爆炸极限

可燃气体爆炸极限理论

1.燃烧爆炸原理

燃烧是可燃物质与助燃物质发生的一种发光发热的氧化反应。可燃物质、助燃物质和火源是可燃物质燃烧的三个基本要素。如果火反应速度极快，在短时间内聚集大量的热，则因高温条件下产生的气体和周围气体共同膨胀作用，使反应能量直接转变为机械功，在压力释放的同时产生强光、热和声响，这就是所谓的爆炸。它与燃烧没有本质区别，主要区别在于物质的反应速度，一定条件下，两者可以相互转化。

燃烧的连锁反应理论认为很多燃烧反应不是直接进行的，而是通过游离基团和原子这些中间产物在瞬间进行的循环链式反应。活性分子自由基与另一个分子作用产生新的自由基，新自由基又迅速参加反应，如此延续下去形成一系列连锁反应。该理论认为游离基的连锁反应是火反应的实质，光和热是火存在过程中的物理现象。例如氢气在氯气中燃烧生产氯化氢，氯在光的作用下被活化成活性分子，于是构成一连串反应：

Cl2+hγ(光量子)→Cl·+ Cl·链的引发

Cl·+H2→HCl+H·

H·+Cl2→HCl+ Cl·链的传递

Cl·+H2→HCl+H·以此循环

……

2.爆炸极限的定义及常见气体爆炸极限范围

可燃性气体与空气（或氧气）必须在一定范围内均匀混合，形成预混气，遇着火源才会发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限。当可燃气体浓度太低，没有足够燃料来维持燃烧爆炸；当可燃气体浓度太高，没有足够氧气维持燃烧。

下表列出了几种常见的可燃气体与空气混合的爆炸极限范围。

表1.常见气体的爆炸极限范围

在一定的条件下，高浓度或者纯的可燃气体可以在空气中安静的燃烧，不会发生爆炸，也不会熄灭，这是因为燃烧反应是发生在气体与空气的接触界面上，可燃气体的燃烧通常是将可燃气体按照一定的流速从出口释放到空气中进行燃烧反应的，接触界面只有出口处的可燃气体与空气接触，燃烧释放的热量相对较少，不会在短时间内聚集大量的热而发生爆炸。

例如家用的天然气只有炉头气体与空气接触，在接触界面可以安静的燃烧，产生的热量相对较少。但如果把大量的天然气释放在屋里，气体的每个分子都与空气相接触，一遇明火就会瞬间全部燃烧，所以就会在“短时间”内积聚“大量的热”，而产生大量的热相对于屋子来说就是“有限的空间”了，三个条件都满足，即会发生爆炸。

3.爆炸极限的影响因素

爆炸极限不是一个固定的值，受外界各因素影响而变化。影响爆炸极限的因素主要有以下几种。

1）初始温度。

爆炸性混合物的初始温度越高，混合物分子内能增大，燃烧反应更容易进行，则爆炸极限范围就越宽。所以，温度升高使爆炸性混合物的危险性增加。表2列出了初始温度对煤气爆炸极限的影响。

表2.初始温度对煤气爆炸极限的影响

2）初始压力

爆炸性混合物初始压力对爆炸极限影响很大，一般爆炸性混合物初始压力在增压的情况下，爆炸极限范围扩大。这是因为压力增加，分子间碰撞几率增加，燃烧反应更容易进行。表3列出了初始压力对甲烷爆炸极限的影响。一般情况下，随着初始压力增大，爆炸上限明显提高，在已知的可燃气体中，只有一氧化碳是随着初始压力的增大，爆炸极限范围缩小。

表3.初始压力对甲烷爆炸极限的影响

3）容器的材质和尺寸

实验表明，容器管道直径越小，爆炸极限范围越小。对于同一可燃物质，管径越小，火焰蔓延速度越小。当管径小到一定程度时，火焰便不能通过。这一间距称作最大灭火间距，亦称作临界直径。当管径小于最大灭火间距时，火焰便不能通过而被熄灭。

容器大小对爆炸极限的影响也可以从器壁效应得到解释。燃烧是自由基进行一系列连锁反应的结果。只有自由基的产生数大于消失数时，燃烧才能继续进行。随着管道直径的减小，自由基与器壁碰撞被吸附的几率增加，有碍于新自由基的产生。当管道直径小于一定程度时，自由基消失数大于产生数，燃烧便不能继续进行。

容器材质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，置于黑暗中也会产生爆炸。而在银制器皿中，

在一般温度下才会发生反应。

4）惰性介质

爆炸性混合气体中，随着惰性介质含量的增加，爆炸极限范围缩小。当惰性气体含量增加到某一值时，爆炸不再发生。在一般情况下，爆炸性混合物中惰性气体含量增加，对其爆炸上限的影响比对爆炸下限的影响更为显著。这是因为在爆炸性混合物中，随着惰性气体含量的增加氧的含量相对减少，而在爆炸上限浓度下氧的含量本来就很小，顾惰性气体含量稍微增加一点，即使爆炸上限剧烈下降。

3.爆炸极限的计算

1）根据化学计量浓度近似计算爆炸下限

爆炸性气体完全燃烧时的化学计量浓度可以用来确定链烷烃的爆炸下限，计算公式为

L 下=0.55C O （1） 式中C O 为爆炸性气体完全燃烧时的化学计量浓度；0.55为常数。 如果空气中氧的含量按照20.9%计算，C O 的计算式则为：

00

120.9

1000.20910.209

C n n =

⨯=++ （2）

式中n 0为1分子可燃气体完全燃烧时所需的氧分子数。 如甲烷完全燃烧时的反应式为CH 4+2O 2→CO+2H 2O ，这里n 0=2，代入公式计算可得L 下=5.2，即甲烷爆炸下限的计算值为5.2%，与实验值 5.0%相差较小。此法除用于链烷烃以外，也可用来估算其他有机可燃气体的爆炸下限，但当应用于氢、乙炔以及含有氮、氯、硫等有机气体时，偏差较大。

2）由爆炸下限估算爆炸上限

常压下25℃的链烷烃在空气中的爆炸上、下限有如下关系：

0.56=7.1L L 下上 (3)

上式可以简化为：

L 上 (4)

把上式带入公式（1）可得：

L 上 (5) 3)由分子中所含碳原子数估算爆炸极限

脂肪族烃类化合物的爆炸极限与化合物所含碳原子数有如下近似关系：

1

=0.13470.04343c n L +下

（6）

1

=0.013370.05151c n L +上

（7） 4）多组分可燃气体混合物的爆炸极限

两组分或多组分可燃气体或蒸汽混合物的爆炸极限，可应用各组分一直的爆炸极限按照下式求取。该公式只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。

1

212100

m m m

L V V

V L L L =++⋅⋅⋅+ （8）

式中L m 为混合气体的爆炸极限；L i 为i 组分的爆炸极限；V i 为扣除空气组元后的体积分数。

5）可燃气体与惰性气体混合物的爆炸极限