燃燒三要素（2）— 極限氧濃度

發布時間：2025-01-08

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一、極限氧濃度((Limiting Oxygen Concentration, LOC)

燃燒三角形表明，氧化劑（一般為氧氣）是燃燒的必要條件，但實際上這個條件并不充分——對可燃氣體而言，存在一個可引起燃燒的最低氧濃度，低于極限氧濃度時，燃燒反應就不會發生。從安全角度考慮可燃性氣體的防火防爆時，極限氧濃度就是可燃混合氣體中氧的最高允許濃度。對于液體或固體材料而言，極限氧濃度又可稱為氧指數(Oxygen Index,OI)

氧指數越高，意味著材料不易燃燒，阻燃性能越好；反之，氧指數越低，材料越容易燃燒。具體來說，一般認為氧指數小于22的材料屬于易燃材料，氧指數在22至27之間的材料屬可燃材料，氧指數大于27的材料則屬難燃材料。

（上圖例）氧指數與阻燃等級對照

氧指數的測試通常是在特定的實驗裝置中進行，采用氧-氮混合氣體作為試驗介質。測試時，將材料樣品置于混合氣體中，逐漸增加氧氣濃度，同時減少氮氣濃度，觀察材料的燃燒行為。當材料在混合氣體中剛好能夠維持燃燒時，此時的氧氣濃度即為該材料的氧指數。對可燃氣體通常采取的防火防爆措施之一，就是提高不活潑氣體的濃度，使氧濃度降低到極限氧濃度之下，這種通過稀釋氧濃度防火防爆的方法稱為可燃氣體的惰化。極限氧濃度（以體積分數表示）表示燃燒反應時氧氣的體積占燃燒反應物質總量的百分比，因此可以由燃燒下限來計算極限氧濃度(體積分數)：

公式.png

需要注意的是，無論是國標中討論的極限氧濃度還是氧指數，均是在氮氣與空氣混合條件下測得的極限氧濃度值。在實際情況中，各種可燃性氣體的極限氧濃度在不同的不活潑氣體氛圍下是不一致的，在做安全性研究時，不應簡單套用國標條件下測得的極限氧濃度值。下面列出幾種常見氣體的不同氣體惰化情況的極限氧濃度。

甲烷（Methane）：10.0%（氮氣惰化），12.5%（二氧化碳惰化）

乙烷（Ethane）：9.0%（氮氣惰化），11.5%（二氧化碳惰化）

丙烷（Propane）：9.5%（氮氣惰化），12.5%（二氧化碳惰化）

丁烯（n-Butane）：10.0%（氮氣惰化），12.5%（二氧化碳惰化）

二、極限氧濃度的測定（GB/T 38301）

術語：

極限空氣濃度：limiting air concentration（LAC）

在規定的試驗條件下,可燃氣體(蒸氣)、空氣和惰性氣體混合物遇火源不發生爆炸的最大空氣濃度。

極限氧濃度：limiting oxygen concentration（LOC）

在規定的試驗條件下,可燃氣體(蒸氣)、空氣和惰性氣體混合物遇火源不發生爆炸的最大氧氣濃度。以體積分數(%)表示,可按下式通過極限空氣濃度進行換算:

公式 2.png

（注意該國標方法是在空氣條件下對極限氧濃度進行測試，通過極限空氣濃度推出極限氧濃度）

測試步驟：

1.一般要求：

依照下列試驗步驟,四次重復測試確定待測可燃氣體的極限空氣濃度LAC,配好氣后應攪拌均勻：

步驟1: 依照 GB/T 12474 測定待測可燃氣體(蒸氣)的爆炸下限 LEL和爆炸上限 UEL。

步驟2: 確定當量濃度線頂點附近待測混合物的爆炸極限。若惰性氣體采用氮氣,且待測可燃氣體的當量濃度線未知,則設定待測可燃氣體濃度為Xs=1.2LEL,通過改變空氣和惰性氣體濃度測定混合物的爆炸極限(空氣和惰性氣體濃度分別為X…1、X…1)。采用漸進法測試首次惰性氣體體積分數設定為50%,隨后增加惰性氣體的體積分數級差為5%,接近爆炸極限時體積分數級差降低為0.5%。

2.一般程序步驟

① 爆炸極限應通過測定沿爆炸上限 UEL,線附近的至少4個同等間隔點來確定,測定時惰性氣體濃度為定值,以體積分數0.5%步長改變空氣的濃度進行測定,見下圖。

② 在爆炸區分布圖上標注測試點,連接測試點,采用插值法確定爆炸上限UEL曲線。繪制爆炸上限 UEL,曲線的切線,平行于惰性氣體邊線,與空氣軸線的交點即為極限空氣濃度LAC。

③ 以空氣體積分數X_air,LAC為定值,上部和下部各體積分數5%范圍內,改變待測可燃氣體的濃度至少再測定5個點,測定步長為體積分數2.5%,進一步確定極限空氣濃度值LAC,測定結果見圖1。若被引燃,采用差值法重新測定。

④ 依據測定的LAC值,采用式(1)計算待測可燃氣體的極限氧濃度LOC。

（注:具有高能的不穩定化學物質,如丁二烯,環氧乙烷等,極限氧濃度(LOC)體積分數為0%,爆炸上限體積分數為 100%）

極限空氣濃度.png

（上圖）極限空氣濃度確定一般程序

要理解國標所描述的測定步驟，需要熟悉可燃性圖表的概念，詳見另一篇文章《可燃性圖表》。或可直接選用設備自動測定氣體的可燃性，此項目常用的檢測設備有：臨界氧指數儀、氣體爆炸特性測試裝置。

PHINIX菲尼克斯出品：臨界氧指數儀

是基于臨界氧指數法，用于測試樣品燃燒所需要氧氣的最低濃度。臨界氧指數法，是將 O?/N? 混合后，測量剛好維持試樣燃燒所需要的最低氧濃度（摩爾濃度）。本儀器利用質量流量控制器，精確控制 O?/N? 的流量，通過混合室混合，充分保證濃度控制的準確性，采用英國順磁氧傳感器，配合檢測 O? 濃度，性能良好。針對準確度要求較高的試驗用戶制造，也可滿足一般用戶需求。（更多儀器詳細介紹請移步網頁：https://phinix.cn/products/15.html)

產品引用的檢測技術標準

1、ASTM D2863-13

2、ISO4589-1-2017塑料用氧指數法測定燃燒行為第1部分: 一般要求

3、ISO4589-2-2017塑料用氧指數法測定燃燒行為第2部分: 室溫試驗

4、GB T 2406-2

5、GBT 2406.1-2008

6、GB/T10707-2008橡膠阻燃性能的測定

7、GBT 5454-1997 紡織品燃燒性能試驗氧指數法

8、GB/T 8924-2005纖維增強塑料燃燒性能試驗方法氧指數法

9、GBT 2406.2-2009 塑料用指數法測定燃燒行為第2部分: 室溫試驗

10、QB/T 1650-1992硬質聚氮乙烯泡沫塑料板材(該標準5.3.9規定，參考GB/T 2406)

產品規格：