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爆炸极限（英文名：Explosion Limit，EL），又称爆炸浓度极限，是指可燃物（可燃气体、蒸气、粉尘或纤维）与空气（氧气或氧化剂）均匀混合形成爆炸性混合物，其浓度达到一定的范围时，遇到明火或一定的引爆能量立即发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限，[2]一般用体积分数表示。[3]可燃物与空气的混合物能使火焰蔓延时可燃物的最低浓度称为该可燃物的爆炸下限（Lower Explosion Limit，LEL）；反之，能使火焰蔓延时可燃物的最高浓度称为该可燃物的爆炸上限（Upper Explosion Limit，UEL）。可燃物与空气的混合物的浓度在爆炸下限以下或爆炸上限以上，便不会爆炸。[4]
爆炸极限是随着多种不同外界条件的影响而变化的，其主要影响因素包括初始温度、初始压力、氧含量、惰性气体含量、其他杂质，以及容器等。[1][3]爆炸性气体混合物的初始温度越高，则爆炸极限范围越宽。[3]压力升高时，爆炸下限变化不大，但上限随压力增加较为显著。压力降低，则气体分子间距加大，爆炸极限范围会变小。[3]氧含量增大，会使爆炸极限的范围扩大，尤其是爆炸上限会提高很多。[1]爆炸性混合物中惰性气体含量增加，其爆炸极限范围缩小。此外，对于爆炸性气体，水等杂质对其反应影响很大。[3]
爆炸极限在工业、消防安全，[5][6]以及内燃机领域内均有应用。[7]在工业生产过程中，根据各种可燃物所具有的爆炸极限不同的特点，严防危险现象出现，[6]也可以判断可燃物的爆炸危险程度，尽可能用爆炸危险性小的物质代替危险性大的物质。[6][8]爆炸极限也可以应用于消防上，可以作为评定可燃气体火灾危险性大小、气体生产和储存场所火险类别、选择电气防爆形式等方面的依据，也可根据爆炸极限确定安全操作规程，确定建筑物耐火等级、层数、面积等。[5][6]爆炸极限也可应用在内燃机上，其目的是防止火花点火，发动机出现爆震，并促进压燃试发动机的点火。[7]
概述
可燃物与空气的混合物，并不是在任何组成下都可以燃烧或爆炸，而且燃烧（或爆炸）的速率也随着组分或组成而变。实验发现，可燃物在空气中足以使火焰蔓延的浓度有一个从最低到最高的范围，当混合物中可燃物浓度接近化学反应式的化学计量比时，燃烧最快、最剧烈；若浓度减少或增加，火焰蔓延速率则降低；当浓度低于或高于某个极限值，火焰便不再蔓延。可燃物质与空气的混合物能使火焰蔓延的最低浓度，称为该可燃物的爆炸下限；反之，能使火焰蔓延的最高浓度则称为爆炸上限。上限与下限之间的浓度范围称为爆炸极限。显然，如混合物的浓度在此范围以外时，一般是不会发生着火或爆炸的。[3][2]混合体系中可燃物浓度在爆炸下限以下时因含有过量空气，空气的冷却作用使活化中心的消失数大于产出数，阻止了火焰的蔓延；浓度在爆炸极限以上时，因含有过量的可燃气体，助燃气体不足，火焰也不能蔓延，但此时若补充空气，仍有火灾和爆炸风险，所以浓度在爆炸上限以上的混合气体不能认为是安全的。[4]
爆炸极限一般用可燃气体或蒸汽在混合气体中的体积百分数表示，而可燃粉尘爆炸极限通常用单位体积可燃气体的质量（kg/m3）表示。[3][9]
计算
具有爆炸危险性的气体或蒸气与空气或氧气混合物的爆炸极限，在应用时一般可查阅文献或直接测定以获得数据，也可以通过其他数据及某些经验公式计算来获得。但由于生产条件与测试条件的差异，这类数据仅作参考，下面介绍几种计算方法，[10]其中，Lx为可燃性混合物爆炸下限，%；Ls为可燃性混合物爆炸上限，%。[1]
由完全燃烧反应所需的氧原子数计算
根据完全燃烧反应所需的氧原子数计算有机物的爆炸下限和上限的体积分数，其经验公式如下：[1]
爆炸上限与下限之差，再除以下限取值，则表示其危险程度，H值越大，表示其危险性越高：[1]
根据闪点计算
易燃液体的爆炸下限与该液体的闪点是互相关联的。因为可燃液体在闪点时的饱和蒸气分压正好对应着火的最低体积分数。利用这种关系可进行可燃液体的闪点或爆炸下限的推算，即：[10]
式中，Pz指混合物的总压力，常压时为1.013×105Pa；Psh指闪点时该液体的蒸气分压（Pa）。超过爆炸上限温度（上部闪点之上），可燃液体所生成蒸气的体积分数在上限以上时是不会燃烧或爆炸的。爆炸上限温度（上部闪点）也可以应用上式计算。[10]
按可燃气体完全燃烧时的化学当量含量计算
可燃气（液）体完全燃烧时的化学当量含量可用来确定链烷烃类的爆炸下限，其计算公式为：[10]
式中，C0指气体在完全燃烧时与物质的当量浓度。[10]
由爆炸下限估算爆炸上限
由分子中所含碳原子数估算爆炸极限
脂肪族烃类化合物的爆炸极限与化合物中所含碳原子数nc的近似关系为：[10]
多种组成混合物的爆炸极限计算
由多种可燃气体组成爆炸性混合气体的爆炸极限，可根据各组分的爆炸极限进行计算，其经验公式如下：[1]
式中，Lm为爆炸性混合气体的爆炸极限，%；L1、L2、L3为组成混合气体各组分的爆炸极限，%；V1、V2、V3为各组分在混合气中的浓度，%，且V1+V2+V3+...=100%。[1]
含有惰性气体的多种可燃气混合物的爆炸极限计算
如果爆炸性混合物中含有惰性气体，如氮气、二氧化碳等，计算爆炸极限时，可先求出混合物中由可燃气体和惰性气体分别组成的混合比，再从相应的比例图中查出它们的爆炸极限，然后将各组的爆炸极限分别代入上面多种组成混合物的爆炸极限计算的公式即可。[1]
初始温度
爆炸性气体混合物的初始温度越高，则爆炸极限范围越宽，即下限降低而上限增高。其原因在于系统温度升高，其分子内能增加，这时活性分子也就相应增加，使原来不燃不爆的混合物变为可燃可爆，因而温度升高将增加爆炸的危险性。[3]
初始压力
爆炸极限的变化与压力有关。一般在增压时，爆炸极限的范围随压力升高而扩大，爆炸下限变化不大，但上限随压力增加较为显著。其原因在于系统压力增加，物质分子间距缩小，碰撞概率增加，使燃烧的初始反应和反应的进行更为容易。压力降低，则气体分子间距加大，爆炸极限范围会变小。待压力降到某一数值时，其上限与下限重合，出现一个临界值；若压力再下降，系统便成为不燃不爆。因此，在密闭容器内进行负压操作，对安全生产是有利的。[3]
介质
爆炸性混合物中惰性气体含量增加，其爆炸极限范围缩小。在一般情况下，爆炸性混合物中惰性气体含量增加，对其爆炸上限影响比对爆炸下限的影响更为显著。这是因为在爆炸性混合物中，随着惰性气体含量的增加，氧的含量相对减少，而在爆炸上限下氧的含量本来已经很小，故惰性气体含量略微增加，就会产生较大影响，使爆炸上限剧烈下降。当惰性气体含量增加到某一值时，混合物将不再发生爆炸。[3]
惰性气体的类型对爆炸极限的影响不同，如氩、氦、氮气、水蒸气、二氧化碳、四氯化碳对其爆炸极限的影响依次增大。[3]混合物的氧含量增大，会使爆炸极限的范围扩大，尤其是爆炸上限会提高很多。[1]水等杂质对其反应影响很大。比如，如果无水、干燥的氯没有氧化功能，干燥的空气不能氧化钠或磷，干燥的氢氧混合物在1000°C下也不会发生爆炸；恒量的水会急剧加速臭氧、氢氧化物等物质的分解；少量的硫化氢会大大降低水煤气及其混合物的燃点，加速其爆炸。[3]
容器
容器的大小、材质等特性对混合物的爆炸均有或大或小的影响。实验证明，容器的直径越小，混合物的爆炸极限范围越小。对于同一可燃物质来说，容器直径越小，其火焰蔓延度就越小，当直径小到一定程度时，火焰便不能通过，这一间距被称为最大间距，也叫临界间距。当直径小于该值时，火焰便不能通过而熄灭。[1]
容器对爆炸极限的影响也可以从器壁效应的角度进行解释。燃烧是自由基产生一系列连锁反应的结果，只有当反应中自由基的新生数量大于其消灭的数量时，燃烧反应才能继续进行，但是随着容器的直径变小，自由基与器壁的碰撞的概率增大，容器的直径小到一定程度时，其自由基的消灭速度大于其新生速度，这时燃烧就不能继续进行。[1]
工业安全
可燃性混合物的爆炸极限范围越宽，其爆炸危险性越大。爆炸上限越高，如有少量空气渗入容器，就会与容器内的可燃物混合形成爆炸条件；爆炸下限越低，少量可燃物（如可燃气体稍有泄漏）就可以形成爆炸条件。所以，在工业生产过程中，应该根据各种可燃物所具有的爆炸极限不同的特点，严防“跑、冒、滴、漏”现象出现，严格限制外部空气渗入容器与管道内。此外，当可燃性混合物的浓度高于爆炸上限时，虽然不会着火和爆炸，但当它从管道或容器中泄露出来与空气接触时，仍有发生着火的危险。[6]
认识到爆炸极限的规律之后，可以判断可燃物质的爆炸危险程度，从而尽可能用爆炸危险性小的物质代替危险性大的物质。例如乙炔的爆炸极限为2.2%-81%，而液化石油气组分的爆炸极限分别为丙烷2.17%-9.5%，丁烷1.15%-8.4%，丁烯1.7%-9.6%等，液化石油气的爆炸极限的范围比乙炔小得多，说明液化石油气的爆炸危险性比乙炔小，因而在气割时推广用液化石油代替乙炔。[6][8]
消防安全
爆炸极限也可以应用于消防上。爆炸极限是评定可燃气体火灾危险性大小的依据，爆炸范围越大，下限越低，火灾危险性就越大；爆炸极限是评定气体生产、储存场所火险类别的依据，也是选择电气防爆形式的依据，比如生产、储存爆炸下限小于10%的可燃气体场所为甲类火险，应选用隔爆型防爆电气设备，生产、储存爆炸下限大于10%的可燃气体场所为乙类火险，可选用任一防爆型电气设备；根据爆炸极限确定安全操作规程，例如采用可燃气体或蒸气氧化法生产时，应充惰性气体稀释和保护；爆炸极限可作为评定和划分可燃物质的标准，可燃气体按爆炸下限小于10%和大于等于10%分为一、二两级；根据爆炸极限可以确定建筑物耐火等级、层数、面积、防火墙占地面积、安全疏散距离和灭火设施，例如生产爆炸下限小于10%的物质，厂房建筑最高层次限一层，并且必须是一、二级耐火等级。[5][6]
内燃机
爆炸极限也应用在内燃机上，其目的是防止火花点火发动机出现爆震，并促进压燃试发动机的点火。[7]获得最好的可燃烧燃油与空气的混合物在内燃机中是非常重要的，其范围就由爆炸上下限界定。[11]此外，因压缩天然气爆炸极限窄，比汽油本身是更加安全的燃料。[12]
常见物质的爆炸极限表
| 物质名称 | Ls-Lx（%） | 物质名称 | Ls-Lx（%） |
|---|---|---|---|
| 甲烷 | 5.0~15.0 | 异丁醇 | 1.6~10.9[13] |
| 乙烷 | 3.2~12.4 | 丙烯醛 | 2.8~31.0[13] |
| 丙烷 | 2.17~9.5[6] | 戊醇 | 1.2~9.0[13] |
| 丁烷 | 1.15~8.4[6] | 卡必醇 | 1.2~8.5[13] |
| 异丁烷 | 1.8~8.4 | 乙醛 | 4.0~57.0 |
| 戊烷 | 1.4~7.8 | 巴豆醛 | 2.1~15.5 |
| 异戊烷 | 1.3~7.6[14] | 糠醛 | 2.1~19.3[13] |
| 己烷 | 1.2~7.4 | 二甲醚 | 2.0~50.0[13] |
| 庚烷 | 1.0~6.0 | 甲乙醚 | 2.0~10.1 |
| 二氯甲烷 | 12.0~19.0[13] | 二乙醚 | 1.8~36.5 |
| 环氧丙烷 | 2.1~38.5[13] | 二乙烯醚 | 1.7~27.0 |
| 甲基环戊烷 | 1.1~8.7[13] | 丙酮 | 2.5~12.8 |
| 乙烯 | 2.7~36.0 | 丁酮 | 1.8~9.5 |
| 丙烯 | 2.0~11.1 | 2-戊酮 | 1.5~8.1 |
| 丁烯 | 1.7~9.6[6] | 2-己酮 | 1.2~8.0 |
| 戊烯 | 1.42~8.7[13] | 氰酸 | 5.6~40.0 |
| 乙炔 | 2.2~81.0[6] | 乙酸 | 5.4~16.0[13] |
| 苯 | 1.3~7.9 | 甲酸甲酯 | 5.1~22.7 |
| 甲苯 | 1.3~7.8 | 甲酸乙酯 | 2.7~16.4 |
| 二甲苯 | 1.0~6.0 | 氢 | 4.0~74.2 |
| 环丙烷 | 2.4~10.4 | 一氧化碳 | 12.5~74.2 |
| 环己烷 | 1.3~8.3 | 氨 | 15.0~27.0 |
| 甲基环己烷 | 1.1~6.7[15] | 吡啶 | 1.8~12.4 |
| 松节油 | ~0.8 | 苯胺 | 1.3~11.0[13] |
| 醋酸甲酯 | 3.2~15.6 | 亚硝酸乙酯 | 3.0~50.0 |
| 醋酸乙酯 | 2.2~11.4 | 环氧乙烷 | 3.0~80.0 |
| 丙烯酸乙酯 | 1.8~9.5[13] | 二硫化碳 | 1.2~50.0 |
| 醋酸异丙酯 | 1.8~8.0[13] | 硫化氢 | 4.3~45.5 |
| 醋酸丁酯 | 1.7~7.6[13] | 氧硫化碳 | 11.9~28.5 |
| 醋酸戊酯 | 1.1~7.6[13] | 氯甲烷 | 8.2~18.7 |
| 甲醇 | 6.7~36.5 | 氯乙烷 | 4.0~14.8 |
| 乙醇 | 3.3~18.9 | 二氯乙烯 | 9.7~12.8 |
| 丙醇 | 2.1~13.5[13] | 溴甲烷 | 13.5~14.5 |
| 异丙醇 | 2.3~12.7[13] | 溴乙烷 | 6.7~11.2 |
| 异丁醇 | 1.6~10.9[13] |
相关概念
爆炸是由于物质急剧氧化或分解反应产生温度、压力增加或两者同时增加的现象。从广义上说，爆炸是物质从一种状态迅速转变为另一种状态，并在瞬间放出大量能量，同时发生声响的现象。而爆炸极限是评定可燃气体、蒸气或粉尘爆炸危险性大小的主要依据。爆炸上、下限值之间的范围越大，爆炸下限越低、爆炸上限越高，爆炸危险性就越大。混合物的浓度低于下限或高于上限时，既不能发生爆炸也不能发生燃烧。[16]
爆燃是易燃混合物燃烧以后，以亚声速进行的放热化学反应，爆轰以超声速爆轰波进行。爆燃可通过温和的能量释放来引发，例如火花，而爆轰是由冲击波引起的局部爆炸引发的。通常需要快速释放大量能量来引发爆轰。通常会发生从爆燃到爆轰的转变，而从爆轰并不能转变为爆燃。[17]
参考资料 17
- 参考 1
- 参考 2
- 参考 3
- 参考 4
- 参考 5
- 参考 6
- 参考 7
- 参考 8
- 参考 9
- 参考 10
- 参考 11
- 参考 12
- 参考 13
- 参考 14
- 参考 15
- 参考 16
- 参考 17