楊龍龍，劉 艷，楊春麗

（1. 北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054；2. 北京市科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100089）

煤層中含有大量瓦斯，會(huì)隨著開采釋放到巷道空間；污水管道內(nèi)的有機(jī)質(zhì)分解，也會(huì)產(chǎn)生以甲烷為主的可燃性氣體并在管道內(nèi)擴(kuò)散。兩者都位于地下空間，相對比較封閉，甲烷氣體可能在局部位置積聚。加上兩種環(huán)境內(nèi)的濕度都比較大，容易形成由水蒸氣、甲烷和空氣混合物組成的爆炸性氣體。研究不同濕度條件下的甲烷-空氣混合氣體爆炸特征，對災(zāi)害的預(yù)防與評估有重要意義。

影響甲烷爆炸特征的因素有爆炸初始壓力、初始溫度、點(diǎn)火能大小、點(diǎn)火位置、氣體組分及濃度、混合均勻程度、流動(dòng)狀態(tài)、容器尺寸和有無障礙物等[1-4]。惰性氣體或液體能夠抑制甲烷的爆炸，惰性氣體在工業(yè)防爆、抑爆領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。研究表明，氬氣、氮?dú)夂投趸嫉葰怏w對甲烷-空氣混合物爆炸有明顯的抑制作用[5-7]。余明高等[8]、裴蓓等[9]研究了惰性氣體和超細(xì)水霧耦合的抑爆效果，發(fā)現(xiàn)超細(xì)水霧和多孔材料的組合對瓦斯爆炸也有很好的抑制作用。甲烷爆炸極限作為一個(gè)重要參數(shù)，受多種因素的影響。Cashdollar 等[10]分別在20、120 L 爆炸裝置中研究了不同狀態(tài)、點(diǎn)火源類型的爆炸極限，發(fā)現(xiàn)容器尺寸對爆炸壓力上升速率的影響較大。任常興等[11]分析了爆炸容器和容積、初始溫度等因素對爆炸極限測定的影響。譚迎新等[12]指出，在流動(dòng)狀態(tài)下，甲烷-空氣混合物的爆炸極限是5.25%～17.05%，爆炸下限和上限較一般情況均有所升高。與上述因素相比，關(guān)于濕度對甲烷等可燃?xì)怏w爆炸極限影響的研究較少。劉丹等[13]研究了水蒸氣對瓦斯爆炸極限的影響，發(fā)現(xiàn)氣體混合物從干燥向水蒸氣飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，爆炸下限上升0.11%，爆炸上限下降0.31%。譚汝媚等[14]研究了40%、88%相對濕度條件下的環(huán)氧丙烷爆炸參數(shù)，指出在環(huán)氧丙烷最佳化學(xué)計(jì)量比濃度附近時(shí)，最大爆炸壓力隨著濕度的增大明顯下降，這個(gè)現(xiàn)象在爆炸極限濃度附近則不顯著。朱丕凱[15]研究了不同環(huán)境濕度對甲烷爆炸極限的影響，當(dāng)相對濕度從20%增大到80%時(shí)，相應(yīng)的爆炸下限從4.91%上升到5.03%，上升率為0.17%。李成兵等[16]通過加熱裝置將激波管加熱至353 K，制備一定濕度的甲烷-空氣混合物，分析了水蒸氣對甲烷燃燒和爆炸的抑制作用。Shen 等[17]研究了飽和水蒸氣條件下甲烷-空氣混合物的燃爆特性：根據(jù)設(shè)定的水蒸氣在混合氣體中占比，混合氣體的相對濕度在85%～100%；在此濕度條件下，當(dāng)甲烷濃度低于10%時(shí)，濕度的影響較小，而當(dāng)甲烷濃度高于10% 時(shí)，最大爆炸壓力、最大壓力上升速率、層流燃燒速度有明顯的減小，爆炸極限相應(yīng)地變窄。

上述研究中，他們對甲烷-空氣混合氣體的溫度、壓力等參數(shù)都進(jìn)行了準(zhǔn)確的描述與分析。環(huán)境濕度是一個(gè)波動(dòng)的參數(shù)，隨著測試者所處地理位置、氣候條件、測試時(shí)段不同，其環(huán)境濕度可能存在較大差異。文獻(xiàn)中以記錄環(huán)境濕度范圍的居多，而對氣體混合后的濕度沒有準(zhǔn)確的描述。煤礦井下巷道、城市污水管道內(nèi)，受到特殊的環(huán)境條件限制，內(nèi)部空氣比較潮濕，甲烷濃度達(dá)到爆炸下限的可能性高。本文中，設(shè)計(jì)飽和濕空氣發(fā)生及儲(chǔ)存裝置，分析和計(jì)算混合后可燃性氣體的相對濕度。利用20 L 球形爆炸裝置，研究不同相對濕度條件對近爆炸下限的甲烷-空氣混合氣體爆炸特征的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為20 L 球形爆炸測試裝置（見圖1），由爆炸腔體、粉塵倉、數(shù)據(jù)采集儀、電火花發(fā)生器、真空泵、高壓氣瓶等組成。爆炸腔體為雙層結(jié)構(gòu)，通過水浴加熱器和循環(huán)水泵保持爆炸腔體溫度恒定。粉塵倉體積為0.6 L，耐壓4 MPa。采用電火花點(diǎn)火，兩個(gè)鎢電極布置在腔體中部，點(diǎn)火能量為10 J。腔體設(shè)置有玻璃視窗，通過視窗可觀察電極所處位置。壓電式傳感器布置在腔體側(cè)面，采樣頻率為5 kHz，通過數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)采集并儲(chǔ)存爆炸壓力數(shù)據(jù)。采用分壓法配置混合氣體，配氣所用壓力傳感器量程為0～100 kPa，分辨率為0.1 kPa。預(yù)先設(shè)定參數(shù)，儀器通過控制電磁閥的開閉自動(dòng)配氣。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 1 Experimental equipment

為了控制混合氣體濕度，設(shè)計(jì)了飽和濕空氣發(fā)生及儲(chǔ)存裝置，如圖2 所示。該裝置由空壓機(jī)、水浴加熱器、加熱帶及控制器、鼓泡器、氣囊、保溫管路、減壓閥、節(jié)流閥和流量計(jì)等組成。鼓泡器置于水浴加熱器中，壓縮空氣通過減壓閥、節(jié)流閥進(jìn)入鼓泡器，節(jié)流閥控制鼓泡速度，然后氣體進(jìn)入氣囊，經(jīng)過一段平衡時(shí)間，氣囊中濕空氣達(dá)到飽和狀態(tài)。氣囊的兩個(gè)出口分別接20 L 爆炸腔進(jìn)氣口和泄壓閥。通過溫度控制器和加熱帶，保持連接管路和氣囊的溫度恒定，以防止水蒸氣析出。

圖2 飽和濕空氣發(fā)生及儲(chǔ)存裝置Fig. 2 Saturated vapor generator and container

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

爆炸腔溫度為298 K，初始壓力設(shè)置為101 kPa。通過飽和濕空氣發(fā)生及儲(chǔ)存裝置，預(yù)先制備一定量的飽和濕空氣，待氣囊中空氣相對濕度穩(wěn)定后再開始配氣。甲烷和飽和濕空氣分別通過進(jìn)氣口1 和2 進(jìn)入爆炸腔體，配氣完成后靜置5 min，使氣體達(dá)到均勻混合。由于水蒸氣飽和分壓力與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度固定后，根據(jù)不同氣體組分的濃度和相對濕度，可計(jì)算爆炸腔體中混合氣體的相對濕度：

式中：Hmix為混合后氣體相對濕度，φ1為濕空氣的體積分?jǐn)?shù)，η 為飽和系數(shù)（流速過快或平衡時(shí)間短時(shí)，η＜1，達(dá)到飽和濕空氣狀態(tài)時(shí)，η=1），φ2為爆炸腔體抽真空后殘留空氣的體積分?jǐn)?shù)，φ3為壓力配平空氣的體積分?jǐn)?shù)，Hair為環(huán)境中空氣的相對濕度。

以井下巷道和污水管道內(nèi)的可燃?xì)怏w環(huán)境為例，結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)甲烷濃度分別為5.9%、6.1%、6.3%和6.5%。實(shí)驗(yàn)中，水浴加熱器和保溫管路的溫度均為298 K，可計(jì)算混合后的氣體實(shí)際相對濕度分別為27.7%、36.5%、52.6%、72.6%和80.1%。根據(jù)ISO 6184-1《Explosion protection systems》，記錄爆炸壓力曲線，以爆炸壓力超過初始壓力7%判斷是否發(fā)生爆炸。測試得到混合氣體發(fā)生爆炸的最低濃度和不發(fā)生爆炸的最高濃度，其平均值作為該溫度和濕度下的爆炸極限。每個(gè)工況測試至少重復(fù)3 次。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 最大爆炸壓力

最大爆炸壓力pmax反映了爆炸反應(yīng)的強(qiáng)度，是化學(xué)反應(yīng)釋放能量大小在熱力學(xué)層面的表征[18]。研究不同工況下的最大爆炸壓力，可為甲烷爆炸災(zāi)害的預(yù)防與評估提供依據(jù)。圖3 為不同甲烷濃度（體積分?jǐn)?shù)）的最大爆炸壓力。由圖3 可見，隨著甲烷濃度的增大，pmax逐漸增大。隨著相對濕度的增大，pmax呈逐漸降低的趨勢。圖4 為pmax隨相對濕度的變化情況，可以看出，總體上甲烷的最大爆炸壓力與相對濕度有一定的線性關(guān)系。當(dāng)甲烷濃度為6.5%時(shí)，相對濕度從27.7%增大到80.1%，pmax從0.436 MPa 降低到0.390 MPa。而當(dāng)甲烷濃度為5.9%和6.1%時(shí)，擬合線性較差，可能是配氣時(shí)進(jìn)氣速率過高導(dǎo)致相對濕度波動(dòng)較大。從4 種甲烷濃度的擬合公式可以看出，其斜率均較小，在所研究范圍內(nèi)甲烷濃度較低時(shí)，相對濕度對最大爆炸壓力的影響較有限。

圖3 不同甲烷濃度時(shí)最大爆炸壓力Fig. 3 Maximum explosion pressures with different methane concentrations

圖4 不同相對濕度時(shí)甲烷最大爆炸壓力Fig. 4 Maximum explosion pressures at different relative humidities

2.2 最大爆炸壓力上升速率

最大爆炸壓力上升速率(dp/dt)max反映爆炸反應(yīng)熱量釋放速率，是甲烷爆炸過程化學(xué)反應(yīng)快慢的宏觀反映。圖5 為不同甲烷濃度下的最大爆炸壓力上升速率，可以看出，隨著甲烷濃度增大，(dp/dt)max逐漸增大。注意到，在甲烷濃度為6.5% 時(shí)，相對濕度為36.5% 的最大爆炸壓力上升速率比相對濕度為27.7% 的大，可能與配氣溫度變化導(dǎo)致的相對濕度波動(dòng)有關(guān)。整體上看，隨著相對濕度的增大，(dp/dt)max呈線性下降的趨勢，如圖6 所示。當(dāng)甲烷濃度為6.5%時(shí)，相對濕度為27.7%的(dp/dt)max為33.357 MPa/s，相對濕度增大到80.1%時(shí)的(dp/dt)max下降到23.071 MPa/s。表1 為pmax和(dp/dt)max隨相對濕度變化的擬合參數(shù)。由4 條曲線的斜率可見，(dp/dt)max隨甲烷濃度變化的斜率逐漸趨于平緩。在甲烷濃度較低時(shí)，(dp/dt)max受濕度的影響比在高濃度時(shí)小。

表1 甲烷爆炸特征隨相對濕度變化的擬合參數(shù)Table 1 Fitted parameters of CH4 explosion characteristics at different relative humidities

圖5 不同甲烷濃度時(shí)最大壓力上升速率Fig. 5 Maximum rates of pressure rise with different methane concentrations

圖6 不同相對濕度時(shí)最大壓力上升速率Fig. 6 Maximum rates of pressure rise at different relative humidities

2.3 爆炸下限

爆炸極限是反映氣體爆燃特性的重要參數(shù)之一。在常溫常壓下，甲烷的爆炸極限為5%～16%，這是采用直徑508 mm 以上透明管通過觀察是否出現(xiàn)向上傳播的火焰而測試得到的[19]。大多數(shù)情況下，甲烷的爆炸極限不是一個(gè)固定值，它與甲烷-空氣混合氣體的初始溫度、壓力、點(diǎn)火能量、容器尺寸、壁面類型等有關(guān)[20-21]。上述因素對甲烷爆炸極限的影響已有大量數(shù)據(jù)[10,13,17,20-26]，表2 為不同條件下甲烷的爆炸下限φL(CH4)、爆炸上限φU(CH4)，W 為電火花能量?？梢钥闯?，測試條件的初始溫度和初始壓力多采用室溫和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，采用的測試設(shè)備類型和體積、點(diǎn)火源類型及大小也都有準(zhǔn)確的描述。

表2 甲烷空氣混合物爆炸極限Table 2 Explosion limits of methane-air mixtures

本文中，主要模擬煤礦井下巷道和城市污水管道內(nèi)的可燃?xì)怏w環(huán)境參數(shù)，通過飽和濕空氣發(fā)生裝置配置了不同濕度和濃度的可燃?xì)怏w混合物。根據(jù)現(xiàn)場檢測，通常情況下，甲烷濃度低于1%，遠(yuǎn)低于爆炸下限。這類場所并非密閉空間，其內(nèi)部與外界有一定的氣體交換，只有在異常條件下能夠達(dá)到本文中所設(shè)定的條件。此外，當(dāng)甲烷濃度在近爆炸上限范圍內(nèi)時(shí)，混合體系處于富燃料狀態(tài)，氧含量不足，混合氣體中的甲烷不能完全反應(yīng)。在這種情況下，增加水蒸氣進(jìn)一步降低混合氣體中的氧含量，此時(shí)測試參數(shù)的變化，是由水蒸氣的加入和氧含量降低兩種因素共同作用所致，研究濕度單一因素對爆炸特征的影響，還需要進(jìn)一步分析。而在近爆炸下限時(shí)，混合氣體始終處于貧燃料狀態(tài)，不存在氧含量不足這個(gè)因素的干擾。因此，僅討論濕度對近甲烷爆炸下限的影響。

基于上述考慮，我們測試了較低甲烷濃度下和不同相對濕度下甲烷-空氣混合物的爆炸下限，如圖7所示?？梢?，隨著混合物相對濕度的增大，爆炸下限從5.15%上升到5.25%，上升率為1.9%。通過誤差分析可知，實(shí)驗(yàn)測量的誤差由兩部分組成：一部分是壓力傳感器和配氣過程造成的系統(tǒng)誤差，另一部分是系統(tǒng)測試環(huán)境產(chǎn)生的隨機(jī)誤差。由于系統(tǒng)誤差具有重復(fù)性和單向性，重復(fù)測定時(shí)結(jié)果會(huì)同時(shí)偏大或偏小，加上每組工況都進(jìn)行了重復(fù)測試，隨機(jī)誤差有一定程度的降低。因此，在考慮系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的基礎(chǔ)上，可認(rèn)為爆炸下限變化的差值是由濕度引起的。同時(shí)也注意到，在常溫常壓下，濕度對甲烷-空氣混合物爆炸下限的影響較有限，主要是因?yàn)椋涸谠摋l件下，水蒸氣在空氣中的飽和分壓力較低，絕對濕度較小，對爆炸下限的影響較弱。Shen 等[17]研究了飽和水蒸氣對甲烷-空氣爆炸極限的影響，發(fā)現(xiàn)甲烷爆炸極限由干燥條件下的5%～15%變?yōu)?%～14%。本文中，爆炸下限的變化與文獻(xiàn)中類似濕度條件的爆炸下限變化趨勢一致，但是爆炸下限均大于文獻(xiàn)中的測試值。這與文獻(xiàn)中采用干燥的合成空氣代替空氣進(jìn)行配氣、而混合后氣體不含水蒸氣有關(guān)。此外，實(shí)際情況中，爆炸腔體的真空度、是否采用空氣配平，都會(huì)影響實(shí)際濕度，因此本文測試的爆炸下限與文獻(xiàn)中的爆炸下限有一定差異。

圖7 不同相對濕度時(shí)甲烷爆炸下限Fig. 7 Lower explosion limits of methane-air mixture at different relative humidities

2.4 層流燃燒速度

層流燃燒速度是，在絕熱條件下平坦的、無拉伸的火焰面相對于未燃預(yù)混氣體的速度[27]，是反映可燃?xì)怏w燃燒特性的重要參數(shù)之一，對爆炸災(zāi)害的分析與計(jì)算有重要意義。層流燃燒速度可以通過分析計(jì)算球形火焰擴(kuò)張的軌跡得到。也可以通過爆炸壓力曲線計(jì)算層流燃燒速度[28]：

式中：pmax、p0、p 分別為最大爆炸壓力、初始壓力和實(shí)際壓力，Pa；V 為爆炸腔體容積，m3；γ 為未燃?xì)怏w的絕熱指數(shù)，取為1.374[27,29]；dp/dt 為壓力上升速率，Pa/s。該模型的優(yōu)點(diǎn)在于，只通過壓力曲線獲得最大壓力和壓力上升速率，就能計(jì)算得到層流燃燒速度。由該模型得到的層流燃燒速度與通過其他方法測試得到的結(jié)果相差不大[7,30-32]。

取實(shí)際壓力為爆炸峰值壓力，將不同的爆炸參數(shù)代入式（2），計(jì)算不同條件下的層流燃燒速度，如圖8 所示?？梢?，隨著甲烷濃度的增大，層流燃燒速度SL逐漸增大。當(dāng)相對濕度為27%時(shí)，甲烷濃度從5.9%增大到6.5%，相應(yīng)的SL從0.11 m/s 增大到0.20 m/s。圖9 是層流燃燒速度隨相對濕度變化情況。可見，在相同甲烷濃度下，層流燃燒速度隨相對濕度的增大而線性減少，擬合參數(shù)見表1。

圖8 不同甲烷濃度時(shí)層流燃燒速度Fig. 8 Laminar burning velocities with different methane concentrations

圖9 不同相對濕度時(shí)層流燃燒速度Fig. 9 Laminar burning velocities at different relative humidities

3 討 論

3.1 混合氣體水蒸氣分壓力

本文中，空氣濕度的表征采用相對濕度，即空氣的實(shí)際絕對濕度與相同溫度下飽和濕度的比，也就是空氣中水氣壓與相同溫度下飽和水氣壓的比。飽和水氣壓隨溫度而變化，即溫度越高，飽和水氣壓越大。在混合氣體與外界無質(zhì)量交換的前提下，溫度升高，絕對濕度不變，而相對濕度增大。實(shí)際配氣中，采用的可燃?xì)怏w純度較高，氣體中含有的水蒸氣極少。配氣采用的空氣一般有兩種形式：一種是氮?dú)夂脱鯕獍匆欢ū壤旌系暮铣煽諝猓烧J(rèn)為是干燥空氣；另外一種是通過空壓機(jī)壓縮并儲(chǔ)存的空氣，其濕度與環(huán)境濕度有關(guān)。采用后者空氣進(jìn)行配氣時(shí)，根據(jù)可燃?xì)怏w的濃度大小，混合后的可燃?xì)怏w濕度略小于空氣的相對濕度。

目前，大部分儀器設(shè)備對空氣濕度的表征采用相對濕度。根據(jù)上述分析，研究水蒸氣對甲烷及其他可燃?xì)怏w混合物爆炸特征的影響，或在同類或相近研究中進(jìn)行橫向比較時(shí)，應(yīng)注意實(shí)驗(yàn)條件的溫度、相對濕度是否一致。本文中，實(shí)驗(yàn)初始條件為298 K、101 kPa，通過伴熱帶和水浴加熱器控制氣囊、配氣管路和爆炸腔體的溫度，避免水蒸氣的凝結(jié)，以保證濕度的準(zhǔn)確性。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析中，可以看出，在溫度相對較低的室溫條件下，相對濕度對pmax、（dp/dt）max和SL有一定影響，但是影響較弱。這與室溫下水蒸氣的飽和分壓力較低有關(guān)[33]。本實(shí)驗(yàn)控制可燃?xì)怏w混合物濕度方法的特點(diǎn)是方便和安全，甲烷和飽和濕空氣在進(jìn)入爆炸腔體內(nèi)不進(jìn)行混合。與此同時(shí)，該方法也有一定的局限性，其最大絕對濕度與溫度、可燃?xì)鉂舛扔嘘P(guān)，即由于干燥可燃?xì)獾拇嬖?，無法配置出相對濕度100%的氣體環(huán)境。當(dāng)混合氣體的初始條件為高溫、高壓時(shí)，水蒸氣分壓力顯著增大[33]，體系中的水蒸氣含量不能忽視，此時(shí)采用水蒸氣分壓力來表征體系中的水蒸氣的量則更合適。

3.2 水蒸氣對甲烷爆炸作用機(jī)理

混合氣體的相對濕度增大，即體系中水蒸氣分壓逐漸增大，pmax、(dp/dt)max和SL都有一定的減小。除了本文中分析的水蒸氣對甲烷等可燃?xì)怏w爆炸特征的影響，有關(guān)研究表明，水蒸氣對汽油-空氣混合物的爆炸特征的影響也有類似規(guī)律[18,34]。分析其原因，主要有以下兩個(gè)方面。（1）在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)層面，影響甲烷燃燒的關(guān)鍵基元反應(yīng)有：H + CH4? CH3+ H2, OH + CH4? CH3+H2O, O + CH4? OH + CH3。中間產(chǎn)物CH3的消耗通過基元反應(yīng)步H + CH3（+M）? CH4（+M）進(jìn)行。反應(yīng)體系中水蒸氣的存在，減小了由反應(yīng)物產(chǎn)生的H、O 和OH 等自由基的濃度，抑制了CH4的消耗[35]，進(jìn)而降低了宏觀上的最大壓力上升速率和燃燒速率。（2）水蒸氣的比熱容大，與其他氣體相比，在爆炸過程中吸收熱量更多，降低了宏觀上的爆炸壓力[18,36]。

4 結(jié) 論

通過20 L 球形爆炸裝置和飽和濕空氣發(fā)生及儲(chǔ)存裝置，配置了固定溫度下、不同相對濕度的甲烷-空氣混合氣體，研究了不同工況下甲烷-空氣混合氣體的爆炸特征，得到如下結(jié)論。

（1）在近爆炸下限附近，隨著甲烷濃度的降低，最大爆炸壓力pmax、最大壓力上升速率(dp/dt)max和層流燃燒速度SL逐漸下降，且下降趨勢逐漸減弱。在相同甲烷濃度下，甲烷-空氣混合氣體爆炸的pmax與相對濕度呈一定的線性關(guān)系，(dp/dt)max和SL隨相對濕度的增大線性減小。

（2）在溫度、壓力相對較低的室溫條件下，隨著相對濕度的增大，爆炸下限從5.15%上升到5.25%，即濕度對甲烷-空氣混合物爆炸下限的影響較有限，這與室溫下水蒸氣的飽和分壓力較低有關(guān)。當(dāng)混合氣體的初始條件為高溫、高壓時(shí)，水蒸氣分壓力顯著增大，體系中的水蒸氣含量不能忽視，此時(shí)采用水蒸氣分壓力來表征體系中水蒸氣的量更合適。