高 娜 ，張延松，胡毅亭

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院,江蘇 南京 210094;2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037)

溫度壓力對(duì)瓦斯爆炸危險(xiǎn)性影響的實(shí)驗(yàn)研究*

高 娜1，張延松2，胡毅亭1

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院,江蘇 南京 210094;2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037)

為了研究瓦斯的爆炸危險(xiǎn)性，選取對(duì)其影響較大的初始溫度和初始?jí)毫M(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。運(yùn)用特殊環(huán)境20 L爆炸特性測試系統(tǒng)，對(duì)不同初始溫度(25～200 ℃)和初始?jí)毫?0.1～1.0 MPa)條件下瓦斯的爆炸極限、最大爆炸壓力和點(diǎn)火延遲時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：高溫高壓條件使瓦斯的爆炸上限升高、下限降低，爆炸極限范圍擴(kuò)大；隨著初始溫度升高，瓦斯爆炸的最大爆炸壓力逐漸減?。怀跏紲囟仍礁?，點(diǎn)火延遲時(shí)間越短。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，運(yùn)用安全原理知識(shí)和危險(xiǎn)度定義，給出初步評(píng)估瓦斯爆炸危險(xiǎn)性的方法。

爆炸力學(xué)；爆炸極限；最大爆炸壓力；點(diǎn)火延遲時(shí)間；危險(xiǎn)度評(píng)估；瓦斯爆炸

可燃?xì)怏w的爆炸極限、爆炸壓力、爆炸壓力上升速率均對(duì)爆炸危險(xiǎn)性產(chǎn)生很大影響。不同的外界條件下，爆炸危險(xiǎn)性也將改變，其中，初始溫度和初始?jí)毫κ侵匾挠绊懸蛩亍ａ槍?duì)初始溫度和初始?jí)毫?duì)瓦斯爆炸的影響，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一些研究。C.M.Cooper等[1]對(duì)不同初始溫度和初始?jí)毫ο录淄?氧氣的爆炸上限進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測定，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)溫度或壓力升高時(shí)，反應(yīng)對(duì)氧氣的需求量減小。W.Wiemann[2]在溫度改變的條件下，對(duì)甲烷/空氣的爆炸壓力等爆炸特性進(jìn)行了研究。Y.N.Shebeko等[3]的研究表明，隨著溫度升高，可燃?xì)怏w的爆炸極限范圍擴(kuò)大，他們還進(jìn)行了水懸浮顆粒對(duì)甲烷爆炸極限的影響研究。趙衡陽[4]對(duì)氣體爆炸的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，為深入分析溫度壓力對(duì)氣體爆炸的影響提供了理論依據(jù)。J.L.Gauducheau等[5]運(yùn)用數(shù)值方法研究了高溫高壓條件下甲烷/氫氣/空氣的預(yù)混火焰。K.L.Cashdollar等[6]、M.Gieras等[7]研究了不同初始溫度條件下甲烷的爆炸極限和爆炸壓力，總結(jié)了爆炸極限、爆炸壓力隨初始溫度的變化情況。肖丹[8]的研究結(jié)果表明，隨著初始溫度、初始?jí)毫兔簤m濃度的升高，瓦斯爆炸下限降低、上限升高，極限范圍擴(kuò)大。其還通過正交實(shí)驗(yàn)得出，對(duì)瓦斯爆炸的影響因素主次順序依次為：煤塵濃度、溫度和壓力。路林等[9]分析了初始溫度、初始?jí)毫彤?dāng)量比對(duì)天然氣燃燒過程的影響。王新等[10]利用氣體爆炸模型和包含初始?jí)毫?、初始溫度的氣體爆轟參數(shù)的計(jì)算公式，從理論上研究初始?jí)毫统跏紲囟葘?duì)氣體爆轟參數(shù)的影響情況。伯納德·劉易斯等[11]對(duì)氣體燃燒的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、火焰?zhèn)鞑サ葍?nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的研究和總結(jié)。王華等[12]通過實(shí)驗(yàn)研究了初始?jí)毫?duì)礦井單元及多元可燃性氣體爆炸特性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明初始?jí)毫Φ纳咴鰧捔丝扇夹詺怏w的爆炸極限范圍，且對(duì)上限的影響更為顯著；隨著初始?jí)毫Φ纳?，可燃性氣體的最大爆炸超壓、最大壓力上升速率增大，到達(dá)最大超壓的時(shí)間略有延長。李潤之等[13]在不同初始溫度下，對(duì)甲烷爆炸進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明初始溫度越高，最大爆炸壓力越小。在已有研究中，并未對(duì)點(diǎn)火延遲這一影響瓦斯爆炸危險(xiǎn)性的因素進(jìn)行研究，且未系統(tǒng)綜合各因素評(píng)價(jià)瓦斯爆炸危險(xiǎn)性?，F(xiàn)階段，不同初始溫度下瓦斯爆炸壓力等特性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還不完備，相關(guān)研究還很少，而且多數(shù)僅對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了描述。本文中采用特殊環(huán)境20 L爆炸特性測試系統(tǒng)，對(duì)高溫高壓條件下瓦斯的爆炸極限以及高溫條件下瓦斯的最大爆炸壓力和點(diǎn)火延遲時(shí)間進(jìn)行測定，并對(duì)初始溫度和初始?jí)毫?duì)瓦斯爆炸危險(xiǎn)性的影響進(jìn)行分析，以期對(duì)瓦斯爆炸危險(xiǎn)性評(píng)估提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 特殊環(huán)境爆炸特性測試系統(tǒng)Fig.1 Test system of special environmental explosion characteristics

特殊環(huán)境20 L爆炸特性測試系統(tǒng)的主體部分如圖1所示。主要包括爆炸罐體、配氣系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。爆炸罐體連接有壓力傳感器和溫度傳感器，壓力數(shù)據(jù)的采集頻率為5 kHz。主要通過2種方式完成加熱操作：爆炸罐體內(nèi)最底部的加熱絲和爆炸罐體夾層中循環(huán)的被加熱的導(dǎo)熱油。由于這2種方式同時(shí)對(duì)爆炸罐體內(nèi)的可燃混合氣體進(jìn)行加熱，且加熱速率較慢，因而可以認(rèn)為罐體內(nèi)沒有明顯的溫度梯度的存在，即可燃混合氣體在點(diǎn)火時(shí)的溫度均勻分布。實(shí)驗(yàn)中的高壓通過增加進(jìn)氣量來實(shí)現(xiàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟及條件

根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定好實(shí)驗(yàn)溫度及壓力等參數(shù)，依次通過抽真空系統(tǒng)對(duì)罐體抽真空，通過配氣系統(tǒng)按體積分壓充入甲烷及空氣，靜置約5 min，使甲烷及空氣進(jìn)行混合，利用紅外甲烷傳感器檢測罐體內(nèi)混合氣的濃度，若連續(xù)3次檢測到的濃度均為實(shí)驗(yàn)設(shè)定值，認(rèn)為混合均勻，此時(shí)通過加熱系統(tǒng)升高罐體內(nèi)混合氣體溫度至設(shè)置溫度。開啟點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì)混合氣體點(diǎn)火。在爆炸極限的測定過程中，以爆炸壓力超過初始?jí)毫?%作為爆炸判據(jù)，若連續(xù)3次實(shí)驗(yàn)未發(fā)生爆炸，則判定達(dá)到瓦斯爆炸極限。

實(shí)驗(yàn)在不同初始溫度(25～200 ℃)和初始?jí)毫?0.1～1.0 MPa)條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度在16～30 ℃之間，環(huán)境相對(duì)濕度在60%～90%RH之間，實(shí)驗(yàn)采用高能電火花能量發(fā)生器產(chǎn)生的電火花作為點(diǎn)火源，點(diǎn)火能量均為10 J。爆炸前罐體內(nèi)可燃混合氣體均處于靜止?fàn)顟B(tài)。

2 溫度和壓力對(duì)瓦斯爆炸極限的影響

瓦斯的爆炸極限是能維持甲烷與氧氣持續(xù)反應(yīng)及火焰的持續(xù)傳播的甲烷在空氣中的濃度范圍。瓦斯的爆炸下限越低、爆炸上限越高，即爆炸極限范圍越寬，則爆炸危險(xiǎn)性越大。圖2給出了不同初始?jí)毫l件下瓦斯爆炸上限和爆炸下限隨初始溫度的變化規(guī)律。

圖2 不同初始?jí)毫ο峦咚贡O限與初始溫度關(guān)系Fig.2 Relation between explosive limit and initial temperature of gas under different initial pressures

由圖2可知，隨著初始溫度的升高和初始?jí)毫Φ募哟螅咚沟谋ㄉ舷奚?，爆炸下限降低，爆炸極限范圍變寬，爆炸危險(xiǎn)性增大。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)初始條件由常溫常壓升高到200 ℃、1.0 MPa時(shí)，爆炸上限由15.8%上升到25.7%，升高了62.66%；爆炸下限由5.07%降低到4.05%，降低了20.12%。由圖2(a)可知，在相同初始?jí)毫l件下，隨初始溫度的升高，瓦斯爆炸上限升高；在同一溫度條件下，上限值隨初始?jí)毫Φ脑龃蠖仙译S著壓力的升高，上限的變化幅度變小。這是由于高溫高壓的初始環(huán)境使系統(tǒng)中的活化分子數(shù)增加，且離解產(chǎn)生更多自由基參與基元反應(yīng)，使鏈反應(yīng)更易持續(xù)進(jìn)行下去，因而可以維持更高濃度的瓦斯/空氣混合氣體發(fā)生燃爆反應(yīng)。然而隨著上限濃度的進(jìn)一步升高，氧氣濃度越來越小，初始溫度和壓力對(duì)瓦斯爆炸上限的影響減弱。由圖2(b)可知，在相同初始?jí)毫l件下，隨初始溫度的升高，瓦斯爆炸下限降低；在同一溫度條件下，下限值隨初始?jí)毫Φ脑龃蠖陆?，而且隨著壓力的升高，下限的變化幅度改變較小。不同初始?jí)毫l件下，瓦斯爆炸上限隨初始溫度的升高呈指數(shù)升高，而爆炸下限隨初始溫度的升高則指數(shù)降低。瓦斯爆炸極限與初始溫度的擬合關(guān)系可表示為：

(1)

式中各參數(shù)值如表1所示。

(2)

式中各參數(shù)值如表2所示。

表1 爆炸上限公式擬合參數(shù)Table 1 Parameters of upper explosion limit fitting formula

表2 爆炸下限公式擬合參數(shù)Table 2 Parameters of lower explosion limit fitting formula

3 初始溫度對(duì)瓦斯爆炸壓力的影響

3.1 瓦斯最大爆炸壓力

為分析瓦斯爆炸危險(xiǎn)性，對(duì)不同初始溫度條件下的最大爆炸壓力和點(diǎn)火延遲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定，實(shí)驗(yàn)混合氣體中甲烷的濃度為10.1%。圖3給出了25、75、125和200 ℃時(shí)爆炸壓力隨反應(yīng)時(shí)間的變化曲線。

圖3 不同初始溫度下瓦斯爆炸壓力變化曲線Fig.3 Variation of explosion pressure under different initial temperatures

圖4 最大爆炸壓力隨初始溫度的變化曲線Fig.4 The maximum explosion pressure varying with various initial temperatures

由圖3可知，瓦斯的爆炸壓力在經(jīng)過一段點(diǎn)火延遲時(shí)間后，迅速上升到最大爆炸壓力，此后緩慢下降，在600 ms時(shí)仍有超壓存在，若采集時(shí)間足夠長，則最終的爆炸壓力將趨近于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力。壓力曲線下降的開始階段有一定的波動(dòng)，這可能是由于壁面反射波等因素的影響造成的。從圖中還可以看出，隨著初始溫度的升高，最大爆炸壓力逐漸降低，到達(dá)最大壓力的反應(yīng)時(shí)間縮短。實(shí)驗(yàn)測得的最大爆炸壓力可近似認(rèn)為是瓦斯爆炸的定容爆炸壓力，運(yùn)用等溫模型的近似假設(shè)，并結(jié)合熱化學(xué)計(jì)算，推導(dǎo)出瓦斯爆炸的定容爆炸壓力表達(dá)式[4]：

(3)

由圖4可知，在實(shí)驗(yàn)的定容條件下，隨著初始溫度的上升，瓦斯的最大爆炸壓力呈下降趨勢，由25 ℃時(shí)的0.78 MPa下降到200 ℃時(shí)的0.50 MPa，下降幅度為35.89%。這是因?yàn)樵谄渌麠l件不變的情況下，初始溫度的升高減少了單位體積內(nèi)瓦斯/空氣混合氣體的物質(zhì)的量，從而減少了反應(yīng)放出的熱量，因此最大爆炸壓力降低。在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，最大爆炸壓力的實(shí)測值均比理論值要小，但兩者之間的偏差基本保持不變，且實(shí)測的變化規(guī)律與理論計(jì)算結(jié)果保持一致，說明實(shí)驗(yàn)具有較好的重復(fù)性和可靠性。如果單獨(dú)考慮最大爆炸壓力，則初始溫度的升高并未增加瓦斯爆炸的危險(xiǎn)性，但是，在考慮瓦斯爆炸危險(xiǎn)性時(shí)必須考慮爆炸極限、最大爆炸壓力、最大壓力上升速率等各個(gè)方面的綜合作用效果。

3.2 瓦斯爆炸點(diǎn)火延遲時(shí)間

點(diǎn)火延遲時(shí)間的探測是隔抑爆技術(shù)的研究基礎(chǔ)。定義點(diǎn)火延遲時(shí)間為壓力傳感器探測到壓力上升信號(hào)與觸發(fā)點(diǎn)火之間的時(shí)間間隔。不同初始溫度下瓦斯爆炸的點(diǎn)火延遲時(shí)間如圖5所示。由圖5可知，隨著初始溫度的升高，甲烷/空氣混合氣的點(diǎn)火延遲時(shí)間逐漸縮短，且溫度越高，變化幅度越小。反應(yīng)初始階段自由基的積累直接影響點(diǎn)火延遲時(shí)間的長短，通過對(duì)瓦斯爆炸反應(yīng)進(jìn)行化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析，得到影響反應(yīng)初始階段主要自由基H、O和OH濃度變化的關(guān)鍵反應(yīng)步[14]，表3列出了其中影響較大的基元反應(yīng)步。表3中R38是主要的鏈分支反應(yīng)之一，其他反應(yīng)通過直接生成主要自由基或生成自由基CH3而直接或間接影響H、O和OH等主要自由基的濃度。根據(jù)阿累尼烏斯公式可知，溫度升高，反應(yīng)速率常數(shù)增大，反應(yīng)速率加快。因此，隨著初始溫度的升高，基元反應(yīng)速率加快，自由基濃度增加，在反應(yīng)初始階段，更多的自由基作為活化中心參與基元反應(yīng)，使反應(yīng)得以更快的延續(xù)下去，從而縮短了反應(yīng)發(fā)展為爆炸式氧化反應(yīng)的時(shí)間，即縮短了甲烷/空氣混合氣爆炸的點(diǎn)火延遲時(shí)間。

圖5 點(diǎn)火延遲時(shí)間隨初始溫度的變化曲線Fig.5 Variation of ignition delay time with various initial temperatures

表3 部分主要基元反應(yīng)Table 3 Partial main elementary reactions

4 瓦斯爆炸危險(xiǎn)性評(píng)估

(4)

式中：f為其他影響瓦斯爆炸嚴(yán)重度的因素。由于對(duì)瓦斯爆炸危險(xiǎn)度的研究還比較少，因而還需要大量的實(shí)驗(yàn)研究和事故分析來進(jìn)一步完善此表達(dá)式以及確定各因素的權(quán)重wi。

5 結(jié) 論

對(duì)初始溫度和初始?jí)毫?duì)瓦斯爆炸危險(xiǎn)性的影響進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：(1)高溫高壓條件下，瓦斯爆炸極限范圍變寬。爆炸上限隨溫度升高和壓力增大而升高，爆炸下限隨溫度升高和壓力加大而降低。在200 ℃、1.0 MPa的初始條件下，瓦斯的爆炸上限較常溫常壓時(shí)升高了62.66%，爆炸下限降低了20.12%。(2)瓦斯最大爆炸壓力隨初始溫度的升高而降低，200 ℃時(shí)的0.50 MPa相對(duì)于25 ℃時(shí)的0.78 MPa下降了35.89%。初始溫度的升高縮短了瓦斯爆炸點(diǎn)火的延遲時(shí)間，更快的進(jìn)入到爆炸反應(yīng)階段。(3)通過借鑒危險(xiǎn)度的概念，并對(duì)各因素的影響作用進(jìn)行加權(quán)平均，提出了初步評(píng)估瓦斯爆炸危險(xiǎn)度的表達(dá)式，還需要進(jìn)一步的后續(xù)研究來完善所得到的表達(dá)式并確定各影響因素的權(quán)重。

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(責(zé)任編輯 王易難)

Experimental study on gas explosion hazard under different temperatures and pressures

Gao Na1, Zhang Yansong2, Hu Yiting1

(1.SchoolofChemicalEngineering,NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing210094,Jiangsu,China;2.ChongqingResearchInstituteofChinaCoalTechnology&EngineeringGroupCorporation,Chongqing400037,China)

In order to study the gas explosion hazards under different initial temperatures and high pressures, an experimental study was conducted on methane/air explosion under high temperatures and pressures with a special environmental testing system for studying explosion characteristics, with which the explosion limits were obtained under high temperatures (25-200℃) and high pressures (0.1-1.0 MPa) and so were the maximum explosion pressure and ignition delay time were also under high initial temperatures (25-200 ℃). The experimental results show that with the initial temperature and pressure rising up, the upper gas explosive limit increases, its lower limit decreases, resulting in a widened range of explosive limits. Compared with the narrower range of explosive limits under ordinary temperatures and pressures, the width of the explosive range at 200 ℃ and 1.0 MPa was increased by 101.77% so that the gas explosive probability increases. With the initial temperature rising up, the maximum gas explosive pressure decreases. Compared with the maximum explosive pressure at 25 ℃ and 0.1 MPa, the one at 200 ℃ and 0.1 MPa decreases by 35.89%. When the initial temperature increases, the ignition delay time of gas explosion is shortened. Based on the analysis of the experimental results and the reference of safety principles, a preliminary assessment method of the gas explosion hazard is put forward, which provides a certain basis for the prevention and treatment of gas explosion.

mechanics of explosion; explosion limits; maximum explosion pressure; ignition delay time; risk assessment; gas explosion

10.11883/1001-1455(2016)02-0218-06

2014-11-25 2014-08-26；

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274238，51374235)

高 娜(1986— )，女，博士研究生，gaona_mxd@163.com。

O383 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

A