1.5　爆炸极限理论

1.5.1　可燃气体的爆炸极限

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（Low Explosion Level，LEL），最高浓度称为爆炸上限（Upper Explosion Level，UEL），常用可燃气体爆炸极限数据见附录1。

可燃性气体或液体蒸气在其爆炸极限范围内，遇到热源（明火或温度），火焰瞬间传播于整个混合气体（或混合粉尘）空间的化学反应速度极快，同时释放大量的热，生成很多气体，气体受热膨胀，形成很高的温度和很大的压力，具有很强的破坏力。

爆炸极限是表征可燃气体、蒸气和可燃粉尘危险性的主要参数。可燃性气体、蒸气的爆炸极限一般用可燃气体或蒸气在混合气体中的所占体积分数来表示。

可燃气体的体积分数及质量浓度比在20℃时的换算公式如下：

式中，L为体积分数，%；Y为质量浓度，g/m3；M为可燃性气体或蒸气的相对分子质量；22.4为标准状态下（0℃，1atm）1mol物质气化时的体积。

例如，某空气中甲烷气体的体积浓度是10%，则换算为质量浓度为：

Y=L×M/2.4=10×16/2.4=66.67g/m3

可燃性气体、蒸气或粉尘爆炸极限的概念可以用热爆炸理论来解释。当可燃性气体、蒸气或粉尘的浓度小于爆炸下限时，由于在混合物中含有过量的空气，过量空气的冷却作用及可燃物浓度的不足，导致系统得热小于失热，反应不能延续下去；同样，当可燃性气体（或粉尘）的浓度大于爆炸上限时，则会有过量的可燃物，过量的可燃物不仅因缺氧而不能参与反应、放出热量，反而起冷却作用，阻止了火焰的蔓延。当然，也还有爆炸上限达100%的可燃气体或蒸气（如环氧乙烷、硝化甘油等）和可燃性粉尘（如火炸药粉尘）。这类物质在分解时会自身供氧，使反应持续进行下去。随着气体压力和温度的升高，越容易引起分解爆炸。

1.5.1.1　爆炸极限的影响因素

爆炸极限值不是一个物理常数，它是随实验条件的变化而变化，在判断某工艺条件下的爆炸危险性时，需根据危险物品所处的条件来考虑其爆炸极限，如在火药、起爆药、炸药烘干工房内可燃蒸气的爆炸极限与其他工房在正常温度下的极限是不一样的，在受压容器和在正常压力下的爆炸极限亦有所不同；其他因素如点燃源的能量，容器的形状、大小，火焰的传播方向，惰性气体与杂质的含量等均对爆炸极限有影响。

（1）温度

混合爆炸气体的初始温度越高，爆炸极限范围越宽，则爆炸下限降低，上限增高，爆炸危险性增加。这是因为在温度增高的情况下，活化分子增加，分子和原子的动能也增加，使活化分子具有更大的冲击能量，爆炸反应容易进行，使原来含有过量空气（低于爆炸下限）或可燃物（高于爆炸上限）而不能使火焰蔓延的混合物浓度变成可以使火焰蔓延的浓度，从而扩大了爆炸极限范围。例如丙酮和煤气的爆炸极限受温度影响的情况见表1-9。

（2）压力

混合气体的初始压力对爆炸极限的影响较复杂，在0.1～2.0MPa的压力下，对爆炸下限影响不大，对爆炸上限影响较大；当大于2.0MPa时，爆炸下限变小，爆炸上限变大，爆炸范围扩大。这是因为在高压下混合气体的分子浓度增大，反应速度加快，放热量增加，且在高气压下，热传导性差，热损失小，有利于可燃气体的燃烧或爆炸。甲烷混合气初始压力对爆炸极限的影响见表1-10。

值得重视的是当混合物的初始压力减小时，爆炸极限范围缩小，当压力降到某一数值时，则会出现下限与上限重合，这就意味着初始压力再降低时，不会使混合气体爆炸。把爆炸极限范围缩小为零的压力称为爆炸的临界压力。甲烷在3个不同的初始温度下，爆炸极限随压力下降而缩小的情况如图1-18所示。因此，密闭设备进行减压操作对安全是有利的。

（3）惰性介质

若在混合气体中加入惰性气体（如氮、二氧化碳、水蒸气、氩、氦等），随着惰性气体含量的增加，爆炸极限范围缩小。当惰性气体的浓度增加到某一数值时，使爆炸上下限趋于一致，使混合气体不发生爆炸。这是因为加入惰性气体后，使可燃气体的分子和氧分子隔离，它们之间形成一层不燃烧的屏障，而当氧分子冲击惰性气体时，活化分子失去活化能，使反应键中断。若在某处已经着火，则放出热量被惰性气体吸收，热量不能积聚，火焰不能蔓延到可燃气分子上去，可起到抑制作用。惰性气体氩、氦，阻燃性气体CO2及水蒸气、四氯化碳的浓度对甲烷气体爆炸极限的影响如图1-19所示。

由图1-19可知，混合气体中惰性气体浓度的增加，使空气的浓度相对减少，在爆炸上限时，可燃气体浓度大，空气浓度小，混合气中氧浓度相对减少，故惰性气体更容易把氧分子和可燃性气体分子隔开，对爆炸上限产生较大的影响，使爆炸上限剧烈下降。同理，混合气体中氧含量的增加，爆炸极限范围扩大，尤其对爆炸上限提高得更多。可燃气体在空气中和纯氧中的爆炸极限范围比较见表1-11。

（4）爆炸容器

爆炸容器的材料和尺寸对爆炸极限有影响，若容器材料的传热性好，管径越细，火焰在其中越难传播，爆炸极限范围变小。当容器直径或火焰通道小到某一数值时，火焰就不能传播下去，这一直径称为临界直径或最大灭火间距。如甲烷的临界直径为0.4～0.5mm，氢和乙炔为0.1～0.2mm。目前一般采用直径为50mm的爆炸管或球形爆炸容器。

（5）点燃源

当点燃源的活化能量越大，加热面积越大，作用时间越长，爆炸极限范围也越大。图1-20是点燃能量对甲烷-空气混合气体爆炸极限的影响。从图中可以看出，当火花能量达到某一值时，爆炸极限范围受点燃能量的影响较小。当点燃能量为10J时，其爆炸极限范围趋于稳定值，为6%～15%。所以，一般情况下，爆炸极限均在较高的点燃能量下测得，如测甲烷与空气混合气体的爆炸极限时，用10J以上的点燃能量，其爆炸极限为5%～15%。

（6）湿度

在自然界的空气中，总会含有一定量的水蒸气，水蒸气的存在会对可燃物的爆炸极限产生一定的影响：水蒸气对空气的稀释作用及水蒸气对可燃物质的阻燃作用。对于烃类及其含氧衍生物，随着环境湿度的增大，其爆炸下限逐渐增大，而爆炸上限逐渐减小。水蒸气在湿空气中的体积比是时刻变化的，温度和相对湿度越大，水蒸气的含量也越高。如夏季当环境温度为40℃，相对湿度为70%时，水蒸气在空气中的体积比将达到5.2%，因此环境湿度对烃类及其含氧衍生物爆炸极限的影响作用不可忽视。

对不同温度和湿度条件下的爆炸极限进行了估算，得到如图1-20所示的结果，随着环境空气中水蒸气含量的增大，可燃物的爆炸范围缩小。当环境湿度较大时，在烃类及其含氧衍生物的应用中可将可燃物的浓度条件适当放宽。

另外，光对爆炸极限也有影响。在黑暗中，氢与氯的反应十分缓慢，在光照下则会发生连锁反应引起爆炸。甲烷与氯的混合物，在黑暗中长时间内没有反应，但在日光照射下会发生激烈反应，两种气体比例适当则会引起爆炸。表面活性物质对某些介质也有影响。如在球形器皿中530℃时，氢与氧无反应，但在器皿中插入石英、玻璃、铜或铁棒，则会发生爆炸。

1.5.1.2　爆炸极限的计算

（1）根据化学计量浓度近似计算

可燃性气体完全燃烧时的化学计量浓度可以用来确定链烷烃的爆炸下限，计算公式为：

　　（1-2）

式中，C0为可燃性气体完全燃烧时的化学计量浓度；0.55为常数。如果空气中氧的含量按照20.9%计算，C0的计算式则为

　　（1-3）

式中，n0为1mol可燃气体完全燃烧时所需的氧分子数。

如甲烷完全燃烧时的反应式为CH4+2O2CO2+2H2O，这里n0=2，代入式（1-3），并应用式（1-2），可得L下=5.2，即甲烷爆炸下限的计算值为5.2%，与实验值5.0%相差不超过10%。

此法除用于链烷烃以外，也可用来估算其他有机可燃气体的爆炸下限，但当应用于氢、乙炔，以及含有氮、氯、硫等的有机气体时，偏差较大，不宜应用。

（2）由爆炸下限估算爆炸上限

常压下25℃的链烷烃在空气中的爆炸上、下限有如下关系

　　（1-4）

如果在爆炸上限附近不伴有冷火焰，上式可简化为

　　（1-5）

式（1-2）代入式（1-5）得

　　（1-6）

（3）由分子中所含碳原子数估算爆炸极限

脂肪族烃类化合物的爆炸极限与化合物中所含碳原子数nc有如下近似关系：

　　（1-7）

　　（1-8）

（4）根据闪点计算爆炸极限

闪点指的是在可燃液体表面形成的蒸气与空气的混合物，能引起瞬时燃烧的最低温度，爆炸下限表示的则是该混合物能引起燃烧的最低浓度，所以两者之间有一定的关系。易燃液体的爆炸下限可以应用闪点下该液体的蒸气压计算。计算式为：

　　（1-9）

式中，p闪为闪点下易燃液体的蒸气压；p总为混合气体的总压。

（5）多组元可燃性气体混合物的爆炸极限

两组元或两组元以上可燃气体或蒸气混合物的爆炸极限，可应用各组元已知的爆炸极限按照式（1-9）求取。该式仅适用于各组元间不反应、燃烧时无催化作用的可燃气体混合物。

　　（1-10）

式中，Lm为混合气体的爆炸极限，%；Li为i组元的爆炸极限，%；Vi为扣除空气组元后i组元的体积分数，%。

（6）可燃气体与惰性气体混合物的爆炸极限

对于有惰性气体混入的多组元可燃气体混合物的爆炸极限，可应用式（1-11）计算。

　　（1-11）

式中，Lm为含惰性气体混合物的爆炸极限，%；Lf为混合物中可燃部分的爆炸极限，%；B为惰性气体含量，%。对于单组元可燃气体和惰性气体混合物的爆炸极限，也可以应用式（1-11）估算，只需用该组元的爆炸极限代换式（1-11）中Lf即可。因为不同惰性气体的阻燃或阻爆能力不同，式（1-11）的计算结果不够准确，但仍不失为有一定参考价值。

（7）一定压力下爆炸极限的计算

高于常压的情况，压力升高，物质分子浓度增大，反应加速，释放的热量增多，爆炸极限多数变宽。在已知气体中，只有一氧化碳是例外，随着压力增加而爆炸范围变小。从低碳烃化合物在氧气中爆炸上限的研究结果得知，在0.1～1.0MPa范围内比较准确地是以下实验式。

 CH4：L上=56.0（p—0.9）0 . 040　　（1-12）

C2H6：L上=52.5（p—0.9）0 . 045　　（1-13）

C3H8：L上=47.7（p—0.9）0 . 042　　（1-14）

C2H4：L上=64.0（p—0.2）0 . 083　　（1-15）

C3H6：L上=43.5（p—0.2）0 . 095　　（1-16）

式中，L上为气体的爆炸上限，%；p为大气压力。

1.5.2　可燃性粉尘的爆炸极限

可燃性粉尘的爆炸极限与可燃性气体的爆炸极限定义相似，也都具有爆炸上限和爆炸下限。粉尘爆炸极限的单位是以粉尘在混合物中的质量浓度（g/m3）来表示。许多工业可燃粉尘的爆炸下限为20～60g/m3，爆炸上限为2～6kg/m3。一般情况下，粉尘的爆炸上限浓度太高，在多数场合下都不会达到，所以没实际意义。爆炸下限的数值对安全来说具有重要的意义，因为爆炸下限的浓度在生产过程中较容易达到，已知各种物质的爆炸下限浓度，并在厂房中控制粉尘浓度小于爆炸下限，以确保安全。

粉尘的爆炸下限值不是一个恒定的物理常数，是受粉尘分散度、温度、湿度、挥发物含量、点燃电源的性质、粒度、氧含量等因素的影响。一般是分散度越高挥发性物质含量越高，点燃能源越大，初始温度越高，湿度越低，惰性粉尘和灰分越少，爆炸下限越低。

（1）粉尘粒度

粒度越细的粉尘，其单位体积的表面积越大，分散度越高，爆炸下限值越低。对于某些分散性差的粉尘粒度在一定范围内，随粒度的减小，其爆炸下限值降低，图1-21表示玉米粒径对爆炸下限的影响情况。但当低于某一值时，随粒度的减小其爆炸下限值反而增加。

如炸药TNT和黑索金粉尘粒度对爆炸下限的影响：爆炸下限浓度开始时随粉尘过筛目数的升高而降低，TNT粒度在300目时爆炸极限达到最小值，而黑索金粉尘当目数升高到200～250目时，爆炸极限达到最小值，随着过筛目数的继续升高，爆炸下限值反而增加。其他粉尘如面粉等粉尘，也呈现类似的变化规律。这可能是由于两个原因引起的，原因之一是当粉尘粒度很细时，颗粒之间的分子间力和静电引力非常大，相互之间的凝聚现象非常显著，从实验过程中可以明显看到这种凝聚现象的存在，另外通过测定粉尘的粒度中值证实了这种现象的存在。另外一个原因是细粉易发生黏壁现象，即粉尘在管内弥散时，黏附在管壁上，使弥散在管内的粉尘实际浓度降低，从而在现象上表现为爆炸下限升高。

（2）喷粉气压

喷粉气压对TNT及黑索金（RDX）爆炸下限浓度的影响见图1-22。

从实验结果可知，炸药粉尘随喷粉气压的增大，爆炸下限降低，当喷粉气压达到某一值，爆炸下限值不再降低，而有上升的趋势。这是因为喷气不但有扬尘的作用，还有引起湍流的作用，当气流速度达到一定程度，湍流作用大于扬尘作用所致。

（3）惰性介质

对于一般工业粉尘，氧含量对爆炸下限有较大的影响。当加入惰性气体时，随着氧含量的减少（用CO2，N2等惰性气体稀释），爆炸下限增高，当接近极限氧浓度时，爆炸下限浓度迅速增加。当加入惰性粉尘时，由于其覆盖、阻隔、冷却等作用从而起到阻燃阻爆的效果，使爆炸下限升高。而对能自身供氧的火炸药粉尘，因为它们能靠自身供氧使反应继续下去，所以空气中的氧浓度对其粉尘的燃烧影响不大。不管在多大的氮气喷粉压力下均能燃烧，并随氮气喷粉压力的增大，湍流度增大，氧浓度降低，爆炸下限浓度与在空气喷粉压力一样，呈下降趋势。

（4）湿度

湿度对爆炸极限的影响也较大，当水分含量增加时，会使爆炸下限提高，含量超过一定程度时，甚至会失去爆炸性。因此，工业上也常采用细水雾来进行粉尘爆炸事故的预防和控制。