爆炸极限与影响因素

在工业生产过程中释放出来的可燃性气体，常常逸散在周围环境大气中，同空气混合形成可燃性气体-空气混合物。可燃性气体在空气中的浓度积累到一定值时，一旦遇到足够能量的点燃源，就可能发生燃烧，甚至爆炸。这个浓度的“一定值”，就叫做可燃性气体-空气混合物的爆炸极限（下限）。

爆炸极限定义为，当可燃性气体-空气混合物被点燃时，燃烧火焰在点燃源消失后可以在混合物中自行蔓延下去，此时混合物中可燃性气体含量（以体积百分比或单位容积所含质量计）的范围。火焰能够自行蔓延的最低浓度叫做爆炸极限的下限，简称爆炸下限；可燃性气体的浓度大于某个值时便不能发生燃烧爆炸，这“某个值”被叫做爆炸极限的上限，简称爆炸上限。例如，氢气-空气混合物的爆炸极限是4%～77%（体积比），即爆炸下限为4%，爆炸上限为77%。

燃烧火焰之所以在浓度低于爆炸下限的混合物中不能自行蔓延下去，是因为混合物中可燃性气体的数量太少，在点燃源作用下燃烧的可燃性气体所产生的热量不能够维持在点燃源消失之后燃烧继续进行下去，尽管氧气十分充足。浓度高于爆炸上限的混合物，由于混合物中助燃性物质——氧气太少，无法被点燃源点燃，即使点燃源有足够的点燃能量。

爆炸极限，有时候，也称燃烧极限，不是一个物理量。它只是表征可燃性气体物理-化学性质的一个参数。一种可燃性气体-空气混合物的爆炸极限，不仅与这种可燃性气体-空气混合物的物理-化学性质有关，而且还与混合物的初始压力、初始温度、点燃源的功率、混合物中存在的惰性杂质诸因素有关。

（1）单一型可燃性气体的爆炸极限

单一型可燃性气体是指某一种可燃性气体。它与空气混合后形成“单质”可燃性气体-空气混合物。这里，我们简要地讨论一下，除可燃性气体的物理-化学性质之外，试验条件对爆炸极限的影响。

1）混合物初始压力对爆炸极限的影响

在可燃性气体-空气混合物爆炸极限的测试时，混合物的状态，即初始压力，对爆炸极限有着很大的影响。随着初始压力的升高，因混合物种类的不同，初始压力对爆炸极限的影响也是各不相同的。

对于碳氢化合物-空气混合物，通常情况下，随着初始压力的升高，爆炸极限逐渐拓宽。例如，氢气-空气混合物的爆炸极限，在初始压力升高至1MPa以前，是收缩的，再继续提高初始压力，开始逐渐拓宽；甲烷-空气混合物的爆炸极限，随着压力的升高，开始迅速增加，接着基本维持不变（图1.1）；而对于一氧化碳-空气混合物，随着初始压力的升高，爆炸极限稍微有点收缩。

图1.1 初始压力与爆炸极限的关系

a）氢气-空气混合物 b）甲烷-空气混合物

当减小混合物的初始压力低于大气压力至某个极限值（p₀）时，爆炸极限的上限与下限会合并在一起。碳氢化合物，除甲烷外，都明显地有这样一个极限压力p₀。对于碳氢化合物来说，当温度为15～20℃时，这个极限压力为4×10^-3～5×10^-3MPa。

2）混合物初始温度对爆炸极限的影响

在测试可燃性气体-空气混合物的爆炸极限时发现，随着可燃性气体-空气混合物初始温度的增高，爆炸极限在拓宽，下限在减小，上限在增加。几种可燃性气体-空气混合物的爆炸极限与初始温度的关系如表1.1所示。

表1.1 混合物初始温度与爆炸极限

3）点燃源功率对爆炸极限的影响

在测试可燃性气体-空气混合物的爆炸极限时发现，点燃源的点燃功率同样对爆炸极限有着一定的影响。例如，增加点燃混合物的电气火花的功率，混合物的燃烧浓度范围（爆炸极限）就会拓宽。但是，这个燃烧浓度范围存在一个极限值，一旦达到这个值，不管电气火花点燃功率如何增加，爆炸极限都不会再发生变化。这时，如此功率的火花，通常被称作“饱和火花”。

4）惰性杂质对爆炸极限的影响

在测试可燃性气体-空气混合物的爆炸极限时，令人特别感兴趣的是惰性杂质对混合物爆炸极限的影响。(www.xing528.com)

在测试时发现，如果在混合物中添加不燃性气体或蒸气的话，那么，随着不燃性气体或蒸气数量的增加，可燃性气体-空气混合物的爆炸极限的上、下限会彼此靠近，最终会重合在一起。惰性杂质，例如，二氧化碳（CO₂）、氮（N₂）或氩（Ar），改变了混合物中氧的数量，而且还吸收了初始点燃能量，使燃烧不能发生。然而，由于惰性杂质的不同，它们的这种熄焰效果也是不同的。

惰性杂质的熄焰效果是由它们的热容量所确定的，二氧化碳的热容量大于氮的，氮的大于氩的。其他种类的惰性杂质的熄焰效果可能比上述的还要大一些。例如，某些卤素有机化合物就具有极强的熄焰效果。

惰性杂质的熄焰效果常常被应用在火灾安全技术上。

（2）混合型可燃性气体的爆炸极限

上面我们讨论了单一型可燃性气体的爆炸极限，下面再简单地介绍一下混合型可燃性气体的爆炸极限。

由几种可燃性气体混合在一起形成的混合物被称为混合型可燃性气体。它的爆炸极限可以用下式求得：

式中 LEL，UEL——混合型可燃性气体-空气的爆炸下限和爆炸上限（%）；

c₁，c₂，…，c_n——混合型可燃性气体中各成分的浓度，（%），而且，c₁+c₂+…+c_n=100%；

lel₁，lel₂，…，lel_n——混合型可燃性气体中各成分的爆炸下限（%）；

uel₁，uel₂，…，uel_n——混合型可燃性气体中各成分的爆炸上限（%）。

式（1.1）和式（1.2）告诉我们，混合型可燃性气体的爆炸极限，不仅与混合型可燃性气体中各成分的爆炸极限有关，而且还与混合型可燃性气体中各成分的浓度有关。因而，人们在确定混合型可燃性气体的爆炸极限时不仅要注意各成分的爆炸极限，而且还要特别考虑各成分在混合型可燃性气体中的浓度。这些浓度不同时混合型可燃性气体的爆炸极限就会不同，尽管混合型可燃性气体中各成分相同。

这里举例计算混合型可燃性气体的爆炸极限。

【例1.1】 计算表1.4中环氧树脂热分解时形成的混合型可燃性气体的爆炸极限，并分析一下它的各成分的浓度对混合型可燃性气体爆炸极限的影响。

表1.4指出，1g某种牌号的环氧树脂在热分解时释放出：二氧化碳8.3cm³、一氧化碳28.2cm³、甲烷30.2cm³、乙炔2.9cm³、乙烯8.8cm³、丙烯4.1cm³、乙醛1.9cm³。计算可知，除二氧化碳以外，可燃性气体的总体积为76.1cm³；在这种混合型可燃性气体中，各成分所占比例为：一氧化碳37.0%、甲烷39.7%、乙炔3.8%、乙烯11.6%、丙烯5.4%、乙醛2.5%。将这些数据和这些成分的爆炸极限代入式（1.1）和式（1.2）中计算，便可得出这种混合型可燃性气体的爆炸极限为

LEL={100/[37.0%/10.9%+39.7%/4.4%+3.8%/2.3%+11.6%/2.3%+5.4%/2.0%+2.5%/4.0%]}%≈4.5%

UEL={100/[37.0%/74.0%+39.7%/17.0%+3.8%/100%+11.6%/36.0%+5.4%/11.0%+2.5%/60.0%]}%≈26.8%

假若我们用另一种牌号的环氧树脂进行试验。这种牌号的环氧树脂热分解释放出的可燃性气体依然是上述的几种，但是它们的体积是不同的，例如，它们的体积在混合型可燃性气体中所占比例为：一氧化碳50.2%、甲烷26.5%、乙炔5.1%、乙烯10.3%、丙烯5.4%、乙醛2.5%。将这些数据和它们的爆炸极限代入式（1.1）和式（1.2）中计算得出这种混合型可燃性气体的爆炸极限却为4.8%～32.2%。

由此可见，混合型可燃性气体中各成分的体积和它们的爆炸极限一样，在影响着它的爆炸极限。这一点应该引起人们的注意。

这里需要特殊指出的是，环氧树脂在热分解时会释放出二氧化碳（表1.4显示，表中所列环氧树脂释放的二氧化碳体积为8.3cm³）。二氧化碳对爆炸极限会产生一定的影响，随着它的体积的增加，混合型可燃性气体的爆炸极限将会缩小。因而，在上述的计算中去掉二氧化碳的数量，不会对混合型可燃性气体的爆炸极限产生不利的影响。