抑爆材料對(duì)低濃度煤層氣爆炸的隔爆性研究

孫 智

(陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))股份有限公司煤層氣開(kāi)發(fā)利用分公司，山西 045000)

抑爆材料對(duì)低濃度煤層氣爆炸的隔爆性研究

孫 智

(陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))股份有限公司煤層氣開(kāi)發(fā)利用分公司，山西 045000)

采用大小球連通容器，進(jìn)行了甲烷濃度為10%，不同壓力下，連通容器大球點(diǎn)火，無(wú)/有抑爆材料時(shí)連通容器內(nèi)預(yù)混氣體爆炸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：無(wú)抑爆材料時(shí)，小球容器先于大球容器到達(dá)壓力峰值，且小球容器的壓力峰值遠(yuǎn)大于大球容器的壓力峰值，大、小球容器內(nèi)的氣體均發(fā)生爆炸；有抑爆材料時(shí)，大球壓力快速上升，小球壓力則緊隨其后緩慢上升，然后緩緩平滑下降，只有大球容器內(nèi)的氣體發(fā)生爆炸，小球容器內(nèi)的氣體未發(fā)生爆炸，證明抑爆材料能起到有效的隔爆作用；隨著初始?jí)毫Φ纳仙?，大、小球壓力峰值隨著上升。

低濃度煤層氣 爆炸 抑爆材料 隔爆性

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置是一套連通容器，連通容器示意圖如圖1所示。兩個(gè)球形容器的內(nèi)徑分別為0.6m、0.35m(體積分別為0.113m3、0.022m3，以下簡(jiǎn)稱大、小球容器)，水平導(dǎo)管長(zhǎng)2m。選用甲烷和空氣預(yù)混氣體開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。配制實(shí)驗(yàn)使用的混合氣體采用配氣儀(型號(hào)：SY-9506)；點(diǎn)火采用高能電子點(diǎn)火器(型號(hào)：XDH-6L)，點(diǎn)火能量為6J，點(diǎn)火位置均為容器中心；數(shù)采采集選用USB總線數(shù)據(jù)采集儀(型號(hào)：DEWE-4.3型)及配套分析軟件(DEWESoft 7.0)，設(shè)定采樣頻率為10kHz；壓力測(cè)量選用高頻壓力傳感器(型號(hào)：HM90-H3-2)。

1、4—點(diǎn)火位置；2、5—壓力傳感器；3、6—進(jìn)氣口圖1 連通容器示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

為保證實(shí)驗(yàn)安全有效的開(kāi)展，實(shí)驗(yàn)的具體步驟如下：

(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，將球形容器與管道通過(guò)法蘭和螺栓連接組裝成相應(yīng)的連通裝置。檢查裝置氣密性，利用真空泵將裝置抽真空至-90kPa，靜置兩分鐘；

(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，安裝調(diào)試好相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括各類傳感器的布置和安裝調(diào)試，數(shù)采儀中各通道的同步通信號(hào)等；

(3)將裝置抽真空至-90kPa，然后充入甲烷-空氣的預(yù)混氣至設(shè)定壓力。

(4)將采集系統(tǒng)調(diào)整到自動(dòng)觸發(fā)狀態(tài)，清理人員至安全距離之外，準(zhǔn)備引爆；

(5)點(diǎn)火引爆，采集數(shù)據(jù)；

(6)打開(kāi)裝置閥門，利用氣泵通入空氣，進(jìn)行換氣、洗氣，準(zhǔn)備進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性驗(yàn)證

圖2是單容器密閉氣體爆炸的壓力變化過(guò)程。從圖2可以看出，單容器密閉內(nèi)氣體燃爆壓力峰值約為0.6721MPa。根據(jù)錢新明和Senecal等人研究，甲烷氣體的最大燃爆壓力分別為0.629MPa和0.71MPa。本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的燃爆壓力峰值與已有的研究數(shù)據(jù)基本一致。由此可見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)的壓力數(shù)據(jù)是可靠的。

圖2 單容器密閉爆炸壓力曲線圖

2.2 無(wú)抑爆材料時(shí)連通容器預(yù)混氣體爆炸實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了常壓、 0.05MPa、 0.1MPa、 0.2MPa，甲烷濃度為10%時(shí)，沒(méi)有抑爆材料的情形下，連通容器大球點(diǎn)火，容器內(nèi)氣體爆炸，大小球的壓力變化測(cè)試，不同壓力下大小球的壓力曲線圖類似，由于篇幅所限，此處只列出0.2MPa下的壓力曲線圖，見(jiàn)圖3。

圖3 甲烷濃度為10%時(shí)，初始?jí)毫?.2MPa下，容器內(nèi)氣體爆炸壓力曲線

從圖3中可以看出，大球容器作為起爆容器時(shí)，傳爆容器小球容器先于大球容器到達(dá)壓力峰值，且小球的壓力峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大球容器的壓力峰值，大、小球容器內(nèi)的氣體均發(fā)生爆炸。這主要是由于當(dāng)大、小球通過(guò)管道連接形成連通容器時(shí)，大容器中心點(diǎn)火，大容器內(nèi)的壓力緩慢上升，推動(dòng)大容器及管道內(nèi)的未燃?xì)怏w進(jìn)入小球，使小球形成一定的預(yù)壓，燃燒形成的火焰在管道的加速作用下，形成噴射火焰進(jìn)入小球，使小球內(nèi)的未燃?xì)怏w瞬間燃燒，因此小球的壓力峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大球容器的壓力峰值。小球容器的壓力波回傳引起大球容器壓力快速上升，并達(dá)到壓力峰值。最后，壓力波在連通容器內(nèi)來(lái)回震蕩，不斷減小、趨于統(tǒng)一。

圖4 甲烷濃度為10%時(shí)，不同初始?jí)毫ο麓笄蛉萜鞯膲毫η€(無(wú)抑爆材料)

圖5 甲烷濃度為10%時(shí)，不同初始?jí)毫ο滦∏蛉萜鞯膲毫η€(無(wú)抑爆材料)

圖4與圖5為沒(méi)有抑爆材料時(shí)，甲烷濃度為10%的情形下，不同初始?jí)毫r(shí)大、小球容器的壓力曲線圖。從圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著初始?jí)毫Φ纳仙?，大、小球壓力峰值隨著上升。表1為沒(méi)有抑爆材料時(shí)，不同初始條件下連通容器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從表中可以準(zhǔn)確的看出不同初始條件下大、小球容器的壓力峰值?？梢园l(fā)現(xiàn)連通狀況下的小球容器的壓力峰值比大球容器的壓力峰值大很多，系統(tǒng)的安全性比較低。

2.3 抑爆材料對(duì)連通容器氣體爆炸的抑爆效果

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了常壓、0.05MPa、0.1MPa、0.2MPa，甲烷濃度為10%時(shí)，管道中有抑爆材料(蜂窩鋁)情形下，連通容器大球中心點(diǎn)火，容器內(nèi)氣體爆炸，大小球的壓力變化測(cè)試，不同壓力下大小球的壓力曲線圖類似，由于篇幅所限，此處只列出0.2MPa下的壓力曲線圖，見(jiàn)圖6。

從圖6中可以看出，大球壓力快速上升，小球壓力則緊隨其后緩慢上升，然后緩緩平滑下降。這主要因?yàn)榇笄蛉萜髌鸨螅艿乐械囊直牧献璧K了火焰向小球容器的傳播，小球容器內(nèi)的氣體沒(méi)有發(fā)生爆炸(根據(jù)氣體爆炸三要素原則，小容器內(nèi)由于沒(méi)有點(diǎn)火源而不能發(fā)生爆炸)，大球爆炸產(chǎn)生的壓力波通過(guò)抑爆材料縫隙傳遞到小球，使小球內(nèi)的壓力緩慢上升，并隨著爆炸產(chǎn)生的高溫氣體的冷卻，壓力慢慢降下來(lái)。

圖7～8為有抑爆材料時(shí)，甲烷濃度為10%的情形下， 不同初始?jí)毫r(shí)大、 小球容器的壓力曲線。

表1 無(wú)抑爆材料時(shí)，連通容器氣體爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 甲烷濃度為10%時(shí)，初始?jí)毫?.2MPa下容器內(nèi)氣體爆炸壓力曲線

圖7 甲烷濃度為10%時(shí)，不同初始?jí)毫ο麓笄蛉萜鞯膲毫η€(有抑爆材料)

圖8 甲烷濃度為10%時(shí)，不同初始?jí)毫ο滦∏蛉萜鞯膲毫η€(有抑爆材料)

從圖中可以看出，隨著初始?jí)毫Φ脑黾?，兩球容器?nèi)可燃?xì)怏w含量增加，爆炸產(chǎn)生的能量隨之增強(qiáng)；從圖中還可以看出，有抑爆材料存在時(shí)，不同初壓條件下，小容器內(nèi)的壓力都是緩慢的上升，說(shuō)明小容器內(nèi)的氣體沒(méi)有發(fā)生爆炸，表面火焰未傳播到小容器，結(jié)果證明抑爆材料能較好的抑制火焰?zhèn)鞑ィ苡行У慕档捅ǖ奈ｋU(xiǎn)性。表2為有抑爆材料時(shí)，連通容器大球中心點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從表可以看出不同初始?jí)毫?duì)應(yīng)的大、小球壓力峰值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明了初始?jí)毫?duì)氣體爆炸壓力峰值的影響。

表3為連通容器隔爆材料對(duì)小球爆炸壓力峰值的衰減率，從表3可以看出，隔爆材料對(duì)連通容器氣體爆炸可以起到有效的隔爆作用。從理論上來(lái)說(shuō)，蜂窩鋁抑爆材料抑爆機(jī)理主要可以從器壁效應(yīng)(鏈鎖反應(yīng)理論)和吸熱效應(yīng)兩個(gè)方面給予解釋。(1)鏈鎖反應(yīng)理論認(rèn)為：可燃?xì)怏w/空氣混合物的燃燒、爆炸反應(yīng)并不是分子間的直接反應(yīng)，而是分子鏈遭到自由基的碰撞而產(chǎn)生活化分子，活化分子又分裂成壽命很短卻很活潑的自由基。自由基與其他分子碰撞形成新的產(chǎn)物，同時(shí)又產(chǎn)生新的自由基繼續(xù)與其他分子發(fā)生反應(yīng)，如此循環(huán)形成穩(wěn)定的燃燒。容器中蜂窩鋁隔爆材料將管道隔離為許多狹長(zhǎng)通道，當(dāng)火焰通過(guò)時(shí)，由于自由基與通道壁的碰撞幾率增大，因而銷毀的自由基數(shù)量增多，參與反應(yīng)的自由基數(shù)量減少，當(dāng)阻火結(jié)構(gòu)的通道寬度減少到一定程度時(shí)，自由基與通道壁的碰撞占主導(dǎo)地位，自由基數(shù)量急劇減少，燃燒反應(yīng)不能自持而受到抑制。(2)燃燒反應(yīng)火焰能夠傳播的另一個(gè)條件是反應(yīng)放熱大于熱量的損失。在容器中充填這種材料后，火焰與材料接觸，氣體向材料散熱，由于金屬材料的熱容遠(yuǎn)高于氣體，當(dāng)材料的孔徑足夠小時(shí)(小于最大試驗(yàn)安全間隙)，散熱速度超過(guò)熱量產(chǎn)生的速度，從而達(dá)到抑制爆炸火焰的目的。

表2 有抑爆材料時(shí)，連通容器氣體爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 連通容器隔爆材料對(duì)小球爆炸壓力峰值的衰減率

3 結(jié)論

(1)本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的燃爆壓力峰值與已有的研究數(shù)據(jù)基本一致，本實(shí)驗(yàn)的壓力數(shù)據(jù)可靠。

(2)通過(guò)對(duì)不同初始?jí)毫ο逻B通容器內(nèi)氣體爆炸的點(diǎn)火爆炸實(shí)驗(yàn)研究，表明大球中心點(diǎn)火時(shí)，小球容器內(nèi)預(yù)混氣體爆炸壓力峰值大于大球容器的壓力峰值。

(3)通過(guò)對(duì)不同初始?jí)毫ο逻B通容器內(nèi)填裝隔爆材料的點(diǎn)火隔爆實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隔爆材料對(duì)連通容器內(nèi)預(yù)混氣體爆炸有良好的抑制效果。

(4)隨著初始?jí)毫χ档脑黾?，起爆容器和傳爆容器預(yù)混氣體的壓力峰值越大。

[1] 申寶宏，陳貴鋒. 煤礦區(qū)煤層氣產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略研究[M]. 北京：中國(guó)石化出版社，2013:114.

[2] 蔡周全，李永懷，程方明. 直徑700mm管道內(nèi)瓦斯爆炸及抑爆試驗(yàn)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2009,37(12)：32-34，92.

[3] 李潤(rùn)之，司榮軍，茅曉輝. 含氧煤層氣脫氧液化系統(tǒng)爆炸危險(xiǎn)性分析[J]. 中國(guó)煤層氣，2010,7(1)：45-47.

[4] 劉佳. 我國(guó)煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用現(xiàn)狀與對(duì)策分析[J]. 中國(guó)煤層氣，2015，12(4)：44-47.

[5] 楊雄，劉應(yīng)書，李永玲，等. 煤層氣分離富集吸附劑抑爆隔爆性能實(shí)驗(yàn)研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2013,38(增刊2)：359-363.

(責(zé)任編輯 劉 馨)

Study on Explosion-proof Property of Explosion Suppression Material for Low Concentration Coalbed Methane Explosion

SUN Zhi

(Coalbed Methane Development and Utilization Branch，Yangquan Coal Industry(Group)Co.，Ltd.，Shanxi 045000)

Explosion experiments of premixed gas in connected container without or with explosion suppression material are carried out，by igniting the large ball of the connected container，using a big-small ball connected container，under different pressure，with the methane concentration of 10%. The experimental results show that，without the explosion suppression material，the small ball container reaches the peak value of the pressure before the big ball container，and the peak value of the small ball container is much larger than that of the big ball container. The gas in big and small ball container all explode. With explosion suppression material，the pressure of the big ball rises rapidly，the pressure of the small ball is followed by a slow rise，and then slowly and smoothly decreases; only gas in the big ball container explode，and the gas in the small ball container do not explode. It is proved that the explosion suppression material can play an effective role in explosion suppression. With the increase of initial pressure，the pressure peak value both of the big and small ball container increases.

Low concentration coalbed methane; explosion; explosion suppression material; explosion-proof property

山西省科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(MQ2014-10)。

孫智，男，助理工程師，從事煤層氣新項(xiàng)目開(kāi)發(fā)工作。