影响可燃气体爆炸极限的因素.pdf

安全技术·ANQUANJISHU 袁解新 一、概述 爆炸极限是表示可燃气体、蒸气和 可燃粉尘危险特性的重要参数之一，爆 炸极限范围越宽，其危险性越大对爆 炸极限影Ⅱ向因素的了解，有助于搞好安 全管理及安全生产，能有效防止和遏制 燃烧爆炸事故的发生 可燃性气体、蒸气或可燃粉尘与助 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能引起爆炸 的浓度极限，能够引起爆炸的可燃气体 的最低浓度称为爆炸下限Low Explosion —Level(IJE L]，最高浓度称为爆炸上限 UpperExplosion—Level(UEL)o 二、影响可燃气体爆炸极限的 因素 爆炸极限值不是一个物理常数，它 随条件的变化而变化在判断某工艺条 件下的爆炸危险性时，需要根据危险物 品所处的条件来考虑其爆炸极限影响 可燃气体爆炸极限的因素有：混合物的 温度变化、压力变化、惰性介质、爆炸 容器的材质和尺寸变化、点火源能量变 化及干湿度变化 可 2．1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、可爆系统但是，目前还 没有大量的系统实验结果来验证这个一般 规律以煤气为例说明初始温度对混合物 爆炸极限的影响(见表1) 2．2压力影响 ． 爆炸性混合气体的初始压力对爆炸 极限的影响比较复杂，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；当压力大于2．0Mpa 时，爆炸下限变小，爆炸上限变大，爆 炸范围扩大一般来说，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 分子问的距离更为接近，碰撞几率增大， 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 可燃气体爆炸极限的影响(见表2) 2．3·隋性气体含量影响 混合系中惰性气体(如氨气、二氧 化碳、水蒸气、氩气、氦气等)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 表1初始温度对混合物爆炸极限的影响(以煤气为例) 可燃物 混合物温度(℃) 爆炸下限(％) 爆炸上限(％) 20 6．oo l3．4 煤气 】oo 5．45 l3．5 200 5 05 13．8 表2压力对可燃气体爆炸极限的影响(以甲烷为例) 初始压力(Pa) 爆炸下限(％) 爆炸上限(％) 9．8x104 5．6 14-3 9．8xl 05 5．9 17．2 4．9x106 5_4 29．4 1．2x10 5．7 45．7 4o江苏安全生产’JIANGSUANQUANSHENGCHAN 表3可燃气体在空气和纯氧中的爆炸极限 可燃物名称 在空气中的爆炸极限 在纯氧中的爆炸极限 甲烷 4 9～15 5-61 乙烷 3～15 3-66 丙烷 2．1～9．5 23～55 丁烷 1．5～8．5 1．8N49 乙烯 2．75-34 3-80 乙炔 2 55～8O 2_3～93 氧气 4～75 4-95 氨气 15～28 13．5~79 一氧化碳 12～74．5 15．5～94 炸。

如乙炔气，乙炔气与氨气体积比为 1：l、乙炔气与水蒸气体积比为1：4时， 乙炔的混合气体不发生爆炸(这也是乙 炔气生产厂家利用氨气来扑灭火灾爆炸 的最常用的方法之一) 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 应键中断若某处着火，那里放出的热量 被惰性气体吸收，热量就不能积聚，火 焰也不能自行正常传播，可起到抑制作 用 由表3可以看出可燃气体在纯氧中 爆炸极限明显扩大，尤其对爆炸上限的 影响更大 此外，惰性气体种类不同，对爆炸 极限的影响也不同 2_4容器、管径影响 容器、管子直径越小，则爆炸极限 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 容器材料对爆炸极限也有很大影 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 2．5点火强度影响 点火能的强度高，活化能量越大， 加热面积越大，作用时间越长，爆炸极 限范围就越大。

2．6干湿度影响 通常情况下，可燃气与空气混合物 的相对湿度对于爆炸宽度影响较小，但 在极度干燥时，爆炸极限的范围宽度达 最大 三、可燃气体爆炸极限的计算 3．1根据化学理论体积分数近似计 算 爆炸气体完全燃烧时，其化学理论 体积分数可用来确定链烷烃类的爆炸下 限，公式如下： L_F 0．55C0 式中O．55——常数： C ——爆炸气体完全燃烧时化学理 论体积分数若空气中氧体积分数按 20．9％计，C可用下式确定 C 20．9／(0．209+N ) 式中N ——可燃气体完全燃烧时 所需氧分子数 如甲烷燃烧时，其反应式为 CH4+202一C02+2H2O 此时No-=2 贝《1 T=0．55 x20．9／(0．209+2)=5．2 由此得甲烷爆炸下限计算值比实验值 5％相差不超过10％ 链烷烃类的爆炸上限公式： L l一4．8、／ ，计算过程略 3．2对于两种或多种可燃气体或可 燃蒸气混合物爆炸极限的计算，目前， 比较认可的计算方法有两种： 1)莱·夏特尔定律 对于两种或多种可燃蒸气混合物， 如果已知每种可燃气的爆炸极限，那么 根据莱·夏特尔定律，可以算出与空气 相混合的气体的爆炸极限。

安全技术·ANOUANuISHU 混合可燃气爆炸上限： L上： (P1+P2+P3) ／(P1／Ll上+P2，L2上+ Ps／L3_[) (V％) 混合可燃气爆炸下限： L下：(P1+P2+P3)／(Pl／L1下+PJI~下+ P儿 ) (V％) P 表示一种可燃气在混合物中的体 积分数： L 』=、L 表示～种可燃气在混合 物中的爆炸上、下限 2)理·查特里公式 理·查特里认为，复杂组成的可燃 气体或混合蒸气的爆炸极限，可根据各 组分已知的爆炸极限按下式求之该式 适用于各组分间不反应、燃烧时无催化 作用的可燃气体混合物 L =100／(Vl／L1+V，／ +’-‘‘‘‘+VJL~) 式中L ——混合气体爆炸极 限，％： L 、 、L ——混合气体中各组分 的爆炸极限，％： V 、v 、v ——各组分在混合气体 中的体积分数，％ 四、超过可燃气体爆炸极限的 危险性 超过爆炸极限可能产生的危险，许 多资料都是这样描述的：超过爆炸下 限，则可燃气或蒸气就既不爆炸也不着 火；超过爆炸上限，也是如此从发生 机理上讲，爆炸是在经历气体受热、发 生燃烧并在一定条件下由燃烧转爆轰 由此来看，上述将爆炸极限与燃烧极限 混为一谈是不严密的，因为这里面涉及 一个燃烧极限问题。

超过爆炸极限不再 发生爆炸显然是正确的，但是，在个别 情况下，不发生爆炸但仍可能发生燃 烧只是这个爆炸极限与燃烧极限的差 值一般很小，在很多情况下可以视为等 值，但不应视为等值，从而一概把超过 爆炸极限的危险状况认定为既不爆炸也 不燃烧的“安全状况”利用这～原理， 可以在燃烧情况下进行带压不置换动 火，从而省时省力 五、可燃气体的爆炸控制 防止可燃气体爆炸的一般原则：一 江苏安全生产‘JIANGSUANQUANSHENGCHAN 4：t 安全技术·ANQUANJISHU 是控制混合气体的组分处在爆炸极限以 外；二是使用惰性气体取代空气；三是 使氧气浓度处于可燃气体爆炸极限值以 下为此，应防止可燃气向空气中泄 漏，或防止空气进入可燃气体中：控 制、监视混合气体组分浓度，装设气体 组分接近危险范围的报警装置 防止可燃气体爆炸的具体措施： 5．1惰性介质保护 由于爆炸的形成需要有可燃物质， 氧气，一定的点火能量利用惰性气体 取代空气中的氧气，就消除了引发爆炸 的一大因素，从而使爆炸过程无法完 成在化工生产中，常用的惰性气体主 要有氨气、二氧化碳、水蒸气、烟道气 0 1)易燃固体物质的粉碎、筛选处 理及其粉末输送时，采用惰性气体进行 覆盖保护。

2)处理可燃易爆的物料系统，在 进料前，用惰性气体进行置换，以排除 系统中原有的气体，防止形成爆炸性混 合物 3)将惰性气体通过管线与有火灾 爆炸危险的设备、贮槽等连接起来，在 发生危险时使用如工业化乙炔气生产 就是通过氮气汇流排与每个设备和管道 进行连接，一旦发生火灾爆炸就立即打 开氦气，用氨气进行灭火 4)在有爆炸性危险的生产场所， 对有引起火灾危险的电器、仪表等采用 充氨正压保护 5)易燃易爆系统检修动火前，使 用惰性气体进行吹扫置换 6)发现易燃易爆气体泄漏时，采 用惰性气体(水蒸气)冲淡：发生火灾 时，用惰性气体进行灭火 5．2系统密闭和负压操作 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)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 5．3通风置换 通过通风可以有效防止易燃易爆气 体积聚到爆炸极限通风有自然通风和 机械通风，应根据国家标准达到通风换 气次数安装可燃气体浓度报警仪，24 小时进行监测和监控，确保生产场所可 燃气体浓度不达到燃烧爆炸极限。

5．4阻止容器或室内爆炸的安全措 施 I)爆炸卸压 通过固定的释放口及时进行卸压， 则容器内部就不会产生超过容器限定的 压力，因而也就不必使用能抗这种高压 的结构，设置爆炸卸压口，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) 2)房间卸压 根据国家规范要求，可燃气体、蒸 气和可燃粉尘等生产场所都要有符合要 求的泄压面积主要是用来保护容器和 装置的，它能使生产设备不被炸毁和工 作人员不受伤害，也可在建筑物上采取 泄压措施来保护建筑厂房 5．5点火能控制 可燃气体与助燃性气体的均匀混合 达到爆炸极限时，如给予一定的点火能 量就能发生燃烧爆炸，对于不同组分的 混合性爆炸气体，其点火能也不同，从 表4中可以看出最小点火能量是相当低 的，这就要求生产企业使用不发火工 具，穿戴正确的劳动保护用品，设备具 有良好的接地性能等，以尽可能减少点 火能量的产生点火能源的种类和形式 见表5 (作者单位：常州市城北溶剂厂乙 炔气分厂) 表4部分可燃气体在常压下的最小点火能量 最小点火能量(毫焦耳) 可燃气体 称 分子式 浓度(Vol％) 空气中 氧气中 二硫化碳 CS： 6．52 O．Ol5 氢 H2 29．5 O．0l9 0．00l3 乙炔 C2H2 7．73 O．O2 0．0003 乙烯 C2H4 6．52 0．096 0．0o1 环氧乙烷 C2H40 7．72 0．1O5 甲烷 CH 8．5 0-28 0．031 乙烷 C2H6 6．O O_3l 氨 NH 21．8 0．77 表5点火能源的种类和形式 能源种类 能源的形式 f『【械能 撞击、摩擦、绝热压缩、冲击波 热能 明火、加热表面、高温气体、热辐射 电能 电火花、电弧、静电火花 光能 红外线、紫外线 化学能 氧化、聚合、分解 42江苏安全生产’JIANGSUANQUANSHENGCHAN ％一 曩ll 。