氫氣比例和點火能量對CH4-H2混合氣體爆炸強度影響的實驗研究

馬秋菊，邵俊程，王眾山，劉家平

（1中國礦業(yè)大學(xué)（北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；2北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081）

氣體爆炸是工業(yè)生產(chǎn)安全和人民生活安全的重大威脅之一?？扇細怏w的生產(chǎn)、經(jīng)營、貯存、運輸和使用等全過程均有可能引發(fā)爆炸事故，造成嚴重的財產(chǎn)損失和人員傷亡。目前針對可燃氣體爆炸的研究成果較多，但是大多集中在對某種單一氣體爆炸特性的研究，極少關(guān)注多元混合可燃氣體混合物的爆炸特性及災(zāi)害后果，而多元可燃氣體混合物在工業(yè)生產(chǎn)以及生活燃料中的使用非常普遍，如天然氣、液化氣、石油提煉產(chǎn)物氣體及新能源氣體等。其中，關(guān)于氫氣-甲烷混合物的安全性研究，對新的清潔能源的安全使用具有深遠的意義。已有研究表明，在目前使用的天然氣中加入體積分數(shù)為8%～30%的氫氣可以有效降低NOx及CO2等污染性氣體的排放，同時又不需要更改現(xiàn)有的使用設(shè)備[1]。但是目前關(guān)于CH4-H2混合燃料使用安全性的研究無論廣度還是深度都遠不能滿足實際應(yīng)用需要。氫氣十分敏感，燃燒速度快，爆炸極限范圍大，最小點火能低，導(dǎo)致其爆炸危險性非常高[2]，因此，即使有少量氫氣加入甲烷氣體中也會大大提高其爆炸敏感性，增強爆炸強度，提高爆炸危險[3]。Yu等[4]研究指出，氫氣的存在會顯著增加CH4的層流燃燒速度。Middha等[5]通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，混有氫氣的天然氣在隧道內(nèi)泄漏爆炸產(chǎn)生的壓力遠低于純氫氣爆炸壓力，但是純甲烷泄漏形成接近化學(xué)計量濃度的氣云爆炸時會產(chǎn)生比CH4-H2氣云爆炸更高的壓力。另外，實驗研究和事故案例分析表明，點火能量對氣體爆炸極限范圍有較大影響，同時也會影響最終的氣體爆炸壓力、壓力上升速率和火焰?zhèn)鞑ニ俣萚6-9]。在有氫氣存在的情況下，點火能量如何影響甲烷氣體的爆炸特性有待進一步研究。

本工作針對不同氫氣含量的CH4-H2混合燃料，研究其在不同點火能量作用下的爆炸特性，主要探討氣體濃度、混合氣體組分比例及點火能量等因素對CH4-H2混合氣體爆炸特性的影響。

1 實驗裝置

實驗在20 L標(biāo)準(zhǔn)球形爆炸罐內(nèi)完成，實驗系統(tǒng)主體為20 L球形爆炸裝置，并配有配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及其他附屬裝置。20 L球形爆炸罐實物如圖1（a）所示，各裝置之間連接如圖1（b）所示。本實驗中將用到氫氣，其密度較小，容易發(fā)生分層現(xiàn)象，為了使實驗中配置的預(yù)混氣體混合較為均勻，特別在爆炸罐體內(nèi)部安裝攪拌器，通過外部遙控裝置進行開關(guān)控制，每次配氣完成后開啟攪拌器3 min，之后靜置1 min，避免氣體運動對爆炸結(jié)果產(chǎn)生影響。點火電極由爆炸罐上端伸入罐體內(nèi)部，處于爆炸罐體近似幾何中心位置，采用電火花放電方式進行點火。電火花持續(xù)放電時間和放電儲能電容值均可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，點火能量測試系統(tǒng)可以通過對放電電壓電流曲線進行積分獲得點火能量。爆炸壓力傳感器安裝在裝置側(cè)壁上。

圖1 20 L球形爆炸罐及實驗裝置Fig.1 20 L spherical explosion vessel and experimental devices

2 實驗設(shè)置

對于多元可燃氣體混合物，其濃度可以用燃料當(dāng)量比來表示，燃料當(dāng)量比（ψ）用下式進行計算

式中：F/A為燃料-空氣比，(F/A)stoic為化學(xué)計量濃度下的燃料-空氣比。ψ＜ 1表示貧燃料混合物，ψ=1表示化學(xué)計量濃度下的混合物，ψ＞ 1表示富燃料混合物。

針對化學(xué)劑量濃度，即ψ=1條件下的CH4-H2氣體混合物進行爆炸實驗?；旌先剂现袣錃獾捏w積分數(shù)表示為

式中:VH2和VCH4分別為混合燃料中H2和CH4的體積。

本實驗取氫氣體積分數(shù)X分別為0、0.1、0.3、0.5、0.7和1.0，混合燃料與空氣預(yù)混成當(dāng)量比ψ=1的可燃混合氣體，各組分比例見表1，其中w為質(zhì)量分數(shù)。根據(jù)分壓法原理，計算出不同組分比例條件下各組分的分壓值，對20 L球形罐抽真空后，根據(jù)分壓值依次充入CH4、H2、空氣，配制出所需比例的混合氣體。

表1 實驗中CH4-H2-Air混合物的組分比例Table 1 Mixture compositions in the explosion test

3 結(jié)果與分析

3.1 爆炸壓力

實驗獲得不同氫氣比例的混合物在不同點火能量點火時的爆炸超壓-時間歷程曲線，如圖2所示，各組曲線的變化趨勢相似。點火電極在罐體中心點火后，爆炸沖擊波以近似球形向四周傳播，傳播到罐體壁面處，壓力逐漸上升，很快達到最大值。然后，由于燃料燃燒殆盡，罐體熱量損失，爆炸罐內(nèi)溫度迅速降低，氣體產(chǎn)物水發(fā)生液化，罐體內(nèi)壓力開始下降，最終罐體內(nèi)壓力為負壓。從不同氫氣比例的各組曲線可知，氫氣比例越高，沖擊波超壓達到峰值所需的時間越短，即沖擊波的傳播速度越大。點火能量對峰值超壓有一定影響，點火能量越高，峰值超壓越高。而不同點火能量作用下，沖擊波峰值超壓到達的時間比較接近，說明點火能量對沖擊波傳播速度的影響較小。

圖2 爆炸超壓-時間歷程曲線Fig.2 Overpressure-time curves for each case

圖3 不同氫氣體積分數(shù)時峰值超壓隨點火能量的變化Fig.3 Peak overpressure varying with ignition energy under different volume fractions of hydrogen

圖4 不同點火能量下峰值超壓隨氫氣體積分數(shù)的變化Fig.4 Peak overpressure varying with volume fraction of hydrogen under different ignition energies

實驗所得不同氫氣比例的混合物的峰值超壓隨點火能量的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著點火能量的升高，峰值超壓增大，但是氫氣比例不同時，其峰值超壓上升趨勢有所不同：氫氣比例較低（X≤0.5）時，點火能量從0.2 J上升到0.8 J時峰值超壓的增強較顯著，而點火能量從0.8 J繼續(xù)增大后，峰值超壓的增長相對緩慢；氫氣比例較高（X＞0.5）時，點火能量的增大對峰值超壓的增強作用較弱，并且隨著點火能量的增大，峰值超壓呈現(xiàn)近似線性增大。這主要是因為氫氣的最小點火能較甲烷的最小點火能低，很低的能量就能達到較強的爆炸強度，本研究所取的點火能量相對最小點火能高，因此氫氣比例高時，混合物在實驗所取4個點火能量下都能達到較高的爆炸強度，不會因為點火能量的增大而顯著提高爆炸強度。而氫氣比例低時，燃料中主要成分為甲烷，而甲烷的爆炸強度對點火能量的變化比較敏感，因此，隨著點火能量的增大，特別是點火能量較低時，峰值超壓升高比較明顯。

以氫氣組分的體積分數(shù)為橫坐標(biāo)作圖，得到圖4。爆炸峰值超壓隨著氫氣比例的增加而顯著升高，主要因為氫氣活性遠高于甲烷，化學(xué)反應(yīng)速度快，爆炸反應(yīng)時間短，氫氣比例的升高增強了能量釋放的集中程度，同時又縮短了熱量損失的時間，散熱量減少，因此峰值超壓會隨著氫氣比例的升高而上升。從化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)角度分析可知，甲烷燃燒的詳細基元反應(yīng)模型GRI3.0機理（53個組分、325個基元反應(yīng)）中關(guān)于CH4主要生成和消耗的基元反應(yīng)為

另外，點火能量越低，氫氣對甲烷爆炸的增強作用越明顯。點火能量為0.2 J時，氫氣的加入對甲烷爆炸強度的增強作用最明顯。

3.2 爆炸強度指數(shù)

氣體爆炸過程中的“爆炸強度指數(shù)”（Gas explosion severity index）定義為爆炸過程中的最大壓力上升速率和爆炸容器體積三次方根的乘積，可表示為

式中：KG為爆炸強度指數(shù)，V為爆炸裝置的體積，為最大爆炸壓力上升速率。

圖5 不同點火能時KG隨氫氣體積分數(shù)的變化Fig.5 KG varying with the volume fraction of hydrogen under different ignition energies

KG是表征氣體爆炸猛烈程度的重要參數(shù)，也是表征氣體爆炸危險性的定量指標(biāo)。對于某種特定的氣體在密閉容器內(nèi)爆炸，其KG是一個常數(shù)，與爆炸容器的體積無關(guān)[12-13]，對于多元混合燃料氣體爆炸，氣體組分不同，則KG值不同，因此，標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下的KG值大小可以表征氣體爆炸猛烈強度的高低。

化學(xué)計量濃度ψ=1時，在不同點火能量下，實驗所得到的各混合物的爆炸強度指數(shù)隨氫氣比例的變化曲線如圖5所示。對比不同點火能量條件下的4組實驗結(jié)果可知，點火能量對KG的影響較小，主要是由于實驗所設(shè)定的點火能量遠高于最小點火能，并且混合物均為化學(xué)計量濃度，爆炸化學(xué)反應(yīng)比較充分，爆炸強度高，點火能量的變化并不會對KG產(chǎn)生明顯的影響。

另外，從圖5可知，氫氣比例的不同對KG的影響十分明顯。對于不同燃料組分的混合物，當(dāng)氫氣比例X＜ 0.5時，混合氣體中氫氣比例的增加對爆炸強度的增強作用并不顯著，此階段的爆炸強度指數(shù)與氫氣比例近似為線性增長關(guān)系，說明氫氣的加入對爆炸強度的激勵作用相對較弱。但是當(dāng)氫氣比例X＞ 0.5時，隨著氫氣比例的增加，爆炸強度指數(shù)曲線加速升高，說明氫氣的加入對爆炸強度的激勵作用急劇增強。對于純CH4-Air（X=0）混合物，0.2、0.8、1.8 和 3.2 J點火能量條件下的爆炸強度指數(shù)KG分別為 6.79、6.71、7.06、6.93 MPa·m·s-1，而對于純 H2-Air（X=1.0）混合物，4 個點火能量下的KG分別是 65.15、64.32、69.90、72.49 MPa·m·s-1，顯然，氫氣的爆炸強度指數(shù)近似為相應(yīng)的甲烷爆炸強度指數(shù)的10倍。

4 結(jié) 論

以當(dāng)量比ψ=1的不同比例CH4-H2混合氣體為研究對象，對其在20 L球形爆炸裝置內(nèi)的爆炸參數(shù)進行了實驗研究，探討了點火能量和氫氣比例對混合物爆炸壓力及爆炸強度的影響。

（1）氫氣比例越高，沖擊波超壓達到峰值所需的時間越短，沖擊波的傳播速度越快。不同點火能量作用下，沖擊波峰值超壓到達的時間比較接近，點火能量對沖擊波傳播速度的影響較小。

（2）點火能量的提高對峰值超壓有增強作用。氫氣比例較低（X≤0.5）時，點火能量對峰值超壓的增強作用較顯著；氫氣比例較高（X＞0.5）時，點火能量的增大對峰值超壓的增強作用較弱，此時，隨著點火能量的增大，峰值超壓呈近似線性增大。

（3）點火能量對爆炸強度指數(shù)KG的影響較小，而氫氣比例的不同對KG的影響十分明顯，氫氣比例低時，氫氣的增加對爆炸強度的增強作用相對較弱，氫氣比例較高時，氫氣的增加對爆炸強度的激勵作用急劇增強。

（4）相同當(dāng)量比條件下，氫氣的爆炸強度指數(shù)近似為甲烷爆炸強度指數(shù)的10倍，氫氣的加入會大大增加甲烷氣體爆炸的危險性。