爆炸極限的計算

爆炸與防爆前言（1）

爆炸是物質的一種非常急劇的物理、化學變化，在變化過程中，伴有物質所含能量的快速轉變，即變?yōu)樵撐镔|本身、變化產物或周圍介質的壓縮能和運動能。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化，這種能量能在有限的時間和有限的體積內大量積聚造成高溫高壓等非尋常狀態(tài)，對鄰近介質形成急劇的壓力突躍和隨后的復雜運動，顯示出不尋常的移動或破壞效應。在石油、化工等行業(yè)生產過程中，從原料到成品，使用、產生的易燃易爆物質很多，一旦發(fā)生爆炸事故，常會帶來非常嚴重的后果，造成巨大的經濟損失和人員傷害，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可燃氣體

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、惰性介質含量、混合系存在空間及器壁材質以及點火能量的大小等都能使爆炸極限發(fā)生變化。

a.溫度影響

因為化學反應與溫度有很大的關系，所以，爆炸極限數據必定與混合物規(guī)定的初始溫度有關。初始溫度越高，引起的反應越容易傳播。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)實驗結果。因為系統(tǒng)溫度升高，分子內能增加，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，爆炸極限范圍也擴大，明顯體現在爆炸上限的提高。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，使燃燒反應更容易進行，爆炸極限范圍擴大，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氣、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，當管徑小到一定程度時，單位體積火焰所對應的固體冷卻表面散發(fā)出的熱量就會大于產生的熱量，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。

e.點火強度影響

點火能的強度高，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氣含量較高的方向移動。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?？扇細馀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，點火源與混合物的接觸時間長等都會使爆炸極限擴大。

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

i.可燃氣體的爆炸上限和氧與氮在空氣中的比例幾乎無關。因為氧和氮的比熱相近，燃燒熱傳遞到這兩種氣體都會導致相同的燃燒溫度，所以，混俁氣體一旦被點燃，過剩的氧是否被氮所取代，無關緊要。

j.在生產實踐中，爆炸上限與空氣中的氧含量有很大的關系。這是由于可燃氣或可燃蒸氣過剩，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生的蒸氣濃度決定的。對于可燃液體而言，爆炸下限對應的閃點溫度又可以稱為爆炸下限溫度，爆炸上限濃度對應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。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系。原因也是由于氧氣不足致使可燃氣或可燃蒸氣過剩。

3可燃粉塵

3.1可燃粉塵爆炸機理

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)火產生火焰；這種火焰產生的熱，進一步促進粉末的分解不斷成為氣相，放出可燃氣體與空氣混合而發(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孪拊降汀?/p>

（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，氧氣濃度增加將導致爆炸下限降低。

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

4對爆炸極限的正確認識

2系統(tǒng)密閉和負壓操作

2.1為防止易燃氣體、蒸氣或可燃性粉塵與空氣形成爆炸性混合物，應設法使設備密閉。為了保證設備的密閉性，對危險設備及系統(tǒng)應盡量少用法蘭連接，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，可以采用負壓操作系統(tǒng)。對于在負壓操作下生產的設備，應防止空氣吸入。

3通風置換

通過通風可以有效防止易燃易爆氣體積取并達到爆炸極限。排除有燃燒爆炸危險粉塵的排風系統(tǒng)，應采用不產生火花的除塵器。含有爆炸性粉塵的空氣，在進入風機前，應進行凈化。

4阻止容器或室內爆炸的安全措施

4.1抗爆容器

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

由于這一方法的成本很高，而且，與相關設備的安全可靠性判別太大，因此，在生產實踐中很少用到，非特別危險或發(fā)生事故造成嚴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行卸壓，則容器內部就不會產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構，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度所能承受的某一數值。卸壓裝置可分為一次性（如爆破膜）和重復使用的裝置（如安全閥）。

4.3房間卸壓

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

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保護的容器里。于是，爆炸燃燒被撲滅，控制住爆炸的發(fā)生。爆炸燃燒能自行進行檢測，并在停電后的一定時間里仍能繼續(xù)進行工作。

爆炸遏制系統(tǒng)示意圖

爆炸遏制系統(tǒng)的重要作用，就是當可燃氣或粉塵爆炸時，防止容器里出現不許可的高壓，從而使容器、設備免受爆炸損壞，并不會對人造成任何傷害。如果爆炸能引起有毒的或對環(huán)境有害的可燃氣、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，阻火器常用的是機械阻火器，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氣或蒸氣的管道里。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光學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管道的內部，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的時機泄壓，防止爆轟的形成，現在已經發(fā)展應用外部控制式阻火器。

二是裝防爆瓣閥。這是一種具有一定重量的能自動閉合的卸壓裝置。當爆炸或爆轟發(fā)生時，防爆瓣閥能夠打開管端的排氣口，接著再重新關閉，并盡可能地密