混合氣體爆炸性現(xiàn)場測試實驗研究*

任常興，張 琰，趙文勝，李 晉

(1.應急管理部天津消防研究所，天津 300381；2.天津理工大學 環(huán)境科學與安全工程學院，天津 300384； 3.國家消防工程技術(shù)研究中心，天津 300381)

0 引言

可燃混合氣體的燃燒或爆炸特性參數(shù)是定性或定量評估爆炸性氣體環(huán)境風險的基本依據(jù)，主要取決于爆炸極限(Lower Explosion Limit，LEL；Upper Explosion Limit，UEL)、極限氧濃度(Limiting Oxygen Concentration，LOC)、最小點火能(Minimum Ignition Energy, MIE)、引燃溫度(Ignition Temperature， IT)和最大實驗安全間隙(Maximum Experimental， MESG)等，這些特征參數(shù)與其混合氣體的爆炸傾向性或可能性有關。其中，可燃混合氣體的爆炸極限和極限氧濃度是表征可燃氣體爆炸特性的2個重要基本參數(shù)，通常作為工業(yè)爆炸性氣體環(huán)境安全預警技術(shù)指標[1]。可燃混合氣體極限氧濃度的測定是為確定不同氧濃度下的爆炸極限，對于爆炸性環(huán)境現(xiàn)場未知多組分混合氣體爆炸性的判定尤為重要。

目前氣體爆炸性環(huán)境現(xiàn)場偵檢和爆炸傾向性判定通常以現(xiàn)場濃度探測與實驗室測定的爆炸極限進行比對確定，缺乏對現(xiàn)場混合氣體爆炸性的直接測定裝置和判定方法，而實驗室測定與裝置的形狀、容積、測試的初始溫度、壓力、濕度和氧濃度等有關[2-4]，且與現(xiàn)場采樣混合氣體的組分和擴散程度有關?？扇細怏w爆炸極限的實驗室測試裝置可分為管式裝置(T)或球式裝置(B，含圓柱形)，其中管式裝置符合《空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法》(GB/T 12474)、《氣體和蒸氣的爆炸極限測定》(EN 1839)[5]、《氣體和蒸氣的極限氧濃度(LOC)易燃氣體和蒸氣》(EN14756)[6]、《可燃性氣體和空氣中燃氣混合物的爆炸極限測定》(DIN 51649)[7]等標準測試裝置規(guī)定；球式裝置可分為20 L的球形不銹鋼爆炸罐、1 m3的圓柱形容器、5 L或12 L短環(huán)頸瓶等，分別應符合《粉塵云爆炸下限濃度測定方法》(GB/T 16425)、《空氣中可燃氣體爆炸指數(shù)的測定》(GB/T 803)、《化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標準試驗方法》(GB/T 21844)或《化合物易燃性濃度限值的標準測試方法》(ASTM 681)[8]相關試驗裝置的規(guī)定。關于可燃氣體爆炸性的判定，管式測定裝置均以目測為主，火焰?zhèn)鞑ゲ坏陀?00 mm，或間斷火焰暈達到管頂部，或不低于240 mm即可判定為發(fā)生爆炸現(xiàn)象，如GB/T 12474、EN 1839等， GB/T 21844或ASTM 681對于待測氣體爆炸性的判定也是目測觀察火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x或角度來確定；球式測定裝置通常以點火時刻的壓力上升量來判定，如EN 14756、《氣體和蒸氣極限氧(氧化劑)濃度的標準測定方法》(ASTM E2079)[9]等，初始爆炸壓力分別提升5%、7%(絕壓)即可判定為爆炸現(xiàn)象已發(fā)生，點火能量2～5 J。夏陽光等[10]基于絕熱火焰溫度建立了混合氣體LEF和UFL的預測模型，實現(xiàn)了多元混合氣體爆炸極限的理論預測，而對含C2H4和CO混合組分預測結(jié)果偏差較大。金滿平等[11]研究了溫度對烴類氣體爆炸極限的影響，認為C1～C4烴類氣體的爆炸下限在20～140℃范圍內(nèi)與溫度呈線性關系;Takahashi[3]、Zlochower等[4]系統(tǒng)研究了爆炸初始條件對爆炸極限的影響，認為爆炸極限與測試容器形狀和容積有關，以目測為主且尚未涉及現(xiàn)場氣體爆炸測定分析。為此，急需對多元混合氣體直接進行爆炸性試驗測定，且適用于爆炸性環(huán)境現(xiàn)場測試，進而提高判定的客觀性和科學性。

針對?；沸孤﹫鏊鶜怏w爆炸性環(huán)境的現(xiàn)場測試判定需求，筆者研發(fā)了1種混合氣體爆炸性現(xiàn)場測試裝置，改變了傳統(tǒng)目測的判定方式，提出了未知混合氣體爆炸性傾向的高速壓力和溫度雙重探測指標及判定方法，并開展了典型可燃氣體的爆炸性對比實驗分析。該裝置實現(xiàn)了現(xiàn)場混合氣體的自動采樣及爆炸性測試判定，可用于對有混合氣爆炸傾向的現(xiàn)場快速評定，對于現(xiàn)場警戒區(qū)、疏散區(qū)劃分以及應急救援處置決策等具有重要的現(xiàn)實意義。

1 實驗裝置

1.1 實驗裝置

自行研制的混合氣體爆炸性現(xiàn)場測試裝置包括設置在便攜式箱體內(nèi)的自動采樣系統(tǒng)、爆炸腔體及阻火泄壓系統(tǒng)、超高溫點火系統(tǒng)、智能控制及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)和電源等，實現(xiàn)了混合氣體現(xiàn)場爆炸性測試裝置的小型化和溫度壓力的高速測量。基于設備爆炸性環(huán)境防爆產(chǎn)品的性能要求，采用了防爆阻火性能設計，確保測試設備不能引燃外界爆炸性氣體環(huán)境。裝置采用超高溫鉑熱點火，點火能量約30～50 J；壓力探測采用陶瓷壓力傳感器，測量范圍-0.1～2.0 MPa，響應時間不大于1 ms，采樣頻率5 000 Hz；溫度探測采用高速熱電偶溫度傳感器，測量范圍0～1 360℃，響應時間不大于1 ms，采樣頻率5 000 Hz；裝置外形尺寸為320 mm×116 mm×203 mm，爆炸腔體采用304不銹鋼，耐壓2.5 MPa，容積為1L，φ98 mm×132 mm。目前可燃氣體爆炸極限典型測定裝置包括：1)管式裝置符合GB/T 12474-2008要求；2)5 L和20 L球式裝置分別符合《化學品(蒸氣和氣體)可燃性濃度極限的標準測定方法》(ASTM 681-01)和《粉塵火災和爆炸危險-評估、防護措施-粉塵安全特性的測定方法》(VDI 2263-1)[12]的要求。測試裝置的容積形狀、點火裝置及爆炸性判定準則見表1，可知管式測定裝置的爆炸性判斷采用肉眼視覺判斷，球式爆炸裝置多以初始壓力提升率判斷。

1.2 爆炸性判定方法

含單一可燃氣體的混合氣體爆炸性的判定通常有3種方法：科瓦德爆炸三角形法、美國礦業(yè)局的爆炸三角形計算方法和極限氧濃度法[13]。含多種可燃氣體的混合氣體爆炸性的判定采用預測和理論計算，與實際情況往往存在較大的差異，為了真實反映爆炸性氣體環(huán)境的

表1 常壓條件下爆炸極限測定裝置比較Table 1 Apparatus parameters of the compared test methods for explosion limit determination at atmospheric pressure

未知組分混合氣體的爆炸性需要進行直接的點火測定，從而判定是否具有爆炸性。現(xiàn)場爆炸性氣體判定指標通常有以下4類：①目測觀察，即點火后火焰?zhèn)鞑サ木嚯x或角度，如管式測定法；②壓力上升準則，即當爆炸壓力上升到一定值時判定為爆炸現(xiàn)象發(fā)生；③典型反應產(chǎn)物的分析，如CO2、CO、H2O等；④爆炸過程的壓力-時間曲線的數(shù)學分析等。目測法通常與測試人員的經(jīng)驗有關，且爆炸下限或上限附近的爆炸現(xiàn)象判定有時不很明顯。對于反應產(chǎn)物的分析，通常需要色譜等檢測設備，僅限于實驗室測定，不適合爆炸性氣體環(huán)境現(xiàn)場測定。為此，可以采用爆炸過程壓力上升準則和溫度上升準則的雙重探測判定標準，且結(jié)合爆炸過程的壓力/溫度-時間變化曲線的趨勢分析給出爆炸性的綜合判定相對客觀。依據(jù)爆炸過程的壓力和溫度上升判定準則如下：

PR=(Pmax-ΔPignitor)/Pignitor

(1)

TR=Tmax-Tignitor-ΔTignitor

(2)

式中:Pignitor為在點燃時刻測試爆炸腔體內(nèi)壓力，MPa；Tignitor為在點燃時刻測試爆炸腔體內(nèi)溫度，℃；ΔPignitor和ΔTignitor分別為爆炸腔體內(nèi)空氣狀態(tài)下點火源本身導致的壓力和溫度的上升量，單位分別為MPa、℃；Pmax為點燃后爆炸腔內(nèi)測定的最大壓力，MPa；Tmax為點燃后爆炸腔內(nèi)測定的最高溫度，℃；PR為混合氣體爆炸過程的壓力提升率，通常設定為7%～10%，需要結(jié)合測試條件和環(huán)境因素綜合考慮設定；TR為混合氣體爆炸過程的溫度提升值，℃,綜合環(huán)境因素和測試條件確定，通常設定為30～100℃。關于爆炸過程壓力提升率的設定，Cashdollar等[14]采用20 L爆炸球測定了甲烷、乙烷和氫氣的爆炸極限，設定為PR≥1.07；關于爆炸過程溫度的提升值，相關標準均未涉及；Tschirschwitz等[15]開展了高溫高壓下甲烷、氫氣、氨氣、丙烷、正己烷等典型可燃氣體爆炸性測定，給出溫度提升值100 K的判定標準；Schr?der等[16]比較了不同測試裝置和爆炸性判定標準測定爆炸極限的差異性，認為球式裝置壓力提升量判定沒有管式火焰?zhèn)鞑ビ^察敏感。為此，筆者采用爆炸過程壓力和溫度的雙重判定準則，滿足式(1)或(2)的任意條件即判定為爆炸性氣體，同時通過顯示點火期間的壓力-時間曲線和溫度-時間曲線進行可視化處理，直觀反映爆炸腔體內(nèi)是否發(fā)生爆炸現(xiàn)象。

2 結(jié)果與討論

2.1 混合氣體爆炸壓力

選取乙烯(純度99.99%)、丙烷(優(yōu)質(zhì)品，純度99.99%)、液化石油氣(家用普通型，丙烷和丁烷含量不低于97%)，采用5 L球狀短頸玻璃瓶、管式裝置和20 L球爆炸裝置進行爆炸極限測定，見表2。發(fā)現(xiàn)上述3種標準測試裝置對可燃混合氣體的爆炸下限測定一致性較好，爆炸上限存在較大差異性。這主要是由于爆炸下限附近，爆炸壓力或火焰?zhèn)鞑ゴ嬖谔S，爆炸性現(xiàn)象判定比較明顯，根本原因是氧氣量充足；爆炸上限附近存在漸變趨勢，氧氣量不足，對爆炸現(xiàn)象的判定存在過渡區(qū)，不同測定者選取的判定界限存在差異性。同時，5 L裝置采用高精度壓力傳感器，測定的爆炸極限范圍相對較寬。

采用帶攪拌功能的20 L氣體爆炸裝置進行測定，隨著濃度變化，丙烷和乙烯的最大爆炸壓力變化曲線如圖1所示。爆炸下限附近最大爆炸壓力呈現(xiàn)突變現(xiàn)象，爆炸上限附近爆炸壓力呈現(xiàn)逐級降低。采用混合氣體爆炸性現(xiàn)場測試裝置(1 L)，以丙烷和乙烯的最大爆炸壓力隨濃度變化的趨勢比較(見圖2)，呈現(xiàn)類似現(xiàn)象，混合氣體緩慢燃燒時壓力提升不明顯，且最大爆炸壓力低于20 L球測定值，如乙烯和丙烷的20 L球測定最大爆炸壓力0.905 MPa和0.849 MPa，1 L爆炸腔體測定最大爆炸壓力0.784 MPa和0.742 MPa，相比降低了13.4%和12.6%。

表2 典型可燃氣體爆炸極限實驗測定Table 2 Explosion limits for some combustible gas in air determined with different test apparatus

圖1 乙烯和丙烷的最大爆炸壓力-濃度曲線(20 L球)Fig.1 Influence of concentration on Pmax for ethylene and propane(20 L apparatus)

圖2 乙烯和丙烷最大爆炸壓力-濃度曲線(1 L裝置)Fig.2 Influence of concentration on Pmax for ethylene and propane(1 L apparatus)

2.2 混合氣體爆炸過程溫度

以1 L爆炸腔體測定丙烷、乙烯和液化石油氣的爆炸性，測定過程溫度的判定標準為TR=30℃，爆炸壓力的提升量為點火時刻初始壓力的10%。以丙烷為例，從混合氣體爆炸過程溫度變化來看(見圖3)，體積分數(shù)3.0%～7.0%范圍內(nèi)爆炸過程溫度上升明顯，爆炸下限附近(1.8%～2.3%)混合氣體爆炸過程溫度呈上升趨勢，1.5 s時達最高溫度62～86℃；爆炸上限(8.5%～10.0%)混合氣體爆炸過程溫度呈上升趨勢，測試過程記錄最高溫度范圍為107～240℃。可見，從爆炸過程溫度變化來看，混合氣體丙烷的爆炸極限范圍(1.8%～10.0%)比20 L測試爆炸極限范圍寬。

選取乙烯的最大爆炸壓力和最大爆炸溫度進行比較(見圖4)。乙烯濃度從體積分數(shù)2.7%至體積分數(shù)35%過程中，混合氣體的最大爆炸壓力和最高溫度均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢；在爆炸下限體積分數(shù)2.8%附近，爆炸壓力提升不明顯而爆炸過程溫度提升明顯；同樣，爆炸上限體積分數(shù)為30%～35%，其最大爆炸壓力提升不明顯，而爆炸過程3 s之內(nèi)最高溫度達146℃以上。對于乙烯在爆炸上限和下限濃度附近，氣體被點燃后微弱燃燒，爆炸壓力提升不明顯，但由于消耗爆炸腔體內(nèi)的氧氣其爆炸壓力呈現(xiàn)下降趨勢，呈現(xiàn)負壓狀態(tài)。對于液化石油氣LPG來說，爆炸壓力和爆炸溫度呈現(xiàn)同樣的趨勢變化(見圖5)，但LPG氣體在逼近爆炸上限過程中溫度變化的更加明顯，這與液化石油氣的高熱值有關。液化石油氣LPG 的熱值為110 MJ/m3，乙烯熱值為63.4 MJ/m3，明顯低于液化石油氣LPG。

圖3 丙烷混合氣體爆炸過程溫度-時間曲線(1 L裝置)Fig.3 Temperature/time-diagram of propane-air mixtures explosion(1 L apparatus)

圖4 乙烯濃度與最大爆炸壓力和最大溫度變化曲線 (1 L裝置)Fig.4 Pmax and Tmax/concentration-diagram of ethylene-air mixtures explosion(1 L apparatus)

圖5 LPG濃度與最大爆炸壓力和最大溫度變化曲線 (1 L裝置)Fig.5 Pmax and Tmax/concentration-diagram of LPG-air mixtures explosion(1 L apparatus)

2.3 混合氣體爆炸性判定比較

采用帶攪拌功能的20 L球與混合氣體現(xiàn)場爆炸裝置進行測定對比分析，隨著乙烯和LPG氣體濃度的增加，其最大爆炸壓力的對比變化趨勢如圖6所示。隨著可燃氣體濃度的增加，其最大爆炸壓力呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，且1 L混合氣體現(xiàn)場爆炸性測試裝置的最大爆炸壓力值相對偏低；在可燃氣體爆炸上限和爆炸下限附近，混合氣體的爆炸壓力相對較低，2種裝置的測試結(jié)果比較接近，其中LPG氣體的爆炸上限采用混合氣體現(xiàn)場測試裝置相對較明顯，即1 L爆炸腔測得LPG氣體的爆炸上限相對較寬，而丙烷和乙烯相對不明顯，這可能是由于LPG的熱值較高，一旦被引燃，溫度迅速上升且氣體膨脹壓力增大。

圖6 乙烯和LPG濃度與最大爆炸壓力曲線(1 L和 20 L測試裝置)Fig.6 Pmax /concentration-diagram of ethylene /LPG-air mixtures explosion(1 L and 20 L apparatus)

管式測定法對于爆炸性的判定采取目測觀察，與試驗操作人員的經(jīng)驗判定有極大關系，與文獻公布數(shù)據(jù)有差異。采用溫度和壓力判定相對比較客觀，且近年來壓力和溫度傳感器的精度和采樣頻率提高，對于爆炸極限范圍的判定相對更準確?？傮w來看，20 L球和1 L爆炸腔以爆炸壓力提升來判定，對于爆炸下限和爆炸上限比管式法測定窄，且1 L爆炸腔爆炸壓力提升量判定爆炸極限范圍更窄，即在爆炸上限和下限附近爆炸壓力提升量相對不明顯。依據(jù)實驗測定爆炸壓力的判定結(jié)果，以壓力提升量5%～10%判定較適宜，且爆炸下限附近爆炸壓力提升呈跳躍發(fā)展，逼近爆炸上限時其最大爆炸壓力呈緩慢下降趨勢，這與可燃物的盈虧程度有關。

混合氣體現(xiàn)場爆炸性測試裝置以爆炸過程溫度提升量來判定，爆炸極限范圍比以爆炸壓力提升量判定相對寬，與目測觀察的管式測定法相比，略寬于管式測定法和大部分文獻數(shù)據(jù)。同時，以爆炸過程溫度提升量判定與可燃氣體的熱值和燃燒速率有關，對于熱值較高的氣體其溫度提升量比較明顯，如液化石油LPG。依據(jù)實驗爆炸過程溫度測量判定的結(jié)果，爆炸過程溫度提升量以ΔT=30℃判定為宜，且與實驗數(shù)據(jù)的測定時間有關，可燃氣體爆炸極限附近若被點燃，溫度呈逐步上升趨勢，采樣時間以3 s為限進行最大溫度提升量的判定。

3 結(jié)論

1)可燃氣體爆炸極限的實驗室測試裝置可分為管式裝置或球式裝置(含圓柱形)，管式測定法以目測觀察火焰?zhèn)鞑ヅ卸ūìF(xiàn)象是否發(fā)生，球式采用目測觀察或初始爆炸壓力提升量來判定(5%或7%)。

2)目前實驗室標準測定裝置均不適用于爆炸性環(huán)境現(xiàn)場測定，自行研制了混合氣體現(xiàn)場爆炸性測試裝置，實現(xiàn)了裝置小型化和溫度、壓力的高速測量。采用爆炸過程溫度判定準則，測定爆炸極限范圍比以爆炸壓力提升量判定準則變寬，與目測觀察的管式測定法相比，略寬于管式測定法和大部分文獻數(shù)據(jù)。

3)在國內(nèi)外爆炸性標準對比分析和實驗測試的基礎上，提出了基于壓力和火焰溫度變化相結(jié)合的氣體爆炸性判定指標，提高了混合氣體爆炸性判定的科學性和準確性。同時，建議進一步開展醇類、氫氟烴類等不同可燃氣體或蒸氣爆炸性的對比測試，提高爆炸性判定準則設置的合理性。