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爆炸與防爆 |消防檢測
發(fā)布日期：2016-08-01 08:22:31
引言（1）
爆炸是物質(zhì)的一種非常急劇的物理、化學變化，在變化過程中，伴有物質(zhì)所含能量的快速轉(zhuǎn)變，即變?yōu)樵撐镔|(zhì)本身、變化產(chǎn)物或周圍介質(zhì)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(zhuǎn)化，這種能量能在有限的時間和有限的體積內(nèi)大量積聚造成高溫高壓等非尋常狀態(tài)，對鄰近介質(zhì)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(chǎn)過程中，從原料到成品，使用、產(chǎn)生的易燃易爆物質(zhì)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(jīng)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Low Explosion - Level（LEL），最高濃度Upper Explosion - 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(zhì)含量、混合系存在空間及器壁材質(zhì)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(shù)據(jù)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(jié)果。因為系統(tǒng)溫度升高，分子內(nèi)能增加，使原來不燃的混合物成為可燃、可爆系統(tǒng)。
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(xiàn)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。
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(shù)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(chǎn)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(zhì)、機械雜質(zhì)、光照、表面活性物質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生火焰；這種火焰產(chǎn)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（粒徑越小）爆炸下限越低。
（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(chǎn)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
以上敘述表明，決不可把爆炸特性值看作是物理常數(shù)。而在實際工作中，卻有很多人把其當作一個常數(shù)，這對處理實際工作中遇到的特殊情況有很大的危害。這些值與測定時所采用的方法有很大的關系。正因如此，同一種氣體，其爆炸極限數(shù)值在國內(nèi)、國外權(quán)威部門發(fā)布的數(shù)據(jù)也是有所不同。
但是，這些數(shù)值由于本身差別并不大，而在進行氣體監(jiān)測報警時，更是取其爆炸下限的10%進行報警，因此，差別就更加微小，一般情況下不影響正常使用，但是，作為一個管理者而言，應該知道這個數(shù)值的來源，并根據(jù)自己的實際情況予以科學掌握使用，特別是在特殊情況下，比如熱表面的面積大、點火源與混合物的接觸時間長的情況下，就應該充分考慮到爆炸極限的擴大。如果一成不變，死搬教條，就易引發(fā)事故，影響生產(chǎn)的正常運行。
爆炸極限的計算（4）
1 根據(jù)化學理論體積分數(shù)近似計算
爆炸氣體完全燃燒時，其化學理論體積分數(shù)可用來確定鏈烷烴類的爆炸下限，公式如下：
L下≈0.55c0
式中 0.55——常數(shù)；
c0——爆炸氣體完全燃燒時化學理論體積分數(shù)。若空氣中氧體積分數(shù)按20.9%計，c0可用下式確定
c0=20.9/（0.209+n0）
式中 n0——可燃氣體完全燃燒時所需氧分子數(shù)。
如甲烷燃燒時，其反應式為
CH4+2O2→CO2+2H2O
此時n0=2
則L下=0.55×20.9/（0.209+2）=5.2由此得甲烷爆炸下限計算值比實驗值5%相差不超過10%。
2 對于兩種或多種可燃氣體或可燃蒸氣混合物爆炸極限的計算
目前，比較認可的計算方法有兩種：
2.1 萊·夏特爾定律
對于兩種或多種可燃蒸氣混合物，如果已知每種可燃氣的爆炸極限，那么根據(jù)萊·夏特爾定律，可以算出與空氣相混合的氣體的爆炸極限。用Pn表示一種可燃氣在混合物中的體積分數(shù)，則：
LEL=（P1+P2+P3）/（P1/LEL1+P2/LEL2+P3/LEL3） （V%）
混合可燃氣爆炸上限：
UEL=（P1+P2+P3）/（P1/UEL1+P2/UEL2+P3/UEL3） （V%）
此定律一直被證明是有效的。
2.2 理·查特里公式
理·查特里認為，復雜組成的可燃氣體或蒸氣混合的爆炸極限，可根據(jù)各組分已知的爆炸極限按下式求之。該式適用于各組分間不反應、燃燒時無催化作用的可燃氣體混合物。
Lm=100/（V1/L1+V2/L2+……+Vn/Ln）
式中Lm——混合氣體爆炸極限，%；
L1、L2、L3——混合氣體中各組分的爆炸極限，%；
V1、V2、V3——各組分在混合氣體中的體積分數(shù)，%。
例如：一天然氣組成如下：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%）求爆炸下限。
Lm=100/（80/5+15/3.22+4/2.37+1/1.86）=4.369
3 可燃粉塵
許多工業(yè)可燃粉塵的爆炸下限在20-60g/m3之間，爆炸上限在2-6kg/m3之間。
碳氫化合物一類粉塵如能完全氣化燃盡，則爆炸下限可由布爾格斯-維勒關系式計算：
c×Q=k
式中c——爆炸下限濃度；
Q——該物質(zhì)每靡爾的燃燒熱或每克的燃燒熱；
k——常數(shù)。
超過爆炸極限的危險性（5）
超過爆炸極限可能產(chǎn)生的危險，許多資料都是這樣描述的：超過爆炸下限則可燃氣或蒸氣就既不爆炸也不著火；超過爆炸上限也是如此。從發(fā)生機理上講，爆炸是在經(jīng)歷氣體受熱、發(fā)生燃燒并在特殊情形下發(fā)生爆炸。由此來看，上述將爆炸極限與燃燒極限混為一談是不嚴密的，因為，這里面涉及一個燃燒極限問題。超過爆炸極限不再發(fā)生爆炸顯然是正確的，但是，在具別情況下，不發(fā)生爆炸但仍可能發(fā)生燃燒。只是這個爆炸極限與燃燒極限的差值一般很小，在很多情況下可以視為等值，但不應視為等值，從而一概把超過爆炸極限的危險狀況認定為既不爆炸也不燃燒的“安全狀況”。利用這一原理，可以在燃燒情況下進行帶壓不置換動火，從而省時省力。
爆炸控制（6）
由于爆炸造成的后果大多非常嚴重，在化工生產(chǎn)作業(yè)中，爆炸壓力的作用和火災的蔓延，不僅會使生產(chǎn)設備遭受損失，而且使建筑破壞，甚至致人死亡。因此，科學防爆是非常重要的一項工作。
防止爆炸的一般原則是：一是控制混合氣體的組分處在爆炸極限以外；二是使用惰性氣體取代空氣；三是使氧氣濃度處于其極限值以下。為此應防止可燃氣向空氣中泄漏，或防止空氣進入可燃氣體中；控制、監(jiān)
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