石油化工灾害事故处置中的爆炸极限

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　　我国石油化工领域发生的各类安全事故中，火灾爆炸导致了大量的人员伤亡，造成了巨大的经济损失。其中，由可燃气体、蒸气和粉尘产生的气相爆炸占到约70%。因此，了解掌握化学品火灾与爆炸相关知识，在抢险救援中正确进行危险评估，从而采取有效的防范措施最大限度避免人员伤亡和财产损失具有重要意义。

　　一、爆炸极限概念

　　爆炸（explosion）是指物质由一种状态迅速转变为另一种状态，并在瞬间释放出巨大的能量，同时伴随着声响，爆炸分为物理爆炸、化学爆炸、核爆炸。物质的燃烧与爆炸需要三要素：可燃物、氧化剂和火源。它们必须在适当的比例和一定的状态下才能燃烧或爆炸，过量的可燃物与不充足的氧化剂或高浓度的氧化剂与不足量的可燃物都不能燃烧或爆炸。当一定浓度的可燃物 (可燃气体、蒸气、粉尘)与氧化剂混合形成具有爆炸性的混合体系达到一定的浓度范围时，遇火源即发生爆炸。这个浓度范围称为爆炸极限（explosive limit），可燃性混合体系能够发生爆炸的最低浓度称为爆炸下限（lower explosion limit）最高浓度称为爆炸上限（upper explosion limit），当可燃性混合体系浓度低于爆炸下限时，过量空气起到冷却作用，阻止了火焰的蔓延，当可燃性混合体系浓度高于爆炸上限浓度时则是由于空气不足火焰不能蔓延，所以当可燃性混合体系浓度低于或高于爆炸极限浓度时不会着火或爆炸。

　　二、爆炸极限影响因素

　　爆炸极限并不是固定不变的，它随温度、压力、含氧量、惰性气体含量、火源强度等因素的变化而变化。

　　1、温度影响

　　化学反应中温度越高，分子的反应活性越强，引发化学反应的可能性也越高，因此，可燃性混合体系着火前的温度升高，将导致可燃性混合体系爆炸范围扩大，即爆炸下限降低，爆炸上限升高，增加了混合体系的爆炸危险性。

　　2、压力影响

　　处在高压下的气体分子比较密集，分子间距离相对接近，这样就增加了分子之间碰撞的机率，分子间传热性也相应提高，发生化学反应的可能性也越大。所以，可燃性混合体系压力增大，爆炸极限范围也随之扩大，压力降低，则爆炸极限范围缩小，当压力降至一定值时，其爆炸上限与爆炸下限重合，此时对应的压力称为可燃性混合体系的临界压力。压力降至临界压力以下，可燃性混合体系便不成为爆炸系统，在石油化工生产中，对爆炸危险性大的物料的生产、储存、运输往往在临界压力以下进行，如环氧乙烷。此外，可燃性混合体系压力增大还将降低其自燃点，这样可燃性混合体系在较低的着火温度下也能够发生燃烧，增加了爆炸的危险性。但是在已知的气体中，一氧化碳的爆炸范围是随压力增加而缩小的。

　　3、惰性气体影响

　　可燃性混合体系的爆炸极限随着所含惰性气体的增加而缩小，当惰性气体量达到某一浓度时，可燃性混合体系就不会发生爆炸。这是因为氮、水蒸气、二氧化碳、四氯化碳等惰性气体的加入可在可燃气体分子和氧分子之间形成一层不燃烧的屏障将它们隔离，并吸收它们的能量，使游离基消失，中断链锁反应，阻止了分子之间火焰的蔓延。同时，惰性气体含量的增加，会使氧气成分下降，导致可燃性混合体系缺氧使可燃气体不能完全燃烧，致使爆炸上限急剧下降，起到抑制燃烧防止爆炸的作用。另外，不同种类的惰性气体，对爆炸极限的影响程度也不同，比如汽油挥发后的爆炸极限按氮气、燃烧废气、二氧化碳、氟利昂21、氟利昂12、氟利昂11的顺序依次减小。

　　4、含氧量影响

　　增加可燃性混合体系氧含量，通常情况下对爆炸下限的影响不明显，因为在爆炸下限浓度时可燃性混合体系中氧气是过量的。但是可燃性混合体系在上限浓度时的含氧量是不足的，增加可燃性混合体系的氧含量将使爆炸上限显著提高，爆炸范围将扩大，大大增加了发生火灾爆炸的危险性，比如甲烷在氧气中的爆炸极限是在空气中爆炸极限的5倍，所以降低可燃性混合体系的含氧量将有效降低火灾爆炸的危险性。

　　5、容器、管径影响

　　容器、管线直径的大小将影响可燃性混合体系的爆炸范围，一般情况下可燃性混合体系的爆炸范围随着容器、管线直径的减小而缩小，这是因为当燃烧在容器、管线中进行时，容器、管线的表面要散发热量，空间越狭窄，散热比表面积就越大，链锁反应中断的可能性就越大，相应的热量损失也就越大。当容器、管线直径小到一定程度时，单位体积火焰所对应的容器、管线冷却表面散发出的热量就会大于产生的热量，这时燃烧就会在容器、管线内停止，因此把火焰不能传播的最大通道直径叫临界直径。此外，容器、管线材料也对爆炸极限有很大影响，以氢和氟为例，氢和氟的混合物如存放在玻璃器皿中在极低温度下且黑暗的环境中也会发生爆炸，而存放在银器中，通常在室温下才能发生爆炸反应。

　　6、点火源影响

　　点火源的能量强度越高，热表面积越大，火源与可燃性混合体系的接触时间越长，燃烧蔓延的浓度范围也就越宽，相应爆炸极限扩大，增加了火灾爆炸的可能性。例如甲烷在100V电压、1A电流作用下，在任何混合比例下均不爆炸；但是当电流增加到2A时，其爆炸极限为5.9%-13.6%；当电流继续增大到3A时，其爆炸极限扩大为5.85%-14.8%。

　　7、小点火能量

　　能引起一定浓度可燃性混合体系燃烧或爆炸的最小能量称为最小点火能量。可燃性混合体系的浓度直接影响点火源能量，通常当可燃性混合体系浓度高于计量浓度时，所需的点火能最低。当点火源的能量低于最小能量时，将不会引燃可燃性混合体系。因此，最小点火能量是一个用来判断可燃气体、蒸气、粉尘混合体系燃烧爆炸危险性的重要参数。

　　除上述影响因素外，可燃性混合体系接触的封闭外壳的材质、机械杂质、光照、表面活性物质、干燥度等都可能最终影响到爆炸极限范围。

　　三、爆炸极限的计算

　　1、爆炸反应当量浓度的计算

　　爆炸气体完全燃烧时，其化学理论体积分数可用来确定可燃物的爆炸下限，公式如下：

　　C =20.9/（0.209+nO）

　　爆炸下限（LEL）=0.55×C

　　爆炸上限（UEL）=4.8(C) ^0.5

　　C——爆炸性气体完全燃烧时的化学计量浓度；

　　0.55——常数；

　　20.9%——空气中氧体积分数；

　　nO——可燃气体完全燃烧时所需氧分子数。

　　例如：求丙烷的爆炸极限。

　　丙烷化学反应式：

　　一分子丙烷+五分子氧气→三分子二氧化碳+四分子水

　　丙烷（LEL）=0.55×C=2.21%

　　丙烷（UEL）=4.8(20.9/（0.209+5）)^0.5=9.62%

　　2、由分子中所含碳原子数估算爆炸极限

　　爆炸下限（LEL）=1/（0.1347n+0.04343）

　　爆炸上限（UEL）=1/(0.01337n+0.05151)

　　n——分子中所含碳原子数

　　3、 两种以上可燃气体组成的混合体系爆炸极限的计算

　　3.1、莱夏特尔定律

　　对于两种以上可燃气体混合体系，已知每种可燃气体的爆炸极限和所占空间体积分数，可根据莱夏特尔定律算出混合体系的爆炸极限。

　　（爆炸下限）LEL=（P1+P2+P3）/（P1/LEL1+P2/LEL2+P3/LEL3）

　　（爆炸上限）UEL=（P1+P2+P3）/（P1/UEL1+P2/UEL2+P3/UEL3）

　　Pn——每种可燃气在混合物中的体积分数

　　3.2、 理查特里公式

　　对于两种以上可燃性混合体系可用理查特里公式，该式适用于各组分间不反应、燃烧时无催化作用的可燃性混合体系。

　　EL=100/（V1/EL1+V2/EL2+……+Vn/ELn）

　　EL——混合体系爆炸极限；

　　ELn——混合体系中各组分的爆炸极限；

　　Vn——各组分在混合气体中的体积分数。

　　4、含惰性气体的可燃性混合体系的爆炸极限

　　对于有惰性气体混入的多元可燃性混合体系的爆炸极限，可用以下公式：

　　EL=ELr/（1-D+（ELr×D）/100）

　　EL——含惰性气体的可燃性混合体系的爆炸极限；

　　ELr——可燃性混合体系中部分可燃物的爆炸极限；

　　D——为惰性气体含量。

　　综上所述，爆炸极限的确定对处置石油化工灾害事故具有一定的指导意义，但是，在实际工作中决不能把爆炸极限看作是物理常数。作为一个火场指挥员而言，要了解这一个数值的来源，并根据火场实际情况予以科学掌握灵活使用，特别是在处理特殊事故时，比如热表面积大、点火源温度高与混合物的接触时间长的情况下，就应该充分考虑到其对爆炸极限的影响，如果一成不变，不采取特殊措施，就易引发事故，造成不必要的伤亡和财产损失。

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