環(huán)境溫度對(duì)瓦斯爆炸壓力及壓力上升速率的影響＊

李潤(rùn)之，黃子超，司榮軍

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶400037）

在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，隨著開(kāi)采深度的逐年增大和煤礦井下自燃發(fā)火等原因，礦井環(huán)境溫度也隨之升高，環(huán)境溫度的升高給礦井瓦斯治理工作帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。而在煤層氣利用過(guò)程中，同樣面臨環(huán)境溫度改變所帶來(lái)的一系列的安全問(wèn)題，這也是制約低濃度煤層氣大規(guī)模利用的關(guān)鍵因素。因此，研究特殊環(huán)境條件下的瓦斯爆炸特性、探索各影響因素對(duì)瓦斯爆炸的作用機(jī)理等，對(duì)于有效地防治礦井瓦斯爆炸事故和煤層氣的安全利用均具有十分重要的意義。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和事故案例分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度的改變對(duì)瓦斯爆炸特性具有重要影響。目前，就環(huán)境條件對(duì)瓦斯爆炸特性的影響研究方面，許多學(xué)者作了一定程度的研究［1－5］，但由于特殊環(huán)境條件下可燃?xì)怏w爆炸特性實(shí)驗(yàn)較難進(jìn)行，該方面的研究依然較少，也未形成系統(tǒng)的理論體系。

本文中首先對(duì)環(huán)境溫度對(duì)爆炸壓力及壓力上升速率的影響進(jìn)行理論分析，在此基礎(chǔ)上針對(duì)不同環(huán)境溫度條件對(duì)瓦斯爆炸的最大爆炸壓力、爆炸壓力上升速率的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析隨環(huán)境溫度的改變所測(cè)得的各參數(shù)的變化規(guī)律。

1 理論分析

密閉容器中的爆炸發(fā)展過(guò)程較為復(fù)雜，在一般情況下沒(méi)有解析解。為此采用等溫模型作近似假設(shè)［6］，在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出溫度與爆炸表征參數(shù)的解析關(guān)系式。等溫模型的基本假設(shè)是已反應(yīng)物質(zhì)（燃燒產(chǎn)物）的溫度Tb和未反應(yīng)物質(zhì)（初始反應(yīng)物）的溫度Tu在爆炸發(fā)展過(guò)程中始終不變

式中：Tf為燃燒終態(tài)產(chǎn)物溫度，由熱化學(xué)計(jì)算得到；Ti為反應(yīng)物初始環(huán)境溫度，一般為常溫。

初始環(huán)境溫度Ti與Tu近似相等，對(duì)最大壓力和最大壓力上升速率影響不大，而主要受已反應(yīng)物質(zhì)的溫度（火焰溫度）Tb的影響。通過(guò)大量熱化學(xué)計(jì)算，歸納出如下燃燒溫度與初始溫度的關(guān)系

最大爆炸壓力表達(dá)式可表示為式中：Mu和Mb分別為未燃和已燃燃料的平均分子量，p0為初始環(huán)境壓力。從公式（4）中可以看出，pm隨Tu增加而減小。

初始溫度對(duì)最大爆炸壓力上升速率的影響可由下述表達(dá)式給出

式中：Kr為燃燒速度，α為湍流因子，s為火焰面積，V為爆炸容器容積。該式表明是Tu的二次函數(shù)。但從式（5）中可以看出，T2u和Tu的系數(shù)項(xiàng)與常數(shù)4 1702相比要小得多。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及環(huán)境條件

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，包括20L爆炸罐體、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。爆炸罐體連接有壓力傳感器、溫度傳感器，并與控制系統(tǒng)相連，控制系統(tǒng)通過(guò)時(shí)序電路控制加溫系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)監(jiān)控傳輸器與高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在爆炸罐體中心進(jìn)行點(diǎn)火，利用壓力傳感器探測(cè)容器內(nèi)的定容爆炸壓力，并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

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

環(huán)境條件的改變對(duì)瓦斯爆炸特性具有明顯影響，因此，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須考慮實(shí)驗(yàn)的環(huán)境條件。本文中實(shí)驗(yàn)在常壓條件下進(jìn)行，環(huán)境相對(duì)濕度在10%～25%RH之間，爆炸前罐體內(nèi)氣體處于無(wú)湍流靜止?fàn)顟B(tài)，采用電火花能量發(fā)生器產(chǎn)生的10J電火花作為點(diǎn)火源，環(huán)境溫度變化范圍為298～473K。

3 環(huán)境溫度對(duì)瓦斯爆炸壓力的影響

3.1 常溫常壓條件下的爆炸壓力變化規(guī)律

實(shí)驗(yàn)在常溫常壓（298K、0.1MPa）條件下得到瓦斯體積分?jǐn)?shù)為9.8%時(shí)的典型爆炸壓力變化曲線(xiàn)，如圖2所示，具有密閉容器爆炸壓力變化特征。為使容器內(nèi)的氣體混合更均勻、系統(tǒng)更穩(wěn)定，將瓦斯氣體設(shè)置200ms延遲點(diǎn)火起爆。從圖2中可以看出，點(diǎn)火發(fā)生后爆炸壓力不是立即上升，而是有一段幾十毫秒的反應(yīng)感應(yīng)時(shí)間，這段時(shí)間就是瓦斯爆炸的點(diǎn)火延遲時(shí)間，即爆炸緩慢氧化階段，之后爆炸壓力迅速上升。從壓力開(kāi)始上升到出現(xiàn)最大爆炸壓力這段時(shí)間可以認(rèn)為是瓦斯爆炸的快速反應(yīng)階段；隨后容器內(nèi)壓力逐漸下降，此階段為反應(yīng)熄滅階段。由于系統(tǒng)并非理想的定容絕熱條件，故在采集時(shí)間約1 000ms后，系統(tǒng)壓力下降但仍有一定的超壓值，并隨時(shí)間的推移會(huì)繼續(xù)下降直到接近標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

圖2 瓦斯爆炸壓力時(shí)程曲線(xiàn)圖Fig.2 Gas explosion pressure varied with time

3.2 不同環(huán)境溫度條件下的爆炸壓力變化規(guī)律

圖3所示為體積分?jǐn)?shù)9.8%的瓦斯氣體在不同初始環(huán)境溫度條件下爆炸壓力曲線(xiàn)，由上至下溫度分別為298、348、423和473K，均符合典型密閉容器爆炸壓力的變化規(guī)律。從圖3中明顯可以看出，隨著初始環(huán)境溫度的升高，瓦斯氣體的最大爆炸壓力數(shù)值逐漸降低，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的最大爆炸壓力分別為0.795、0.687、0.566和0.502MPa。

圖3 不同環(huán)境溫度時(shí)瓦斯爆炸壓力曲線(xiàn)對(duì)比Fig.3 Comparison of the gas explosion pressures at different environmental temperatures

瓦斯爆炸時(shí)，初始環(huán)境溫度對(duì)達(dá)到最大爆炸壓力所需的時(shí)間具有一定影響。從圖3可以看出：在298K的環(huán)境溫度下，瓦斯完全反應(yīng)并達(dá)到最大爆炸壓力所需時(shí)間是134.2ms，而在348、423、473K條件下獲得最大爆炸壓力所需要的時(shí)間分別為109.8、95.6、85.8ms，即隨環(huán)境溫度的升高，反應(yīng)獲得最大爆炸壓力需要的時(shí)間明顯縮短。根據(jù)Arrhenius理論可知，化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)是分子之間的碰撞，環(huán)境溫度的提高首先增加了分子的內(nèi)能，另外也使分子運(yùn)動(dòng)的速率加快，也就增加了分子之間的碰撞幾率。所以，環(huán)境溫度的升高加快了爆炸反應(yīng)速率，從而使爆炸達(dá)到最大壓力所需時(shí)間縮短。

3.3 環(huán)境溫度對(duì)最大爆炸壓力的影響規(guī)律

運(yùn)用式（4）對(duì)不同初始環(huán)境溫度下瓦斯爆炸最大爆炸壓力進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示。從圖4中可以看出，最大爆炸壓力的理論值和實(shí)驗(yàn)值均隨著環(huán)境溫度的增加逐漸減小，即最大爆炸壓力和初始環(huán)境溫度的倒數(shù)呈近似線(xiàn)性規(guī)律變化。實(shí)驗(yàn)值和理論值出現(xiàn)差別的原因在于，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并非理想的絕熱條件，爆炸容器內(nèi)部通過(guò)容器壁與外界存在熱交換，造成熱量損失。

圖4 定容爆炸壓力與實(shí)測(cè)最大爆炸壓力的對(duì)比圖Fig.4 Comparison of maximum explosion pressures between experiment and theory

4 環(huán)境溫度對(duì)最大壓力上升速率的影響

最大壓力上升速率是衡量瓦斯爆炸特性的一個(gè)重要參數(shù)，是描述瓦斯氣體化學(xué)反應(yīng)速率的重要參考。在本實(shí)驗(yàn)條件下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了體積分?jǐn)?shù)為9.8%的瓦斯氣體在不同環(huán)境溫度條件下的爆炸最大壓力上升速率值，如圖5所示。

從圖5中可以看出最大壓力上升速率基本在20.83和23.80MPa／s之間跳躍變化，跳躍過(guò)程無(wú)明顯規(guī)律呈現(xiàn)?？紤]到實(shí)驗(yàn)條件的外界因素的影響，可以認(rèn)為在本實(shí)驗(yàn)條件下（環(huán)境溫度在常溫至473K之間）獲得的最大壓力上升速率隨環(huán)境溫度變化基本保持不變。圖6為環(huán)境溫度在298和473K時(shí)的瓦斯爆炸壓力變化曲線(xiàn)圖，比較298和473K環(huán)境溫度條件下最大壓力上升速率（壓力曲線(xiàn)上升時(shí)刻的最大斜率），可以看出，雖然壓力曲線(xiàn)不同，但其最大壓力上升速率值相同，均為20.833MPa／s。

圖5 最大壓力上升速率隨環(huán)境溫度的變化曲線(xiàn)Fig.5 The maximum pressure rise rate varied with the changes of initial temperature

圖6 不同環(huán)境溫度條件下最大壓力上升速率對(duì)比Fig.6 Comparison of the maximum pressure rise rates at different initial temperatures

5 結(jié) 論

通過(guò)爆炸特性實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試不同環(huán)境溫度條件下體積分?jǐn)?shù)為9.8%的瓦斯爆炸最大爆炸壓力、最大壓力上升速率的參數(shù)值，分析不同環(huán)境溫度條件下的瓦斯爆炸特性得出如下結(jié)論：

（1）將理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)定對(duì)比分析，得到了最大爆炸壓力隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律，即隨著環(huán)境溫度的增加，最大爆炸壓力逐漸減小，最大爆炸壓力和初始環(huán)境溫度的倒數(shù)呈近似線(xiàn)性規(guī)律變化。

（2）隨著環(huán)境溫度的升高，化學(xué)反應(yīng)速率增加，爆炸壓力達(dá)到峰值所需的時(shí)間減少。在298K環(huán)境條件下，爆炸完全反應(yīng)達(dá)到最大爆炸壓力的時(shí)間為134.2ms，而在473K環(huán)境溫度時(shí)，爆炸反應(yīng)在85.8ms時(shí)刻達(dá)到最大爆炸壓力。

（3）瓦斯氣體的最大壓力上升速率隨環(huán)境溫度的升高呈非線(xiàn)性變化規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)研究的溫度范圍內(nèi)（298～473K），最大壓力上升速率基本保持不變。

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