13 3-5 爆炸极限.pptx

第1页：爆炸极限的概念

§3.5 爆炸极限——3.5.1 爆炸极限的概念及其实用意义

• 当空气中可燃气体的体积分数比理论混合比低时，生成物虽然相同，但燃烧速度变慢，直至某一体积分数以下火焰便不再传播。
• 若可燃气体的体积分数比理论混合比高，可燃组分则不能完全氧化而产生不完全燃烧、生成一氧化碳，此时燃烧速度亦会减慢，直至在高于某一体积分数时不能传播。

像这样火焰不再传播的体积分数界限称为爆炸极限或燃烧极限。

第2页：爆炸下限与上限

因此，当可燃气体与空气或氧气混合时，存在着因可燃气体的体积分数过高或过低而不发生火焰传播的体积分数界限。

爆炸下限

当可燃气体的含量减少到不能形成爆炸混合物时的含量。

爆炸上限

当可燃气体含量一直增加到不能形成爆炸混合物时的含量。

爆炸界限

上、下限之间。

第3页：可燃气体爆炸界限表

可燃气和可燃蒸汽的爆炸界限（体积分数100%）：

第4页：常见燃气爆炸极限对比

燃气爆炸极限：在管道燃气火灾事故中，约有一半以上都是首先由爆炸引起燃烧的。实践证明，爆炸极限越宽，火灾危险性越大。

• LPG（气态）的爆炸极限为1.5～9.5%
• 天然气的爆炸极限为5%～15%
• 焦炉煤气的爆炸极限5%～36%
• 发生炉煤气的爆炸极限20%～74%
• 水煤气的爆炸极限6%～72%

因此它们的火灾危险性依次增加。

第5页：爆炸极限的实用意义

2．爆炸极限在安全管理工作中的实用意义：

1. 可用来评定可燃气体和可燃液体燃爆危险性的大小，作为可燃气分级和确定其火灾危险性类别的标准。我国目前把爆炸下限小于10%的可燃气体划为一级可燃气体，其火灾危险性列为甲类。
2. 可作为设计依据，例如确定建筑物的耐火等级、设计厂房通风系统、防爆电器选型等，需要知道该场所可燃气体（蒸气）的爆炸极限。
3. 可作为制订安全生产操作规程的依据。

第6页：控制浓度在爆炸下限以下

在生产和使用可燃气体和液体的场所，为避免发生火灾和爆炸事故，应严格将可燃气体（蒸气、粉尘）的浓度控制在爆炸下限以下。为保证这一点，在制定安全生产操作规程时应根据其燃爆危险性及其他理化性质采取相应的防爆措施，如通风、惰性气体吸湿、置换、惰性气体稀释、检测报警等，以保证生产场所可燃气（蒸气）浓度严格控制在爆炸下限以下。

第7页：获得爆炸极限数据的方法

3.5.2 获得爆炸极限数据的方法：

1. 查阅手册、资料：这是最常用的方法，但是只限于单质。
2. 进行测试：可燃气体爆炸极限测定方法不只一种，现在采用的是国家标准 GB/T12474-90《空气中可燃气体爆炸极限测定方法》。
3. 进行测算：比较有实用意义的是测算多种可燃气体组成的混合气体的爆炸极限，以及可燃气体与惰性气体混合气体的爆炸极限。

第8页：爆炸极限的测定方法

常用的可燃气体爆炸极限的测定方法为：在容器中充装一定数量的可燃气体与空气的混合气体，在局部通过高压放电点火，当混合气体的浓度正好处在火焰不能传播的浓度时，这一体积浓度就是所要测的可燃气体爆炸极限。

根据爆炸容器是否受压，分为常压测试和压力测试两类方法。

第9页：按氧原子数估算爆炸极限

①单一组分可燃气体爆炸极限——a）按完全燃烧所需氧原子数估算：根据可燃气体燃烧反应所需的氧原子数和热平衡，以及空气中的氧含量，推算出可燃气体完全反应时的爆炸极限。

第10页：爆炸下限计算式

可燃气体爆炸下限（体积%）计算式中：N——可燃气体完全燃烧时所需的氧原子数；C_L——可燃气体爆炸下限（%）；M——可燃气体的摩尔质量（g/mol）；V_t——可燃气体的摩尔体积（L/mol）。另附（g/L）单位的换算式。

第11页：爆炸上限计算式

可燃气体爆炸上限（体积%）计算式中：N——可燃气体完全燃烧时所需的氧原子数；C_U——可燃气体爆炸上限（%）；M——可燃气体的摩尔质量（g/mol）；V_t——可燃气体的摩尔体积（L/mol）。另附（g/L）单位的换算式。

说明：原文该式符号说明中「CU：可燃气体爆炸下限(%)」应为爆炸上限，已按公式含义更正。

第12页：按化学计量浓度估算

b）按化学计量浓度估算：所谓化学计量比浓度就是可燃气体完全燃烧、按化学反应方程式计算出的可燃气体—空气混合物中可燃气体的浓度。各种可燃气体的化学计量比浓度与其热值有关：热值高的可燃气体其燃烧反应所需的理论空气量大，一般成线性关系，各种可燃气体热值与燃烧反应所需理论空气量的比值基本相同，因此各种可燃气体的爆炸极限与化学计量比浓度的比值应该相同。根据这一理论，通过试验数据回归得出了这一关系式。

第13页：化学计量浓度估算式

可燃气体爆炸下限与可燃气体爆炸上限按化学计量比浓度估算的关系式如下。

式中：C_st——可燃气体的化学计量比浓度。

第14页：理论混合比计算式

若可燃气体分子式用 C_nH_mO_λF_k 来表示，燃烧反应方程式可表示为：

C_nH_mO_λF_k＋(n＋m/4−λ/2)O₂ → nCO₂＋(m−k)/2 H₂O＋kHF

式中：n、m、λ、k——可燃气体中的C、H、O及卤族元素的原子数。于是理论混合比 C_st 可按下式计算。

第15页：多组分混合气体爆炸极限

②多组分可燃气体爆炸极限——a）不含惰性气体的可燃混合气体：对于多组分可燃气体的爆炸极限可用混合法则估算，当已知每种气体的体积组分和爆炸极限时，其各单一气体的体积组分与其爆炸极限之比的和等于混合气体总爆炸极限的倒数。

第16页：含惰性气体的爆炸极限

b）含惰性气体的可燃混合气体：可燃混合气体含有惰性气体时，惰性气体对可燃气体爆炸极限有抑制作用，随惰性气体含量增加爆炸极限范围变窄，当惰性气体含量超过一定值时变为不可燃气体。

在石油化工和燃气行业目前都采用如下方法计算：将某一惰性气体组分与某一可燃组分组合起来作为可燃气体中的一种组分，其体积组分为两者之和，然后根据《燃气输配》P23查得调整后各组分的爆炸极限，再用公式计算。

第17页：天然气爆炸下限算例

例如：天然气组成如下——甲烷80%（L₁＝5.0%）、乙烷15%（L₂＝3.22%）、丙烷4%（L₃＝2.37%）、丁烷1%（L₄＝1.86%），求爆炸下限？

解：L＝100/(P₁/L₁＋P₂/L₂＋P₃/L₃＋P₄/L₄)＝100/(80/5.0＋15/3.22＋4/2.37＋1/1.86)＝4.369

第18页：初始温度的影响

3.5.3 爆炸极限的影响因素——1.初始温度：由于系统温度升高，分子内能增加，原来不燃的混合物成为可燃、可爆系统，所以系统温度升高爆炸危险性也增大。因此，初始温度升高则爆炸极限范围越大，即下限降低、上限升高。

第19页：温度与爆炸极限关系图

本页为温度与爆炸极限关系图：图中曲线表明初始温度升高时爆炸下限下降、上限上升，爆炸极限范围随之扩大。源文件未提取到图中坐标数值，建议对照原图补充。

第20页：初始温度影响曲线

本页为初始温度对混合物爆炸极限的影响曲线，展示不同初始温度下爆炸上下限的位移趋势。源文件未提取到图中数值，建议对照原课件图片补充。

第21页：初始压力的影响

2.初始压力：

• 压力增高，爆炸极限范围扩大，这是因为系统压力越高使分子间距更为接近、碰撞几率增高，因此使燃烧反应更为容易进行；
• 压力降低，爆炸极限范围缩小；
• 压力升高对下限的影响不显著。

第22页：爆炸的临界压力

本页为压力与爆炸极限关系图：当压力降低到某值时，爆炸上限浓度与爆炸下限浓度相重合，此时对应的压力称为爆炸的临界压力。源文件未提取到图中数值，建议对照原图补充。

第23页：初始压力对甲烷极限影响

本页为初始压力对 CH₄ 爆炸极限的影响图，展示不同初始压力下甲烷爆炸上下限（%）的变化趋势。源文件未提取到图中数值，建议对照原课件图片补充。

第24页：点火源的影响

3.点火源：点火源的性质对爆炸极限范围的影响是——

• 能量强度越高、加热面积越大、作用时间越长、点火位置越靠近混合气体中心，则爆炸极限范围越宽；当点火能量高到一定程度时，爆炸极限就趋于一个稳定值。
• 不同点火源具有不同的点火温度和点火能量。如：明火能量比一般火花能量大，所对应的爆炸极限范围就大；而电火花虽然温度高，如果不是连续的，点火能量就小，所对应的爆炸极限范围也小。一般测定爆炸极限时应采取较高的点火能量。

第25页：点火位置的影响

点火源位置：

• 点火位置改变将对爆炸压力有一定程度的影响，同时压力的上升时间也将发生变化；
• 在外壳非中心处点火，都使爆炸压力降低，而且压力上升时间加长；
• 经多次实验证明：点火位置设于外壳的中心最适宜。

第26页：氧含量的影响

4.氧含量：可燃混合气中氧含量增加，一般对爆炸下限影响不大，因为在下限浓度时氧气对可燃气是过量的；由于在上限浓度时氧含量相对不足，所以增加氧含量会使上限显著增高。

第27页：惰性气体的抑制作用

5．惰性气体：若加入惰性气体（如N₂、CO₂、蒸汽），爆炸范围缩小，当惰性气体含量逐渐增加到一定浓度时混合气体不会爆炸。

惰性气体对爆炸极限的影响机理

稀释燃气浓度和隔离氧气与燃气的接触（窒息作用），并对燃烧过程有少量的冷却降温作用。

当可燃气体含有卤代烷时，不仅对燃烧或爆炸反应有稀释、隔离和冷却作用，更重要的是有化学抑制作用，能显著缩小爆炸极限范围、提高爆炸下限和点火能，因此气体灭火剂大部分都是卤代烷。

第28页：惰性气体对上限影响更显著

爆炸性混合物中惰性气体含量增加，一般对其爆炸上限的影响比对爆炸下限的影响更为显著。因为：在爆炸性混合物中随着惰性气体含量增加，氧的含量相对减少，而在爆炸上限浓度下氧的含量本来已经很小，故惰性气体含量稍微增加一点即产生很大影响，使爆炸上限剧烈下降。

第29页：爆炸特性三角图

对有两个以上成分的混合气体的爆炸特性，经常用三角图表示，这是一种实用性很强的算图，应该很好地掌握它的用途。

第30页：三角图的规定

对该线图做以下几点规定：

1. 等边三角形的三个顶点分别表示甲烷、氧气和氮气的最大体积浓度（即顶点为纯浓度）；
2. 三角形线图中的3条边分别代表此边端点所代表两气体成分的比值；引申此特点还可得：与底边平行的平行线均代表所对顶点的一个固定浓度，例如底边代表所对顶点的浓度均为0；
3. 在由某一单一成分相对应的顶点所引的直线上，能表示其他两种成分的固定比值，故图中所示的空气组分线即由此得出。

第31页：三角图组分点位移

图中标明了这2种组分增减时 M₁ 点的位移趋势，而且可判断其位移是否通过爆炸浓度区域，进而说明寻找一种不通过爆炸区域的混气过程是完全可能的。

引申此特点可得：三角形线图内的任何一点表示的是构成三角形线图的三种混合气体的组成，在添加其中任何一种组成的时候该点会在图中移动，这意味着其混合气体组成的变化。如初始组分是 M₁，若添加甲烷 CH₄，则 M₁ 点沿 M₁ 与 C 点之连线移至 M₂；若添加物为 O₂，则其组分位于连接 M₁ 和 O₂ 顶点的直线上 M₃。

第32页：三角图的作用

三角形线图的作用：

• 根据这三条规定，可以在图上确定任意三种气体组成的混合物的位置，进而确定燃气的爆炸范围，并且还可以描绘出添加三种气体任意成分的过程曲线；
• 通过此图可以直接观察到添加任意成分的过程曲线是否通过爆炸范围；
• 在爆炸范围之外的就不会发生爆炸；若经过爆炸范围，则需要采取必要措施，绕过爆炸极限防止爆炸。

第33页：容器的影响

6．容器：若容器的传热性能较好且尺寸又小到一定程度，则由于器壁的热损失较大，要达到能使可燃气体燃烧的最低温度就需要增加反应的发热量，从而导致爆炸范围缩小。

1. 一般说来，容器、管子直径越小则爆炸范围越小，当管径小到一定程度时火焰就不能传播。管道尺寸越小，则单位体积火焰所对应的固体冷却表面积就越大，传播的能量也越多，当通道管径小到一定值时火焰便会熄灭。

第34页：容器材质的影响

2）容器的材质对爆炸极限也有影响，有的起到催化作用，有的起到钝化作用。例如：氢和氟在玻璃器皿中混合，甚至在液态空气的温度下于黑暗中也会发生爆炸，而在银制器皿中在常温下才可能发生反应。