多元可燃性混合氣體爆炸中間產(chǎn)物發(fā)射光譜特性實(shí)驗(yàn)研究

郭　晶，王　慶

(首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，北京　100070)

0　引言

可燃性氣體爆炸的形式不僅表現(xiàn)為單一氣體的分解爆炸，而且表現(xiàn)為多種可燃性氣體的混合爆炸。對僅存在一種單組份可燃性氣體的爆炸特性，前人進(jìn)行過大量的研究，并取得了豐富的研究成果[1-4]。然而在煤礦井下采掘過程中從煤和周圍巖層中除了涌出瓦斯氣體，還會涌出少量其他可燃性氣體，例如乙烷、乙烯、一氧化碳、氫氣等，并且煤在自燃高溫條件下也會產(chǎn)生以上可燃性氣體中的一種或多種。人們對多元可燃性氣體爆炸的研究深度和廣度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)踐工作的需要[5-6]，以致多元可燃性性氣體支鏈爆炸事故具有多發(fā)性和重發(fā)性的特點(diǎn)。

因此，為了預(yù)防煤自燃高溫環(huán)境中產(chǎn)生的多元可燃?xì)怏w爆炸事故的發(fā)生、減少事故造成的危害，需要知道該多元可燃性氣體爆炸的微觀基團(tuán)輻射特性，其與事故預(yù)防密切相關(guān)。但是到目前為止，大多數(shù)礦井瓦斯爆炸的研究是以純甲烷為研究對象，只有部分學(xué)者開展了CO，H2、烴類可燃性氣體對甲烷爆炸特性的影響研究，且都停留在研究混合氣體的爆炸宏觀特性上，針對煤礦開采過程中產(chǎn)生的多元可燃性氣體爆炸中間產(chǎn)物進(jìn)行研究，能夠更好地認(rèn)識多元混合氣體爆炸微觀引發(fā)機(jī)理，為煤礦多元混合氣體爆炸的預(yù)防提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)參考[7-8]。

從實(shí)際出發(fā)，本文選用類似于煤礦開采現(xiàn)場及礦井火區(qū)產(chǎn)生的多元可燃性氣體：CH4，C2H6，C2H4，CO，H2，利用可視化球形密閉氣體爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對不同組分濃度、組分配比的多元可燃性氣體進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)，并利用瞬態(tài)光譜測量系統(tǒng)采集自由基發(fā)射光譜，研究爆炸引發(fā)階段中間產(chǎn)物的光譜特征，分析組分配比、組分濃度和甲烷濃度對壓力特性和中間產(chǎn)物光譜的影響，分析多元可燃性氣體爆炸系統(tǒng)中3種自由基的出現(xiàn)順序。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1　實(shí)驗(yàn)氣體

根據(jù)礦井實(shí)際情況，本實(shí)驗(yàn)所使用CH4體積分?jǐn)?shù)較大，故將整瓶CH4放置于實(shí)驗(yàn)室安全區(qū)域，備用；而其他4種可燃性氣體的體積分?jǐn)?shù)較小，限于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的配氣精度，故將其余4種可燃性氣體(C2H6，C2H4，CO，H2)按表1的配氣情況進(jìn)行配制并靜置混合均勻，備用。

表1　多組份氣體配氣情況Table 1　Multi-component gas distribution

根據(jù)甲烷爆炸實(shí)驗(yàn)的特性，并且顧及到反應(yīng)體系中甲烷反應(yīng)過程中的當(dāng)量比條件關(guān)系，每組實(shí)驗(yàn)甲烷的體積分?jǐn)?shù)均選擇：7%(富氧)、9.5%(當(dāng)量比為1)和11%(貧氧)。根據(jù)礦井實(shí)際情況，本實(shí)驗(yàn)所選用的其他4種可燃性氣體的體積分?jǐn)?shù)較小，故實(shí)驗(yàn)所用的多組分可燃性氣體濃度確定為：0.4%，0.8%，1.2%，1.6%和2.0%。

1.2　實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.1球形密閉爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本裝置以國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21426-1996 《粉塵云最大爆炸壓力和最大爆炸上升速率測定方法》[9]為依據(jù)，由20 L球形不銹鋼爆炸罐、抽真空系統(tǒng)、自動點(diǎn)火裝置、自動配氣系統(tǒng)、無線數(shù)傳系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等組成。如圖1所示。

圖1　120 L球形爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1　Explosion experiment system of 20 liter sphere

1.2.2瞬態(tài)光譜測量系統(tǒng)

瞬態(tài)光譜測量系統(tǒng)由單色儀(美國PI公司SP2758型)和科學(xué)級ICCD相機(jī)(美國PI-MAX3：1024*256-25mm-Unigen2-P43型)構(gòu)成，通過光纖接口測試在反應(yīng)器中氣體爆炸過程自由基發(fā)射光譜。另外可同時(shí)應(yīng)用多臺單色譜儀(卓立漢光Omni-λ系列光譜儀)對準(zhǔn)爆炸過程幾種中間產(chǎn)物在該響應(yīng)區(qū)較強(qiáng)譜帶的帶頭位置，采集相應(yīng)對象的輻射信號。

1.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及工況

在宏觀爆炸過程中，配合使用瞬態(tài)光譜測量技術(shù)，采集不同配比的多元可燃性氣體的爆炸中間自由基的發(fā)射光譜。設(shè)定需要采集的3個(gè)自由基的波長[10-12]依次為：OH(λ=309 nm)，O(λ=777 nm)，H(λ=656.3 nm)。

采用球形密閉爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室溫度控制在18～22℃；混合氣體濕度為45%～50%RH；實(shí)驗(yàn)混合氣體自動攪拌時(shí)間120 s；真空值設(shè)置為10%；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最大采集時(shí)間2 000 ms，響應(yīng)時(shí)間1 ms。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　多元混合氣體與單一甲烷爆炸特性對比分析

結(jié)合前人對甲烷爆炸特性的研究成果[13-15]和本文對多元可燃性混合氣體爆炸的實(shí)驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爆炸體系中只有單一的甲烷氣體時(shí)，隨著甲烷濃度的不斷升高，其最大爆炸壓力一定是呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，理論上曲線的頂點(diǎn)出現(xiàn)在甲烷濃度為9.5%時(shí)刻。然而，當(dāng)體系中加入一定濃度的多元可燃性混合氣體時(shí)，理論上此時(shí)的混合氣體最大爆炸壓力曲線頂點(diǎn)應(yīng)該提前，且隨著加入多元?dú)怏w組分濃度的增大而不斷提前，同時(shí)，此時(shí)的混合氣體最大爆炸壓力曲線頂點(diǎn)的出現(xiàn)位置即為5種混合氣體與反應(yīng)罐中的氧氣完全反應(yīng)的濃度。另外，甲烷最大爆炸壓力上升速率的變化曲線與甲烷最大壓力的變化曲線趨于一致，對于體積分?jǐn)?shù)為7%的甲烷，隨著不同配比的可燃性混合氣體的加入，其最大壓力上升速率呈現(xiàn)上升的趨勢。同樣，對于體積分?jǐn)?shù)為9.5%和11%的甲烷，隨著不同配比的可燃性混合氣體的加入，其最大壓力上升速率均呈現(xiàn)下降的趨勢。但是，其下降幅度并不相同。

2.2　不同組分配比對多元可燃?xì)怏w爆炸中間產(chǎn)物發(fā)射光譜的影響

為了研究不同組分配比的多元可燃性氣體對中間產(chǎn)物發(fā)射光譜的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別分析研究在甲烷濃度、多組分氣體濃度一定時(shí)，組分配比對中間產(chǎn)物發(fā)射光譜峰值出現(xiàn)時(shí)間的影響。如圖2、圖3和圖4所示。

圖2　7%甲烷，不同組分配比對中間產(chǎn)物發(fā)射光譜峰值出現(xiàn)時(shí)間的影響Fig.2　7% methane, the ratio of different groups on the peak time of the emission spectrum of the intermediate product

圖3　9.5%甲烷，不同組分配比對中間產(chǎn)物發(fā)射光譜峰值出現(xiàn)時(shí)間的影響Fig.3　7% methane, the ratio of different groups on the peak time of the emission spectrum of the intermediate product

圖4　11%甲烷，不同組分配比對中間產(chǎn)物發(fā)射光譜峰值出現(xiàn)時(shí)間的影響Fig.4　11% methane, the ratio of different groups on the peak time of the emission spectrum of the intermediate product

由圖2～4分析可看出，橫向就一個(gè)確定濃度的甲烷而言，6種組分配比的多元?dú)怏w加入甲烷中后，爆炸3種關(guān)鍵自由基峰值出現(xiàn)時(shí)間先后順序呈現(xiàn)一種雜亂的隨機(jī)狀態(tài)，并沒有較明顯的規(guī)律或趨勢所尋。縱向來看，3個(gè)濃度的甲烷(7%，9.5%，11%)爆炸3種關(guān)鍵自由基峰值出現(xiàn)時(shí)間先后順序也沒有相互對應(yīng)的、可循的規(guī)律，更多的是呈現(xiàn)一種隨機(jī)狀態(tài)，故對比分析來看，多元可燃性氣體的組分配比對其爆炸中間產(chǎn)物的峰值出現(xiàn)時(shí)間并沒有一定的影響，也就是說，只要是這5種氣體的混合，對其爆炸后的中間產(chǎn)物發(fā)射光譜沒有影響。

從圖2、圖3和圖4均可以明顯地看出，任意3條曲線中H自由基曲線位于最高位置，其次依次為O自由基曲線和OH自由基曲線，對于任意濃度的甲烷和多組分氣體，3種關(guān)鍵自由基的峰值出現(xiàn)時(shí)間順序?yàn)椋篛H自由基、O自由基、H自由基。

2.3　不同組分濃度的多元可燃性氣體對中間產(chǎn)物發(fā)射光譜的影響

圖5、圖6分別給出了在組分配比和甲烷濃度一定時(shí)，不同組分濃度的多元可燃性氣體對中間產(chǎn)物發(fā)射光譜的影響。從圖5(a)中可以看出，對于體積分?jǐn)?shù)為7%甲烷而言，配比1多元?dú)怏w加入的體積分?jǐn)?shù)小于1.2%前，隨著加入多元?dú)怏w體積分?jǐn)?shù)的增加，3種自由基光譜峰值的出現(xiàn)時(shí)間不斷縮短，配比1多元?dú)怏w加入的體積分?jǐn)?shù)等于1.2%時(shí)， 3種自由基光譜峰值的出現(xiàn)時(shí)間達(dá)到最小值，隨后3種自由基光譜峰值的出現(xiàn)時(shí)間不斷延遲。從圖5(b)和圖5(c)可以看出，對于體積分?jǐn)?shù)為9.5%，11%甲烷而言，隨著加入的配比1多元?dú)怏w體積分?jǐn)?shù)的增大，3種自由基光譜峰值的出現(xiàn)時(shí)間不斷延遲。從圖6(a)中可以看出，對于體積分?jǐn)?shù)為7%甲烷而言，隨著配比2混合氣體體積分?jǐn)?shù)的增加，3種自由基光譜峰值的出現(xiàn)時(shí)間不斷縮短。從圖6(b)和圖6(c)可以看出，對于體積分?jǐn)?shù)為9.5%，11%甲烷而言，隨著加入的配比2混合氣體體積分?jǐn)?shù)的增大，3種自由基光譜峰值的出現(xiàn)時(shí)間不斷延遲。

圖5　配比1，不同組分濃度對中間產(chǎn)物發(fā)射光譜峰值出現(xiàn)時(shí)間的影響Fig.5　Ratio 1, the effect of different component concentration on the peak time of the emission spectrum of the intermediate product

圖6　配比2，不同組分濃度對中間產(chǎn)物發(fā)射光譜峰值出現(xiàn)時(shí)間的影響Fig.6　Ratio 2, the effect of different component concentration on the peak time of the emission spectrum of the intermediate product

總體來看，對于組分配比1而言，在甲烷富氧狀態(tài)下，3種自由基光譜峰值的出現(xiàn)時(shí)間隨著多元?dú)怏w組分濃度的增大呈現(xiàn)先縮短后延長的規(guī)律，期間會有一個(gè)最小出現(xiàn)時(shí)間。這主要是因?yàn)橐彝?、乙烯與氧氣完全反應(yīng)的耗氧量均大于同條件下甲烷的耗氧量，配比1是以乙烷和乙烯為主要成分的混合氣體，故而出現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中當(dāng)混合氣體加入的體積分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí)，5種氣體與反應(yīng)罐中的氧氣形成一個(gè)可較完全反應(yīng)的情形；對于組分配比2而言，在甲烷富氧狀態(tài)下，3種自由基光譜峰值的出現(xiàn)時(shí)間隨著多元?dú)怏w組分濃度的增大不斷縮短。其原因在于配比2是以一氧化碳和氫氣為主要成分，而一氧化碳和氫氣與氧氣完全反應(yīng)的耗氧量均小于同條件下甲烷的耗氧量，故在實(shí)驗(yàn)過程中為能形成一個(gè)較完全反應(yīng)的情形。在任意相同條件的爆炸過程中，3種關(guān)鍵自由基光譜峰值出現(xiàn)的時(shí)間先后順序?yàn)椋?OH自由基、O自由基、H自由基。

2.4　不同甲烷濃度對中間產(chǎn)物發(fā)射光譜的影響

在組分配比和多組分氣體濃度一定時(shí)，根據(jù)純甲烷反應(yīng)當(dāng)量比情況，選擇加入的甲烷體積分?jǐn)?shù)分別為7%，9.5%，11%，研究不同甲烷濃度對中間產(chǎn)物發(fā)射光譜的影響，如圖7和圖8所示。對于組分配比1的氣體而言，多組分氣體加入量分別為0.4%時(shí)，關(guān)鍵自由基發(fā)射光譜峰值出現(xiàn)時(shí)間隨著甲烷濃度的增大呈現(xiàn)先縮短后延長的規(guī)律。多組分氣體加入量分別為1.2%和2.0%時(shí)，關(guān)鍵自由基發(fā)射光譜峰值出現(xiàn)時(shí)間隨著甲烷濃度的增大不斷延長。對于組分配比2的氣體而言，多組分氣體加入量分別為0.4%和1.2%時(shí)，關(guān)鍵自由基發(fā)射光譜峰值出現(xiàn)時(shí)間隨著甲烷濃度的增大呈現(xiàn)先縮短后延長的規(guī)律。多組分氣體加入量分別為2.0%時(shí)，關(guān)鍵自由基發(fā)射光譜峰值出現(xiàn)時(shí)間隨著甲烷濃度的增大不斷延長。在任意相同條件的爆炸過程中，3種關(guān)鍵自由基光譜峰值出現(xiàn)的時(shí)間先后順序?yàn)椋?OH自由基、O自由基、H自由基。

圖7　配比1，不同甲烷濃度對中間產(chǎn)物發(fā)射光譜峰值出現(xiàn)時(shí)間的影響Fig.7　Ratio 1, the effect of different methane concentration on the peak time of the emission spectrum of the intermediate product

圖8　配比2，不同甲烷濃度對中間產(chǎn)物發(fā)射光譜峰值出現(xiàn)時(shí)間的影響Fig.8　Ratio 2, the effect of different methane concentration on the peak time of the emission spectrum of the intermediate product

3　結(jié)論

1)多元可燃性氣體的組分配比對其爆炸中間產(chǎn)物的峰值出現(xiàn)時(shí)間并沒有一定的影響。在任意相同條件的爆炸過程中，3種關(guān)鍵自由基光譜峰值出現(xiàn)的時(shí)間先后順序?yàn)椋?OH自由基、O自由基、H自由基。

2)甲烷在富氧狀態(tài)下，對于有機(jī)氣體含量較大的組分配比而言，3種自由基光譜峰值的出現(xiàn)時(shí)間隨著多元?dú)怏w組分濃度的增大不斷縮短。對于無機(jī)氣體含量較大的組分配比而言，3種自由基光譜峰值的出現(xiàn)時(shí)間隨著多元?dú)怏w組分濃度的增大呈現(xiàn)先縮短后延長的規(guī)律，期間會有一個(gè)最小出現(xiàn)時(shí)間。在甲烷貧氧狀態(tài)下，3種自由基光譜峰值的出現(xiàn)時(shí)間隨著多元?dú)怏w組分濃度的增大不斷延遲。

3)對于任意組分配比氣體，在多組分氣體加入后未形成體系貧氧狀態(tài)時(shí)，關(guān)鍵自由基發(fā)射光譜峰值出現(xiàn)時(shí)間隨著甲烷濃度的增大先縮短后延長，在多組分氣體加入后形成體系貧氧狀態(tài)時(shí)，關(guān)鍵自由基發(fā)射光譜峰值出現(xiàn)時(shí)間隨著甲烷濃度的增大不斷延長。

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