燃焼限界

可燃下限(LFL): 着火源 (アーク、炎、熱) が存在する場合に、空気中のガスまたは蒸気が発火する最低濃度 (パーセント)。多くの安全専門家は、この用語を爆発下限 (LEL) と同じものと考えています。空気中の濃度が LFL より低い場合、ガス混合物は燃焼するには「希薄」です。メタンガスの LFL は 4.4% です。 ^{[ 2 ]}大気中のメタン濃度が 4.4% 未満の場合、着火源があっても爆発は発生しません。健康と安全の観点から、LEL 濃度は、可燃性ガスに対してより厳しい暴露限界が存在しない場合に、生命または健康に即時危険 (IDLH)であると考えられています。 ^{[ 3 ]}

可燃性空気モニターのパーセント表示は、LFL濃度と混同してはいけません。特定のガス用に設計および校正された爆発計は、LFLに対する大気の相対濃度を表示する場合があります（LFLは100%）。たとえば、メタンのLFLが5%と表示された場合、5%に4.4%を掛けた値、つまり20℃で体積比で約0.22%のメタンに相当します。爆発の危険性を制御するには、通常、十分な自然換気または機械換気を行い、可燃性ガスまたは蒸気の濃度を、その爆発下限または可燃下限の最大25%に制限します。

可燃上限（UFL）：着火源（アーク、炎、熱）が存在する場合に、空気中のガスまたは蒸気が発火する可能性のある最高濃度（パーセント）。UFLまたはUELを超える濃度は「濃すぎる」ため、燃焼しません。空気漏れによって混合気が可燃範囲に入る可能性があるため、安全上の理由から、通常はUFLを超える濃度での運転は避けられます。

複数の可燃性ガスの混合物の燃焼限界は、可燃性ガスの体積分率に関するルシャトリエの混合則を用いて計算することができる。${\displaystyle x_{i}}$:

${\displaystyle LFL_{\text{mix}}={\frac {1}{\sum _{i}{\frac {x_{i}}{LFL_{i}}}}}}$

UFLについても同様である。

温度、圧力、および酸化剤の濃度も可燃限界に影響を与えます。温度や圧力が高いほど、また酸化剤（主に空気中の酸素）の濃度が高いほど、下限可燃限界（LFL）は低くなり、上限可燃限界（UFL）は高くなるため、ガス混合物は爆発しやすくなります。

通常、燃焼に必要な酸素は大気から供給され、燃焼限界値は空気中の通常の酸素濃度を前提としています。酸素濃度が高い雰囲気では燃焼が促進され、下限燃焼限界値（LFL）が低下し、上限燃焼限界値（UFL）が上昇します。酸素濃度が低い場合はその逆で、酸化剤が存在しない雰囲気では、燃料濃度に関わらず可燃性も爆発性もありません（アセチレンなど、酸化剤がなくてもエネルギー的に分解するガスを除く）。空気混合物中の不活性ガスの割合を酸素を犠牲にして大幅に増加させると、LFLは上昇し、UFLは低下します。

可燃限界を超えるガスや蒸気の濃度を制御することは、労働安全衛生において重要な考慮事項です。爆発性ガスや蒸気の濃度を制御するために使用される方法には、掃気ガス、つまり窒素やアルゴンなどの不活性ガスを使用して、爆発性ガスが空気と接触する前に希釈する方法があります。放出前に爆発性ガスを除去するために、スクラバーや吸着樹脂を使用することも一般的です。ガスはUELを超える濃度でも安全に維持できますが、貯蔵容器に破損が生じると、爆発状態や激しい火災につながる可能性があります。

粉塵にも爆発の上限と下限がありますが、上限は測定が難しく、実際的な重要性はほとんどありません。多くの有機物質の可燃下限は10 ～ 50g  /m³^の範囲にあり、これは多くのガスや蒸気のLEL（爆発下限）と同様に、健康上の理由から設定された制限値よりもはるかに高い値です。この濃度の粉塵雲は、短距離以上先まで見通すことが難しく、通常はプロセス機器の内部にのみ存在します。

可燃限界は、粉塵の粒子サイズにも依存し、材料固有の特性ではありません。さらに、堆積した粉塵によってLELを超える濃度が突然発生する可能性があるため、ガスや蒸気の場合のように定期的なモニタリングによる管理は有効ではありません。可燃性粉塵の管理には、工程の密閉、換気、表面洗浄などによって堆積した粉塵の蓄積を防ぐことが推奨されます。ただし、プラント設計においては、より低い可燃限界が重要となる場合があります。

可燃性液体が容器内の空気で満たされた空隙に蒸発することによって生じる状況は、容器の容積を柔軟にするか、空隙を混ざらない流体で満たすことで制限できる。油圧タンカーは、タンクに石油を充填する際に水の置換を利用する。^{[ 4 ]}