抑爆材料對低濃度煤層氣爆炸的隔爆性研究

孫 智

(陽泉煤業(yè)(集團)股份有限公司煤層氣開發(fā)利用分公司，山西 045000)

抑爆材料對低濃度煤層氣爆炸的隔爆性研究

孫 智

(陽泉煤業(yè)(集團)股份有限公司煤層氣開發(fā)利用分公司，山西 045000)

采用大小球連通容器，進行了甲烷濃度為10%，不同壓力下，連通容器大球點火，無/有抑爆材料時連通容器內(nèi)預混氣體爆炸實驗。實驗結(jié)果表明：無抑爆材料時，小球容器先于大球容器到達壓力峰值，且小球容器的壓力峰值遠大于大球容器的壓力峰值，大、小球容器內(nèi)的氣體均發(fā)生爆炸；有抑爆材料時，大球壓力快速上升，小球壓力則緊隨其后緩慢上升，然后緩緩平滑下降，只有大球容器內(nèi)的氣體發(fā)生爆炸，小球容器內(nèi)的氣體未發(fā)生爆炸，證明抑爆材料能起到有效的隔爆作用；隨著初始壓力的上升，大、小球壓力峰值隨著上升。

低濃度煤層氣 爆炸 抑爆材料 隔爆性

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

本實驗裝置是一套連通容器，連通容器示意圖如圖1所示。兩個球形容器的內(nèi)徑分別為0.6m、0.35m(體積分別為0.113m3、0.022m3，以下簡稱大、小球容器)，水平導管長2m。選用甲烷和空氣預混氣體開展實驗。配制實驗使用的混合氣體采用配氣儀(型號：SY-9506)；點火采用高能電子點火器(型號：XDH-6L)，點火能量為6J，點火位置均為容器中心；數(shù)采采集選用USB總線數(shù)據(jù)采集儀(型號：DEWE-4.3型)及配套分析軟件(DEWESoft 7.0)，設(shè)定采樣頻率為10kHz；壓力測量選用高頻壓力傳感器(型號：HM90-H3-2)。

1、4—點火位置；2、5—壓力傳感器；3、6—進氣口圖1 連通容器示意圖

1.2 實驗步驟

為保證實驗安全有效的開展，實驗的具體步驟如下：

(1)根據(jù)實驗需要，將球形容器與管道通過法蘭和螺栓連接組裝成相應的連通裝置。檢查裝置氣密性，利用真空泵將裝置抽真空至-90kPa，靜置兩分鐘；

(2)根據(jù)實驗目的，安裝調(diào)試好相應的實驗設(shè)備，包括各類傳感器的布置和安裝調(diào)試，數(shù)采儀中各通道的同步通信號等；

(3)將裝置抽真空至-90kPa，然后充入甲烷-空氣的預混氣至設(shè)定壓力。

(4)將采集系統(tǒng)調(diào)整到自動觸發(fā)狀態(tài)，清理人員至安全距離之外，準備引爆；

(5)點火引爆，采集數(shù)據(jù)；

(6)打開裝置閥門，利用氣泵通入空氣，進行換氣、洗氣，準備進行下一組實驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗數(shù)據(jù)可靠性驗證

圖2是單容器密閉氣體爆炸的壓力變化過程。從圖2可以看出，單容器密閉內(nèi)氣體燃爆壓力峰值約為0.6721MPa。根據(jù)錢新明和Senecal等人研究，甲烷氣體的最大燃爆壓力分別為0.629MPa和0.71MPa。本實驗測得的燃爆壓力峰值與已有的研究數(shù)據(jù)基本一致。由此可見，本實驗的壓力數(shù)據(jù)是可靠的。

圖2 單容器密閉爆炸壓力曲線圖

2.2 無抑爆材料時連通容器預混氣體爆炸實驗

實驗進行了常壓、 0.05MPa、 0.1MPa、 0.2MPa，甲烷濃度為10%時，沒有抑爆材料的情形下，連通容器大球點火，容器內(nèi)氣體爆炸，大小球的壓力變化測試，不同壓力下大小球的壓力曲線圖類似，由于篇幅所限，此處只列出0.2MPa下的壓力曲線圖，見圖3。

圖3 甲烷濃度為10%時，初始壓力為0.2MPa下，容器內(nèi)氣體爆炸壓力曲線

從圖3中可以看出，大球容器作為起爆容器時，傳爆容器小球容器先于大球容器到達壓力峰值，且小球的壓力峰值遠遠大于大球容器的壓力峰值，大、小球容器內(nèi)的氣體均發(fā)生爆炸。這主要是由于當大、小球通過管道連接形成連通容器時，大容器中心點火，大容器內(nèi)的壓力緩慢上升，推動大容器及管道內(nèi)的未燃氣體進入小球，使小球形成一定的預壓，燃燒形成的火焰在管道的加速作用下，形成噴射火焰進入小球，使小球內(nèi)的未燃氣體瞬間燃燒，因此小球的壓力峰值遠遠大于大球容器的壓力峰值。小球容器的壓力波回傳引起大球容器壓力快速上升，并達到壓力峰值。最后，壓力波在連通容器內(nèi)來回震蕩，不斷減小、趨于統(tǒng)一。

圖4 甲烷濃度為10%時，不同初始壓力下大球容器的壓力曲線(無抑爆材料)

圖5 甲烷濃度為10%時，不同初始壓力下小球容器的壓力曲線(無抑爆材料)

圖4與圖5為沒有抑爆材料時，甲烷濃度為10%的情形下，不同初始壓力時大、小球容器的壓力曲線圖。從圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著初始壓力的上升，大、小球壓力峰值隨著上升。表1為沒有抑爆材料時，不同初始條件下連通容器的實驗結(jié)果。從表中可以準確的看出不同初始條件下大、小球容器的壓力峰值?？梢园l(fā)現(xiàn)連通狀況下的小球容器的壓力峰值比大球容器的壓力峰值大很多，系統(tǒng)的安全性比較低。

2.3 抑爆材料對連通容器氣體爆炸的抑爆效果

實驗進行了常壓、0.05MPa、0.1MPa、0.2MPa，甲烷濃度為10%時，管道中有抑爆材料(蜂窩鋁)情形下，連通容器大球中心點火，容器內(nèi)氣體爆炸，大小球的壓力變化測試，不同壓力下大小球的壓力曲線圖類似，由于篇幅所限，此處只列出0.2MPa下的壓力曲線圖，見圖6。

從圖6中可以看出，大球壓力快速上升，小球壓力則緊隨其后緩慢上升，然后緩緩平滑下降。這主要因為大球容器起爆后，管道中的抑爆材料阻礙了火焰向小球容器的傳播，小球容器內(nèi)的氣體沒有發(fā)生爆炸(根據(jù)氣體爆炸三要素原則，小容器內(nèi)由于沒有點火源而不能發(fā)生爆炸)，大球爆炸產(chǎn)生的壓力波通過抑爆材料縫隙傳遞到小球，使小球內(nèi)的壓力緩慢上升，并隨著爆炸產(chǎn)生的高溫氣體的冷卻，壓力慢慢降下來。

圖7～8為有抑爆材料時，甲烷濃度為10%的情形下， 不同初始壓力時大、 小球容器的壓力曲線。

表1 無抑爆材料時，連通容器氣體爆炸實驗結(jié)果

圖6 甲烷濃度為10%時，初始壓力為0.2MPa下容器內(nèi)氣體爆炸壓力曲線

圖7 甲烷濃度為10%時，不同初始壓力下大球容器的壓力曲線(有抑爆材料)

圖8 甲烷濃度為10%時，不同初始壓力下小球容器的壓力曲線(有抑爆材料)

從圖中可以看出，隨著初始壓力的增加，兩球容器內(nèi)可燃氣體含量增加，爆炸產(chǎn)生的能量隨之增強；從圖中還可以看出，有抑爆材料存在時，不同初壓條件下，小容器內(nèi)的壓力都是緩慢的上升，說明小容器內(nèi)的氣體沒有發(fā)生爆炸，表面火焰未傳播到小容器，結(jié)果證明抑爆材料能較好的抑制火焰?zhèn)鞑ィ苡行У慕档捅ǖ奈ｋU性。表2為有抑爆材料時，連通容器大球中心點火實驗結(jié)果。從表可以看出不同初始壓力對應的大、小球壓力峰值，實驗數(shù)據(jù)進一步證明了初始壓力對氣體爆炸壓力峰值的影響。

表3為連通容器隔爆材料對小球爆炸壓力峰值的衰減率，從表3可以看出，隔爆材料對連通容器氣體爆炸可以起到有效的隔爆作用。從理論上來說，蜂窩鋁抑爆材料抑爆機理主要可以從器壁效應(鏈鎖反應理論)和吸熱效應兩個方面給予解釋。(1)鏈鎖反應理論認為：可燃氣體/空氣混合物的燃燒、爆炸反應并不是分子間的直接反應，而是分子鏈遭到自由基的碰撞而產(chǎn)生活化分子，活化分子又分裂成壽命很短卻很活潑的自由基。自由基與其他分子碰撞形成新的產(chǎn)物，同時又產(chǎn)生新的自由基繼續(xù)與其他分子發(fā)生反應，如此循環(huán)形成穩(wěn)定的燃燒。容器中蜂窩鋁隔爆材料將管道隔離為許多狹長通道，當火焰通過時，由于自由基與通道壁的碰撞幾率增大，因而銷毀的自由基數(shù)量增多，參與反應的自由基數(shù)量減少，當阻火結(jié)構(gòu)的通道寬度減少到一定程度時，自由基與通道壁的碰撞占主導地位，自由基數(shù)量急劇減少，燃燒反應不能自持而受到抑制。(2)燃燒反應火焰能夠傳播的另一個條件是反應放熱大于熱量的損失。在容器中充填這種材料后，火焰與材料接觸，氣體向材料散熱，由于金屬材料的熱容遠高于氣體，當材料的孔徑足夠小時(小于最大試驗安全間隙)，散熱速度超過熱量產(chǎn)生的速度，從而達到抑制爆炸火焰的目的。

表2 有抑爆材料時，連通容器氣體爆炸實驗結(jié)果

表3 連通容器隔爆材料對小球爆炸壓力峰值的衰減率

3 結(jié)論

(1)本實驗測得的燃爆壓力峰值與已有的研究數(shù)據(jù)基本一致，本實驗的壓力數(shù)據(jù)可靠。

(2)通過對不同初始壓力下連通容器內(nèi)氣體爆炸的點火爆炸實驗研究，表明大球中心點火時，小球容器內(nèi)預混氣體爆炸壓力峰值大于大球容器的壓力峰值。

(3)通過對不同初始壓力下連通容器內(nèi)填裝隔爆材料的點火隔爆實驗研究。實驗結(jié)果表明隔爆材料對連通容器內(nèi)預混氣體爆炸有良好的抑制效果。

(4)隨著初始壓力值的增加，起爆容器和傳爆容器預混氣體的壓力峰值越大。

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(責任編輯 劉 馨)

Study on Explosion-proof Property of Explosion Suppression Material for Low Concentration Coalbed Methane Explosion

SUN Zhi

(Coalbed Methane Development and Utilization Branch，Yangquan Coal Industry(Group)Co.，Ltd.，Shanxi 045000)

Explosion experiments of premixed gas in connected container without or with explosion suppression material are carried out，by igniting the large ball of the connected container，using a big-small ball connected container，under different pressure，with the methane concentration of 10%. The experimental results show that，without the explosion suppression material，the small ball container reaches the peak value of the pressure before the big ball container，and the peak value of the small ball container is much larger than that of the big ball container. The gas in big and small ball container all explode. With explosion suppression material，the pressure of the big ball rises rapidly，the pressure of the small ball is followed by a slow rise，and then slowly and smoothly decreases; only gas in the big ball container explode，and the gas in the small ball container do not explode. It is proved that the explosion suppression material can play an effective role in explosion suppression. With the increase of initial pressure，the pressure peak value both of the big and small ball container increases.

Low concentration coalbed methane; explosion; explosion suppression material; explosion-proof property

山西省科技攻關(guān)計劃資助項目(MQ2014-10)。

孫智，男，助理工程師，從事煤層氣新項目開發(fā)工作。