一氧化碳影響二氧化碳惰化甲烷爆炸的實(shí)驗(yàn)研究*

程方明，鄧　軍

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

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一氧化碳影響二氧化碳惰化甲烷爆炸的實(shí)驗(yàn)研究*

程方明1，2，鄧軍1，2

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

為了全面考察火災(zāi)產(chǎn)物一氧化碳對(duì)礦井瓦斯爆炸危險(xiǎn)性的影響，采用標(biāo)準(zhǔn)的可燃?xì)怏w爆炸極限測(cè)試裝置，測(cè)試研究了CO影響CO2惰化抑制CH4爆炸的規(guī)律。分別測(cè)試分析了含有不同濃度CO時(shí)CH4在空氣中的爆炸極限和CO2惰化條件下的CH4爆炸極限與臨界參數(shù)，并繪制出CH4爆炸三角形分析圖，研究了CO對(duì)CH4爆炸三角形位置及大小的影響。結(jié)果表明，少量CO氣體可使空氣中CH4的爆炸上限和下限均有所下降，爆炸危險(xiǎn)度F值增大；CO氣體的存在會(huì)導(dǎo)致CO2惰化抑制CH4爆炸的臨界濃度升高，且隨CO含量的增大呈線性增加，臨界氧濃度隨著CO濃度的增大而降低；CO氣體會(huì)引起CH4爆炸三角形向左下方移動(dòng)和延伸，可爆區(qū)面積增大，不爆炸區(qū)面積縮小，窒息比明顯提高，需要添加更多的惰性氣體才能使CH4處于完全惰化狀態(tài)。

瓦斯爆炸；一氧化碳；惰化；爆炸三角形

2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China)

0　引　言

礦井火災(zāi)、爆炸等災(zāi)害事故，在中國(guó)煤礦事故中占有相當(dāng)大的比例[1]，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。由礦井火災(zāi)引發(fā)的瓦斯爆炸是非常典型的一類(lèi)爆炸事故，礦井火災(zāi)的氣體產(chǎn)物參與瓦斯爆炸是這類(lèi)事故的重要特點(diǎn)之一。

一氧化碳是煤自燃火災(zāi)產(chǎn)生的主要可燃性氣體，因此一氧化碳對(duì)瓦斯爆炸的影響作用受到廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了相關(guān)研究。例如，楊永辰等[2]研究了回采工作面采空區(qū)內(nèi)CO參與瓦斯爆炸的過(guò)程；陳曉坤[3]、周西華[4]、羅振敏[5]等曾先后采用不同實(shí)驗(yàn)裝置研究了CO對(duì)CH4在空氣中的爆炸極限參數(shù)影響；鄧軍[6]、秦波濤[7]等研究了的CO，CH4等多組分混合氣體的爆炸極限；鄧軍等[8]還研究了不同濃度CO對(duì)CH4爆炸超壓特征的影響規(guī)律。賈寶山等[9]從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度分析了一氧化碳對(duì)瓦斯爆炸產(chǎn)生的阻尼效應(yīng)；秦波濤等[7]研究了CH4和CO混合氣體中加入N2后爆炸極限的變化情況；周利華[10]研究了火區(qū)多組分可燃?xì)怏w共存情況下可燃性混合氣體爆炸三角形判斷方法，并進(jìn)行了爆炸危險(xiǎn)性分析?？梢?jiàn)，目前相關(guān)研究大多關(guān)注CO對(duì)瓦斯爆炸危險(xiǎn)性的影響，對(duì)CO影響惰性氣體惰化抑爆效果的研究較少，而且僅開(kāi)展了N2惰化的相關(guān)研究，并主要以分析混合氣體爆炸極限為主。然而，隨著液態(tài)CO2滅火、抑爆技術(shù)的推廣應(yīng)用，開(kāi)展CO2惰化抑爆火區(qū)的相關(guān)研究是非常必要的，同時(shí)CO2也是火災(zāi)的主要產(chǎn)物之一，所以研究CO影響CO2惰化抑制CH4爆炸的規(guī)律，對(duì)礦井火區(qū)封閉及二氧化碳滅火抑爆技術(shù)實(shí)施過(guò)程的瓦斯爆炸防控具有重要的指導(dǎo)意義。

為此，文中基于氣體爆炸極限測(cè)試實(shí)驗(yàn)，考察一氧化碳對(duì)甲烷爆炸極限和二氧化碳惰化條件臨界參數(shù)的影響，并繪制出甲烷爆炸三角形分析圖，研究一氧化碳對(duì)甲烷爆炸三角形位置及大小的影響規(guī)律，分析其爆炸危險(xiǎn)性，為礦井火區(qū)爆炸危險(xiǎn)判斷提供參考。

1　實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用HY12474C型可燃?xì)怏w爆炸極限測(cè)試裝置(GB/T 12474-2008標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試裝置)，如圖1所示。該裝置主要由爆炸反應(yīng)管、點(diǎn)火裝置、循環(huán)泵、真空泵、壓力計(jì)、電磁閥等組成。爆炸反應(yīng)管由石英玻璃制成，管長(zhǎng)1 400 mm±50 mm，管內(nèi)徑60 mm±5 mm，管底部裝有通徑為25 mm的泄壓閥。實(shí)驗(yàn)裝置可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制完成分壓法配氣、循環(huán)攪拌、點(diǎn)火等步驟，配氣精度為0.1%，采用300 VA電壓互感器作為點(diǎn)火電源，電極間距3 mm，放電時(shí)間0.1～1 s可調(diào)。

圖1　可燃?xì)怏w爆炸極限測(cè)試裝置Fig.1　Test device for explosion limits of combustible gases

1.2測(cè)試條件

初始?jí)毫? atm，初始溫度為25～28 ℃，環(huán)境濕度為54%～62% RH.循環(huán)攪拌時(shí)間為5 min，點(diǎn)火放電時(shí)間為500 ms.

1.3測(cè)試過(guò)程

實(shí)驗(yàn)首先分別測(cè)試純CH4氣體和混入少量不同比例(0.5%，1.0%，1.5%，2%)CO氣體后CH4在空氣中的爆炸極限，然后添加不同比例CO2氣體，再測(cè)試上述5種情況CH4的爆炸極限，直至其爆炸上、下限重合，確定出CO2惰化CH4爆炸的臨界點(diǎn)。爆炸極限的測(cè)試方法嚴(yán)格按照GB/T 12474-2008《空氣中可燃?xì)怏w爆炸極限測(cè)定方法》的要求進(jìn)行。

2　結(jié)果與分析

2.1CO對(duì)CH4爆炸極限的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)得了CH4-Air預(yù)混氣體中含有少量CO時(shí)CH4的爆炸極限，同時(shí)計(jì)算了甲烷的爆炸極限范圍和爆炸危險(xiǎn)度，來(lái)考察CO對(duì)CH4在空氣中爆炸危險(xiǎn)性的影響。其中，爆炸危險(xiǎn)度F為爆炸下限L1和上限L2的幾何平均數(shù)與下限L1的差除以該幾何平均數(shù)[11]，F(xiàn)=[(L1·L2)0.5-L1]/(L1·L2)0.5，F(xiàn)值均在0～1之間，F(xiàn)值越大說(shuō)明爆炸危險(xiǎn)性越大。CO對(duì)空氣中CH4爆炸極限及爆炸危險(xiǎn)度F值的影響規(guī)律如圖2和圖3所示。

圖2　CO對(duì)空氣中CH4爆炸極限的影響 Fig.2　Influence of carbon monoxide on explosion limits of methane in air

圖3　CO對(duì)空氣中CH4爆炸危險(xiǎn)度的影響Fig.3　Influence of carbon monoxide on explosive hazard degree of methane in air

從圖2中可以看出，隨著CO濃度的增加，空氣中CH4爆炸下限和上限均有所下降，但爆炸極限范圍變化很小，僅添加量大于1.5%以上才略有增大，這與文獻(xiàn)[2-4]結(jié)果基本一致。圖3表明，隨著CO濃度的增加，空氣中CH4爆炸危險(xiǎn)度F值呈線性增大，2%的CO可使CH4爆炸危險(xiǎn)度增大約9.1%.可見(jiàn)，CO在一定程度上增大了CH4在空氣中的爆炸危險(xiǎn)性，并以降低爆炸下限為主要體現(xiàn)。

2.2CO對(duì)CO2惰化防爆效果的影響

向含有不同濃度CO氣體的甲烷-空氣預(yù)混氣中添加不同比例的CO2氣體，進(jìn)行爆炸性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)300多組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得到添加不同比例CO2氣體時(shí)混合氣體中CH4的爆炸極限濃度，如圖4所示。

圖4　加入CO2后混合氣體中CH4的爆炸極限濃度Fig.4　Explosion limits of methane adding with carbon dioxide

圖5　CO對(duì)惰化過(guò)程CH4爆炸極限范圍變化的影響Fig.5　Influence of carbon monoxide on explosion limits scope of methane suppressing with carbon dioxide

由圖4可見(jiàn)，隨著加入CO2氣體的比例增大，混合氣體中CH4的爆炸上限濃度下降，爆炸下限濃度上升，爆炸極限范圍逐漸縮小，混合氣體中CO的含量越高，CH4的爆炸極限值越低。不同濃度CO對(duì)CO2惰化過(guò)程CH4爆炸極限范圍變化的影響情況如圖5所示，可見(jiàn)當(dāng)CO2氣體添加比例低于20%時(shí)，CO的存在對(duì)惰化過(guò)程CH4爆炸極限范圍的縮小情況基本沒(méi)有影響；當(dāng)添加比例高于20%時(shí)，CO濃度越高，隨CO2氣體增加CH4爆炸極限范圍縮小的越慢，達(dá)到上下限重合時(shí)的臨界狀態(tài)所需的CO2氣體的量就越大，CO對(duì)CO2惰化防爆臨界濃度的影響規(guī)律如圖6所示，CO2臨界濃度隨CO含量的增大呈線性增加。進(jìn)行線性擬合后，可得到CO2臨界濃度與CO含量的函數(shù)關(guān)系為y= 1.42x+ 25.22(R2= 0.99)，式中y為CO2的臨界濃度(Vol%)，x為CO濃度(Vol%)。上述結(jié)果表明，對(duì)含有少量CO的礦井瓦斯進(jìn)行惰化抑爆時(shí)，應(yīng)加大惰性氣體用量才能達(dá)到預(yù)期效果，且CO濃度越高惰性氣體用量應(yīng)越大。

圖6　CO對(duì)CO2惰化臨界濃度的影響Fig.6　Influence of carbon monoxide on the critical concentration of carbon dioxide inerted methane explosion

2.3CO對(duì)CH4爆炸三角形的影響

根據(jù)測(cè)得的CH4爆炸極限值可計(jì)算出爆炸極限對(duì)應(yīng)的氧氣濃度，利用圖4中爆炸臨界點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)可計(jì)算出CO2惰化條件的CH4爆炸臨界氧濃度，具體結(jié)果見(jiàn)表1.由表1可知，CO濃度越大，CH4爆炸的臨界氧濃度越低，即可維持CH4爆炸所需的最低氧氣濃度隨著CO濃度的加大而降低，也說(shuō)明CO的存在加大了甲烷爆炸的可能性。利用CH4爆炸極限和臨界氧濃度相關(guān)數(shù)據(jù)可繪制出含有不同濃度CO時(shí)的甲烷爆炸三角形，為了便于分析CO對(duì)爆炸三角形的影響情況，繪制了純CH4和CO含量為2%時(shí)的2個(gè)爆炸三角形，如圖7所示。

表1　CO2惰化條件CH4爆炸極限點(diǎn)與臨界點(diǎn)的氧濃度

圖7　CH4爆炸三角形分析圖Fig.7　Methane explosion triangle diagrams

根據(jù)傳統(tǒng)的爆炸三角形分區(qū)分析方法，圖7中各關(guān)鍵點(diǎn)的具體物理意義如下：A點(diǎn)為空氣中的氧氣濃度，B點(diǎn)為CH4-Air混合氣體中CH4達(dá)到爆炸下限時(shí)對(duì)應(yīng)的氧氣濃度，C點(diǎn)為CH4-Air混合氣體中CH4達(dá)到爆炸上E點(diǎn)為限時(shí)對(duì)應(yīng)的氧氣濃度，D點(diǎn)為向CH4-Air混合氣體中添加CO2使CH4爆炸上、下限重合的臨界點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的氧氣濃度就是臨界氧濃度，將A點(diǎn)和D點(diǎn)用直線相連并延長(zhǎng)至橫坐標(biāo)軸，與坐標(biāo)軸的交點(diǎn)即為E點(diǎn)。直線ABC為空氣線，即空氣中有不同濃度CH4時(shí)對(duì)應(yīng)的氧氣濃度變化情況?？諝饩€以下的區(qū)域可劃分為4個(gè)區(qū)：1區(qū)(△BCD)為爆炸區(qū)(即爆炸三角區(qū))，2區(qū)(△ABD)為CH4濃度較低的不爆區(qū)，3區(qū)(CDE右側(cè)區(qū)域)為O2濃度較低的不爆區(qū)，4區(qū)(ADE左側(cè)區(qū)域)為安全區(qū)，該區(qū)域的CO2與CH4的濃度比均大于窒息比(惰化臨界點(diǎn)處惰性氣體與可燃?xì)怏w的體積比)，處于完全惰化狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生爆炸。但是，各區(qū)并不是恒定不變的，隨著空氣或瓦斯?jié)舛鹊母淖兏鲄^(qū)之間會(huì)相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)混合氣體中含有CO時(shí)，CH4爆炸三角形分析圖中各關(guān)鍵點(diǎn)均向左下方移動(dòng)，爆炸三角形區(qū)域?yàn)椤鰾′C′D′，可見(jiàn)可爆炸區(qū)域1區(qū)有所增大，呈現(xiàn)出向左下方移動(dòng)、延伸的趨勢(shì)，這是CO導(dǎo)致甲烷爆炸上、下限和臨界氧濃度降低的直接體現(xiàn)，也說(shuō)明增大了甲烷爆炸的可能性。摻入CO后，2區(qū)有所縮小，說(shuō)明處在該區(qū)的混合氣體更容易因瓦斯?jié)舛犬惓Ｉ仙M(jìn)入爆炸區(qū)；3區(qū)略有擴(kuò)大，而4區(qū)明顯縮小，說(shuō)明窒息比增大了，需要添加更多的惰性氣體才能使甲烷處于完全惰化狀態(tài)。

從上述分析可知，礦井瓦斯含有少量CO時(shí)，仍使用純甲烷爆炸三角形進(jìn)行爆炸危險(xiǎn)判斷是不可靠的，而計(jì)算混合氣體爆炸極限參數(shù)，繪制混合氣體爆炸三角形又十分繁瑣，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的可操作性不強(qiáng)，這時(shí)基于CO氣體對(duì)甲烷爆炸三角形的影響規(guī)律，可以將純甲烷爆炸三角形向左下方延伸、擴(kuò)展后再使用(將爆炸下限點(diǎn)向右移動(dòng)，爆炸臨界點(diǎn)向左下方移動(dòng))，這樣可以保證爆炸危險(xiǎn)判斷結(jié)果的可靠性，也能滿足現(xiàn)場(chǎng)瓦斯爆炸危險(xiǎn)初步判斷的需求。

3　結(jié)　論

1)少量CO氣體可使空氣中CH4的爆炸下限和上限均有所下降，而爆炸極限范圍基本不受影響；隨著CO濃度的增加，空氣中CH4爆炸危險(xiǎn)度F值呈線性增大；

2)CO氣體的存在會(huì)導(dǎo)致CO2惰化抑制瓦斯爆炸的臨界濃度升高，且隨CO含量的增大而線性增加；

3)CO2惰化條件下，CH4爆炸的臨界氧濃度隨著CO濃度的增大而降低；

4)CO氣體會(huì)引起甲烷爆炸三角形向左下方移動(dòng)、延伸，可爆區(qū)面積增大，不爆炸區(qū)面積縮?。籆O氣體存在的情況下，窒息比明顯提高，需要添加更多的惰性氣體才能使甲烷處于完全惰化狀態(tài)。

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Experimental study on the influence of carbon monoxide on carbon dioxide-inerted methane explosion

CHENG Fang-ming1，2，DENG Jun1，2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China；

In order to investigate the influence of carbon monoxide on the probability of gas explosion in coal mine，some experiments for validating the influence of carbon monoxide on carbon dioxide-inerted methane explosion were performed with a standard test device for explosion limits of combustible gases.Explosion limits of methane in air and explosion limits and critical parameters of the methane suppressed by carbon dioxide with carbon monoxide at varying concentrations were acquired and analyzed by experiments.Methane explosion triangle diagrams were drawn，and the influences of carbon monoxide on the size and location of methane explosion triangle were analyzed.The results show that upper explosion limit and lower explosion limit of methane in air decrease and the explosive hazard degreeFincrease when mixing with a small amount of carbon monoxide.The critical concentration of carbon dioxide inerted methane explosion raises linearly with the increment of the volume fraction of carbon monoxide，and the critical concentration of methane explosion decreases with it.The methane explosion triangle moves and extends to the bottom left，the size of the explosible area increases，the size of the no explosible area reduces，and the inerting ratio increases when mixing with carbon monoxide.Adding more carbon dioxide is necessary for suppressing the explosion of the mixture of methane and carbon monoxide.

gas explosion；carbon monoxide；inerting；gas explosion triangle

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0303

1672-9315(2016)03-0315-05

2016-01-21責(zé)任編輯：劉潔

國(guó)家自然科學(xué)基金(51304155)；國(guó)家自然科學(xué)基金(51504190)；博士啟動(dòng)基金(A5030144)

程方明(1982-)，男，遼寧桓仁人，工程師，博士研究生，E-mail：chengfm@xust.edu.cn

TD 712

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