大尺寸密閉空間內(nèi)甲烷-空氣二元混合方法的改進與評定*

樊保龍，李 斌，白春華，王 博

(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

1 引 言

氣體是人類及生態(tài)環(huán)境不可缺少的一類介質(zhì)，無論是適用于工業(yè)生產(chǎn)的氣體載體，抑或是造福人們?nèi)粘Ｉ畹臍鈶B(tài)能源，在人們生產(chǎn)生活中都具有顯著的功效和意義。氣態(tài)能源，諸如液化石油氣、天然氣等，在管道輸送過程中常發(fā)生一些氣體泄漏甚至爆炸事故，而在氣態(tài)能源的使用過程中，密閉空間內(nèi)的爆炸事故更是屢見不鮮。此外，工業(yè)生產(chǎn)中涉及的可燃氣體，如煤礦開采過程中由于瓦斯泄漏引起爆炸事故的傷害更是影響深遠[1]。國內(nèi)外諸多學(xué)者對氣體爆炸開展了大量的實驗研究[2-6]，而實驗研究的基礎(chǔ)在于如何獲得混合均勻的氣體以保證實驗結(jié)果的可信度和精確性，對此，研究成果相對貧乏。目前對氣體均勻混合的研究主要集中在流化床的氣固兩相混合均勻性研究上[7-10]，而用于混合的容器往往是輸送管路或者小尺寸的容器[11-16]，混合方法往往采用外置循環(huán)系統(tǒng)或內(nèi)置攪拌系統(tǒng)進行循環(huán)混氣，或采用長時間的靜置方式，前者在實驗的安全性上存在著較大隱患，而后者需要較長的靜置時間。因此，為更準確更可靠地獲得大尺寸密閉空間內(nèi)的氣體爆炸數(shù)據(jù)，如何在保證安全的條件下實現(xiàn)快速均勻的氣體混合是一個值得研究的課題。

本研究以模擬巷道或房屋空間的大尺寸密閉容器10 m3爆炸罐為混氣載體，選用當前工業(yè)領(lǐng)域常見的氣態(tài)能源甲烷為示蹤氣體，通過設(shè)計進氣-混氣裝置并改進進氣技術(shù)，經(jīng)過大量實驗摸索，得到快速均勻安全的氣體混合方法。

2 氣體混合裝置及方法

2.1 氣體混合裝置

氣體混合實驗的載體為步入式10 m3爆炸罐，長3.5 m，內(nèi)徑2 m，兩端由半球形封頭密閉(其中圓柱體約長2.75 m、內(nèi)徑2 m，而端蓋為2個高0.375 m、內(nèi)徑2 m的球缺)，如圖1所示。爆炸罐用于進行內(nèi)部爆炸實驗，罐體前后兩面開設(shè)有4個觀察窗、罐體周身開設(shè)40個測試孔，用于布置傳感器及進行線路連接，將此爆炸罐作為混氣實驗的載體可以最真實地模擬大尺寸密閉空間內(nèi)氣體的混合過程。

1. Blasting vessel;2.Measuring holes;3.Door;4.Ignition pole;5.Observation windows;6.Dust spraying system; 7.Data measuring system;8.Controlling system;9.Ignition device;10.Gas supply system; 11.Ventilating system;12.Vacuum pump;13.High pressure gas pump 圖1 爆炸罐結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Structural sketch of the blasting vessel

圖2 進氣裝置結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.2 Structure of the gas-intake device

自行設(shè)計一套進氣-混氣裝置，擬通過進氣過程中的進氣裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計和進氣技術(shù)處理，達到進氣混氣一體化操作，從而大幅度減小氣體混合時間。進氣裝置由4根平行布置的PVC管組成，管體在罐體內(nèi)呈等比例均勻分布，管體上開設(shè)數(shù)個圓形小孔，通過改變小孔的孔徑及小孔在管體上的分布間距來調(diào)節(jié)可燃氣體進入罐體的速度和流量，進氣-混氣裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 氣體混合介質(zhì)

實驗選用日常生活中常見的甲烷氣體為混氣介質(zhì)，研究其與空氣在10 m3爆炸罐內(nèi)的混合效果。

2.3 濃度檢測系統(tǒng)及氣體混合效果評判依據(jù)

按安全標準AQ/T 1084-2011《煤礦災(zāi)變環(huán)境混合氣體測試方法與爆炸危險性判定規(guī)則》自行設(shè)計一套濃度監(jiān)測檢測系統(tǒng)。使用氣體采集裝置采集罐體內(nèi)部某位置的可燃氣體，通過濃度稀釋手段獲得可檢測濃度的氣體樣品，再使用高精度氣體濃度傳感器進行數(shù)據(jù)檢測和記錄。本研究采用的濃度測試是兩種儀器結(jié)合使用的方式：一是催化燃燒式甲烷濃度檢測系統(tǒng)，其相對誤差為下限的±1%，以甲烷濃度5%為例，可以精確到0.05%；另一種是氣相色譜儀，相對誤差<0.05%。通過同一種濃度樣品兩種儀器的濃度測試結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)兩種儀器測試結(jié)果間相對差異較小，經(jīng)過一系列甲烷濃度(4.5%～16%)的校準實驗可以看出，最大相對差異不超過5%。

為精確快速監(jiān)測可燃氣體和空氣在爆炸罐內(nèi)的混合效果，以濃度為評判依據(jù)，將罐體內(nèi)部等分為27個區(qū)域，采用取樣的方式在不同時刻獲得各區(qū)域的濃度數(shù)據(jù)，通過繪制濃度-時間變化曲線來獲得10 m3爆炸罐內(nèi)氣體混合過程中的濃度分布效果及濃度變化過程。

2.4 進氣方法改進

目前廣泛采用的氣體混合方法主要分為兩大類：一類是抽部分真空，通過分壓原理進入可燃氣體，再通過外部循環(huán)管路進行混合；另一類是通過外部配氣及預(yù)混裝置先預(yù)混氣體，再將實驗裝置抽絕對真空，注入預(yù)混氣體。兩種混氣方式適用于氣體量少、裝置尺寸較小的情況，對大尺寸密閉空間來說，外部循環(huán)管路的增加更易增加空間內(nèi)的死角區(qū)域，且可燃氣體與空氣混合后進行循環(huán)，存在一定的安全隱患；而預(yù)混氣體的方法對預(yù)混容器提出很高的承壓要求，且對空間密閉性及抽真空系統(tǒng)提出了更高的要求。

本研究提出的氣體混合方法以邊進氣邊混氣的研究思路，在可燃氣體進入罐體的區(qū)域設(shè)計了均勻擴散的進氣裝置，如2.1節(jié)所述，同時通過明顯的空氣補償方式，在可燃氣體進入罐體后罐體內(nèi)部仍預(yù)留足夠的真空度，通過注入空氣來加速可燃氣體進入罐體內(nèi)部后的局部湍流，使可燃氣體和空氣在每個較小的空間都能混合均勻，以達到大幅度提高氣體混合速度的目的，而可燃氣體與空氣先后進入罐體亦能保證進氣過程處于較高的安全狀態(tài)。

3 實驗參數(shù)與條件

通過改進硬件(進氣裝置)和軟件(進氣技術(shù))兩方面來達到理想的混氣效果并對此進行評價。因此，氣體混合實驗主要分為兩部分，第一部分是通過改變進氣-混氣系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)尋找最適合大尺寸空間體系的硬件條件；第二部分是通過調(diào)整改變進氣條件來優(yōu)化氣體混合效果。

3.1 進氣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

如圖2所示，4支內(nèi)徑12 mm、長3 m的PVC管均勻布置于罐體中，根據(jù)實際出氣條件，PVC管開孔大小分別選擇為1.5、2.0、2.5、3.0和3.5 mm，開孔間距設(shè)定為50、100、150、200和250 mm，開孔位置為沿管體軸線90°螺旋開孔，以保證管體四周流場均勻。實驗時，由于罐體氣密性較好，進氣前罐體內(nèi)部真空度控制在甲烷進氣量的正偏差10%(如進5%的氣體，抽取罐體內(nèi)5.5%的空氣)，進氣完畢后通過進空氣口補足空氣，使罐體內(nèi)處于常壓狀態(tài)。

3.2 進氣條件確定

在確定最佳進氣裝置的開孔尺寸參數(shù)后，采用增大罐體內(nèi)外壓差的方法改變實際進氣條件來研究進氣-混氣的效果。實驗開始時，罐體的內(nèi)外壓差值分別保持為0.06、0.05、0.04、0.03和0.02 MPa，進完可燃氣體后，以相同進氣速率向罐體內(nèi)充入壓縮空氣，通過實時濃度監(jiān)測獲得整個進氣過程中罐體各監(jiān)測點的濃度-時間(C-t)曲線。

3.3 氣體混合效果評價依據(jù)

混氣效果的評價主要分為兩方面：最終混氣時間和最終混氣均勻度。最終混氣時間越短，最終氣體混合物的均勻度越高，混氣效果越好。

根據(jù)一般標準和混氣原則， 當氣體混合載體內(nèi)部的特殊采樣點(具有明顯氣體濃度偏差的采樣點)的濃度偏差在10%的置信區(qū)間內(nèi)時，認為氣體混合均勻。本研究對最終混氣時間的確定原則為，當特殊采樣點的濃度變化在10 min中維持穩(wěn)定，并滿足與實際氣體濃度偏差(無論正負偏差)小于或等于10%時，認為其達到最終氣體混合狀態(tài)。

當采樣點濃度低于實際進入氣體濃度的80%時，稱為濃度死角；當采樣點濃度高于實際進入氣體濃度的120%時，稱為濃度過剩。死角率和過剩率是表征罐體內(nèi)可燃氣體濃度分布狀態(tài)的重要參數(shù)。

兩個狀態(tài)用方程分別表示為

(1)

式中:Y為t時刻某采樣點位置的濃度偏差；Ct為t時刻某采樣點位置的濃度值；C∞為最終氣體濃度，即實際充入氣體濃度；C0為初始氣體濃度。

氣體最終混合均勻度的表征即通過比較不同采樣點位置Y值的方差來確定，即σ，其計算公式為

(2)

式中:σ值越小，越接近于0，說明混合程度越好，混合越均勻。

4 實驗結(jié)果與討論

4.1 進氣裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

實驗通過正交實驗方案進行，在此實驗條件下，進氣速率控制在傳統(tǒng)的8 m3/h，而不預(yù)留真空度，即進多少量氣體，抽出略多于氣體量的空氣即可。正交實驗有兩個主要因素，即管路的開孔大小和開孔間距，開孔大小分別選擇為1.5、2.0、2.5、3.0和3.5 mm，開孔間距設(shè)定為50、100、150、200和250 mm。實驗設(shè)定氣體混合的絕對時間(從進甲烷氣體開始，到滿足均勻度要求為止)不超過1 h，反之，則未滿足既定要求。選取罐體中心位置的采樣點進行數(shù)據(jù)分析，得到采樣點氣體濃度隨時間變化的趨勢。

圖3 中心采樣點氣體濃度隨時間變化曲線圖 Fig.3 Gas concentration versus time of central observation point

圖3是從27個采樣點數(shù)據(jù)中選擇出來的罐體正中心位置的采樣點的數(shù)據(jù)圖，將其作為一個典型數(shù)據(jù)進行分析。通過圖3可以看出，7 min后，各采樣點的濃度基本變化不大，但在不同開孔直徑的條件下，中心采樣點的濃度值有較大區(qū)別，開孔直徑3.5 mm條件下，采樣點濃度比實際濃度高出80%，而當開孔直徑為1.5或2.0 mm時，中心采樣點最終濃度最接近于實際氣體濃度值，偏差不超過10%。

把27個采樣點的數(shù)據(jù)匯總后，得到最優(yōu)孔間距在100 mm、不同開孔直徑條件下具體的混氣效果，見表1,“-”表示最終氣體混合均勻時間超過1 h或未到達均勻程度。

表1 不同開孔直徑條件下的混氣效果(孔間距100 mm) Table 1 Mixing effect of different hole diameters (separation distance：100 mm)

根據(jù)實驗結(jié)果，當開孔直徑為1.5或2.0 mm時，氣體混合效果相對較好，考慮到管路的端頭泄壓問題，孔徑越大，越易造成管路兩端壓力泄放的不平衡，故選取1.5 mm為合適的開孔直徑。

開孔間距的確定方式以正交實驗的結(jié)果為準，其判斷依據(jù)如表2所示?！?”表示最終氣體混合均勻時間超過1 h或未到達均勻程度。

表2 不同開孔間距條件下的混氣效果(孔徑1.5 mm) Table 2 Mixing effect of different separation distances (hole diameter：1.5 mm)

如表2所示，當開孔間距為100 mm時，氣體混合的死角率和過剩率都處于較好的狀態(tài)，確定均勻開孔間距為100 mm。

綜上所述，當以10 m3爆炸罐作為氣體混合載體，采用直管式進氣-混氣一體裝置時，直管的開孔直徑為1.5 mm，均勻開孔間距為100 mm。

4.2 進氣條件確定

由進氣-混氣裝置參數(shù)的實驗結(jié)果可以看出，雖然進氣-混氣裝置能改善氣體混合的效果，但在最終氣體混合時間的確定上尚無法達到既定要求(1 h內(nèi))，仍需在進氣-混氣過程中采用一定的技術(shù)手段來改進氣體混合的效果。

對二元混合來說，維持一種氣體的空間體積不變，賦予另一種氣體以一定的運動速度去擴散達到混合目的的方法在小體積容器中應(yīng)用較好，但對于大尺寸的密閉容器，如10 m3爆炸罐，實驗結(jié)果已證實這種方法的可行性較低。因此，本研究就氣體的二元混合，從3個層面入手進行技術(shù)改進，已達到預(yù)期的氣體混合效果。

首先，從賦予兩種氣體運動速度的層面入手，先進甲烷氣體后再用足夠的空氣去補充，加強二者之間的對流擴散；二是從罐體內(nèi)外壓差的層面入手，通過改變罐體內(nèi)外壓差，加大進氣管路兩端的壓力差，以達到管路出口處湍流加大，湍流擴散加強的效果；三是從改變進氣速率的方面入手，達到控制管路開孔處擴散氣體量及湍流度的效果。

實驗時，和上文的方法一樣，采用正交實驗法，選取進氣速度2～10 m3/h，以2 m3/h為步長進行實驗，罐體內(nèi)外壓差分別為0.02～0.06 MPa，0.01 MPa為步長進行實驗。進氣管路的尺寸即采用前文中得到的最佳結(jié)果(孔徑1.5 mm，孔間距100 mm)來設(shè)置，實驗分別得到最優(yōu)真空度0.04 MPa下和最優(yōu)進氣速率8 m3/h下的統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果，見表3和表4所示，“-”表示最終氣體混合均勻時間超過1 h或未到達均勻程度。

表3 不同進氣速度下的混氣效果(真空度0.04 MPa) Table 3 Mixing effect of different gas-intake velocities (vacuum：0.04 MPa)

表4 不同初始真空度下的混氣效果(進氣速率8 m3/h) Table 4 Mixing effect of different vacuums (gas-intake velocity：8 m3/h)

由表3可以看出，隨著進氣速率的增加，混氣的均勻效果越明顯，且混氣時間越短。這是由于進氣速率越快，單位時間內(nèi)甲烷的進氣量越大，通過管路傳輸后，在每個開孔處的甲烷出口流量越大，其波及的范圍也就越遠。眾所周知，加速氣體混合的最有效方法就是加大空間內(nèi)的湍流，即讓氣體在空間內(nèi)快速地運動起來，通過循環(huán)或者攪拌的方式也正是基于此原理。當進氣速率加快時，從開孔處出口的氣體運動速度更大，能更快更有效地和罐體內(nèi)原有的空氣進行混合，縮短了混合均勻的時間。由于氣體在管路中高速流動會產(chǎn)生靜電，易引發(fā)事故，為此，雖然速率為10 m3/h時混氣效果更好，考慮到安全因素，選擇效果相近的8 m3/h更符合實際應(yīng)用和安全的需要。在罐體內(nèi)外壓差方面，當壓差在0.02～0.04 MPa的范圍內(nèi)，混合效果接近，但由于0.04 MPa時的混氣時間較短，可燃氣體和空氣混合物易快速混合，故選擇0.04 MPa為合適的罐體內(nèi)外壓差值。

4.3 改進前后混氣效果的對比分析

圖4 改進前后混氣效果的對比 Fig.4 Comparison of mixing effects in initial and optimal conditions

為進一步研究進氣-混氣裝置的改進和混氣技術(shù)的提高對混氣效果的影響，與未改進裝置和技術(shù)的原始條件進行對比，通過實驗研究全面評價此次大尺寸空間內(nèi)氣體混合的效果。改進前采用的氣體混合方式是抽少量真空后按體積比四孔進氣然后靜置混合的方式。現(xiàn)在的改進主要在兩個方面：一個是增加了進氣的裝置，即在原有的四孔上安裝有4根貫通罐體長軸的直管，再在直管上開小孔進行出氣，不再像原來一樣氣體是從罐體的一端慢慢運動至另一端，而是直接可以在各個位置擴散；第二個改變就是進氣條件的變化，和以前相比主要是體現(xiàn)在初始真空度的改變。最終對比的結(jié)果如圖4所示。

由圖4(其中Mixing ratio 代表混合度)可以看出，改進后約30 min，氣體基本達到混合均勻狀態(tài)，相比未改進時有很大改觀，根據(jù)實驗結(jié)果，未改進前，氣體基本達到混合完成狀態(tài)(不包括既成死角)需6 h左右；改進后，氣體混合時間為原來的1/12，且氣體混合效果更均勻，無死角和過剩區(qū)域存在。

5 結(jié) 論

(1) 針對10 m3步入式多相爆炸罐的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了一套適用于爆炸罐的直管式進氣-混氣系統(tǒng)，并按照標準制定了濃度檢測流程及混合效果評價方法。

(2) 通過進氣-混氣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在開孔大小為1.5 mm、間距100 mm時混合效果最好；通過改變混氣初始條件，調(diào)整罐體內(nèi)原始真空度后，發(fā)現(xiàn)相比其他預(yù)留真空度，罐體在0.04 MPa初始真空度下，氣體混合時間短且混合均勻。

(3) 基于最佳結(jié)構(gòu)的進氣-混氣裝置及最佳預(yù)留真空度，研究了最佳混氣設(shè)備及技術(shù)條件下的混氣效果并與原始混氣方法和技術(shù)進行對比，結(jié)果表明，采用了進氣-混氣裝置及混氣技術(shù)后，混氣時間縮短為原來的1/12，且氣體混合更均勻。

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