初始擾動(dòng)對(duì)CO2抑制瓦斯爆炸特性研究*

楊炳輝，江丙友，蘇明清，王培龍，洪 漢，李靜靜，姚 祺

(1.安徽理工大學(xué) 工業(yè)粉塵防控與職業(yè)安全健康教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

瓦斯爆炸是非常嚴(yán)重的礦井災(zāi)害之一。2000—2020年我國特別重大瓦斯爆炸事故共發(fā)生49起，死亡2 884人，受傷849人，直接經(jīng)濟(jì)損失8.037 352億元[1-2]。為了對(duì)抑制瓦斯爆炸提供理論指導(dǎo)，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)瓦斯爆炸的抑爆方面進(jìn)行了許多研究，包括粉體抑爆[3-7]、細(xì)水霧抑爆[8-12]及惰性氣體抑爆[13-18]。其中惰性氣體具有成本低廉、清潔、高效、環(huán)保、安全等特性，在抑制瓦斯爆炸上被廣泛使用，如路長等[13]開展全氟乙酮與惰性氣體對(duì)甲烷爆炸的協(xié)同阻爆作用研究；Wang等[14]通過直接測(cè)量和模擬研究了H2/CO比和N2/CO2稀釋率對(duì)合成氣層流燃燒速度的影響；陳曉坤等[15]測(cè)試了CO2對(duì)礦井多組分可燃性氣體抑爆特性的影響；陳金健等[16]進(jìn)行了多元惰氣對(duì)瓦斯爆炸特性影響的實(shí)驗(yàn)研究；李成兵等[17]通過數(shù)值模擬研究了N2/CO2/H2O抑制甲烷燃燒的影響；張迎新等[18]開展了N2/CO2抑制瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)研究，研究得出CO2的抑爆效果在惰性氣體中尤為顯著。但由于實(shí)際生產(chǎn)過程中的氣體往往并非靜態(tài)均勻混合的，絕大多數(shù)實(shí)際生產(chǎn)空間的氣體環(huán)境均呈現(xiàn)為非均勻狀態(tài)。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)非均勻混合的湍流狀態(tài)下瓦斯爆炸強(qiáng)度相比于均勻靜置狀態(tài)更高，危險(xiǎn)性更大[19-22]。如Wang等[19]研究了初始湍流對(duì)密閉空間內(nèi)甲烷-乙烯-空氣混合物爆炸行為后發(fā)現(xiàn)，湍流使爆炸指數(shù)變大，從而增加了爆炸的風(fēng)險(xiǎn)；謝溢月等[20]測(cè)試了甲烷在不同湍流強(qiáng)度下的爆炸極限，研究表明：與均勻靜置狀態(tài)相比，湍流狀態(tài)下受限空間內(nèi)壓強(qiáng)分布不均勻，隨著氣體流動(dòng)速度增大，壓強(qiáng)減??；Zuo等[21]進(jìn)行了湍流化學(xué)計(jì)量H2/CH4/空氣混合物爆炸指數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)得出雖然H2/CH4/空氣混合物在層流環(huán)境中爆炸指數(shù)較低，但一旦環(huán)境中出現(xiàn)湍流(即使湍流是非常弱)爆炸指數(shù)就會(huì)出現(xiàn)明顯增大。

而對(duì)于湍流瓦斯爆炸的抑爆方面研究甚少，基于此，本文利用20 L球形爆炸裝置，進(jìn)行初始擾動(dòng)下CO2抑制瓦斯爆炸特性影響的實(shí)驗(yàn)研究，以期能夠?yàn)榘踩a(chǎn)過程中預(yù)防瓦斯爆炸事故提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 20 L標(biāo)準(zhǔn)爆炸球?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制模塊、反應(yīng)容器(20 L球體)、噴粉模塊、點(diǎn)火裝置、配氣模塊、數(shù)據(jù)采集模塊組成。反應(yīng)容器為20 L不銹鋼雙夾套球形容器，如圖1所示。噴粉模塊由0.6 L粉塵倉、回彈噴嘴及氣動(dòng)閥組成；經(jīng)控制系統(tǒng)設(shè)置相關(guān)參數(shù)后，氣動(dòng)閥打開向粉塵倉充入壓縮氣體至設(shè)定值后，通過回彈噴嘴將壓縮空氣噴入反應(yīng)容器內(nèi)，形成初始擾動(dòng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

實(shí)驗(yàn)選用CH4濃度為9.5%，分別加入體積分?jǐn)?shù)為0%，5%，10%，15%，20%的惰性氣體CO2，反應(yīng)容器內(nèi)為空氣環(huán)境。同時(shí)通過改變粉塵倉充壓設(shè)置不同的初始擾動(dòng)狀態(tài)，設(shè)置粉塵倉充壓壓力(以下簡(jiǎn)稱粉塵倉壓力)分別為0.5，1，1.5，2 MPa，將粉塵倉充壓壓力設(shè)置為0 MPa作為對(duì)照組。

實(shí)驗(yàn)裝置根據(jù)選擇不同的粉塵倉壓力，通過真空泵將實(shí)驗(yàn)裝置罐體內(nèi)預(yù)配氣體的壓力抽至不同真空度，如粉塵倉內(nèi)壓力為2 MPa時(shí)(不設(shè)置CH4及CO2濃度)，預(yù)配氣體的壓力將抽至-60 kPa。觸發(fā)電磁閥動(dòng)作后,二者在罐體內(nèi)混合后的壓力為1個(gè)大氣壓，對(duì)反應(yīng)容器內(nèi)O2濃度并無影響?；旌弦?guī)律如式(1)所示。

(1)

式中：p為點(diǎn)火時(shí)刻反應(yīng)容器內(nèi)壓力，MPa；v1為實(shí)驗(yàn)裝置罐體容積，L；v2為實(shí)驗(yàn)裝置粉塵倉的容積，L；p1為反應(yīng)容器內(nèi)壓力，MPa；p2為粉塵倉內(nèi)壓力，MPa。

根據(jù)美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)規(guī)定，爆炸誘導(dǎo)時(shí)間(Ta)為壓力提高7%的時(shí)刻，即壓力上升7%以上即認(rèn)定為爆炸[23-25]。點(diǎn)火時(shí)刻與到達(dá)最大壓力上升速率時(shí)刻之間的時(shí)間稱之為快速燃燒時(shí)間(Tb)，Tc則是開始點(diǎn)火和達(dá)到最大爆炸壓力時(shí)刻之間的間隔，即最大爆炸壓力時(shí)間，也被定義為燃燒持續(xù)時(shí)間。

參考GB 803—2008《空氣中可燃?xì)怏w爆炸指數(shù)測(cè)定方法》，對(duì)CH4最大爆炸壓力、最大爆炸壓力時(shí)間、最大爆炸壓力上升速率進(jìn)行測(cè)試[26]，同時(shí)通過CHEMKIN軟件得到絕熱平衡壓力并進(jìn)行熱損失分析。

測(cè)試步驟：首先，在測(cè)試系統(tǒng)的操作軟件中輸入CH4與CO2的體積分?jǐn)?shù)值，設(shè)置粉塵倉的充壓壓力。開啟實(shí)驗(yàn)后，真空泵將反應(yīng)容器抽至一定真空度；配氣模塊的電磁閥開啟并將對(duì)應(yīng)體積分?jǐn)?shù)的CH4與CO2氣體充入反應(yīng)容器內(nèi)，壓縮空氣充入粉塵倉至設(shè)置充壓壓力值；隨后，測(cè)試系統(tǒng)打開粉塵倉與反應(yīng)容器之間的電磁閥并將高壓氣體以一定比例充入爆炸容器內(nèi)，使爆炸容器內(nèi)壓力升高至大氣壓；電點(diǎn)火電極自動(dòng)點(diǎn)火，點(diǎn)火能量為10 J，測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)完成爆炸過程中的數(shù)據(jù)采集。

每個(gè)工況實(shí)驗(yàn)至少進(jìn)行3組并取平均值。實(shí)驗(yàn)記錄最大爆炸壓力、最大爆炸壓力時(shí)間以及最大爆炸壓力上升速率。同時(shí)，為了消除燃燒空間對(duì)于最大爆炸壓力上升速率的影響，有學(xué)者提出了“三次方定律”[27]，如式(2)所示：

(2)

式中：(dp/dt)max為最大爆炸壓力上升速率，MPa/s;KG為爆炸指數(shù)，MPa·m/s；V為反應(yīng)容器體積，m3。

KG數(shù)值可以用來表征爆炸強(qiáng)度大小，也可用于評(píng)估可燃?xì)怏w爆炸后果和安全性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 初始擾動(dòng)下不同CO2濃度對(duì)CH4爆炸強(qiáng)度的影響

圖2所示為CO2濃度及擾動(dòng)強(qiáng)度對(duì)爆炸壓力峰值的影響。隨著CO2濃度逐漸增大，CH4最大爆炸壓力呈下降趨勢(shì)，CH4的爆炸強(qiáng)度受到CO2濃度的影響。這主要是由于在反應(yīng)中，CO2不僅增加了爆炸容器內(nèi)物質(zhì)的總熱容，從而降低爆炸強(qiáng)度，還參與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中自由基及分子的碰撞，消耗了其中關(guān)鍵組分，延后了爆炸反應(yīng)進(jìn)程[15]。同時(shí)，初始擾動(dòng)使得CH4的最大爆炸壓力出現(xiàn)明顯增大，相比于靜置狀態(tài)存在明顯漲幅，對(duì)于CH4爆炸存在促進(jìn)作用，且擾動(dòng)的產(chǎn)生削弱了CO2對(duì)CH4爆炸的抑制效果，但擾動(dòng)強(qiáng)度的變化對(duì)削弱效果的影響并不明顯。

圖2 初始擾動(dòng)下不同CO2濃度對(duì)9.5% CH4最大爆炸壓力影響Fig.2 Influence of different CO2 concentrations on maximum explosion pressure of 9.5% CH4 under initial disturbance

2.2 初始擾動(dòng)下不同CO2濃度對(duì)CH4爆炸危險(xiǎn)度的影響

隨著CO2濃度及初始擾動(dòng)強(qiáng)度變化，二者對(duì)于9.5%CH4最大爆炸壓力上升速率及爆炸指數(shù)的影響如圖3所示，其中爆炸指數(shù)是由最大爆炸壓力上升速率根據(jù)式(2)計(jì)算所得，二者具有相同變化規(guī)律，因而選擇爆炸指數(shù)進(jìn)行分析。從圖3可以看出，隨著CO2濃度增大，靜置狀態(tài)下爆炸指數(shù)下降趨勢(shì)與存在初始擾動(dòng)并不相同，存在初始擾動(dòng)時(shí)，爆炸指數(shù)下降趨勢(shì)相比于靜止?fàn)顟B(tài)下較為緩慢。當(dāng)CO2濃度為5%時(shí)，靜置狀態(tài)與初始擾動(dòng)狀態(tài)下的爆炸指數(shù)分別為10.998，12.498，13.598，13.198，13.398；當(dāng)CO2濃度升至10%時(shí)，爆炸指數(shù)分別為9.599，11.398，10.898，12.698，11.998；且當(dāng)CO2濃度為15%時(shí)的爆炸指數(shù)則為8.399，9.198，8.999，11.198，10.799；而CO2濃度升至20%時(shí)CH4未發(fā)生爆炸。這說明相較于混合均勻的靜置狀態(tài)，初始擾動(dòng)下CH4爆炸指數(shù)顯著增加，爆炸危險(xiǎn)性更強(qiáng)，但不同初始擾動(dòng)強(qiáng)度下，爆炸指數(shù)間變化很??；即初始擾動(dòng)狀態(tài)下在一定程度上，削弱了CO2的抑爆效果，在同一CO2濃度時(shí)，初始擾動(dòng)狀態(tài)下爆炸危險(xiǎn)度高于混合均勻的靜置狀態(tài)。

圖3 初始擾動(dòng)下CO2濃度對(duì)9.5% CH4最大爆炸壓力上升速率及爆炸指數(shù)影響Fig.3 Influence of CO2 concentration on maximum pressure rise rate and explosion index of 9.5% CH4under initial disturbance

2.3 初始擾動(dòng)下不同CO2濃度對(duì)9.5% CH4爆炸危險(xiǎn)時(shí)間的影響

由圖4可知，在同一初始擾動(dòng)條件下，隨CO2濃度增大，爆炸誘導(dǎo)時(shí)間Ta，快速燃燒時(shí)間Tb，燃燒持續(xù)時(shí)間Tc均逐漸增大。初始擾動(dòng)產(chǎn)生后，Tb與Tc間差值相比于靜置時(shí)存在明顯降低，且Tc數(shù)值明顯下降，說明初始擾動(dòng)對(duì)于CH4爆炸存在促進(jìn)作用。當(dāng)CO2濃度一定時(shí)，初始擾動(dòng)條件下Ta，Tb，Tc相比于靜置條件下均降低。說明初始擾動(dòng)一定程度上削弱了CO2的抑爆效果，使得時(shí)間參數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

圖4 不同工況下CO2濃度對(duì)9.5% CH4爆炸時(shí)間參數(shù)影響Fig.4 Influence of CO2 concentration on 9.5% CH4 explosion time under different conditions

3 湍流狀態(tài)下CO2濃度對(duì)CH4燃燒熱損失的影響

根據(jù)熱爆炸理論，在CH4從點(diǎn)火到爆炸的過程中，只有部分爆炸產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為了密閉容器內(nèi)壓力和溫度的升高，一部分能量通過熱交換作用傳遞至密閉容器表面被吸收。因此，實(shí)際實(shí)驗(yàn)所得的爆炸壓力低于理想狀態(tài)下的理論壓力值。被密閉容器吸收的熱交換能量被定義為爆炸過程中的熱損失Q，爆炸過程中損失的能量占爆炸總能量的百分比定義為熱損失分?jǐn)?shù)F[28]。Q與F通過式(3)～(4)進(jìn)行計(jì)算。

(3)

(4)

式中：Q為爆炸熱損失，kJ/m2；F為熱損失分?jǐn)?shù)，%；V為爆炸球體體積，m3；S為爆炸球體內(nèi)表面積，m2；λ為絕熱系數(shù)，取1.374；Qreal為氣體混合物的總釋放能量，kJ/m2；Pmax，ad，Pmax，real分別為理想狀態(tài)和實(shí)際情況下最大爆炸壓力，MPa。

混合均勻靜置與初始擾動(dòng)狀態(tài)下CH4爆炸熱損失及熱損失分?jǐn)?shù)隨CO2濃度變化規(guī)律如圖5所示。隨著CO2濃度逐漸增大，熱損失Q及熱損失分?jǐn)?shù)F均增大。隨著初始擾動(dòng)產(chǎn)生，熱損失及熱損失分?jǐn)?shù)相較于靜置狀態(tài)出現(xiàn)明顯下降，但不同初始擾動(dòng)強(qiáng)度間變化不大，說明初始擾動(dòng)可以顯著降低爆炸熱損失，但與擾動(dòng)強(qiáng)度間沒有明顯關(guān)系。

圖5 不同初始擾動(dòng)條件下熱損失及熱損失分?jǐn)?shù)變化Fig.5 Variation of heat loss and heat loss fraction under different initial disturbance conditions

靜置狀態(tài)下爆炸熱損失更大，反應(yīng)容器內(nèi)溫度損失更多，因而爆炸過程中因熱量散失而損耗的能量較多，使得爆炸壓力相比于湍流狀態(tài)存在下降趨勢(shì)。

4 結(jié)論

1)在混合均勻靜置或初始擾動(dòng)狀態(tài)下，CH4的爆炸強(qiáng)度均隨著CO2濃度的增加逐漸減小，整體呈二次曲線下降趨勢(shì)，且在任一CO2濃度時(shí)刻，各初始擾動(dòng)間爆炸強(qiáng)度相較于靜置狀態(tài)均有提高，不同初始擾動(dòng)間，粉塵倉壓力為1.5 MPa與2 MPa時(shí)爆炸強(qiáng)度稍大，但變化并不顯著。

2)初始擾動(dòng)在一定程度上削弱了CO2的抑爆效果，使得CH4最大爆炸壓力及爆炸指數(shù)相比于靜止?fàn)顟B(tài)均出現(xiàn)上升趨勢(shì)，而爆炸誘導(dǎo)時(shí)間、快速燃燒時(shí)間、持續(xù)燃燒時(shí)間則表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。且于粉塵倉壓力為1.5 MPa時(shí)分別達(dá)到最大爆炸壓力0.78 MPa及最大爆炸指數(shù)15.398 MPa·m/s；爆炸誘導(dǎo)時(shí)間、快速燃燒時(shí)間及持續(xù)燃燒時(shí)間則分別在0.5，0.5，1.5 MPa時(shí)最小，分別為334.8，397.2，418.5 ms。

3)相較于靜置狀態(tài)，擾動(dòng)條件下CH4爆炸熱損失及熱損失分?jǐn)?shù)存在明顯下降，爆炸反應(yīng)時(shí)間變短，散熱量變少，且隨著CO2濃度增大至15%時(shí)，擾動(dòng)條件下爆炸熱損失及熱損失分?jǐn)?shù)下降趨勢(shì)逐漸顯著，CO2濃度分別為0%，5%，10%，15%時(shí)，擾動(dòng)條件與靜置狀態(tài)間爆炸熱損失差值分別為0.018 66，0.018 81，0.020 96，0.023 1 kJ/m2、熱損失分?jǐn)?shù)差值分別為20.5%，21.1%，29%，29.6%。