環(huán)境溫度對(duì)預(yù)混瓦斯氣體爆炸特性的影響

黃子超

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

近年來，由于煤礦開采深度的加大以及煤層自燃發(fā)火等原因，致使井下環(huán)境溫度升高。另外，我國瓦斯抽采利用量快速增長(zhǎng)，2015 年全國瓦斯抽采量140 億m3，利用量達(dá)77 億m3，煤層氣燃燒脫氧、蓄熱氧化等工藝中環(huán)境溫度處于幾十到幾百攝氏度。環(huán)境溫度變化會(huì)造成瓦斯爆炸特性改變，給煤礦安全帶來不確定性，也給瓦斯抽采利用帶來一系列安全隱患。國外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)特殊環(huán)境對(duì)可燃?xì)怏w爆炸特性的影響以及危險(xiǎn)程度進(jìn)行了一定探索。Shigeo Kondo、Jaimes D 等[1-2]利用12、1 L 不同實(shí)驗(yàn)容器對(duì)甲烷、丙烷、H2/CO 混合氣等氣體在不同初始溫度、初始高壓條件下的爆炸極限，得到了可燃極限與環(huán)境溫度、壓力的依賴關(guān)系。隨著初始溫度和壓力的升高，可燃?xì)獗ǚ秶龃螅ㄎｋU(xiǎn)性增大。Wan Xin[3]等人研究了較高溫度和壓力對(duì)爆炸下限的影響，提出了預(yù)測(cè)可燃?xì)獗ㄏ孪薜睦碚摲椒?。李?rùn)之、劉丹等[4-6]運(yùn)用20L 爆炸實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)不同初始?jí)毫?、濕度、溫度以及耦合條件下瓦斯爆炸的危險(xiǎn)程度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。羅振敏[7]利用FLACS 數(shù)值軟件模擬了C2H2、C2H6等氣體按不同比例與甲烷混合后爆炸特性參數(shù)的變化。但由于特殊環(huán)境條件下可燃?xì)獗ㄌ匦詫?shí)驗(yàn)沒有統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)，該方面的研究依然較少，亦沒有形成系統(tǒng)的理論體系。為此，采用20 L 特殊環(huán)境爆炸實(shí)驗(yàn)裝置，通過改變環(huán)境溫度，對(duì)預(yù)混瓦斯氣體的爆炸壓力特性、燃燒特性、爆炸極限等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行了綜合、系統(tǒng)性測(cè)試，進(jìn)行分析溫度對(duì)瓦斯爆炸特性的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

瓦斯氣體爆炸實(shí)驗(yàn)在20 L 特殊環(huán)境爆炸特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)罐體、預(yù)混氣體儲(chǔ)罐、加熱系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、點(diǎn)火發(fā)生器、控制系統(tǒng)、采集測(cè)試系統(tǒng)等組成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖如圖1。實(shí)驗(yàn)罐體通過內(nèi)部的加熱絲和外殼夾層內(nèi)的導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱和保溫，由罐體上的溫度傳感器連接至控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)罐體內(nèi)的溫度，系統(tǒng)最高環(huán)境溫度可達(dá)200 ℃。控制系統(tǒng)控制著罐體的抽真空、進(jìn)氣、溫度加熱及監(jiān)測(cè)、點(diǎn)火、數(shù)據(jù)采集等流程操作及信息監(jiān)測(cè)，由測(cè)試系統(tǒng)采集每次爆炸實(shí)驗(yàn)罐體內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)，采樣率1 MS/s。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test system

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前通過壓力配比法配置當(dāng)量濃度附近的瓦斯混合氣體，預(yù)先通過循環(huán)攪拌充分混合均勻，甲烷體積濃度為10.1%。實(shí)驗(yàn)通過點(diǎn)火能量發(fā)生器對(duì)點(diǎn)火電極高壓放電，引爆罐體內(nèi)預(yù)混瓦斯氣體，點(diǎn)火能量為10 J。

實(shí)驗(yàn)方法可概括為“抽真空-充氣-點(diǎn)火-判定-改變條件重復(fù)實(shí)驗(yàn)”?？刂葡到y(tǒng)通過時(shí)序電路控制實(shí)驗(yàn)裝置抽真空、進(jìn)氣、點(diǎn)火測(cè)試等過程節(jié)點(diǎn)。罐體壁面安裝壓力傳感器，通過測(cè)試軟件觸發(fā)采集實(shí)驗(yàn)中爆炸壓力的實(shí)時(shí)變化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過無線傳輸技術(shù)發(fā)送并保存至系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)首先測(cè)試了常溫常壓條件下瓦斯爆炸特性參數(shù)，之后通過改變環(huán)境溫度測(cè)試預(yù)混瓦斯氣體的爆炸壓力、壓力上升速率、燃燒特性、爆炸極限等參數(shù)變化。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度條件變化范圍是20～200 ℃，溫度測(cè)試點(diǎn)分別選取20、50、75、100、125、150、175、200 ℃。文中提到的壓力均為絕對(duì)壓力，實(shí)驗(yàn)環(huán)境初始?jí)毫?.1 MPa，環(huán)境相對(duì)濕度為78%～80%，預(yù)混瓦斯氣體點(diǎn)火前為靜態(tài)，點(diǎn)火能量10 J。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 對(duì)爆炸壓力特性的影響

粉塵爆炸最大壓力pex是指在某一粉塵濃度條件下測(cè)得的爆炸壓力p 曲線的最大值；（dp/dt）ex為壓力曲線上升變化的最大值。在20 L 特殊環(huán)境爆炸實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行了常壓不同環(huán)境溫度條件預(yù)混瓦斯氣體爆炸測(cè)試，不同環(huán)境溫度瓦斯爆炸壓力曲線如圖2，對(duì)比了20、50、100、150、200 ℃溫度下爆炸壓力曲線變化。

圖2 不同環(huán)境溫度瓦斯爆炸壓力曲線Fig.2 Curves of gas explosion pressure under different ambient temperatures

點(diǎn)火后，預(yù)混氣體快速反應(yīng)，爆炸壓力急速上升，當(dāng)壓力上升到最大值后逐漸下降。由于實(shí)驗(yàn)裝置具有承壓、密封性，但并非理想絕熱條件，所以在點(diǎn)火400 ms 后，罐體內(nèi)仍有一定的超壓值。在室溫20℃時(shí)，爆炸最大壓力為0.894 MPa，最大壓力上升速率為（dp/dt）ex為27.3 MPa/s。

對(duì)比不同溫度爆炸壓力曲線變化發(fā)現(xiàn)，隨環(huán)境溫度的升高，瓦斯爆炸最大壓力明顯降低，到達(dá)最大壓力的時(shí)間提前，最大壓力上升速率基本呈現(xiàn)在同一水平線上。不同環(huán)境溫度對(duì)爆炸壓力特性參數(shù)的影響如圖3。在環(huán)境溫度200 ℃條件下，爆炸最大壓力為0.502 MPa，相對(duì)于室溫條件下降了43.8%；而壓力上升速率維持在22.8～27.3 MPa/s 范圍內(nèi)。

圖3 不同環(huán)境溫度對(duì)爆炸壓力特性參數(shù)的影響Fig.3 Effect of ambient temperatures on characteristics of explosion pressure

由于實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)壓力保持為常壓，根據(jù)氣體狀態(tài)方程，隨環(huán)境溫度的升高，預(yù)混氣體物質(zhì)的量減少，釋放熱量減少，這是造成最大壓力降低的主要原因。壓力上升速率是燃燒爆炸反應(yīng)質(zhì)量變化速率的反映，雖然燃燒體系氣體分子量減少，但根據(jù)Arrhenius 定律，環(huán)境溫度升高引起化學(xué)反應(yīng)速率明顯加快[8]，同時(shí)形成了正反饋、負(fù)反饋效應(yīng)，從而使得最大壓力上升速率無明顯變化。

2.2 對(duì)爆炸燃燒反應(yīng)特性的影響

2.2.1 爆炸反應(yīng)時(shí)間

引入爆炸反應(yīng)時(shí)間ta的定義，表示第a 次實(shí)驗(yàn)時(shí)，爆炸實(shí)驗(yàn)由點(diǎn)火時(shí)刻至達(dá)到最大壓力pex的時(shí)間差，不同環(huán)境溫度條件下預(yù)混瓦斯爆炸反應(yīng)時(shí)間對(duì)比圖如圖4。爆炸反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短體現(xiàn)了預(yù)混瓦斯氣體燃燒反應(yīng)劇烈程度，圖4 對(duì)比了環(huán)境溫度20 ℃分別與不同高溫環(huán)境條件的瓦斯爆炸反應(yīng)時(shí)間。室溫20 ℃時(shí)，20 L 定容瓦斯爆炸反應(yīng)時(shí)間t1為140 ms，50、100、150、200 ℃爆炸完全反應(yīng)所消耗的時(shí)間t2～t5分別為131、110、94、86 ms。隨環(huán)境溫度的升高，預(yù)混瓦斯氣爆炸反應(yīng)所需要的時(shí)間明顯縮短。環(huán)境溫度升高到200 ℃，爆炸反應(yīng)時(shí)間縮短了54 ms，減少了38.6%。

圖4 不同環(huán)境溫度條件下預(yù)混瓦斯爆炸反應(yīng)時(shí)間對(duì)比圖Fig.4 Comparison diagrams of premixed gas explosion reaction time under different ambient temperatures

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，得到了實(shí)驗(yàn)條件下預(yù)混瓦斯爆炸反應(yīng)時(shí)間隨環(huán)境溫度升高的變化曲線，環(huán)境溫度對(duì)爆炸反應(yīng)時(shí)間的影響如圖5，爆炸反應(yīng)時(shí)間呈現(xiàn)指數(shù)衰減的變化趨勢(shì)。

圖5 環(huán)境溫度對(duì)爆炸反應(yīng)時(shí)間的影響Fig.5 Effect of ambient temperatures on explosion reaction time

由于環(huán)境溫度升高，氣體分子內(nèi)能增加，運(yùn)動(dòng)速率加快，碰撞幾率增加，根據(jù)定容爆炸模型[9]，20 L實(shí)驗(yàn)裝置瓦斯爆炸反應(yīng)速率加快，致使可燃?xì)怏w完全反應(yīng)需要的時(shí)間減少。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析，擬合函數(shù)如下：

式中：T1為爆炸反應(yīng)時(shí)間，ms；X 為環(huán)境溫度，℃；y1、A1、a1為常數(shù)，根據(jù)變化特性分別取67.38、87.17、126.61；指數(shù)擬合的相關(guān)性系數(shù)R2為0.966 4。

2.2.2 點(diǎn)火延遲時(shí)間

預(yù)混瓦斯爆炸的高壓放電點(diǎn)火時(shí)為0 時(shí)刻，點(diǎn)火后壓力并沒有立即上升，而是有幾十毫秒的感應(yīng)時(shí)間，即瓦斯爆炸點(diǎn)火延遲時(shí)間[10]。實(shí)驗(yàn)中，點(diǎn)火延遲時(shí)間記為從點(diǎn)火至測(cè)試系統(tǒng)探測(cè)到壓力開始上升之間的時(shí)間差。環(huán)境溫度對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響如圖6。

圖6 環(huán)境溫度對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響Fig.6 Effect of ambient temperatures on ignition delay time

室溫20 ℃時(shí)，瓦斯點(diǎn)火延遲時(shí)間為44 ms，而環(huán)境溫度升高至200 ℃時(shí)，點(diǎn)火延遲時(shí)間降低至29.6 ms。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析，擬合函數(shù)如下：

式中：T2為點(diǎn)火延遲時(shí)間，ms；y2、A2、a2為常數(shù)，分別取25.90、21.23、115.03；指數(shù)擬合的相關(guān)性系數(shù)R2為0.987 8。

分析可知，環(huán)境溫度與點(diǎn)火延遲時(shí)間之間呈指數(shù)衰減的變化關(guān)系，當(dāng)環(huán)境溫度的升高，爆炸點(diǎn)火延遲時(shí)間逐漸降低，且減小速率逐漸變緩。

瓦斯爆炸反應(yīng)機(jī)理分析以熱爆炸理論和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論為基礎(chǔ)，環(huán)境溫度的提高使氣體分子碰撞速率加快，而且使分子的內(nèi)能增加[11-12]，使其由初始狀態(tài)上升到活化狀態(tài)所需的能量減少。另外，高溫使可燃?xì)夥肿訜岱纸馑俾驶蚍纸怄湻磻?yīng)相應(yīng)加快，從而越容易、越快引起點(diǎn)火源周圍更多的瓦斯參與反應(yīng)，表現(xiàn)為爆炸點(diǎn)火延遲時(shí)間明顯減少。

2.3 對(duì)爆炸極限的影響

2.3.1 判定標(biāo)準(zhǔn)

目前，國內(nèi)沒有關(guān)于特殊環(huán)境條件下可燃?xì)獗O限的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)混瓦斯氣爆炸極限測(cè)試參照美國ASTM E918 標(biāo)準(zhǔn)中的判據(jù)來判斷是否發(fā)生了爆炸，如果點(diǎn)火后罐體內(nèi)的壓力相較于初始?jí)毫Γń^壓）上升大于7%，則認(rèn)為發(fā)生了爆炸[13-14]?？扇?xì)獗ㄏ孪?、爆炸上限濃度分別通過式（3）、式（4）計(jì)算得到。

式中：LEL 為爆炸下限濃度值，%；L1為可燃?xì)怏w在規(guī)定條件下發(fā)生爆炸的最小體積濃度，%；L2為可燃?xì)怏w在規(guī)定條件下不發(fā)生爆炸的最大體積濃度，%。

式中：UEL 為爆炸上限濃度值，%；U1為可燃?xì)怏w在規(guī)定條件下發(fā)生爆炸的最大體積濃度，%；U2為可燃?xì)怏w在規(guī)定條件下不發(fā)生爆炸的最小體積濃度，%。

每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行3 次實(shí)驗(yàn)，當(dāng)有1 次或1 次以上爆炸，濃度值記錄為L(zhǎng)1或U1，并降低或增加1 個(gè)步長(zhǎng)，直至3 次實(shí)驗(yàn)都不爆炸。

2.3.2 對(duì)爆炸上限和下限濃度的影響

在環(huán)境溫度20～200 ℃范圍內(nèi)，在20 L 特殊環(huán)境爆炸特性實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行不同環(huán)境溫度條件極限點(diǎn)附近預(yù)混瓦斯氣體爆炸測(cè)試，探尋爆炸臨界濃度。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理并根據(jù)瓦斯爆炸壓力上升值變化，判定是否發(fā)生爆炸。根據(jù)式（3）、式（4）計(jì)算得出不同環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的瓦斯爆炸上限、下限濃度值，不同環(huán)境溫度條件下瓦斯爆炸極限濃度見表1。

在實(shí)驗(yàn)條件下，室溫20 ℃時(shí)預(yù)混瓦斯氣體的爆炸上限、下限濃度分別為15.8%、5.08%。根據(jù)表1 可知，隨環(huán)境溫度的升高，瓦斯爆炸上限濃度逐漸增加，下限濃度逐漸降低。當(dāng)環(huán)境溫度升高至200 ℃時(shí)，爆炸上限增加至17.7%，爆炸下限降低至4.25%，變化率分別為12.0%、16.3%。環(huán)境溫度對(duì)瓦斯爆炸上限、下限濃度的影響如圖7、圖8。

表1 不同環(huán)境溫度條件下瓦斯爆炸極限濃度Table 1 The gas explosive limits under different ambient temperature conditions

圖7 環(huán)境溫度對(duì)瓦斯爆炸上限的影響Fig.7 Effects of ambient temperatures on upper gas explosive limits

圖8 環(huán)境溫度對(duì)瓦斯爆炸下限的影響Fig.8 Effects of ambient temperatures on lower gas explosive limits

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析，擬合函數(shù)分別如下：

式中：C1為瓦斯爆炸上限濃度，%；m、k 為常數(shù)，根據(jù)線性變化規(guī)律分別取0.011、15.56；線性擬合的相關(guān)性系數(shù)R2為0.994 1。

式中：C2為爆炸下限濃度，%；b1、b2、n 為常數(shù)，分別取1.39×10-5、-7.65×10-3、5.23；擬合結(jié)果相關(guān)性系數(shù)R2為0.997 2。

分析可知，在實(shí)驗(yàn)溫度范圍（20～200 ℃）內(nèi)，爆炸上限與環(huán)境溫度呈現(xiàn)出線性增加變化規(guī)律；爆炸下限與環(huán)境溫度呈現(xiàn)出遞減的變化特性，且隨溫度升高遞減幅度越來越小。當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀诒ㄏ孪藁蚋哂诒ㄉ舷迺r(shí)，氧化生成的熱量或分子分解的活化中心不足，難以形成連鎖反應(yīng)，遇點(diǎn)火源不爆炸。

隨環(huán)境溫度的增加，混合氣體分子內(nèi)能增加，同等條件下活化分子數(shù)量增多，且分子運(yùn)動(dòng)加快、碰撞幾率增加，使燃燒基元反應(yīng)在爆炸臨界點(diǎn)更加活躍。在點(diǎn)火后，在一定程度上使環(huán)境中更多的甲烷、氧氣分子參與爆炸初始反應(yīng)。另一方面，環(huán)境溫度升高，在初始點(diǎn)火時(shí)刻，可以產(chǎn)生更多的H、CH3、O、OH 等鏈反應(yīng)自由基[15]，使分子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)更容易持續(xù)進(jìn)行下去，從而使得原來穩(wěn)定的不燃系統(tǒng)變成可燃、可爆系統(tǒng)，爆炸極限范圍變寬。

3 結(jié) 論

1）在20 L 爆炸特性實(shí)驗(yàn)條件下，隨環(huán)境溫度升高，爆炸壓力逐漸下降，當(dāng)環(huán)境溫度由20 ℃增加到200 ℃時(shí)，爆炸最大壓力由0.894 MPa 降低至0.502 MPa，降低了43.8%。最大壓力上升速率基本維持在同一水平，無明顯變化。

2）定義了爆炸反應(yīng)時(shí)間，隨環(huán)境溫度的升高，預(yù)混氣體化學(xué)反應(yīng)速率增加，爆炸反應(yīng)時(shí)間呈現(xiàn)出指數(shù)衰減的變化特性。在論文溫度范圍（20～200 ℃）實(shí)驗(yàn)條件下，爆炸反應(yīng)時(shí)間由140 ms 降低至86 ms，減少了38.6%。

3）瓦斯爆炸點(diǎn)火延遲時(shí)間與環(huán)境溫度呈現(xiàn)出指數(shù)衰減的變化特性。在室溫20 ℃時(shí)，瓦斯點(diǎn)火延遲時(shí)間為44 ms，當(dāng)環(huán)境溫度升高至200 ℃，點(diǎn)火延遲時(shí)間降低至29.6 ms。

4）環(huán)境溫度升高，使分子的內(nèi)能增加，由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化至活化狀態(tài)所需的能量減少，從而越容易引起點(diǎn)火源周圍更多的瓦斯參與反應(yīng)，爆炸極限范圍變寬。當(dāng)環(huán)境溫度升高至200 ℃時(shí)，爆炸極限范圍增加至4.25%～17.7%。