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(duì)學(xué)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(duì)學(xué)院消防工程系，河北 廊坊 065000)

將CO2充入的液化石油氣中并進(jìn)行點(diǎn)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(shí)驗(yàn)顯示：初始溫度15℃時CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)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?jǐn)?shù)達(dá)到39%時，混合氣體退出可爆范圍，臨界氧濃度為12.2%。結(jié)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(huán)境溫度的影響。

爆炸力學(xué)；抑爆；溫度；液化石油氣；CO2

隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展與民用液化氣大量使用，液化氣儲存使用規(guī)模逐步擴(kuò)大，但是相關(guān)事故屢見不鮮。液化石油氣、煤氣等多元混合氣體爆炸災(zāi)害的預(yù)防及安全儲運(yùn)顯得尤為突出和急迫。

對于氣體爆炸的防護(hù)措施主要有：抑爆、隔爆、泄爆等。其中，抑爆是指在爆炸反應(yīng)發(fā)生之前及時噴灑抑制劑，從而抑制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生或熱量的積累，是一種常用且有效的手段。抑爆劑從機(jī)理上分為物理抑制劑和化學(xué)抑制劑，從狀態(tài)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(guān)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(yè)實(shí)踐需要[11]。

工業(yè)生產(chǎn)中，燃燒產(chǎn)生的廢氣的主要成分是CO2，它對環(huán)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(shí)驗(yàn)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?xì)怏w抑爆技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)《GB/T12474-2008空氣中可燃?xì)怏w爆炸極限測定方法》[13]中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)值基本吻合，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信。

在實(shí)際液化石油氣儲藏時，儲罐集中放置。當(dāng)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(tài)，儲罐內(nèi)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(nèi)部溫度為1 800℃，但是液化石油氣儲存在鋼制儲罐中，且與發(fā)火點(diǎn)有一定距離。因此使用相同的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)

2.1 初始溫度15℃時CO2抑爆實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)；改變CO2含量，進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。隨著CO2含量的增加，明顯觀測到火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?，爆炸聲音減小，直到點(diǎn)火后完全不發(fā)生反應(yīng)，記錄此時CO2的體積分?jǐn)?shù)，即為該濃度液化石油氣的CO2抑爆體積分?jǐn)?shù)。改變初始混合氣體中液化石油氣的體積分?jǐn)?shù)，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程，測得不同濃度液化石油氣的CO2抑爆體積分?jǐn)?shù)。

實(shí)驗(yàn)中液化石油氣、CO2和氧氣的體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)。

表1 初溫15℃時CO2抑爆體積分?jǐn)?shù)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(jù)數(shù)據(jù)結(jié)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?jǐn)?shù)下，充入一定量的CO2，剛好不發(fā)生爆炸時對應(yīng)的氧氣體積分?jǐn)?shù)。由曲線ACB擬合出抑爆三角形ABC，三個頂點(diǎn)分別為A(2.2,20.5)、B(10.8,18.7)、C(3.0,12.8)。點(diǎn)A、B表示空氣環(huán)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(huán)境中，未通入CO2時，液化石油氣爆炸極限內(nèi)的各個點(diǎn)；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(diǎn)，液化石油氣退出可爆范圍。點(diǎn)火能大于最小點(diǎn)火能時，當(dāng)液化石油氣和氧氣2種氣體配比位于△ABC內(nèi)時都可以發(fā)生爆炸現(xiàn)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?yàn)椋涸诒ㄉ舷薷浇?，助燃?xì)怏w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?xì)怏w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(dāng)CO2濃度達(dá)到36%時，上下限重合于點(diǎn)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(fā)生爆炸。

2.2 初始溫度50℃時CO2抑爆實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)觀察到，隨著CO2含量的增加，火焰由寬變細(xì)，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(diǎn)火后剛好完全不發(fā)生反應(yīng)時CO2的體積分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 初溫50℃時CO2抑爆體積分?jǐn)?shù)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(shù)據(jù)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(diǎn)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?jǐn)?shù)為12.2%。當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到39%時，上下限重合于C′(3.0,12.2) 點(diǎn)，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(jìn)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(huán)境下比50℃環(huán)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(huán)境比50℃環(huán)境的可爆范圍小。具體原因如下：(1) 根據(jù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論，初始溫度升高，反應(yīng)自由基變的更多更加活潑，氧化還原反應(yīng)更易于發(fā)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(yīng)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(jù)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(yīng)速率加快。而CO2作為吸收反應(yīng)熱的惰性物質(zhì)，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(fā)生爆炸的可能性增加，抑爆三角形面積變大。

3 結(jié) 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(dá)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(dá)到有效抑爆效果時濃度較高。因此，發(fā)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(shè)備。

[1] 錢海林,王志榮,蔣軍成.N2/CO2混合氣體對甲烷爆炸的影響[J].爆炸與沖擊,2012,32(4):445-448. Qian Hailin, Wang Zhirong, Jiang Juncheng. Influence of N2/CO2mixture on methane explosion[J]. Explosion and Shock Waves, 2012,32(4):445-448.

[2] 張景林,肖林,寇麗平,等.氣體爆炸抑制技術(shù)研究[J].兵工學(xué)報(bào),2000,21(8):261-263. Zhang Jinglin, Xiao Lin, Kou Liping, et al. A study on the suppression of gas-explosion hazards[J]. Acta Armamentarii, 2000,21(8):261-263.

[3] 馬長安,任建平.礦井可燃?xì)怏w爆炸及抑制研究[J].煤,2006,15(2):22-23. Ma Changan, Ren Jianping. Study of explosion control inside and outside explosion-proof cabinet[J]. Coal, 2006,15(2):22-23.

[4] 邱雁,高廣偉,羅海珠.充注惰氣抑制礦井火區(qū)瓦斯爆炸機(jī)理[J].煤礦安全,2003,34(2):8-11. Qiu Yan, Gao Guangwei, Luo Haizhu. Mechanism of pumping inert gas into mine fire area for inhibition of methane explosion[J]. Safety in Coal Mines, 2003,34(2):8-11.

[5] 王華,葛嶺梅,鄧軍.惰性氣體抑制礦井瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)研究[J].礦業(yè)安全環(huán)保,2008,35(1):4-7. Wang Hua, Ge Lingmei, Deng Jun. Experimental study of using inert gas to suppress mine gas explosion[J]. Mining Safety & Environmental Protection, 2008,35(1):4-7.

[6] 張輝,王威,鄧軍.礦井瓦斯爆炸納米粉體控制技術(shù)的探討[J].煤礦現(xiàn)代化,2005(2):43-44. Zhang Hui, Wang Wei, Deng Jun. Discussion on control technique of nanometer powder using in mine gas explosion[J]. Coal Mine Modernization, 2005(2):43-44.

[7] 陳曉坤,林瀅,羅振敏,等.水系抑制劑控制瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2006,31(5):603-606. Chen Xiaokun, Lin Ying, Luo Zhenmin, et al. Experimental study on controlling gas explosion by water-depressant[J]. Journal of China Coal Society, 2006,31(5):603-606.

[8] 劉晅亞,陸守香,秦俊.水霧抑制氣體爆炸火焰?zhèn)鞑サ膶?shí)驗(yàn)研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2003,13(8):72-77. Liu Xuanya, Lu Shouxiang, Qin Jun. Experimental study on inhibiting the gas explosion flame by water spray[J]. China Safety Science Journal, 2003,13(8):72-77.

[9] Benedetto A D, Sarli V D, Salzano E, et al. Explosion behavior of CH4/O2/N2/CO2and H2/O2/N2/CO2mixtures[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2009,34(16):6970-6978.

[10] Razus D, Movileanu C, Brinzea V, et al. Closed vessel combustion of propylene-air mixtures in the presence of exhaust gas[J]. Fuel, 2007,86(12):1865-1872.

[11] 鄭遠(yuǎn)攀,景國勛,張亞麗.CH4/CO2混合氣體爆燃特性研究進(jìn)展[J].爆炸與沖擊,2012,32(2):203-209. Zheng Yuanpan, Jing Guoxun, Zhang Yali. A review of explosion characteristics of methane and carbon dioxide gas mixtures[J]. Explosion and Shock Waves, 2012,32(2):203-209.

[12] 吳志遠(yuǎn),胡雙啟,譚迎新.氮?dú)鈱θ斯っ簹庖直夹g(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,27(2):104-107. Wu Zhiyuan, Hu Shuangqi, Tan Yingxin. A study on the suppressing technology of explosion of the artificial coal gases[J]. Journal of Shanxi University of Science & Technology, 2009,27(2):104-107.

[13] GB/T12474-2008. 空氣中可燃?xì)怏w爆炸極限測定方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[14] 田貫三,于暢,李興泉.燃?xì)獗O限計(jì)算方法的研究[J].煤氣與熱力,2006,26(3):29-33. Tian Guansan, Yu Chang, Li Xingquan. Study on calculation method of gas explosion limits[J]. Gas & Heat, 2006,26(3):29-33.

[15] 杜文峰.消防燃燒學(xué)[M].北京:警官教育出版社,1996.

(責(zé)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(xué)基金項(xiàng)目(51104164)；武警學(xué)院青年教師科研計(jì)劃項(xiàng)目(QNJS201325)； 武警學(xué)院博士科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(BSKY201514)

何 昆(1983- )，女，碩士，講師，110165174@qq.com。

O389國標(biāo)學(xué)科代碼：13035

A