1.5　爆炸極限理論

1.5.1　可燃氣體的爆炸極限

可燃性氣體或蒸氣與助燃性氣體的均勻混合系在標準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氣體或蒸氣在空氣中的濃度極限，能夠引起爆炸的可燃氣體的最低含量稱為爆炸下限（Low Explosion Level，LEL），最高濃度稱為爆炸上限（Upper Explosion Level，UEL），常用可燃氣體爆炸極限數據見附錄1。

可燃性氣體或液體蒸氣在其爆炸極限范圍內，遇到熱源（明火或溫度），火焰瞬間傳播于整個混合氣體（或混合粉塵）空間的化學反應速度極快，同時釋放大量的熱，生成很多氣體，氣體受熱膨脹，形成很高的溫度和很大的壓力，具有很強的破壞力。

爆炸極限是表征可燃氣體、蒸氣和可燃粉塵危險性的主要參數。可燃性氣體、蒸氣的爆炸極限一般用可燃氣體或蒸氣在混合氣體中的所占體積分數來表示。

可燃氣體的體積分數及質量濃度比在20℃時的換算公式如下：

式中，L為體積分數，%；Y為質量濃度，g/m3；M為可燃性氣體或蒸氣的相對分子質量；22.4為標準狀態下（0℃，1atm）1mol物質氣化時的體積。

例如，某空氣中甲烷氣體的體積濃度是10%，則換算為質量濃度為：

Y=L×M/2.4=10×16/2.4=66.67g/m3

可燃性氣體、蒸氣或粉塵爆炸極限的概念可以用熱爆炸理論來解釋。當可燃性氣體、蒸氣或粉塵的濃度小于爆炸下限時，由于在混合物中含有過量的空氣，過量空氣的冷卻作用及可燃物濃度的不足，導致系統得熱小于失熱，反應不能延續下去；同樣，當可燃性氣體（或粉塵）的濃度大于爆炸上限時，則會有過量的可燃物，過量的可燃物不僅因缺氧而不能參與反應、放出熱量，反而起冷卻作用，阻止了火焰的蔓延。當然，也還有爆炸上限達100%的可燃氣體或蒸氣（如環氧乙烷、硝化甘油等）和可燃性粉塵（如火炸藥粉塵）。這類物質在分解時會自身供氧，使反應持續進行下去。隨著氣體壓力和溫度的升高，越容易引起分解爆炸。

1.5.1.1　爆炸極限的影響因素

爆炸極限值不是一個物理常數，它是隨實驗條件的變化而變化，在判斷某工藝條件下的爆炸危險性時，需根據危險物品所處的條件來考慮其爆炸極限，如在火藥、起爆藥、炸藥烘干工房內可燃蒸氣的爆炸極限與其他工房在正常溫度下的極限是不一樣的，在受壓容器和在正常壓力下的爆炸極限亦有所不同；其他因素如點燃源的能量，容器的形狀、大小，火焰的傳播方向，惰性氣體與雜質的含量等均對爆炸極限有影響。

（1）溫度

混合爆炸氣體的初始溫度越高，爆炸極限范圍越寬，則爆炸下限降低，上限增高，爆炸危險性增加。這是因為在溫度增高的情況下，活化分子增加，分子和原子的動能也增加，使活化分子具有更大的沖擊能量，爆炸反應容易進行，使原來含有過量空氣（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濃度變成可以使火焰蔓延的濃度，從而擴大了爆炸極限范圍。例如丙酮和煤氣的爆炸極限受溫度影響的情況見表1-9。

（2）壓力

混合氣體的初始壓力對爆炸極限的影響較復雜，在0.1～2.0MPa的壓力下，對爆炸下限影響不大，對爆炸上限影響較大；當大于2.0MPa時，爆炸下限變小，爆炸上限變大，爆炸范圍擴大。這是因為在高壓下混合氣體的分子濃度增大，反應速度加快，放熱量增加，且在高氣壓下，熱傳導性差，熱損失小，有利于可燃氣體的燃燒或爆炸。甲烷混合氣初始壓力對爆炸極限的影響見表1-10。

值得重視的是當混合物的初始壓力減小時，爆炸極限范圍縮小，當壓力降到某一數值時，則會出現下限與上限重合，這就意味著初始壓力再降低時，不會使混合氣體爆炸。把爆炸極限范圍縮小為零的壓力稱為爆炸的臨界壓力。甲烷在3個不同的初始溫度下，爆炸極限隨壓力下降而縮小的情況如圖1-18所示。因此，密閉設備進行減壓操作對安全是有利的。

（3）惰性介質

若在混合氣體中加入惰性氣體（如氮、二氧化碳、水蒸氣、氬、氦等），隨著惰性氣體含量的增加，爆炸極限范圍縮小。當惰性氣體的濃度增加到某一數值時，使爆炸上下限趨于一致，使混合氣體不發生爆炸。這是因為加入惰性氣體后，使可燃氣體的分子和氧分子隔離，它們之間形成一層不燃燒的屏障，而當氧分子沖擊惰性氣體時，活化分子失去活化能，使反應鍵中斷。若在某處已經著火，則放出熱量被惰性氣體吸收，熱量不能積聚，火焰不能蔓延到可燃氣分子上去，可起到抑制作用。惰性氣體氬、氦，阻燃性氣體CO2及水蒸氣、四氯化碳的濃度對甲烷氣體爆炸極限的影響如圖1-19所示。

由圖1-19可知，混合氣體中惰性氣體濃度的增加，使空氣的濃度相對減少，在爆炸上限時，可燃氣體濃度大，空氣濃度小，混合氣中氧濃度相對減少，故惰性氣體更容易把氧分子和可燃性氣體分子隔開，對爆炸上限產生較大的影響，使爆炸上限劇烈下降。同理，混合氣體中氧含量的增加，爆炸極限范圍擴大，尤其對爆炸上限提高得更多。可燃氣體在空氣中和純氧中的爆炸極限范圍比較見表1-11。

（4）爆炸容器

爆炸容器的材料和尺寸對爆炸極限有影響，若容器材料的傳熱性好，管徑越細，火焰在其中越難傳播，爆炸極限范圍變小。當容器直徑或火焰通道小到某一數值時，火焰就不能傳播下去，這一直徑稱為臨界直徑或最大滅火間距。如甲烷的臨界直徑為0.4～0.5mm，氫和乙炔為0.1～0.2mm。目前一般采用直徑為50mm的爆炸管或球形爆炸容器。

（5）點燃源

當點燃源的活化能量越大，加熱面積越大，作用時間越長，爆炸極限范圍也越大。圖1-20是點燃能量對甲烷-空氣混合氣體爆炸極限的影響。從圖中可以看出，當火花能量達到某一值時，爆炸極限范圍受點燃能量的影響較小。當點燃能量為10J時，其爆炸極限范圍趨于穩定值，為6%～15%。所以，一般情況下，爆炸極限均在較高的點燃能量下測得，如測甲烷與空氣混合氣體的爆炸極限時，用10J以上的點燃能量，其爆炸極限為5%～15%。

（6）濕度

在自然界的空氣中，總會含有一定量的水蒸氣，水蒸氣的存在會對可燃物的爆炸極限產生一定的影響：水蒸氣對空氣的稀釋作用及水蒸氣對可燃物質的阻燃作用。對于烴類及其含氧衍生物，隨著環境濕度的增大，其爆炸下限逐漸增大，而爆炸上限逐漸減小。水蒸氣在濕空氣中的體積比是時刻變化的，溫度和相對濕度越大，水蒸氣的含量也越高。如夏季當環境溫度為40℃，相對濕度為70%時，水蒸氣在空氣中的體積比將達到5.2%，因此環境濕度對烴類及其含氧衍生物爆炸極限的影響作用不可忽視。

對不同溫度和濕度條件下的爆炸極限進行了估算，得到如圖1-20所示的結果，隨著環境空氣中水蒸氣含量的增大，可燃物的爆炸范圍縮小。當環境濕度較大時，在烴類及其含氧衍生物的應用中可將可燃物的濃度條件適當放寬。

另外，光對爆炸極限也有影響。在黑暗中，氫與氯的反應十分緩慢，在光照下則會發生連鎖反應引起爆炸。甲烷與氯的混合物，在黑暗中長時間內沒有反應，但在日光照射下會發生激烈反應，兩種氣體比例適當則會引起爆炸。表面活性物質對某些介質也有影響。如在球形器皿中530℃時，氫與氧無反應，但在器皿中插入石英、玻璃、銅或鐵棒，則會發生爆炸。

1.5.1.2　爆炸極限的計算

（1）根據化學計量濃度近似計算

可燃性氣體完全燃燒時的化學計量濃度可以用來確定鏈烷烴的爆炸下限，計算公式為：

　　（1-2）

式中，C0為可燃性氣體完全燃燒時的化學計量濃度；0.55為常數。如果空氣中氧的含量按照20.9%計算，C0的計算式則為

　　（1-3）

式中，n0為1mol可燃氣體完全燃燒時所需的氧分子數。

如甲烷完全燃燒時的反應式為CH4+2O2CO2+2H2O，這里n0=2，代入式（1-3），并應用式（1-2），可得L下=5.2，即甲烷爆炸下限的計算值為5.2%，與實驗值5.0%相差不超過10%。

此法除用于鏈烷烴以外，也可用來估算其他有機可燃氣體的爆炸下限，但當應用于氫、乙炔，以及含有氮、氯、硫等的有機氣體時，偏差較大，不宜應用。

（2）由爆炸下限估算爆炸上限

常壓下25℃的鏈烷烴在空氣中的爆炸上、下限有如下關系

　　（1-4）

如果在爆炸上限附近不伴有冷火焰，上式可簡化為

　　（1-5）

式（1-2）代入式（1-5）得

　　（1-6）

（3）由分子中所含碳原子數估算爆炸極限

脂肪族烴類化合物的爆炸極限與化合物中所含碳原子數nc有如下近似關系：

　　（1-7）

　　（1-8）

（4）根據閃點計算爆炸極限

閃點指的是在可燃液體表面形成的蒸氣與空氣的混合物，能引起瞬時燃燒的最低溫度，爆炸下限表示的則是該混合物能引起燃燒的最低濃度，所以兩者之間有一定的關系。易燃液體的爆炸下限可以應用閃點下該液體的蒸氣壓計算。計算式為：

　　（1-9）

式中，p閃為閃點下易燃液體的蒸氣壓；p總為混合氣體的總壓。

（5）多組元可燃性氣體混合物的爆炸極限

兩組元或兩組元以上可燃氣體或蒸氣混合物的爆炸極限，可應用各組元已知的爆炸極限按照式（1-9）求取。該式僅適用于各組元間不反應、燃燒時無催化作用的可燃氣體混合物。

　　（1-10）

式中，Lm為混合氣體的爆炸極限，%；Li為i組元的爆炸極限，%；Vi為扣除空氣組元后i組元的體積分數，%。

（6）可燃氣體與惰性氣體混合物的爆炸極限

對于有惰性氣體混入的多組元可燃氣體混合物的爆炸極限，可應用式（1-11）計算。

　　（1-11）

式中，Lm為含惰性氣體混合物的爆炸極限，%；Lf為混合物中可燃部分的爆炸極限，%；B為惰性氣體含量，%。對于單組元可燃氣體和惰性氣體混合物的爆炸極限，也可以應用式（1-11）估算，只需用該組元的爆炸極限代換式（1-11）中Lf即可。因為不同惰性氣體的阻燃或阻爆能力不同，式（1-11）的計算結果不夠準確，但仍不失為有一定參考價值。

（7）一定壓力下爆炸極限的計算

高于常壓的情況，壓力升高，物質分子濃度增大，反應加速，釋放的熱量增多，爆炸極限多數變寬。在已知氣體中，只有一氧化碳是例外，隨著壓力增加而爆炸范圍變小。從低碳烴化合物在氧氣中爆炸上限的研究結果得知，在0.1～1.0MPa范圍內比較準確地是以下實驗式。

 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上為氣體的爆炸上限，%；p為大氣壓力。

1.5.2　可燃性粉塵的爆炸極限

可燃性粉塵的爆炸極限與可燃性氣體的爆炸極限定義相似，也都具有爆炸上限和爆炸下限。粉塵爆炸極限的單位是以粉塵在混合物中的質量濃度（g/m3）來表示。許多工業可燃粉塵的爆炸下限為20～60g/m3，爆炸上限為2～6kg/m3。一般情況下，粉塵的爆炸上限濃度太高，在多數場合下都不會達到，所以沒實際意義。爆炸下限的數值對安全來說具有重要的意義，因為爆炸下限的濃度在生產過程中較容易達到，已知各種物質的爆炸下限濃度，并在廠房中控制粉塵濃度小于爆炸下限，以確保安全。

粉塵的爆炸下限值不是一個恒定的物理常數，是受粉塵分散度、溫度、濕度、揮發物含量、點燃電源的性質、粒度、氧含量等因素的影響。一般是分散度越高揮發性物質含量越高，點燃能源越大，初始溫度越高，濕度越低，惰性粉塵和灰分越少，爆炸下限越低。

（1）粉塵粒度

粒度越細的粉塵，其單位體積的表面積越大，分散度越高，爆炸下限值越低。對于某些分散性差的粉塵粒度在一定范圍內，隨粒度的減小，其爆炸下限值降低，圖1-21表示玉米粒徑對爆炸下限的影響情況。但當低于某一值時，隨粒度的減小其爆炸下限值反而增加。

如炸藥TNT和黑索金粉塵粒度對爆炸下限的影響：爆炸下限濃度開始時隨粉塵過篩目數的升高而降低，TNT粒度在300目時爆炸極限達到最小值，而黑索金粉塵當目數升高到200～250目時，爆炸極限達到最小值，隨著過篩目數的繼續升高，爆炸下限值反而增加。其他粉塵如面粉等粉塵，也呈現類似的變化規律。這可能是由于兩個原因引起的，原因之一是當粉塵粒度很細時，顆粒之間的分子間力和靜電引力非常大，相互之間的凝聚現象非常顯著，從實驗過程中可以明顯看到這種凝聚現象的存在，另外通過測定粉塵的粒度中值證實了這種現象的存在。另外一個原因是細粉易發生黏壁現象，即粉塵在管內彌散時，黏附在管壁上，使彌散在管內的粉塵實際濃度降低，從而在現象上表現為爆炸下限升高。

（2）噴粉氣壓

噴粉氣壓對TNT及黑索金（RDX）爆炸下限濃度的影響見圖1-22。

從實驗結果可知，炸藥粉塵隨噴粉氣壓的增大，爆炸下限降低，當噴粉氣壓達到某一值，爆炸下限值不再降低，而有上升的趨勢。這是因為噴氣不但有揚塵的作用，還有引起湍流的作用，當氣流速度達到一定程度，湍流作用大于揚塵作用所致。

（3）惰性介質

對于一般工業粉塵，氧含量對爆炸下限有較大的影響。當加入惰性氣體時，隨著氧含量的減少（用CO2，N2等惰性氣體稀釋），爆炸下限增高，當接近極限氧濃度時，爆炸下限濃度迅速增加。當加入惰性粉塵時，由于其覆蓋、阻隔、冷卻等作用從而起到阻燃阻爆的效果，使爆炸下限升高。而對能自身供氧的火炸藥粉塵，因為它們能靠自身供氧使反應繼續下去，所以空氣中的氧濃度對其粉塵的燃燒影響不大。不管在多大的氮氣噴粉壓力下均能燃燒，并隨氮氣噴粉壓力的增大，湍流度增大，氧濃度降低，爆炸下限濃度與在空氣噴粉壓力一樣，呈下降趨勢。

（4）濕度

濕度對爆炸極限的影響也較大，當水分含量增加時，會使爆炸下限提高，含量超過一定程度時，甚至會失去爆炸性。因此，工業上也常采用細水霧來進行粉塵爆炸事故的預防和控制。