安全文化網 m.zltai.com

　　我國石油化工領域發生的各類安全事故中，火災爆炸導致了大量的人員傷亡，造成了巨大的經濟損失。其中，由可燃氣體、蒸氣和粉塵產生的氣相爆炸占到約70%。因此，了解掌握化學品火災與爆炸相關知識，在搶險救援中正確進行危險評估，從而采取有效的防范措施最大限度避免人員傷亡和財產損失具有重要意義。

　　一、爆炸極限概念

　　爆炸（explosion）是指物質由一種狀態迅速轉變為另一種狀態，并在瞬間釋放出巨大的能量，同時伴隨著聲響，爆炸分為物理爆炸、化學爆炸、核爆炸。物質的燃燒與爆炸需要三要素：可燃物、氧化劑和火源。它們必須在適當的比例和一定的狀態下才能燃燒或爆炸，過量的可燃物與不充足的氧化劑或高濃度的氧化劑與不足量的可燃物都不能燃燒或爆炸。當一定濃度的可燃物 (可燃氣體、蒸氣、粉塵)與氧化劑混合形成具有爆炸性的混合體系達到一定的濃度范圍時，遇火源即發生爆炸。這個濃度范圍稱為爆炸極限（explosive limit），可燃性混合體系能夠發生爆炸的最低濃度稱為爆炸下限（lower explosion limit）最高濃度稱為爆炸上限（upper explosion limit），當可燃性混合體系濃度低于爆炸下限時，過量空氣起到冷卻作用，阻止了火焰的蔓延，當可燃性混合體系濃度高于爆炸上限濃度時則是由于空氣不足火焰不能蔓延，所以當可燃性混合體系濃度低于或高于爆炸極限濃度時不會著火或爆炸。

　　二、爆炸極限影響因素

　　爆炸極限并不是固定不變的，它隨溫度、壓力、含氧量、惰性氣體含量、火源強度等因素的變化而變化。

　　1、溫度影響

　　化學反應中溫度越高，分子的反應活性越強，引發化學反應的可能性也越高，因此，可燃性混合體系著火前的溫度升高，將導致可燃性混合體系爆炸范圍擴大，即爆炸下限降低，爆炸上限升高，增加了混合體系的爆炸危險性。

　　2、壓力影響

　　處在高壓下的氣體分子比較密集，分子間距離相對接近，這樣就增加了分子之間碰撞的機率，分子間傳熱性也相應提高，發生化學反應的可能性也越大。所以，可燃性混合體系壓力增大，爆炸極限范圍也隨之擴大，壓力降低，則爆炸極限范圍縮小，當壓力降至一定值時，其爆炸上限與爆炸下限重合，此時對應的壓力稱為可燃性混合體系的臨界壓力。壓力降至臨界壓力以下，可燃性混合體系便不成為爆炸系統，在石油化工生產中，對爆炸危險性大的物料的生產、儲存、運輸往往在臨界壓力以下進行，如環氧乙烷。此外，可燃性混合體系壓力增大還將降低其自燃點，這樣可燃性混合體系在較低的著火溫度下也能夠發生燃燒，增加了爆炸的危險性。但是在已知的氣體中，一氧化碳的爆炸范圍是隨壓力增加而縮小的。

　　3、惰性氣體影響

　　可燃性混合體系的爆炸極限隨著所含惰性氣體的增加而縮小，當惰性氣體量達到某一濃度時，可燃性混合體系就不會發生爆炸。這是因為氮、水蒸氣、二氧化碳、四氯化碳等惰性氣體的加入可在可燃氣體分子和氧分子之間形成一層不燃燒的屏障將它們隔離，并吸收它們的能量，使游離基消失，中斷鏈鎖反應，阻止了分子之間火焰的蔓延。同時，惰性氣體含量的增加，會使氧氣成分下降，導致可燃性混合體系缺氧使可燃氣體不能完全燃燒，致使爆炸上限急劇下降，起到抑制燃燒防止爆炸的作用。另外，不同種類的惰性氣體，對爆炸極限的影響程度也不同，比如汽油揮發后的爆炸極限按氮氣、燃燒廢氣、二氧化碳、氟利昂21、氟利昂12、氟利昂11的順序依次減小。

　　4、含氧量影響

　　增加可燃性混合體系氧含量，通常情況下對爆炸下限的影響不明顯，因為在爆炸下限濃度時可燃性混合體系中氧氣是過量的。但是可燃性混合體系在上限濃度時的含氧量是不足的，增加可燃性混合體系的氧含量將使爆炸上限顯著提高，爆炸范圍將擴大，大大增加了發生火災爆炸的危險性，比如甲烷在氧氣中的爆炸極限是在空氣中爆炸極限的5倍，所以降低可燃性混合體系的含氧量將有效降低火災爆炸的危險性。

　　5、容器、管徑影響

　　容器、管線直徑的大小將影響可燃性混合體系的爆炸范圍，一般情況下可燃性混合體系的爆炸范圍隨著容器、管線直徑的減小而縮小，這是因為當燃燒在容器、管線中進行時，容器、管線的表面要散發熱量，空間越狹窄，散熱比表面積就越大，鏈鎖反應中斷的可能性就越大，相應的熱量損失也就越大。當容器、管線直徑小到一定程度時，單位體積火焰所對應的容器、管線冷卻表面散發出的熱量就會大于產生的熱量，這時燃燒就會在容器、管線內停止，因此把火焰不能傳播的最大通道直徑叫臨界直徑。此外，容器、管線材料也對爆炸極限有很大影響，以氫和氟為例，氫和氟的混合物如存放在玻璃器皿中在極低溫度下且黑暗的環境中也會發生爆炸，而存放在銀器中，通常在室溫下才能發生爆炸反應。

　　6、點火源影響

　　點火源的能量強度越高，熱表面積越大，火源與可燃性混合體系的接觸時間越長，燃燒蔓延的濃度范圍也就越寬，相應爆炸極限擴大，增加了火災爆炸的可能性。例如甲烷在100V電壓、1A電流作用下，在任何混合比例下均不爆炸；但是當電流增加到2A時，其爆炸極限為5.9%-13.6%；當電流繼續增大到3A時，其爆炸極限擴大為5.85%-14.8%。

　　7、小點火能量

　　能引起一定濃度可燃性混合體系燃燒或爆炸的最小能量稱為最小點火能量。可燃性混合體系的濃度直接影響點火源能量，通常當可燃性混合體系濃度高于計量濃度時，所需的點火能最低。當點火源的能量低于最小能量時，將不會引燃可燃性混合體系。因此，最小點火能量是一個用來判斷可燃氣體、蒸氣、粉塵混合體系燃燒爆炸危險性的重要參數。

　　除上述影響因素外，可燃性混合體系接觸的封閉外殼的材質、機械雜質、光照、表面活性物質、干燥度等都可能最終影響到爆炸極限范圍。

　　三、爆炸極限的計算

　　1、爆炸反應當量濃度的計算

　　爆炸氣體完全燃燒時，其化學理論體積分數可用來確定可燃物的爆炸下限，公式如下：

　　C =20.9/（0.209+nO）

　　爆炸下限（LEL）=0.55×C

　　爆炸上限（UEL）=4.8(C) ^0.5

　　C——爆炸性氣體完全燃燒時的化學計量濃度；

　　0.55——常數；

　　20.9%——空氣中氧體積分數；

　　nO——可燃氣體完全燃燒時所需氧分子數。

　　例如：求丙烷的爆炸極限。

　　丙烷化學反應式：

　　一分子丙烷+五分子氧氣→三分子二氧化碳+四分子水

　　丙烷（LEL）=0.55×C=2.21%

　　丙烷（UEL）=4.8(20.9/（0.209+5）)^0.5=9.62%

　　2、由分子中所含碳原子數估算爆炸極限

　　爆炸下限（LEL）=1/（0.1347n+0.04343）

　　爆炸上限（UEL）=1/(0.01337n+0.05151)

　　n——分子中所含碳原子數

　　3、 兩種以上可燃氣體組成的混合體系爆炸極限的計算

　　3.1、萊夏特爾定律

　　對于兩種以上可燃氣體混合體系，已知每種可燃氣體的爆炸極限和所占空間體積分數，可根據萊夏特爾定律算出混合體系的爆炸極限。

　　（爆炸下限）LEL=（P1+P2+P3）/（P1/LEL1+P2/LEL2+P3/LEL3）

　　（爆炸上限）UEL=（P1+P2+P3）/（P1/UEL1+P2/UEL2+P3/UEL3）

　　Pn——每種可燃氣在混合物中的體積分數

　　3.2、 理查特里公式

　　對于兩種以上可燃性混合體系可用理查特里公式，該式適用于各組分間不反應、燃燒時無催化作用的可燃性混合體系。

　　EL=100/（V1/EL1+V2/EL2+……+Vn/ELn）

　　EL——混合體系爆炸極限；

　　ELn——混合體系中各組分的爆炸極限；

　　Vn——各組分在混合氣體中的體積分數。

　　4、含惰性氣體的可燃性混合體系的爆炸極限

　　對于有惰性氣體混入的多元可燃性混合體系的爆炸極限，可用以下公式：

　　EL=ELr/（1-D+（ELr×D）/100）

　　EL——含惰性氣體的可燃性混合體系的爆炸極限；

　　ELr——可燃性混合體系中部分可燃物的爆炸極限；

　　D——為惰性氣體含量。

　　綜上所述，爆炸極限的確定對處置石油化工災害事故具有一定的指導意義，但是，在實際工作中決不能把爆炸極限看作是物理常數。作為一個火場指揮員而言，要了解這一個數值的來源，并根據火場實際情況予以科學掌握靈活使用，特別是在處理特殊事故時，比如熱表面積大、點火源溫度高與混合物的接觸時間長的情況下，就應該充分考慮到其對爆炸極限的影響，如果一成不變，不采取特殊措施，就易引發事故，造成不必要的傷亡和財產損失。

安全文化網 m.zltai.com