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爆炸极限影响因素

1、压力

  混合气体的压力对爆炸极限有很大的影响,压力增大,爆炸极限区间的宽度一般会增加,爆炸上限增加,略使爆炸下限下降。这是因为系统压力增高,其分子间距更为接近,碰撞几率增高,因此使燃烧的最初反应和反应的进行更为容易,所以压力升高,爆炸危险性增大。反之,压力降低,则爆炸极限范围缩小。

  待压力降至某值时,其下限与上限重合,此时的最低压力称为爆炸的临界压力。若压力降至临界压力以下,系统就不爆炸。因此,在密闭容器内进行减压(负压)操作对安全生产有利。

需要说明的是,压力的变化对爆炸上限影响很大,但爆炸下限的变化不明显,而且不规则。各个文献间的计算结果有一定的差距。

2、温度

  常温下爆炸极限数据已很充足,然而摩擦生热、燃烧热等通过热传导、辐射、对流可以使环境温度高于常温。在实际生产部门中,非常温下(高于室温)可燃气体被预期或非预期引爆的例子屡见不鲜,因此测定非常温下爆炸极限具有非常重要的意义。

  一般来说,爆炸性气体混合物的温度越高,则爆炸极限范围越大,即:爆炸下限降低,上限增高。因为系统温度升高,其分子内能增加,使更多的气体分子处于激发态,原来不燃的混合气体成为可燃、可爆系统,所以温度升高使爆炸危险性增大。

  3、燃气的种类及化学性质

  可燃气体的分子结构及其反应能力,影响其爆炸极限。对于碳氢化合物而言,具有 CC 型单键相连的碳氢化合物,由于碳键牢固,分子不易受到破坏,其反应能力就较差,因而爆炸极限范围小;而对于具有 CC 型三键相连的碳氢化合物,由于其碳键脆弱,分子很容易被破坏,化学反应能力较强,因而爆炸极限范围较大;对于具有 C = C 型二键相连的碳氢化合物,其爆炸极限范围位于单键与三键之间。

  对于同一烃类化合物,随碳原子个数的增加,爆炸极限的范围随之变小。爆炸极限还与导热系数(导温系数)有关,导热系数越大,其导热越快,爆炸极限范围也就越大。

  4、惰性气体及杂质

  可燃气体中含有N2等惰性气体时,随着N2 量的增加,爆炸下限增加,爆炸上限减小,爆炸极限范围相应缩小。N2对爆炸上限有明显的影响,对爆炸下限影响较小。

  N2对气体爆炸极限的影响机理主要为稀释氧气浓度、隔离氧气与燃气的接触(窒息作用)、冷却和化学作用。前3种抑制作用主要是物理作用。惰性气体浓度加大时,氧浓度相对减少,而在达到爆炸上限时氧的浓度本来就很小,惰性气体浓度稍微增加,就会产生很大影响,导致爆炸上限剧烈下降。

  对于有气体参与的反应,杂质也有很大的影响。例如,少量的硫化氢会大大降低水煤气和混合气体的燃点,并因此促使其爆炸;而当可燃气体中含有卤代烷时,则能显著缩小爆炸极限的范围,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。

   5、燃气与空气混合的均匀程度

  当燃气与空气充分混合均匀的条件下,若某一点的燃气浓度达到爆炸极限时,整个混合空间的燃气浓度都达到爆炸极限,燃烧或爆炸反应在整个混合气体空间同时进行,其反应不会中断,因此爆炸极限范围大;但当混合不均匀时,就会产生在混合气体内某些点的燃气浓度达到或超过爆炸极限,而另外一些点的燃气浓度达不到爆炸极限,燃烧或爆炸反应就会中断,因此,爆炸极限范围就变小。

  6、点火源的形式、能量和点火位置

  可燃混合物的爆炸实质是瞬间的燃烧,而引发燃爆需要有一定的能量,故而能量特性对爆炸极限范围亦有影响。点火源的能量、热表面的面积、火源与混合气体的接触时间等,对爆炸极限均有影响。一般来说,能量强度越高,加热面积越大,作用时间越长,点火的位置越靠近混合气体中心,则爆炸极限范围越大。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。

  如甲烷在电压100 V、电流强度1 A的电火花作用下,无论浓度如何都不会引起爆炸。但当电流强度增加至2 A时,其爆炸极限为59%~136%;3A时为585%~148%。对于一定浓度的爆炸性混合物,都有一个引起该混合物爆炸的最低能量。浓度不同,引爆的最低能量也不同。对于给定的爆炸性物质,各种浓度下引爆的最低能量中的最小值,称为最小引爆能量,或最小引燃能量。表1列出了部分气体的最小引爆能量。

  7、容器的几何形状和尺寸

  充装容器的材质、尺寸等,对物质爆炸极限均有影响。实验证明,容器直径越小,爆炸极限范围越小。这是因为随着管径的减小,因壁面的冷却效应而产生的热损失就逐步加大,参与燃烧的活化分子就少,导致燃烧温度与火焰传播速度就相应降低,当管径(或火焰通道)小到一定程度时,火焰即不能通过。这一间距称最大灭火间距,亦称之为临界直径,例如,甲烷的临界直径为0.4~0.5mm,小于临界直径时就无爆炸危险。

  容器几何尺寸对爆炸极限的影响也可以从器壁效应得到解释。燃烧与爆炸是由自由基产生一系列连锁反应的结果。在燃烧过程中,只有当新生自由基大于消失的自由基时,燃烧才能继续。但随着管径的减小,自由基与管道壁的碰撞几率相应增大。当尺寸减少到一定程度时,自由基(与器壁碰撞)销毁大于自由基产生速度,燃烧反应便不能继续进行。

容器材料也有很大的影响,例如氢和氟在玻璃器皿中混合,甚至放在液态空气温度下于黑暗中也会发生爆炸,而在银制器皿中,一般温度下才能发生反应。

8、燃气的湿度

  当可燃气体中有水存在时,燃气爆炸能力降低,爆炸强度减弱,爆炸极限范围减小。在一定的气体浓度下,随着含水量的上升,爆炸下限浓度略有上升,而爆炸上限浓度显著下降。当含水量达到一定值时,上限浓度与下限浓度曲线汇于一点,当气体混合物中含水量超过该点值时,无论燃气浓度如何也不会发生爆炸。

  其原因在于,混合气中水含量增大,水分子(或水滴)浓度升高,与自由基或自由原子发生三元碰撞的几率也就增大。大量的水分子(或水滴)与自由基或自由原子碰撞而使其失去反应活性,导致瓦斯爆炸反应能力下降,甚至完全失去反应能力。

  除上述因素外,光对爆炸极限也有影响。众所周知,在黑暗中氢与氯的反应十分缓慢,但在强光照射下则发生连锁反应导致爆炸。又如甲烷与氯的混合气体,在黑暗中长时间内不发生反应,但在日光照射下,便会引起激烈的反应,如果两种气体的比例适当则会发生爆炸。另外,表面活性物质对某些介质也有影响,如在球形器皿内于530 ℃时,氢与氧完全不反应,但是向器皿中插入石英、玻璃、铜或铁棒时,则发生爆炸。

  以上就是对燃气爆炸极限影响因素的分析。当然,仅仅是主要因素的分析,此外,诸如表面活性介质等对爆炸极限也有影响,相比以上所述各因素,影响较少,故不再赘述。通过以上分析,我们可以掌握或了解燃气生产,储存,输送过程中的爆炸危险因素,弄清诸因素之间的联系和变化规律,从而在工程设计和生产使用中采取相应的防范措施,防止爆炸事故的发生。

  在化工、石油、煤炭等部门的生产、储存和运输中,可燃气体的着火、爆炸是最严重的灾害性事故。最近几年,我国城市天然气及煤矿瓦斯爆炸重特大事故频频发生,给国家财产和人民生命造成了巨大损失,直接影响着我国经济、社会的可持续发展。重大事故的不断发生,使人们认识到在现代社会工矿企业生产中潜伏着巨大的危险性,因而危险评价越来越受到人们的重视。实践表明,确定危险性气体的爆炸极限,提前预防是防止该类事故的基本前提。因此对燃气爆炸极限的研究得到国内外学者的重视。

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