雷管啟動的滅火劑貯罐活門，從而使噴出的滅火劑暢通地到達(dá)管道的內(nèi)部，切斷粉塵爆炸的傳播。

6.2管道卸壓

一是裝爆破膜。管道發(fā)生的爆炸壓力使爆破膜破裂，從而使管道卸壓。為了能使管道在最恰當(dāng)?shù)臅r機(jī)泄壓，防止爆轟的形成，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展應(yīng)用外部控制式阻火器。

二是裝防爆瓣