溫度壓力對瓦斯爆炸危險性影響的實驗研究*

高 娜 ，張延松，胡毅亭

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

溫度壓力對瓦斯爆炸危險性影響的實驗研究*

高 娜1，張延松2，胡毅亭1

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

為了研究瓦斯的爆炸危險性，選取對其影響較大的初始溫度和初始壓力進行實驗研究。運用特殊環境20 L爆炸特性測試系統，對不同初始溫度(25～200 ℃)和初始壓力(0.1～1.0 MPa)條件下瓦斯的爆炸極限、最大爆炸壓力和點火延遲時間進行實驗研究。結果表明：高溫高壓條件使瓦斯的爆炸上限升高、下限降低，爆炸極限范圍擴大；隨著初始溫度升高，瓦斯爆炸的最大爆炸壓力逐漸減小；初始溫度越高，點火延遲時間越短。通過對實驗結果的分析，運用安全原理知識和危險度定義，給出初步評估瓦斯爆炸危險性的方法。

爆炸力學；爆炸極限；最大爆炸壓力；點火延遲時間；危險度評估；瓦斯爆炸

可燃氣體的爆炸極限、爆炸壓力、爆炸壓力上升速率均對爆炸危險性產生很大影響。不同的外界條件下，爆炸危險性也將改變，其中，初始溫度和初始壓力是重要的影響因素。針對初始溫度和初始壓力對瓦斯爆炸的影響，國內外學者進行了一些研究。C.M.Cooper等[1]對不同初始溫度和初始壓力下甲烷/氧氣的爆炸上限進行了實驗測定，實驗表明，當溫度或壓力升高時，反應對氧氣的需求量減小。W.Wiemann[2]在溫度改變的條件下，對甲烷/空氣的爆炸壓力等爆炸特性進行了研究。Y.N.Shebeko等[3]的研究表明，隨著溫度升高，可燃氣體的爆炸極限范圍擴大，他們還進行了水懸浮顆粒對甲烷爆炸極限的影響研究。趙衡陽[4]對氣體爆炸的理論基礎進行了較為系統的研究，為深入分析溫度壓力對氣體爆炸的影響提供了理論依據。J.L.Gauducheau等[5]運用數值方法研究了高溫高壓條件下甲烷/氫氣/空氣的預混火焰。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]的研究結果表明，隨著初始溫度、初始壓力和煤塵濃度的升高，瓦斯爆炸下限降低、上限升高，極限范圍擴大。其還通過正交實驗得出，對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、初始壓力和當量比對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壓力、初始溫度的氣體爆轟參數的計算公式，從理論上研究初始壓力和初始溫度對氣體爆轟參數的影響情況。伯納德·劉易斯等[11]對氣體燃燒的化學反應動力學、火焰傳播等內容進行了詳細的研究和總結。王華等[12]通過實驗研究了初始壓力對礦井單元及多元可燃性氣體爆炸特性的影響，實驗結果表明初始壓力的升高增寬了可燃性氣體的爆炸極限范圍，且對上限的影響更為顯著；隨著初始壓力的升高，可燃性氣體的最大爆炸超壓、最大壓力上升速率增大，到達最大超壓的時間略有延長。李潤之等[13]在不同初始溫度下，對甲烷爆炸進行了實驗研究，結果表明初始溫度越高，最大爆炸壓力越小。在已有研究中，并未對點火延遲這一影響瓦斯爆炸危險性的因素進行研究，且未系統綜合各因素評價瓦斯爆炸危險性?，F階段，不同初始溫度下瓦斯爆炸壓力等特性參數的實驗數據還不完備，相關研究還很少，而且多數僅對實驗結果進行了描述。本文中采用特殊環境20 L爆炸特性測試系統，對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火延遲時間進行測定，并對初始溫度和初始壓力對瓦斯爆炸危險性的影響進行分析，以期對瓦斯爆炸危險性評估提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗系統

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

特殊環境20 L爆炸特性測試系統的主體部分如圖1所示。主要包括爆炸罐體、配氣系統、抽真空系統、點火系統、加熱系統、測試系統、控制系統和數據采集系統。爆炸罐體連接有壓力傳感器和溫度傳感器，壓力數據的采集頻率為5 kHz。主要通過2種方式完成加熱操作：爆炸罐體內最底部的加熱絲和爆炸罐體夾層中循環的被加熱的導熱油。由于這2種方式同時對爆炸罐體內的可燃混合氣體進行加熱，且加熱速率較慢，因而可以認為罐體內沒有明顯的溫度梯度的存在，即可燃混合氣體在點火時的溫度均勻分布。實驗中的高壓通過增加進氣量來實現。

1.2 實驗步驟及條件

根據實驗條件設定好實驗溫度及壓力等參數，依次通過抽真空系統對罐體抽真空，通過配氣系統按體積分壓充入甲烷及空氣，靜置約5 min，使甲烷及空氣進行混合，利用紅外甲烷傳感器檢測罐體內混合氣的濃度，若連續3次檢測到的濃度均為實驗設定值，認為混合均勻，此時通過加熱系統升高罐體內混合氣體溫度至設置溫度。開啟點火系統對混合氣體點火。在爆炸極限的測定過程中，以爆炸壓力超過初始壓力7%作為爆炸判據，若連續3次實驗未發生爆炸，則判定達到瓦斯爆炸極限。

實驗在不同初始溫度(25～200 ℃)和初始壓力(0.1～1.0 MPa)條件下進行，實驗室環境溫度在16～30 ℃之間，環境相對濕度在60%～90%RH之間，實驗采用高能電火花能量發生器產生的電火花作為點火源，點火能量均為10 J。爆炸前罐體內可燃混合氣體均處于靜止狀態。

2 溫度和壓力對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反應及火焰的持續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，則爆炸危險性越大。圖2給出了不同初始壓力條件下瓦斯爆炸上限和爆炸下限隨初始溫度的變化規律。

圖2 不同初始壓力下瓦斯爆炸極限與初始溫度關系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壓力的加大，瓦斯的爆炸上限升高，爆炸下限降低，爆炸極限范圍變寬，爆炸危險性增大。在實驗中，當初始條件由常溫常壓升高到200 ℃、1.0 MPa時，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，在相同初始壓力條件下，隨初始溫度的升高，瓦斯爆炸上限升高；在同一溫度條件下，上限值隨初始壓力的增大而上升，而且隨著壓力的升高，上限的變化幅度變小。這是由于高溫高壓的初始環境使系統中的活化分子數增加，且離解產生更多自由基參與基元反應，使鏈反應更易持續進行下去，因而可以維持更高濃度的瓦斯/空氣混合氣體發生燃爆反應。然而隨著上限濃度的進一步升高，氧氣濃度越來越小，初始溫度和壓力對瓦斯爆炸上限的影響減弱。由圖2(b)可知，在相同初始壓力條件下，隨初始溫度的升高，瓦斯爆炸下限降低；在同一溫度條件下，下限值隨初始壓力的增大而下降，而且隨著壓力的升高，下限的變化幅度改變較小。不同初始壓力條件下，瓦斯爆炸上限隨初始溫度的升高呈指數升高，而爆炸下限隨初始溫度的升高則指數降低。瓦斯爆炸極限與初始溫度的擬合關系可表示為：

(1)

式中各參數值如表1所示。

(2)

式中各參數值如表2所示。

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

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

3 初始溫度對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性，對不同初始溫度條件下的最大爆炸壓力和點火延遲進行實驗測定，實驗混合氣體中甲烷的濃度為10.1%。圖3給出了25、75、125和200 ℃時爆炸壓力隨反應時間的變化曲線。

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過一段點火延遲時間后，迅速上升到最大爆炸壓力，此后緩慢下降，在600 ms時仍有超壓存在，若采集時間足夠長，則最終的爆炸壓力將趨近于標準大氣壓力。壓力曲線下降的開始階段有一定的波動，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，到達最大壓力的反應時間縮短。實驗測得的最大爆炸壓力可近似認為是瓦斯爆炸的定容爆炸壓力，運用等溫模型的近似假設，并結合熱化學計算，推導出瓦斯爆炸的定容爆炸壓力表達式[4]：

(3)

由圖4可知，在實驗的定容條件下，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 ℃時的0.78 MPa下降到200 ℃時的0.50 MPa，下降幅度為35.89%。這是因為在其他條件不變的情況下，初始溫度的升高減少了單位體積內瓦斯/空氣混合氣體的物質的量，從而減少了反應放出的熱量，因此最大爆炸壓力降低。在實驗溫度范圍內，最大爆炸壓力的實測值均比理論值要小，但兩者之間的偏差基本保持不變，且實測的變化規律與理論計算結果保持一致，說明實驗具有較好的重復性和可靠性。如果單獨考慮最大爆炸壓力，則初始溫度的升高并未增加瓦斯爆炸的危險性，但是，在考慮瓦斯爆炸危險性時必須考慮爆炸極限、最大爆炸壓力、最大壓力上升速率等各個方面的綜合作用效果。

3.2 瓦斯爆炸點火延遲時間

點火延遲時間的探測是隔抑爆技術的研究基礎。定義點火延遲時間為壓力傳感器探測到壓力上升信號與觸發點火之間的時間間隔。不同初始溫度下瓦斯爆炸的點火延遲時間如圖5所示。由圖5可知，隨著初始溫度的升高，甲烷/空氣混合氣的點火延遲時間逐漸縮短，且溫度越高，變化幅度越小。反應初始階段自由基的積累直接影響點火延遲時間的長短，通過對瓦斯爆炸反應進行化學動力學分析，得到影響反應初始階段主要自由基H、O和OH濃度變化的關鍵反應步[14]，表3列出了其中影響較大的基元反應步。表3中R38是主要的鏈分支反應之一，其他反應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。根據阿累尼烏斯公式可知，溫度升高，反應速率常數增大，反應速率加快。因此，隨著初始溫度的升高，基元反應速率加快，自由基濃度增加，在反應初始階段，更多的自由基作為活化中心參與基元反應，使反應得以更快的延續下去，從而縮短了反應發展為爆炸式氧化反應的時間，即縮短了甲烷/空氣混合氣爆炸的點火延遲時間。

圖5 點火延遲時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Table 3 Partial main elementary reactions

4 瓦斯爆炸危險性評估

(4)

式中：f為其他影響瓦斯爆炸嚴重度的因素。由于對瓦斯爆炸危險度的研究還比較少，因而還需要大量的實驗研究和事故分析來進一步完善此表達式以及確定各因素的權重wi。

5 結 論

對初始溫度和初始壓力對瓦斯爆炸危險性的影響進行研究，得到以下結論：(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 ℃時的0.50 MPa相對于25 ℃時的0.78 MPa下降了35.89%。初始溫度的升高縮短了瓦斯爆炸點火的延遲時間，更快的進入到爆炸反應階段。(3)通過借鑒危險度的概念，并對各因素的影響作用進行加權平均，提出了初步評估瓦斯爆炸危險度的表達式，還需要進一步的后續研究來完善所得到的表達式并確定各影響因素的權重。

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(責任編輯 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；

國家自然科學基金項目(51274238，51374235)

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

O383 國標學科代碼： 13035

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