初始溫度對CO2抑爆作用的影響*

何 昆，李孝斌，石英杰

(中國人民武裝警察部隊學院消防工程系，河北 廊坊 065000)

初始溫度對CO2抑爆作用的影響*

何 昆，李孝斌，石英杰

(中國人民武裝警察部隊學院消防工程系，河北 廊坊 065000)

將CO2充入的液化石油氣中并進行點火，研究不同初始溫度下CO2對多元混合氣液化石油氣爆炸的抑制作用。實驗顯示：初始溫度15℃時CO2體積分數達到36%時，混合氣體退出可爆范圍，臨界氧濃度為12.8%；初始溫度50℃時CO2體積分數達到39%時，混合氣體退出可爆范圍，臨界氧濃度為12.2%。結果表明：CO2對液化石油氣爆炸的抑制效果在一定程度上要受環境溫度的影響。

爆炸力學；抑爆；溫度；液化石油氣；CO2

隨著化學工業的發展與民用液化氣大量使用，液化氣儲存使用規模逐步擴大，但是相關事故屢見不鮮。液化石油氣、煤氣等多元混合氣體爆炸災害的預防及安全儲運顯得尤為突出和急迫。

對于氣體爆炸的防護措施主要有：抑爆、隔爆、泄爆等。其中，抑爆是指在爆炸反應發生之前及時噴灑抑制劑，從而抑制鏈式反應的發生或熱量的積累，是一種常用且有效的手段。抑爆劑從機理上分為物理抑制劑和化學抑制劑，從狀態上分為氣體、液體蒸汽和固體粉末。其中常用的抑爆劑有N2、Ar、H2O、NaCl等[1]。關于這些抑爆劑對甲烷、CO等單一氣體爆炸特性的影響，前人作了大量研究[2-10]。而對于多元混合氣體的抑爆以及不同初始溫度下的抑爆劑的抑爆效果研究還比較少見，研究的深度和廣度尚不能滿足工業實踐需要[11]。

工業生產中，燃燒產生的廢氣的主要成分是CO2，它對環境污染很小，來源廣泛，是一種理想的抑爆劑[12]。本文中，通過實驗研究不同初始溫度下CO2對液化石油氣的抑爆性能，以期為多元可燃氣體抑爆技術的深入研究提供參考。

1 液化石油氣爆炸極限的測定

使用國家標準《GB/T12474-2008空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法》[13]中規定的實驗儀器和實驗方法，得到初始溫度為15℃時液化石油氣的爆炸極限值為2.2%～10.8%。使用LeChateLier法[14]估算該液化石油氣的爆炸極限為2.2%～10.1%，與實驗值基本吻合，說明實驗結果可信。

在實際液化石油氣儲藏時，儲罐集中放置。當儲罐或其附件泄漏著火后，儲罐本身以及鄰罐會處于受熱狀態，儲罐內液化石油氣溫度會升高，影響其燃燒爆炸性能。雖然液化石油氣燃燒時火焰內部溫度為1 800℃，但是液化石油氣儲存在鋼制儲罐中，且與發火點有一定距離。因此使用相同的實驗儀器和實驗方法，測得初始溫度為50℃時的爆炸極限為2.0%～11.9%。

2 不同初始溫度下CO2對液化石油氣的抑爆實驗

2.1 初始溫度15℃時CO2抑爆實驗結果

在固定配比的液化石油氣/空氣的混合氣體中通入一定量的CO2，并進行點火實驗；改變CO2含量，進行重復實驗。隨著CO2含量的增加，明顯觀測到火焰傳播速度變慢，爆炸聲音減小，直到點火后完全不發生反應，記錄此時CO2的體積分數，即為該濃度液化石油氣的CO2抑爆體積分數。改變初始混合氣體中液化石油氣的體積分數，重復上述實驗過程，測得不同濃度液化石油氣的CO2抑爆體積分數。

實驗中液化石油氣、CO2和氧氣的體積分數φ1、φ2和φ3滿足

φ3=(1-φ1-φ2)×21%

(1)

表1給出了初始溫度15℃時，不同濃度的液化石油氣的CO2抑爆體積分數。

表1 初溫15℃時CO2抑爆體積分數Table 1 Volume fractions of CO2 explosion suppresion at initial temperature of 15℃

圖1 初始溫度為15℃時的抑爆三角形Fig.1 Explosion srppresion triangle at the initial temperature of 15℃

根據數據結果繪制CO2抑爆三角形，如圖1所示。圖1中曲線ACB表示在各液化石油氣體積分數下，充入一定量的CO2，剛好不發生爆炸時對應的氧氣體積分數。由曲線ACB擬合出抑爆三角形ABC，三個頂點分別為A(2.2,20.5)、B(10.8,18.7)、C(3.0,12.8)。點A、B表示空氣環境中初溫15℃時，未通入CO2時的液化石油氣的爆炸極限。△ABC中，直線AB是指初溫15℃時空氣環境中，未通入CO2時，液化石油氣爆炸極限內的各個點；直線AC是指逐步通入CO2時，逐漸升高的液化石油氣下限值；直線BC是指逐步通入CO2時，逐漸降低的液化石油氣上限值；隨著通入CO2，上下限重合于C點，液化石油氣退出可爆范圍。點火能大于最小點火能時，當液化石油氣和氧氣2種氣體配比位于△ABC內時都可以發生爆炸現象。

由圖1可以看出，△ABC的AC邊傾斜角較大，BC邊傾斜角較小，原因為：在爆炸上限附近，助燃氣體氧氣本來就很少，充入CO2，氧氣濃度明顯下降，爆炸上限下降明顯；在爆炸下限附近，助燃氣體氧氣充足，充入CO2只是主要起了冷卻作用，爆炸下限變化不大。當CO2濃度達到36%時，上下限重合于點C(3.0,12.8)，液化石油氣和空氣的混合物，退出爆炸范圍，臨界氧濃度為12.8%。在臨界氧濃度之下液化石油氣濃度無論如何變化都不會發生爆炸。

2.2 初始溫度50℃時CO2抑爆實驗結果

初始溫度為50℃時，在不同配比的液化石油氣中通入的CO2并進行點火實驗。實驗觀察到，隨著CO2含量的增加，火焰由寬變細，顏色由桔紅色變淡，聲音變小，傳播速度變慢。最后得到初始溫度為50℃時不同濃度液化石油氣下，點火后剛好完全不發生反應時CO2的體積分數。實驗結果見表2。

表2 初溫50℃時CO2抑爆體積分數Table 2 Volume fractions of CO2 explosion suppresion at initial temperature of 50℃

圖2 初始溫度為50℃時的抑爆三角形Fig.2 Explosion srppresion triangle at the initial temperature of 50℃

由表2中數據繪制抑爆三角形，如圖2所示。圖2可以看出，△A′B′C′的三個頂點分別為A′( 2.0,20.6)、B′( 11.9,18.5)、C′(3.0,12.2) ，臨界氧氣體積分數為12.2%。當CO2體積分數達到39%時，上下限重合于C′(3.0,12.2) 點，液化石油氣和空氣的混合物，退出爆炸范圍。

2.3 分析與討論

圖3 15℃和50℃時的抑爆三角形比較Fig.3 Comparison of the explosion suppresion tri- angles at initial temperature of 15℃ and 50℃

將15℃時的抑爆三角形△ABC和50℃時的抑爆三角形△A′B′C′進行比較，如圖3所示。從圖3可看出，兩個抑爆三角形相似，15℃環境下比50℃環境下的抑爆三角形面積要小，臨界氧濃度要高。也就是說使用CO2抑爆，15℃環境比50℃環境的可爆范圍小。具體原因如下：(1) 根據鏈式反應理論，初始溫度升高，反應自由基變的更多更加活潑，氧化還原反應更易于發生。液化石油氣中最大鍵能是C-H，其鍵能為439.3 kJ/mol，作為抑爆氣體CO2的分子鍵能531.4 kJ/mol。因此，初始溫度增加后，前者斷裂成反應活性自由基比后者斷裂成阻化自由基更容易，致使抑爆三角形面積變大。

(2) 根據熱爆炸理論和阿累尼烏斯公式[15]，初始溫度升高，氧化還原反應速率加快。而CO2作為吸收反應熱的惰性物質，比熱容為0.831 kJ/(Kg·℃)，其吸收熱量的能力不隨溫度變化而變化。從而使液化石油氣發生爆炸的可能性增加，抑爆三角形面積變大。

3 結 論

(1) 初始溫度對多元混合液化石油氣的爆炸極限有一定的影響：溫度升高，爆炸極限范圍變寬；(2) 隨著初始溫度的升高，相同液化石油氣濃度下，要達到相同的抑爆效果，消耗的CO2增加，即CO2對液化石油氣的抑爆效果隨溫度升高減弱；(3) 隨著初始溫度升高，臨界氧濃度降低，爆炸危險性增大；相對于CO2對人體的安全濃度值，其達到有效抑爆效果時濃度較高。因此，發生液化石油氣泄漏時，如使用CO2撲救，救援人員需攜帶空氣呼吸器等救援設備。

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(責任編輯 王小飛)

Effect of initial temperatures on CO2explosion suppression

He Kun, Li Xiaobin, Shi Yingjie

(TheDepartmentofFireEngineering,ChinesePeople’sArmedPoliceForcesAcademy,Langfang065000,Hebei,China)

In this work we studied the effect of CO2on explosion suppression for multi-component mixed gas at different initial temperatures by igniting the gas obtained from adding CO2to the mixture of LPG and air. Our study indicates that when the volume fraction of CO2reaches 36% at the initial temperature of 15℃, the mixed gas is beyond the explosive range and the critical volume fraction of oxygen is 12.8%; when the volume fraction of CO2reaches 39% at the initial temperature of 50℃, the mixed gas is beyond the explosive range, and the critical volume fraction oxygen is 12.2%. The result shows that the effect of CO2on the LPG suppression explosion is influenced by temperature to a certain extent.

mechanics of explosion; explosion suppresion; temperature; LPG; CO2

10.11883/1001-1455(2016)03-0429-04

2014-01-07；

2014-05-05

國家自然科學基金項目(51104164)；武警學院青年教師科研計劃項目(QNJS201325)； 武警學院博士科研創新計劃項目(BSKY201514)

何 昆(1983- )，女，碩士，講師，110165174@qq.com。

O389國標學科代碼：13035

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