四氟乙烷對(duì)甲烷/空氣爆炸特性的影響

路長(zhǎng)，劉洋，于子凱，潘榮錕，劉磊，滕飛

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四氟乙烷對(duì)甲烷/空氣爆炸特性的影響

路長(zhǎng)1，2，劉洋1，2，于子凱1，2，潘榮錕1，2，劉磊1，2，滕飛1，2

（1河南理工大學(xué)瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南焦作454003；2河南理工大學(xué)煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作 454003）

爆炸；安全；甲烷；抑制；四氟乙烷

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的逐漸調(diào)整，以天然氣和液化石油氣為主的可燃性氣體在能源結(jié)構(gòu)中的地位日益上升。但可燃性氣體在生產(chǎn)、輸送、儲(chǔ)存和利用過(guò)程中具有潛在的危險(xiǎn)性，是一種隱性的危險(xiǎn)源，任何操作失誤或存儲(chǔ)不當(dāng)都容易引起火災(zāi)或爆炸事故，造成大量的人員死亡、財(cái)產(chǎn)損失、環(huán)境污染以及惡劣的社會(huì)影響[1-3]。

為了降低甲烷（CH4）爆炸帶來(lái)的危害，抑爆作為削弱和控制爆炸危害的有效方法一直被國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者廣泛研究。目前抑爆方式的研究主要集中在細(xì)水霧、粉體、惰性氣體方面，涉及的原理通常包括吸熱、惰化阻隔以及淬熄。賈寶山等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明同體積分?jǐn)?shù)下CO2抑制甲烷爆炸的效果比N2更好。余明高等[5-6]在研究細(xì)水霧抑制甲烷爆炸時(shí)發(fā)現(xiàn)，荷負(fù)電的細(xì)水霧有著更好的抑制效果，但少量的細(xì)水霧會(huì)增強(qiáng)甲烷爆炸危害。裴蓓等[7]研究甲烷管道爆炸時(shí)發(fā)現(xiàn)，CO2-雙流體細(xì)水霧抑制甲烷爆炸時(shí)具有協(xié)同作用，有利于提高細(xì)水霧的抑爆效率。張宇明等[8]在做磷酸銨鹽（ABC）干粉抑制甲烷爆炸實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，粒徑越小的粉體抑制甲烷爆炸效果越好。王信群等[9]在研究粉體抑爆中發(fā)現(xiàn)，粒徑呈正態(tài)分布、表面形狀不規(guī)則的粉體更有利于與爆炸火焰相互作用，在BC粉體粒徑細(xì)化到10μm時(shí)，抑爆性能大幅提高。

在防火防爆中，對(duì)于氣體滅火劑的研究和選擇通常希望其具有多種滅火作用原理，從而提高滅火抑爆的效能。七氟丙烷（HFC-227ea）正是由于同時(shí)具有隔氧稀釋和化學(xué)抑制的滅火作用，在防火防爆中才得到很多的應(yīng)用。四氟乙烷（R134a）與HFC-227ea類(lèi)似，都具有窒息性低、滅火性能良好的特點(diǎn)，且其破壞臭氧潛能值（ODP）為0，沸點(diǎn)為–26.1℃，美國(guó)采暖、制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（ASHRAE）安全級(jí)別為A1（無(wú)毒不燃燒，這是最高級(jí)別）。這些優(yōu)點(diǎn)也引起了研究學(xué)者的關(guān)注。LI等[10]在氯氟烴（CFC）中分別加入N2和R134a來(lái)分析兩種添加劑的稀釋效應(yīng)，得出R134a的稀釋效應(yīng)更好。YANG等[11]為了得出R134a和五氟丙烷（R245fa）的阻燃性能，對(duì)其進(jìn)行滅火對(duì)比，得出R134a比R245fa有更好的阻燃性能。目前，R134a在抑制爆炸方面的研究還很少。本文以體積分?jǐn)?shù)為8%、9%、9.5%、10%、11%的甲烷-空氣預(yù)混氣體為研究對(duì)象，運(yùn)用自制的甲烷/空氣爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究在管道中改變R134a量對(duì)甲烷/空氣爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀ㄟ^(guò)分析爆炸壓力和火焰圖像，了解R134a在抑爆方面的作用。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)如圖1所示，包括管道、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、壓力和光電信號(hào)采集系統(tǒng)以及R134a充入系統(tǒng)六大系統(tǒng)。其中管道尺寸150mm×150mm×1000mm，體積22.5L，采用同廠家批次破膜壓力為8kPa的聚氯乙烯（PVC）薄膜在實(shí)驗(yàn)前對(duì)管道最左端的泄爆口進(jìn)行密封，泄爆口尺寸為60mm×60mm。管道整體可看作一端封閉一端泄壓的半封閉容器。配氣系統(tǒng)選用2個(gè)精度為0.001L/min的質(zhì)量流量控制計(jì)在連接三通管后設(shè)定甲烷和空氣流量來(lái)控制預(yù)混氣體濃度。充氣時(shí)用排氣法充入4倍管道體積的預(yù)混氣體[12]，確保管道內(nèi)預(yù)混氣體達(dá)到預(yù)定濃度。點(diǎn)火系統(tǒng)位于管道最右端，以點(diǎn)火電壓4.5V、點(diǎn)火能量為0.15J的高頻脈沖點(diǎn)火器為點(diǎn)火源，與穩(wěn)壓電源相連。圖像由SONY公司的RX 10II高頻攝像機(jī)采集，后經(jīng)Vegas Pro 9.0程序處理得到火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的靜態(tài)圖像（頻率為1000 張/秒），用于記錄管道內(nèi)預(yù)混氣體爆炸火焰陣面的傳播過(guò)程，得出火焰的平均速度。壓力和光電信號(hào)采集系統(tǒng)由安裝于管道最右側(cè)封閉端的15kHz壓力傳感器和RL-1紅外光電傳感器、USB-1208FS型數(shù)據(jù)采集卡和電腦組成，將壓力傳感器和光電傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡連接至電腦，用Lab view程序操控。其壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集范圍是–105～105Pa，響應(yīng)時(shí)間0.02ms，最大采集頻率50kHz，RL-1紅外光電傳感器僅用于捕捉點(diǎn)火開(kāi)始的時(shí)刻。R134a充入系統(tǒng)由R134a儲(chǔ)罐、壓力表、連接管、常閉式電磁閥、時(shí)間控制器等組成。R134a儲(chǔ)罐輸出口處設(shè)置有壓力表，經(jīng)連接管與常閉式電磁閥相連，為了避免R134a在噴入過(guò)程中汽化吸熱對(duì)點(diǎn)火源造成較大影響，電磁閥作為控制R134a噴入開(kāi)關(guān)，安裝于管道末端，其開(kāi)啟時(shí)間長(zhǎng)短由時(shí)間控制器進(jìn)行控制。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)旨在研究貧燃、當(dāng)量比、富燃條件下，甲烷/空氣預(yù)混氣中加入不同量R134a對(duì)爆炸時(shí)管內(nèi)壓力和火焰?zhèn)鞑サ挠绊?。?shí)驗(yàn)中所選用的甲烷純度為99.99%，R134a純度為99.98%，室溫在3℃（即氣體噴出為氣態(tài)），該溫度下飽和蒸氣壓為0.2703MPa。實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作中，在儲(chǔ)罐內(nèi)壓力恒定為0.4MPa條件下，用排水法測(cè)得儲(chǔ)罐1s噴出的R134a氣體占實(shí)驗(yàn)管道總體積的1.33%（300mL）。

實(shí)驗(yàn)配氣過(guò)程如下：首先按甲烷體積分?jǐn)?shù)8%、9%、9.5%、10%以及11%條件分別計(jì)算和設(shè)定甲烷、空氣的流量，然后按4倍管道體積來(lái)確定通入氣體的時(shí)間。通氣前要檢測(cè)裝置的氣密性，通氣過(guò)程中用導(dǎo)管將排氣口與室外相連，避免排放出的甲烷/空氣進(jìn)入室內(nèi)增加危險(xiǎn)性，同時(shí)保持管道內(nèi)外壓力一致。通氣結(jié)束后立即關(guān)閉管道兩端的進(jìn)氣閥、排氣閥，按照所需的工況（0.4MPa條件下需通0、1s、2s、2.5s、3s的R134a）設(shè)定時(shí)間控制器的控制時(shí)間，打開(kāi)R134a儲(chǔ)罐開(kāi)關(guān)并調(diào)節(jié)出口的壓力表為0.4MPa，隨后開(kāi)啟時(shí)間控制器充入R134a氣體，在充入R134a后將管內(nèi)氣體靜置3min實(shí)現(xiàn)均勻混合、減小湍流，然后點(diǎn)火。依據(jù)前期0.4MPa條件下R134a通入1s后其體積占比為1.33%，計(jì)算可得，本實(shí)驗(yàn)工況在時(shí)間控制器控制下，管內(nèi)通入R134a的體積分?jǐn)?shù)分別為0、1.33%、2.67%、3.34%、4%。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)采集的壓力、圖像數(shù)據(jù)記錄并保存，且每次實(shí)驗(yàn)完成后換下PVC薄膜，用吹風(fēng)機(jī)吹干管道內(nèi)的剩余水蒸氣，繼續(xù)下一次實(shí)驗(yàn)。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的可重復(fù)性，每組工況實(shí)驗(yàn)需重復(fù)3次，且3次所測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)要在允許誤差范 圍內(nèi)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 加R134a對(duì)壓力特征的影響

3.1.1 加R134a對(duì)壓力變化曲線的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)對(duì)壓力、光電傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，研究不同體積分?jǐn)?shù)的R134a對(duì)各濃度混合氣體的抑爆效果，得到各次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的壓力變化情況如圖2所示。

從圖2可以看出，不同濃度的甲烷爆炸壓力變化曲線呈現(xiàn)“雙峰”結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)主要是管內(nèi)混合氣爆炸后由于高溫而壓力上升，火焰面前方的壓縮波沖破管道末端PVC薄膜，導(dǎo)致部分預(yù)混氣體沖出管道、壓力下降，出現(xiàn)第一峰值。之后爆炸反應(yīng)的快速進(jìn)行使得壓力持續(xù)上升，激起“二次升壓”過(guò)程。

圖2中，隨著R134a加入量的增加，第一峰值出現(xiàn)時(shí)刻逐漸后移。這是因?yàn)镽134a的加入降低了管內(nèi)升壓速率，使達(dá)到破膜壓力0所需的時(shí)間增加，第一超壓峰值延后。

分析壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)，繪制第一峰值大小和到達(dá)時(shí)刻關(guān)系如表1所示。

將表1各實(shí)驗(yàn)工況下得到的第一峰值與時(shí)刻對(duì)比后，可知爆炸過(guò)程具有以下特點(diǎn)：①第一壓力峰值大小主要受泄爆膜的破膜壓力影響，均保持在8kPa左右，差別不大；②隨著管內(nèi)R134a體積分?jǐn)?shù)的增加，第一峰值出現(xiàn)時(shí)刻延后；③甲烷體積分?jǐn)?shù)在當(dāng)量比（9.5%）附近反應(yīng)最劇烈，升壓速率最大，第一峰值出現(xiàn)時(shí)刻最早。

圖2 加R134a后不同濃度甲烷爆炸壓力

3.1.2 加R134a對(duì)超壓峰值的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)高頻壓力傳感器采集到各個(gè)工況的壓力峰值數(shù)據(jù)處理分析，研究R134a的加入對(duì)各濃度甲烷爆炸壓力峰值的影響，如圖3所示。

表1 第一峰值與時(shí)刻表

注：—表示本文實(shí)驗(yàn)條件下不發(fā)生爆炸。

圖3 R134a體積分?jǐn)?shù)與最大超壓關(guān)系

圖3中隨R134a體積分?jǐn)?shù)的增加，9.5%、10.0%的超壓峰值不斷下降且下降速度明顯快于8.0%、9.0%。主要是因?yàn)?.5%、10.0%為當(dāng)量比等于1，或1附近，燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)最為劇烈，產(chǎn)生了較多游離的自由基，致使加入R134a后作用效果更為明顯。從超壓峰值來(lái)看，10.0%條件下略大于9.5%，可能因?yàn)槿紵^(guò)程中存在化學(xué)反應(yīng)不完全性、燃燒產(chǎn)物離解以及二次反應(yīng)等，符合常見(jiàn)可燃?xì)怏w與空氣混合氣體的最強(qiáng)反應(yīng)濃度為化學(xué)計(jì)量濃度的1.1～1.5倍[13]。

通過(guò)采集到的爆炸瞬間壓力峰值數(shù)據(jù)，在表2中列出最大超壓峰值到達(dá)時(shí)刻和大小。

對(duì)表2各濃度下最大超壓峰值進(jìn)行對(duì)比。甲烷濃度在9.0%、9.5%和10.0%時(shí)，加入體積分?jǐn)?shù)為2.67%的R134a后，超壓峰值從16.58kPa、18.60kPa、19.33kPa降低為12.38kPa、7.11kPa、11.84kPa，分別降低了25.34%、61.78%、38.73%；到達(dá)峰值時(shí)刻也由57.2ms、55.33ms、65.80ms延長(zhǎng)至72.93ms、78.73ms、76.67ms，分別是未加R134a條件下的1.28倍、1.423倍、1.17倍。同一甲烷濃度下的最大超壓峰值隨R134a加入量的增大而降低，峰值出現(xiàn)時(shí)刻延后。

表2 最大超壓峰值與時(shí)刻表

注：—表示本文實(shí)驗(yàn)條件下不發(fā)生爆炸。

對(duì)比不同甲烷濃度的壓力峰值以及峰值出現(xiàn)時(shí)刻，明顯看出：甲烷濃度越接近當(dāng)量比，到達(dá)超壓峰值所需時(shí)間越短，并且R134a的加入能夠有效降低可燃?xì)怏w的爆炸超壓峰值。

將上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與R134a的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行結(jié)合分析：實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，沸點(diǎn)為–26.1℃的R134a從儲(chǔ)罐內(nèi)經(jīng)絕熱性良好的氣密管進(jìn)入管道內(nèi)汽化吸熱降低管道內(nèi)溫度，同時(shí)氣態(tài)R134a也稀釋管內(nèi)原有的可燃?xì)?、氧氣濃度。并且在爆炸發(fā)生時(shí)，R134a會(huì)分解出阻燃元素F，抑制甲烷燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而降低爆炸反應(yīng)速率。從壓力曲線可以看出，隨著R134a通入量的增大，R134a對(duì)甲烷爆炸的抑制效果逐漸增強(qiáng)。

3.2 加R134a對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

選取火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中各個(gè)時(shí)段便于對(duì)比的代表性圖像，可以研究不同體積分?jǐn)?shù)R134a作用下甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?guī)律。為更清楚地表達(dá)火焰?zhèn)鞑デ闆r，圖片右側(cè)都相應(yīng)標(biāo)出火焰到達(dá)該位置的時(shí)刻點(diǎn)（單位為ms）。

根據(jù)高頻攝像機(jī)拍攝到的視頻，經(jīng)軟件VegasPro9.0處理后得到間隔為1ms的R134a抑制管內(nèi)甲烷爆炸火焰系列圖片。選取其中便于對(duì)比的圖像，整理得出各濃度下甲烷通入R134a后的火焰抑制圖像，如圖4～圖7所示。

圖4～圖7中(a)、(b)、(c)、(d)表示該甲烷濃度下加入R134a的體積分?jǐn)?shù)分別為0、1.33%、2.67%、3.34%。根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ノ灰拼笮】梢源_定出平均傳播速度。

從處理的圖像來(lái)看，通入不同量的R134a后，8%、9%、9.5%以及10.0%的甲烷爆炸火焰在管內(nèi)傳播的時(shí)間分別由初始的150ms、115ms、110ms、115ms延長(zhǎng)至180ms、190ms、140ms、150ms。隨著R134a通入量的增加，甲烷爆炸火焰在管內(nèi)的傳播時(shí)間逐漸變長(zhǎng)，即火焰平均速度降低。原因在于：①管內(nèi)氣體爆炸反應(yīng)是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程需要吸熱，而R134a的汽化帶走了管內(nèi)部分熱量；②R134a中的阻燃元素F對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的抑制，影響了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速率，使火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档汀?/p>

從圖4～圖6可以看出，在甲烷濃度不同條件下，R134a對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖璧K作用存在差異。在體積分?jǐn)?shù)1.33%條件下，8%、9%、9.5%火焰到達(dá)管端的時(shí)間分別延長(zhǎng)了30ms、15ms、15ms；R134a體積分?jǐn)?shù)為2.67%時(shí)，與未加相比9%、9.5%的火焰陣面到達(dá)管端時(shí)間分別延長(zhǎng)了75ms、30ms。

一個(gè)值得關(guān)注的現(xiàn)象是：圖7(b)、圖7 (c)中甲烷濃度為10%預(yù)混氣加入1.33%、2.67%R134a后，其傳播速度比不加R134a傳播速度略快。這可能因?yàn)镽134a對(duì)甲烷燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的自由基產(chǎn)生抑制，在部分甲烷燃燒被抑制的情況下剩余甲烷與空氣的比例恰好在當(dāng)量比附近，反而導(dǎo)致傳播速度有所加快，傳播速度接近于圖6(a)甲烷濃度9.5%不加R134a的情況，因此10%是一個(gè)比較特別的濃度。當(dāng)R134a進(jìn)一步增加到3.34%，圖7(d)火焰?zhèn)鞑ニ俣染蜁?huì)受到很大的抑制，傳播到泄爆口的時(shí)間從115ms增加到150ms，增加了約30%。

經(jīng)過(guò)對(duì)圖4～圖7對(duì)比分析得出，甲烷濃度越接近當(dāng)量比，R134a對(duì)管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懺叫?，主要是火焰燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)受R134a干擾。甲烷濃度越接近當(dāng)量比，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)越劇烈，在不改變R134a量的條件下未被R134a抑制的自由基越多，這些自由基繼續(xù)引發(fā)下一步的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，因此接近當(dāng)量比的甲烷爆炸較難被抑制。

3.3 R134a對(duì)甲烷爆炸的抑制效果

為分析R134a對(duì)甲烷爆炸的抑制效果，在管內(nèi)氣體濃度不同條件下，加入不同體積分?jǐn)?shù)R134a后進(jìn)行點(diǎn)火操作，是否發(fā)生爆炸的結(jié)果如表3所示。

從表3中明顯看出，濃度相同條件下，隨著通入R134a體積分?jǐn)?shù)的增加，管內(nèi)氣體被點(diǎn)燃的可能性降低，爆炸危險(xiǎn)性降低。這種現(xiàn)象歸因于R134a除了具有CO2、N2等惰氣的隔氧、稀釋作用外，還具有降溫、抑制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的作用。

甲烷濃度越接近當(dāng)量比濃度時(shí)，只有通入更多的R134a點(diǎn)火后才可能不發(fā)生爆炸。這是因?yàn)樵浇咏?dāng)量比，甲烷和氧氣恰好反應(yīng)完全，燃燒越劇烈放出能量越大，若要削弱更多的能量，就需要強(qiáng)的降溫、稀釋以及抑制作用。

表3 R134a體積分?jǐn)?shù)與點(diǎn)燃爆炸的關(guān)系

圖4 8%甲烷加R134a爆炸火焰圖像

圖5 9%甲烷加R134a爆炸火焰圖像

圖6 9.5%甲烷加R134a爆炸火焰圖像

圖7 10%甲烷加R134a爆炸火焰圖像

錢(qián)海林等[14]通過(guò)在甲烷/空氣預(yù)混氣中通入不同比例的N2/CO2混合氣體，得出了不同配比惰性混合氣體體積分?jǐn)?shù)對(duì)爆炸極限的影響。在甲烷體積分?jǐn)?shù)為8.0%、9.0%、9.5%、10.0%以及11.0%條件下，若需通入惰性氣體使該濃度恰為爆炸上限，則需通入CO2體積分?jǐn)?shù)分別為20%、17%、15%、13%、10%，通入N2體積分?jǐn)?shù)分別為28.5%、26%、24.5%、23%、20%。在本文實(shí)驗(yàn)中，最大只需要4%的R134a就能抑制各甲烷濃度的起爆，即在抑爆效果方面，R134a＞CO2＞N2。

3.4 R134a抑爆炸機(jī)理討論

R134a不僅具有傳統(tǒng)抑制劑的隔氧、稀釋等優(yōu)點(diǎn)，還具備降溫、化學(xué)抑制的效果。

R134a的降溫作用，體現(xiàn)在R134a沸點(diǎn)為–26.1℃，在噴出時(shí)汽化吸熱，使環(huán)境溫度降低，在爆炸初期進(jìn)行抑制，抑制爆炸的效果更好[15]。

R134a的化學(xué)抑制作用體現(xiàn)在對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的阻止上。甲烷的爆炸燃燒過(guò)程是以鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行的，其鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程分為：鏈的引發(fā)、鏈的傳遞、鏈的終止。

其鏈的引發(fā)認(rèn)為如式(1)所示。

RH+O2—→H·+2O··+R (1)

式(1)產(chǎn)生了游離自由基H·、O··，這些游離的自由基和中間產(chǎn)物會(huì)作為活化中心參與到下一步的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中去[16]。

鏈的傳遞如式(2)、式(3)所示。

H·+ O··—→OH·(2)

2OH·—→H2O+O··(3)

燃燒反應(yīng)中，步驟(3)是主要的放熱過(guò)程，2個(gè)OH·結(jié)合放熱同時(shí)再次生成了O··參與到鏈的傳遞過(guò)程中，促進(jìn)火焰的繼續(xù)傳播以致形成爆轟。倘若要對(duì)碳?xì)浠衔锏娜紵M(jìn)行削弱，需要消耗步驟(1)、(2)中新的O··、H·、OH·產(chǎn)生。R134a作為一種鹵素的衍生物，在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)分解出自由基F·，優(yōu)先與碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生的自由基結(jié)合，抑制氧化反應(yīng)鏈的加速，如式(4)、式(5)。

MF—→M·+F·(4)

H·+ F·—→HF (5)

式(4)中M·是R134a分子中的碳?xì)浞肿訄F(tuán)。反應(yīng)式(5)表明鹵素自由基F·會(huì)優(yōu)先與反應(yīng)式(1)產(chǎn)生的氫自由基H·結(jié)合，從而阻斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)式(2)。自由基F·與碳?xì)浠衔锇l(fā)生反應(yīng)生成HF還可以表示為 式(6)。

RH+ F·—→HF+R·(6)

朱新生等[17]認(rèn)為鹵化氫還可以通過(guò)影響鏈的分支達(dá)到抑制火焰，如式(7)。

OH·+HF—→H2O+F·(7)

反應(yīng)式(7)中自由基OH·的被消耗可以阻斷爆炸反應(yīng)式(3)。而且反應(yīng)式(7)中產(chǎn)生的F·，再經(jīng)過(guò)式(5)、式(6)來(lái)繼續(xù)參加下一次的鏈反應(yīng)從而阻斷燃燒爆炸反應(yīng)式(2)的O··、H·、OH·正常鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，抑制燃燒爆炸反應(yīng)的進(jìn)行。

從以上的反應(yīng)機(jī)理也可以看出，R134a主要對(duì)碳?xì)淙剂袭a(chǎn)生的自由基進(jìn)行抑制、阻斷，而對(duì)氧氣產(chǎn)生的自由基沒(méi)什么影響。因此R134a主要對(duì)燃料自由基反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用，這也是R134a比CO2、N2等惰性氣體抑爆能力更強(qiáng)的原因。

從以上的研究可以發(fā)現(xiàn)R134a具有很強(qiáng)的抑制爆炸的能力。在充分混合的情況下，體積分?jǐn)?shù)為4%的R134a就能很好地抑制爆炸的發(fā)生，而且R134a是潔凈氣體，無(wú)毒，不會(huì)造成環(huán)境污染、設(shè)備損壞和人員傷害。因此R134a相對(duì)于細(xì)水霧、干粉、CO2等傳統(tǒng)滅火材料具有更好的優(yōu)勢(shì)，為電氣、精密貴重儀器、珍貴資料等的火災(zāi)撲救提供了新的選擇，也為煤礦瓦斯抽采、巷道防爆以及天然氣液化氣輸送、儲(chǔ)存、使用等領(lǐng)域的防爆提供了新的方法和 依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）R134a對(duì)抑制爆炸超壓、升壓速率以及超壓峰值到達(dá)時(shí)刻有著明顯作用。在甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.0%、9.5%和10.0%條件下，加入體積分?jǐn)?shù)2.67%的R134a后，超壓峰值分別從16.58kPa、18.60kPa、19.33kPa降低為12.38kPa、7.11kPa、11.84kPa，降低了25.34%、61.78%、38.73%；峰值到達(dá)時(shí)刻也從57.2ms、55.33ms、65.80ms延長(zhǎng)至72.93ms、78.73ms、76.67ms，是未加R134a條件下的1.28倍、1.423倍、1.17倍。

（2）甲烷濃度一定時(shí)，隨著R134a體積分?jǐn)?shù)的增大，管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u降低。但當(dāng)甲烷濃度接近當(dāng)量比時(shí)，R134a對(duì)管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懽冃?。比較特殊的是，在甲烷體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，加入少量R134a，反而導(dǎo)致傳播速度有所加快，直至R134a的加入量增至3.34%時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆俳档汀?/p>

（3）本文實(shí)驗(yàn)中，最大僅需要4%的R134a就能有效抑制各濃度的甲烷/空氣預(yù)混氣體的爆炸，體現(xiàn)出比N2、CO2等惰性氣體更強(qiáng)的抑制火災(zāi)爆炸的性能。

（4）R134a除了具有惰性氣體的隔氧、稀釋優(yōu)點(diǎn)外，還具有降溫、化學(xué)抑制作用。R134a分解出的鹵素自由基F·會(huì)優(yōu)先于氧自由基O··，跟燃料產(chǎn)生的自由基結(jié)合，從而阻斷正常的氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。因此能抑制爆炸火焰的傳播，進(jìn)而降低爆炸反應(yīng)強(qiáng)度。

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Experimental study on the effects of R134a on the characteristics of methane/air explosion

LU Chang1，2，LIU Yang1，2，YU Zikai1，2，PAN Rongkun1，2，LIU Lei1，2，TENG Fei1，2

（1State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，Henan，China；2Henan Province Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，Henan，China）

explosion；safety；methane；inhibition；tetrafluoroethane（CH2FCF3）

X932

A

1000-6613（2017）10-3596-08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0351

2017-03-07；

2017-05-26。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51674103，51304070，50906023）及河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃（2011GGJS-051）項(xiàng)目。

路長(zhǎng)（1975—），男，副教授，主要從事消防工程、安全工程領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。E-mail：luch@hpu.edu.cn。