说说高雄大爆炸

刚刚去听了一下关于高雄大爆炸的报道，提到“当地民众发现瓦斯气味，当地消防队员用喷水降温的方式处理，几个小时之后发生大爆炸”，我立刻意识到消防队员的失误。应对气体泄漏问题，光降温是不够的（控制火源或点火），控制氧气浓度也不行（控制可爆性，explosibility），关键是要降低可燃气体浓度（控制可点性，Ignitability）。

对于燃气泄漏问题，这是开放空间的可燃性问题，无法控制环境的氧气浓度（环境氧气浓度为20.95%），只能通过稀释燃料，让燃料达到不可点燃的程度，才算真正达到环境安全的，可以任意排放的程度。那么，决定气体可燃性的临界浓度是多少呢？从丙烯的燃爆三角形，我们可以推导临界浓度如下。

图1. 丙烯的燃爆三角形（原始数据来源于Zabetakis的1965年的BOM报告）。

根据极限氧量直线（Limiting Oxygen Concentration,LOC线）与坐标轴的交点，我们可以得到在封闭空间的临界氧量大约是0.115，也就是说，如果把封闭空间的氧量降到该LOC值，封闭空间引入燃料之后，仍然不可爆（可爆意味着空气支持火焰蔓延）。该LOC值的另一种说法叫做ISOC（In-Service Oxygen Concentration），是空油箱引入燃气之前需要达到的氧气稀释浓度。在该浓度之下，空气对燃料而言是不可爆的，可以任意引入燃气而不必担心爆炸的危险。该临界浓度与燃料性质有关，与燃料浓度无关，是一个非常基础的参数。

根据极限燃料直线（Limiting FuelConcentration, LFC线）与坐标轴的交点，我们可以得到在开放空间的临界燃料浓度是0.058。也就是说，如果把燃料的浓度稀释到给LFC之下，就可以安全排放到空气中，因为在该浓度之下，点燃需要的氧气浓度是0.2095（环境氧气浓度）之上，也就是说，空气不足以提供足够的氧气让稀释后的燃料点燃，于是稀释后的燃料就安全了。 该临界浓度与氧化剂性质有关，与氧化剂浓度无关，也是一个非常基础的参数。

所以，拿燃爆三角形来认识消防队员的应对措施，我们可以看到，他们的冷却作法，仅仅是冷却，防止当地点火，而没有经过稀释的丙烯直接排放到大气中，逐步稀释到化学当量比浓度，产生预混火焰的爆炸问题，这就是大爆炸的原因了。通常台湾的环境湿度高，湿度对混合气候有阻燃效果。可是入夜之后，环境湿度是降低的，降低湿度有助于燃爆的反生。

燃气爆炸的威力从哪里来？来源于燃气在空气中的浓度，如果燃料多余，多余的燃料降低反应温度；如果氧量多余，多余的氧量（以及相应的氮气，即多余的空气量）吸收热量，降低反应温度。如果燃气与氧气的比例接近化学当量比，燃料与氧气都不多不少，刚好完全反应，此时产生的破坏力最大。如下图所示。

图2，最低燃料浓度附近（98%LFL）的丙烷火焰蔓延（这是燃爆Deflagration）。

图3，燃料可燃浓度上限附近的丙烷火焰蔓延（这是燃爆）。

图4，燃料在化学当量比附近的丙烷火焰蔓延（就是爆炸, Explosion）。