爆炸极限与爆炸控制：化工安全的关键要素

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爆炸：很大破坏力的物理化学变化

爆炸，作为一种极为急剧的物理、化学变化过程，伴随着物质所含能量的快速转变。在这一过程中，能量迅速转化为物质本身、变化产物或周围介质的压缩能和运动能。其显著特征是，大量能量在极为有限的时间内突然释放或急剧转化，这些能量在有限的时间和空间里大量积聚，形成高温高压的非寻常状态。这种状态会对邻近介质产生急剧的压力突跃，进而引发复杂的运动，最终显示出强大的移动或破坏效应。

在石油、化工等行业的生产过程中，从原料到成品，涉及众多易燃易爆物质。一旦发生爆炸事故，后果不堪设想。例如，2015 年天津港爆炸事故，造成了 165 人遇难、8 人失踪，直接经济损失高达 68.66 亿元。泵房垮塌、油罐爆炸着火、装置报废、人员伤亡等悲剧屡见不鲜。因此，控爆炸成为石油、化工等行业安全生产的核心任务。而要科学有效地控制气体、粉尘爆炸，正确理解爆炸极限是关键的第一步。

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爆炸极限，指的是可燃性气体或蒸气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。助燃性气体通常包括空气、氧气或辅助性气体。一般情况下，我们所说的爆炸极限是指可燃气体或蒸气在空气中的浓度极限。其中，能够引起爆炸的可燃气体的低含量被称为爆炸下限（Low Explosion - Level，LEL），最高浓度则称为爆炸上限（Upper Explosion - Level，UEL）。例如，甲烷的爆炸下限为 5.0%，爆炸上限为 15.0% ，这意味着当甲烷在空气中的浓度处于这个范围时，一旦遇到合适的点火源，就有发生爆炸的危险。

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1. 可燃气体

• 混合系组分：不同的混合系组分，其爆炸极限存在显著差异。例如，氢气与氧气混合的爆炸极限和甲烷与氧气混合的爆炸极限就不同。

• 初始条件与外部因素：初始温度、系统压力、惰性介质含量、混合系存在空间及器壁材质以及点火能量的大小等，都会对爆炸极限产生影响。

• 温度影响：化学反应与温度密切相关，爆炸极限数据也必然与混合物的初始温度有关。初始温度越高，反应越容易传播。一般规律是，混合系原始温度升高，爆炸极限范围增大，即下限降低，上限增高。例如，汽油在常温下的爆炸极限范围与在高温环境下的爆炸极限范围是不同的，高温会使汽油的爆炸危险性增加。

• 压力影响：系统压力增高，爆炸极限范围扩大，尤其体现在爆炸上限的提高。压力升高，分子间距离更近，碰撞几率增大，燃烧反应更易进行。当压力减小，爆炸极限范围缩小，当压力降至临界压力时，系统不再爆炸。比如，在高压容器中的可燃气体，其爆炸危险性比在常压下更高。

• 惰性气体含量影响：混合系中惰性气体量增加，爆炸极限范围缩小，当惰性气体浓度达到一定数值时，混合系就不会爆炸。不同种类的惰性气体对爆炸极限的影响也不同，以汽油为例，其爆炸极限范围按氮气、燃烧废气、二氧化碳、氟利昂 21、氟利昂 12、氟利昂 11 的顺序依次缩小。

• 容器、管径影响：容器、管子直径越小，爆炸范围越小。当管径小到一定程度时，单位体积火焰对应的固体冷却表面散发出的热量大于产生的热量，火焰会中断熄灭，此时的最大管径称为临界直径。容器材料也有很大影响，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，只有在一般温度下才会发生爆炸反应。

• 点火强度影响：点火能强度越高，燃烧自发传播的浓度范围越宽，爆炸上限向可燃气含量较高的方向移动。例如，甲烷在 100V 电压、1A 电流火花作用下不爆炸，电流增加到 2A 时，爆炸极限为 5.9% - 13.6%，电流增加到 3A 时，爆炸极限为 5.85% - 14.8%。

• 干湿度影响：通常可燃气与空气混合物的相对湿度对爆炸宽度影响较小，但在极度干燥时，爆炸范围宽度最大。

• 热表面、接触时间的影响：热表面面积大、点火源与混合物接触时间长等都会使爆炸极限扩大。

• 其他因素：混合系统接触的封闭外壳的材质、机械杂质、光照、表面活性物质等都可能影响爆炸极限范围。此外，可燃性气体的爆炸上限和氧与氮在空气中的比例几乎无关，但在生产实践中，爆炸上限与空气中的氧含量密切相关，这是由于可燃气或可燃蒸气过剩，即氧气不足所致。

2. 可燃蒸气

• 可燃蒸气的爆炸极限由可燃液体产生的蒸气浓度决定。对于可燃液体，爆炸下限对应的闪点温度又称为爆炸下限温度，爆炸上限浓度对应的液体温度又称为爆炸上限温度。

• 可燃蒸气的爆炸上限和氧与氮在空气中的比例几乎无关，原因与可燃气体相同。

• 爆炸上限与空气中的氧含量有很大关系，同样是由于氧气不足致使可燃气或可燃蒸气过剩。

3. 可燃粉尘

• 爆炸机理：粉尘爆炸是因其粒子表面氧化而发生的。粒子表面接受热能时，表面温度上升，分子产生热分解或干馏作用成为气体排放在粒子周围，该气体同空气混合成为爆炸性混合气体，发火产生火焰，火焰产生的热进一步促进粉末的分解，不断成为气相，放出可燃气体与空气混合而发火、传播。

• 影响因素：

• 粒度：粉尘爆炸下限受粒度影响很大，粒度越高（粒径越小），爆炸下限越低。例如，面粉厂中，面粉颗粒越细，爆炸危险性越大。

• 水分：含尘空气有水分存在时，爆炸下限提高，甚至失去爆炸性。欲使产品成为不爆炸的混合物，至少使其含 50% 的水。

• 氧的浓度：粉尘与气体的混合物中，氧气浓度增加将导致爆炸下限降低。

• 点燃源：粉尘爆炸下限受点燃源温度、表面状态的影响。温度高、表面积大的点燃源，可使粉尘爆炸下限降低。

4. 对爆炸极限的正确认识：爆炸特性值并非物理常数，它与测定时所采用的方法密切相关。因此，同一种气体的爆炸极限数值在国内、国外部门发布的数据可能有所不同。虽然这些数值差别通常不大，在进行气体监测报警时，一般取爆炸下限的 10% 进行报警，差别更加微小，一般不影响正常使用。但作为管理者，必须清楚数值的来源，并根据实际情况科学掌握使用。在特殊情况下，如热表面面积大、点火源与混合物接触时间长时，应充分考虑爆炸极限的扩大，否则可能引发事故，影响生产正常运行。

   
   

   
   

   

1. 根据化学理论体积分数近似计算：爆炸气体燃烧时，其化学理论体积分数可用来确定链烷烃类的爆炸下限。公式为 L 下≈0.55c0，其中 0.55 为常数，c0 为爆炸气体燃烧时化学理论体积分数。若空气中氧体积分数按 20.9% 计，c0 可用 c0 = 20.9 /（0.209 + n0）确定，n0 为可燃气体燃烧时所需氧分子数。以甲烷为例，其燃烧反应式为 CH4 + 2O2→CO2 + 2H2O，n0 = 2 ，则 L 下 = 0.55×20.9 /（0.209 + 2）= 5.2，计算值比实验值 5% 相差不过 10%。

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

• 莱・夏特尔定律：对于两种或多种可燃蒸气混合物，已知每种可燃气的爆炸极限，可根据莱・夏特尔定律计算与空气相混合的气体的爆炸极限。用 Pn 表示一种可燃气在混合物中的体积分数，则 LEL =（P1 + P2 + P3）/（P1 / LEL1 + P2 / LEL2 + P3 / LEL3）（V%），混合可燃气爆炸上限：UEL =（P1 + P2 + P3）/（P1 / UEL1 + P2 / UEL2 + P3 / UEL3）（V%），此定律一直被证明是有效的。

• 理・查特里公式：理・查特里认为，复杂组成的可燃气体或蒸气混合的爆炸极限，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。公式为 Lm = 100 /（V1 / L1 + V2 / L2 + …… + Vn / Ln），其中 Lm 为混合气体爆炸极限，%；L1、L2、L3 为混合气体中各组分的爆炸极限，%；V1、V2、V3 为各组分在混合气体中的体积分数，%。例如，一天然气组成如下：甲烷 80%（L 下 = 5.0%）、乙烷 15%（L 下 = 3.22%）、丙烷 4%（L 下 = 2.37%）、丁烷 1%（L 下 = 1.86%），则爆炸下限 Lm = 100 /（80 / 5 + 15 / 3.22 + 4 / 2.37 + 1 / 1.86）= 4.369。

3. 可燃粉尘：许多工业可燃粉尘的爆炸下限在 20 - 60g/m³ 之间，爆炸上限在 2 - 6kg/m³ 之间。碳氢化合物一类粉尘如能气化燃尽，则爆炸下限可由布尔格斯 - 维勒关系式计算：c×Q = k，其中 c 为爆炸下限浓度，Q 为该物质每摩尔的燃烧热或每克的燃烧热，k 为常数。

   
   

   

许多资料对过爆炸极限可能产生的危险描述为：过爆炸下限则可燃气或蒸气既不爆炸也不着火，过爆炸上限也是如此。但从爆炸发生机理来看，这种将爆炸极限与燃烧极限混为一谈的说法并不严密。爆炸是气体受热、发生燃烧并在特殊情形下发生的，过爆炸极限虽不再发生爆炸，但在特定情况下仍可能发生燃烧。虽然爆炸极限与燃烧极限的差值一般很小，很多情况下可视为等值，但不能一概而论地将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"。利用这一原理，可以在燃烧情况下进行带压不置换动火，从而省时省力，但必须严格控制条件，确保安全。

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由于爆炸造成的后果极其严重，在化工生产作业中，爆炸压力和火灾的蔓延会使生产设备遭受损失，建筑破坏，甚至导致人员死亡。因此，科学防爆至关重要。常见的爆炸控制措施包括：

1. 控制可燃物：通过对生产过程中使用的易燃易爆物质进行严格管理，减少其泄漏和积聚的可能性。例如，采用密封设备、定期检查维护管道和容器等，防止可燃气体、蒸气或粉尘泄漏到空气中形成爆炸性混合物。

2. 控制助燃物：在一些特殊场合，可以通过降低氧气浓度来控爆炸风险。例如，在某些储存易燃易爆物品的仓库中，采用充入惰性气体（如氮气）的方式，降低氧气含量，使环境不具备爆炸条件。

3. 控制点火源：点火源是引发爆炸的关键因素之一，因此要严格控制各种点火源。如在易燃易爆场所，禁止使用明火，采用防爆电气设备，防止电气火花的产生；对设备进行良好的接地，防止静电积聚产生静电火花；避免机械摩擦和撞击产生火花等。

4. 安装防爆装置：在可能发生爆炸的场所，安装防爆装置可以有效减轻爆炸造成的危害。例如，安装安全阀、爆破片等泄压装置，当压力超过一定值时，自动泄压，防止容器爆炸；安装可燃气体报警仪，实时监测空气中可燃气体的浓度，一旦超过设定的报警值，及时发出警报，采取相应措施。

5. 制定应急预案：企业应制定完善的爆炸事故应急预案，明确在发生爆炸事故时的应急处理流程和责任分工。定期组织员工进行应急演练，提高员工应对爆炸事故的能力，确保在事故发生时能够迅速、有效地进行救援，减少人员伤亡和财产损失。

总之，了解爆炸极限和采取有效的爆炸控制措施是化工等行业安全生产的重要保障。只有深入理解爆炸的原理和规律，科学计算爆炸极限，正确认识过爆炸极限的危险性，并采取全面、有效的爆炸控制措施，才能大程度地降低爆炸事故的发生风险，保障人员生命安全和企业的可持续发展。