鄒 穎，董冰巖，查裕學(xué)，殷平平

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

當(dāng)今世界隨著大多數(shù)不可再生能源的儲(chǔ)量減少，溫室效應(yīng)加劇，發(fā)展可再生的清潔能源就有十分重要的意義[1-4]。而氫能則作為新型可再生能源的代表，具有儲(chǔ)存運(yùn)輸方便、使用涉及范圍大、利用率高、來源較為廣泛與方便等特點(diǎn)[5-7]。在當(dāng)今世界里，氫在生物學(xué)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、燃料應(yīng)用、軍工、航天、食品等各方面都有很重要的應(yīng)用，其重要性已經(jīng)毋庸置疑[8-13]。但與其廣泛的使用相對(duì)應(yīng)的，其爆炸極限為4%～75%、最小點(diǎn)火能量為0.019 mJ，使其顯得愈發(fā)危險(xiǎn)[14-16]。因此，對(duì)氫氣的防爆、抑爆工作得到了人們的廣泛重視。

早在1958年，青島市勞動(dòng)局[17]曾在《勞動(dòng)》期刊上發(fā)表《轉(zhuǎn)爐（貝氏爐）煉鋼安全操作注意事項(xiàng)》一文，對(duì)煉鋼過程中存在的危險(xiǎn)可燃?xì)怏w爆炸危險(xiǎn)提出了相應(yīng)的針對(duì)措施。1998年張小和[18]采用噴霧方式對(duì)H2、O2預(yù)混合氣體爆轟進(jìn)行抑制，采用水、碳酸鈣以噴霧方式來抑制氫氣爆炸。碳酸鈣與水均有抑制效果且隨著噴射量的不斷增加，其抑制效果越明顯。當(dāng)碳酸鈣質(zhì)量濃度為0.526 kg/m3時(shí)，火焰被完全抑制。但是由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備及模擬技術(shù)的水平還不是很高，導(dǎo)致部分實(shí)驗(yàn)與模擬的結(jié)果吻合度不高。胡耀元等[19]對(duì)多元爆炸性混合氣體爆炸的阻尼效應(yīng)進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，系統(tǒng)講述了惰性氣體N2、CO2與水蒸汽對(duì)H2爆炸具有一定的抑制作用。INGRAM等[20]模擬研究了采用細(xì)水霧抑制氫氣在氮氧環(huán)境中的抑爆效果并與實(shí)驗(yàn)相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)有了水霧，燃燒速度在0.1～0.21的無燃料氧餾分等效比范圍內(nèi)降低。火焰不穩(wěn)定性隨著細(xì)水霧密度的增加而顯著增加，特別是在稀氫混合物中。PARK等[21]研究了添加CO對(duì)H/CO/CO合成氣擴(kuò)散火焰熄滅特性的化學(xué)影響，發(fā)現(xiàn)添加CO后的化學(xué)效應(yīng)降低了火焰熄滅時(shí)的臨界CO摩爾分?jǐn)?shù)，從而在更高的火焰溫度下熄滅了火焰。

綜上可見，對(duì)可燃?xì)怏w的抑爆研究受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。而一般的抑爆劑有固體、液體和氣體抑爆劑3種[22]，其中氣態(tài)抑爆劑能夠與可燃?xì)怏w在分子級(jí)別充分混合，并通過物理作用或者物理和化學(xué)雙重作用而達(dá)到較為良好的抑爆效果，因此本文嘗試以固定H2/Air比例為40%的混合氣體為例，以實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的20 L爆炸球來模擬工業(yè)中常涉及到的儲(chǔ)罐、管道、廠房等受限空間或密閉空間來測(cè)試使用N2、CO2這2種惰性氣體進(jìn)行抑爆的結(jié)果。而實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果能為工業(yè)中涉及爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)合提供理論支持，為企業(yè)開展防爆抑爆工作提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了充分揭示受限密閉空間內(nèi)H2/Air混合氣體爆炸的具體過程，本文使用由南京涂末科技有限公司制作的20 L氣體爆炸測(cè)試裝置，并配合臺(tái)州藤原工業(yè)有限公司的真空泵、臺(tái)州奧突斯工貿(mào)有限公司的空壓機(jī)和美國(guó)ICP公司的壓力傳感器及傳輸線，共同組合成實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其主要包括氣路系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)布置

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.1 氣路系統(tǒng)

氣路系統(tǒng)主要由氣瓶、真空泵、空壓機(jī)與20 L爆炸球連接組成，再與室外連接。其中真空泵產(chǎn)自臺(tái)州藤原工業(yè)有限公司，空壓機(jī)由臺(tái)州奧突斯工貿(mào)有限公司生產(chǎn)。

本研究采用分壓法手動(dòng)配氣方案，利用了理想氣體狀態(tài)方程，公式如下：

式（1）中：P為氣體壓力，Pa；V為氣體體積，m3；n為氣體的物質(zhì)的量，mol；R為阿伏伽德羅常數(shù)，8.314 472 m3·Pa·mol-1·K-1；T為氣體的溫度，K。

1.2 點(diǎn)火系統(tǒng)

點(diǎn)火系統(tǒng)主要包括爆炸球內(nèi)點(diǎn)火電極和PCL控制柜內(nèi)的高壓脈沖點(diǎn)火器2個(gè)部分。點(diǎn)火電極的材料為銅極，2根銅棒間隔為5 mm；而脈沖電壓為±7 kV，峰值電流20 mA，放電時(shí)間在控制箱觸摸屏上設(shè)置。

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由壁面處的壓力傳感器通過低噪聲屏蔽電纜與PCL柜內(nèi)的數(shù)據(jù)采集模塊相連，最后通過計(jì)算機(jī)輸出實(shí)驗(yàn)的爆炸壓力隨時(shí)間變化和爆炸壓力增長(zhǎng)率隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 N2抑爆結(jié)果展示

不同體積分?jǐn)?shù)N2抑爆壓力及壓力增長(zhǎng)率隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。圖3（a）展示了不同體積分?jǐn)?shù)N2（0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、62%）對(duì)固定H2/Air比例為40%的混合氣體抑爆效果的壓力隨時(shí)間變化的曲線圖。結(jié)果顯示隨著N2的加入，對(duì)H2爆炸燃燒的抑制有非常明顯的作用，但是爆炸期的3個(gè)階段以及爆炸結(jié)束后壓力下降的趨勢(shì)還是基本不變。當(dāng)N2的體積分?jǐn)?shù)為10%，即N2與H2/Air混合氣體比例為1∶9時(shí)，對(duì)氫氣爆炸的影響還較小，可以看到最大壓力只下降了4.5%，而到峰值的時(shí)間相差極為微小。之后隨著N2體積分?jǐn)?shù)的不斷增加，在N2體積分?jǐn)?shù)分別為10%、20%、30%、40%、50%時(shí)，可以看到基本變化趨勢(shì)還是與未添加N2時(shí)基本一致；但是可以看到爆炸壓力峰值不斷下降，并且達(dá)到峰值的時(shí)間也在不斷推后。當(dāng)N2體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，爆炸直到t=166ms這一時(shí)刻才結(jié)束，與未添加N2時(shí)爆炸峰值到達(dá)時(shí)間為15 ms相比，增加了近11倍左右；同時(shí)可以看到爆炸結(jié)束后下降的壓力也是越來越接近常壓。當(dāng)N2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到60%，可以看到N2的抑爆效果已經(jīng)十分明顯，壓力的變化曲線已經(jīng)不同于之前，雖然還是存在先升高后降低趨勢(shì)，但是可以看到此實(shí)驗(yàn)條件下壓力到達(dá)峰值前后的變化都較為平緩；爆炸結(jié)束后、監(jiān)測(cè)結(jié)束前，壓力甚至還未曾回落到常壓下；爆炸結(jié)束時(shí)間也延后到了590 ms左右，最大爆炸壓力相較于未添加N2時(shí)也下降了近70%之多。當(dāng)N2的體積分?jǐn)?shù)占比達(dá)到62%時(shí)，可以看到壓力曲線基本趨近平緩，爆炸期的3個(gè)階段在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)也未能表現(xiàn)出來，直到監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)也只能看到壓力上升階段，可見此時(shí)爆炸被抑制到了一個(gè)極低的程度。

圖3（b）則展示了不同體積分?jǐn)?shù)N2抑爆過程中，壓力增長(zhǎng)率隨時(shí)間的變化。從圖中可以看到，當(dāng)N2的體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，壓力增長(zhǎng)率下降了近12.2%，相較于壓力峰值的較小影響，這是因?yàn)殡m然壓力峰值下降較小，但是由于反應(yīng)速度很快，在極短的時(shí)間內(nèi)求導(dǎo)計(jì)算出來的導(dǎo)數(shù)（壓力增長(zhǎng)率）變化較大。之后可以看到隨著N2體積分?jǐn)?shù)分別增加到20%、30%、40%、55%時(shí)對(duì)壓力增長(zhǎng)率變化趨勢(shì)的影響與壓力變化相似，且第二個(gè)峰值也隨著N2體積分?jǐn)?shù)的上升也在不斷增大，直至接近于0 MPa/s。而當(dāng)N2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到60%和62%時(shí)，可以看到爆炸壓力增長(zhǎng)率隨時(shí)間變化曲線已失去了之前先上升后下降再上升至0 MPa/s附近這樣一種變化趨勢(shì)。N2體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，壓力增長(zhǎng)率曲線基本在0 MPa/s左右波動(dòng)；而N2體積分?jǐn)?shù)為62%時(shí)，壓力增長(zhǎng)率曲線則一直處于大于0 MPa/s這個(gè)狀態(tài)，可見此時(shí)球內(nèi)混合氣體雖被點(diǎn)燃，但燃燒較緩，并不激烈，此時(shí)的N2體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)十分接近完全抑爆的最佳值。

圖3 不同體積分?jǐn)?shù)N2抑爆壓力及壓力增長(zhǎng)率隨時(shí)間變化曲線圖

不同體積分?jǐn)?shù)N2抑爆實(shí)驗(yàn)的壓力峰值與壓力增長(zhǎng)率峰值變化曲線如圖4所示。從圖中可以看到，各爆炸的壓力曲線峰值出現(xiàn)了隨著N2體積分?jǐn)?shù)不斷增加而不斷減小，并且下降速度呈現(xiàn)越來越快的趨勢(shì)；而爆炸的壓力增長(zhǎng)率峰值曲線則在N2體積分?jǐn)?shù)為0～10%時(shí)下降較緩，N2體積分?jǐn)?shù)為10%～40%時(shí)壓力增長(zhǎng)率峰值快速下降，N2體積分?jǐn)?shù)為40%～62%時(shí)壓力增長(zhǎng)率峰值緩緩下降。未添加N2時(shí)爆炸Pmax和（dP/dt）max分別為0.66 MPa和140.60 MPa/s，而當(dāng)N2的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到62%時(shí)，爆炸Pmax和（dP/dt）max分別為0.07 MPa和0.96 MPa/s。而爆炸壓力波要導(dǎo)致人體內(nèi)臟的損傷而死亡一般超壓值需達(dá)到75 kPa以上，此時(shí)雖然Pmax為0.07 MPa，依舊會(huì)對(duì)人體造成較大傷害，但是已經(jīng)基本進(jìn)入了不會(huì)致人死亡這樣一個(gè)安全界限范圍內(nèi)。N2的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到62.5%時(shí)，爆炸不在發(fā)生。

圖4 不同體積分?jǐn)?shù)N2抑爆壓力峰值與壓力增長(zhǎng)率峰值變化曲線圖

2.2 CO2抑爆結(jié)果展示

不同體積分?jǐn)?shù)CO2抑爆壓力及壓力增長(zhǎng)率隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。

圖5（a）展示了不同體積分?jǐn)?shù)（0%、10%、20%、30%、40%、42%、43%）CO2對(duì)固定H2/Air比例為40%的混合氣體的抑爆效果壓力隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖中可以看到，隨著CO2體積分?jǐn)?shù)增高，爆炸的最大壓力Pmax不斷降低，到達(dá)峰值的時(shí)間也在不斷推后。當(dāng)CO2的體積分?jǐn)?shù)分別為10%、20%、30%時(shí)，保持基本的爆炸壓力曲線變化趨勢(shì)，但爆炸壓力峰值到達(dá)時(shí)間由未添加N2時(shí)的15 ms到20 ms再到46 ms再到125 ms，可以看到時(shí)間相差間隔越來越大。而CO2的體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，可計(jì)算得出Pmax下降了13.0%，與同樣添加10%的N2時(shí)相比下降了4.5%，可以明顯看到CO2的抑爆效果更好。而當(dāng)CO2的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到40%之后，爆炸壓力曲線變化開始十分緩慢，直到447 ms時(shí)爆炸才結(jié)束；當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到42%，直到500 ms時(shí)爆炸才結(jié)束。當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)為43%時(shí)，其壓力變化曲線與N2的體積分?jǐn)?shù)為62%時(shí)效果接近，直到監(jiān)測(cè)時(shí)間結(jié)束壓力都還在上升階段，此時(shí)爆炸已被抑制到一個(gè)極低的程度，可清楚看出CO2的抑爆效果好于N2。

圖5（b）展示了不同體積分?jǐn)?shù)CO2抑爆過程中，壓力增長(zhǎng)率隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖中可以看到，隨著CO2添加量不斷增加，呈現(xiàn)出了與添加N2基本相差不多的變化情況，在加入量相同的情況下，CO2的抑爆效果比N2更好。當(dāng)CO2的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，壓力增長(zhǎng)率變化曲線基本保持先升高到峰值后下降到小于0 MPa/s，再上升到接近于0 MPa/s后保持平穩(wěn)；而當(dāng)CO2的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí)，則可以看到曲線大于0 MPa/s的峰值很明顯，但是小于0 MPa/s的峰值則基本上看不到；而當(dāng)CO2的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到40%以上時(shí)，基本看不到變化趨勢(shì)。

圖5 不同體積分?jǐn)?shù)CO2抑爆過程中壓力及壓力增長(zhǎng)率隨時(shí)間變化曲線圖

不同體積分?jǐn)?shù)CO2抑爆壓力峰值與壓力增長(zhǎng)率峰值變化曲線如圖6所示。

圖6中2條曲線的變化趨勢(shì)與添加N2抑爆的曲線變化趨勢(shì)基本一致，只是在變化節(jié)點(diǎn)的位置有所不同。當(dāng)CO2的體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，爆炸的Pmax和（dP/dt）max分別為0.58 MPa和106.29 MPa/s，CO2的體積分?jǐn)?shù)少于10%時(shí)下降較緩，大于10%之后則曲線下降速度加快；當(dāng)CO2的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí)，壓力增長(zhǎng)率峰值曲線下降變緩，而壓力峰值變化曲線下降速度則進(jìn)一步加快；當(dāng)CO2的體積分?jǐn)?shù)不斷升高到40%、42%、43%時(shí)，爆炸的壓力峰值變化曲線下降速度進(jìn)一步加快，壓力增長(zhǎng)率峰值變化曲線則進(jìn)一步變緩，且這3個(gè)體積分?jǐn)?shù)的Pmax值分別為0.16 MPa、0.15 MPa、0.06 MPa，（dP/dt）max值則分別為1.76MPa/s、1.22 MPa/s、1.22 MPa/s；CO2的體積分?jǐn)?shù)為43.3%左右時(shí)，Pmax和（dP/dt）max值降為0 MPa和0 MPa/s，此時(shí)爆炸基本被完全抑制。

圖6 不同體積分?jǐn)?shù)CO2抑爆壓力峰值與壓力增長(zhǎng)率峰值變化曲線圖

2.3 抑爆效果對(duì)比

在實(shí)際爆炸過程中，最大壓力Pmax和爆炸指數(shù)KG是構(gòu)成表征點(diǎn)火和爆炸嚴(yán)重程度的特征參數(shù)，是準(zhǔn)確評(píng)估爆炸危害即為至關(guān)重要的一環(huán)。加入惰性氣體后，最大壓力Pmax和爆炸指數(shù)KG變化如圖7所示。而爆炸指數(shù)KG可根據(jù)最大壓力上升速率（dP/dt）max計(jì)算出來，其計(jì)算公式如下：

式（2）中：KG為爆炸指數(shù)，MPa·m·s-1；為最大壓力上升速率；V為容器容積，m3，實(shí)驗(yàn)容器的容積為20 L，即0.02 m3。

圖7（a）展示了球形爆炸球內(nèi)壁面處壓力峰值Pmax隨惰性氣體（N2、CO2）體積分?jǐn)?shù)變化的曲線圖，圖7（b）展示了球形爆炸球內(nèi)壁面處爆炸指數(shù)KG值隨惰性氣體體積分?jǐn)?shù)變化的曲線圖。

圖7 CO2與N2抑爆效果對(duì)比

從圖中可以看到，隨著惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)增加，2種惰性氣體都對(duì)H2爆炸有較好的抑爆效果；但是無論是壓力峰值曲線Pmax、壓力增長(zhǎng)率峰值（dP/dt）max曲線還是爆炸指數(shù)KG值，CO2及N2體積分?jǐn)?shù)占比相同時(shí)，都可以看到添加CO2之后的值都要低于N2；且爆炸的各項(xiàng)指數(shù)達(dá)到0時(shí)，CO2的占比在42.3%左右，要遠(yuǎn)低于N2占比（62.5%左右），很明顯看出CO2抑爆效果遠(yuǎn)好于N2。

3 結(jié)果分析

3.1 抑爆原因分析

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，N2、CO2這2種惰性氣體都有較為良好的抑爆效果，但是CO2的抑爆效果要好于N2。2種氣體可抑爆的共同原因如下：①可燃?xì)怏w爆炸三要素為一定質(zhì)量濃度的可燃?xì)怏w、一定量的氧氣以及足夠熱量點(diǎn)燃它們的火源，三者缺一不可，而N2的加入則會(huì)降低H2以及O2的質(zhì)量濃度，可達(dá)到抑制爆炸的效果。②N2作為良好的惰性氣體，基本不參與爆炸過程，加入N2之后會(huì)降低H2和O2的質(zhì)量濃度，增加活性粒子與N2分子碰撞的概率，損壞大量活性自由基，減少各個(gè)活性粒子間的碰撞概率，以達(dá)到抑爆目的；初始添加N2時(shí)，對(duì)H2和O2體積分?jǐn)?shù)配比影響較大，且較為明顯；當(dāng)繼續(xù)添加N2的體積分?jǐn)?shù)超過40%之后，添加的N2已經(jīng)較多，球內(nèi)的活性粒子碰撞到的概率本來就比較少，此時(shí)再添加N2的效果就會(huì)降低。③由于N2的比熱容要大于O2，而在H2體積分?jǐn)?shù)固定的情況下隨著N2的不斷添加，會(huì)使混合氣體在溫度升高時(shí)吸收的熱量減少，降低爆炸的強(qiáng)度。④考慮到本實(shí)驗(yàn)是采用中心點(diǎn)火方式，而H2的摩爾質(zhì)量遠(yuǎn)小于N2和O2，當(dāng)加入的N2過多時(shí)，N2與O2會(huì)下沉，而H2會(huì)上浮，這也是導(dǎo)致爆炸強(qiáng)度減弱或無法爆炸的一個(gè)影響因素。

3.2 CO2抑爆效果優(yōu)于N2的原因分析

由于2種惰性氣體在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)上的差別，使得CO2的抑爆效果好于N2，主要原因如下：①相同條件下，CO2的比熱容大于N2，所以CO2的吸熱能力要大于N2的吸熱能力，這就使得在分別加入相同質(zhì)量濃度的2種惰性氣體的情況下CO2比N2吸收了更多原本屬于氫氣爆炸所需要的能量，這也就導(dǎo)致CO2的抑爆效果會(huì)好于N2。②雖然在爆炸系統(tǒng)中添加N2和CO2都會(huì)增加自由基與惰性介質(zhì)分子的碰撞概率而阻礙活性粒子間碰撞，以達(dá)到阻礙鏈?zhǔn)椒磻?yīng)繼續(xù)而抑爆的目的，但是CO2的分子體積大于N2，在氣體質(zhì)量濃度相同的情況下，自由基與CO2分子碰撞的概率要大于與N2分子碰撞的概率。③N2的分子鍵能為945.8 kJ/mol，這表明N2分子具有極好的穩(wěn)定性，很難斷裂形成自由基；CO2的分子鍵能則只有531.4 kJ/mol，使得CO2可在吸收較小能量的情況下斷裂為CO、O等自由基，而這些自由基會(huì)與活化基團(tuán)碰撞，影響爆炸的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速率，使活化基團(tuán)失去活性而終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程。

4 結(jié)論

爆炸壓力曲線呈現(xiàn)先升高到峰值后降低的變化過程，并且由于產(chǎn)生的水蒸汽隨溫度回歸常溫而變成液態(tài)水，使得溫度會(huì)低于初始的常壓，而壓力增長(zhǎng)率曲線則呈現(xiàn)先升高后降低再升高的變化趨勢(shì)。隨著添加的N2的體積分?jǐn)?shù)不斷升高，壁面處爆炸壓力峰值Pmax、爆炸壓力增長(zhǎng)率峰值（dP/dt）max、爆炸指數(shù)KG值都隨之降低，當(dāng)添加到N2的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到62.5%左右時(shí)，爆炸被完全抑制，此時(shí)3個(gè)參數(shù)都降到0。隨著添加CO2的體積分?jǐn)?shù)升高，出現(xiàn)與添加N2相似的變化，但是在添加CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到43.3%時(shí)基本被抑制。由于CO2與N2在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)上的差別，使得CO2的抑爆效果好于N2。