多組分可燃?xì)怏w爆炸極限研究現(xiàn)狀及探討*

劉濤濤 賈泉升 劉成

（1.重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，重慶 401331；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

0 引言

在冶金、石化、化工等工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量易燃易爆多組分危險性氣體，所造成的火災(zāi)爆炸事故頻發(fā)［1］，如“7·16”大連輸油管線爆炸事故、“8·12”天津港爆炸事故等。事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多組分可燃?xì)怏w的爆炸強度遠(yuǎn)大于單一氣體，且更難以控制，因此關(guān)于預(yù)防和減少多組分可燃?xì)怏w爆炸的研究日益重要。單一氣體的爆炸極限可通過查閱文獻(xiàn)獲取，但多組分氣體的爆炸極限會隨著組分種類和占比不同而有所變化，同時初始溫度、初始壓力對其也有一定的影響［2-3］。筆者從理論和實驗2個方面介紹了多組分氣體爆炸極限的研究進(jìn)展，并總結(jié)了初始壓力、初始溫度對多組分可燃?xì)怏w爆炸極限影響的研究成果，對多組分氣體爆炸極限的預(yù)測以及防爆抑爆具有一定的參考價值。

1 多組分可燃?xì)怏w爆炸極限的理論研究

目前，多組分可燃?xì)怏w爆炸極限的理論研究取得了一定成果［4-6］。對于較為復(fù)雜的多元氣體爆炸極限的計算，通常采用理-查特里經(jīng)驗公式，如式（1）所示，該公式適用于有機烴類混合氣體，但不適用于含H2的混合氣體。

式中，Lm為混合氣體爆炸極限，%；Ln為各組分的爆炸極限，%；Vn為各組分體積分?jǐn)?shù)，%。

對于含惰性氣體的多組分可燃?xì)怏w的爆炸極限可用以下公式計算：

式中，CC為不含惰性氣體的爆炸極限;B為惰性氣體體積分?jǐn)?shù)。

由于多組分可燃?xì)怏w爆炸極限受眾多因素的影響，因此學(xué)者們運用經(jīng)驗公式，提出了多種理論計算方法預(yù)測爆炸極限。馬秋菊等［4］基于可燃?xì)怏w絕熱火焰溫度與化學(xué)平衡反應(yīng)，提出了2種混合氣體爆炸極限預(yù)測模型，但計算結(jié)果與實驗值均存在誤差，需考慮安全系數(shù)。鄭立剛等［7］對含H2、CH4、CO的多元混合氣體，提出采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性方法和偏最小二乘回歸法計算爆炸極限。MA T G等［8］對理-查特里公式進(jìn)行了改進(jìn)，預(yù)測了CH4、C3H8、NH3、CO等在不同體積分?jǐn)?shù)下混合氣體的爆炸極限。夏陽光等［9］基于能量平衡方程和簡化反應(yīng)模型建立了預(yù)測模型，研究發(fā)現(xiàn)對于平均碳原子數(shù)大于2的混合氣體預(yù)測結(jié)果較好。此外，根據(jù)工程實踐的需求，學(xué)者們也建立了多種爆炸模型［10-11］。魏永生等［12］對H2、CO、CH4混合氣體的爆炸極限數(shù)值進(jìn)行了多元線性回歸分析，建立了預(yù)測模型，該方程表現(xiàn)為高度相關(guān)，能較好地擬合原始數(shù)據(jù)，其中CH4、H2、CO對上限影響較明顯。胡耀元等［13］對多元氣體爆炸特性進(jìn)行了研究，得出了復(fù)相鏈終止概率的統(tǒng)一表達(dá)式，由于混合氣體爆炸極限影響因素較多，該結(jié)果需進(jìn)行有效放大處理，表達(dá)式為：

式中，為復(fù)相鏈終止概率；為幾何相似性常數(shù)；D為擴散系數(shù)；d為圓柱形容器的直徑為鏈載體的平均壽命。

綜上所述，當(dāng)前多組分氣體爆炸極限的理論研究往往只考慮了各組分氣體的體積分?jǐn)?shù)等單一因素，而忽略了實際生產(chǎn)中反應(yīng)容器尺寸、溫度變化等其他因素的耦合影響。但理論值加上安全系數(shù)，對實驗研究仍有參考意義。

2 多組分可燃?xì)怏w爆炸極限的實驗測量方法

2.1 可燃?xì)怏w爆炸極限的實驗標(biāo)準(zhǔn)

目前，國際上還沒有對可燃?xì)怏w爆炸極限測定進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，主要原因是實驗標(biāo)準(zhǔn)不同，實驗結(jié)果差異較大。COWARD H F等［14］最早提出測定氣體的爆炸極限，并對可燃?xì)怏w的爆炸極限進(jìn)行了測定。美國材料與實驗協(xié)會采用了5 L的球形容器，德國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了直徑為6 cm、高為30 cm的圓柱形垂直管，我國現(xiàn)行測定標(biāo)準(zhǔn)為《空氣中可燃?xì)怏w爆炸極限測定方法》（GB/T 12474—2008），但該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于常溫常壓條件下。

2.2 多組分可燃?xì)怏w爆炸極限的實驗研究

學(xué)者們對于初始溫度、初始壓力對多元氣體爆炸極限影響的研究成果如下。ZHAO F等［15］在常溫常壓條件下測量了部分二元碳?xì)浠旌蠚怏w的爆炸極限，結(jié)果與理-查特里公式結(jié)果基本一致。MARKUS D等［16］考察了溫度為323K和373K時，CH3OH、CH4、空氣的混合物爆炸極限，發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果與理-查特里公式不同。KONDO S等［17］測定了在5~100℃下烴類燃料的爆炸極限，發(fā)現(xiàn)爆炸極限隨溫度變化而變化。羅燦［18］利用自行搭建的1.5 L實驗平臺，對乙烷、乙烯在氧氣中的爆炸極限進(jìn)行了測定，結(jié)果表明隨著初始溫度、初始壓力的上升，乙烷、乙烯的爆炸極限均增大?？茺惙f等［19］采用理論與實驗相結(jié)合的方法，對高溫高壓下CH4、C2H6、C3H8的爆炸極限進(jìn)行了研究，結(jié)果表明溫度與壓力的變化對爆炸上限作用更明顯。

同時，學(xué)者們也對大量二元、三元可燃?xì)怏w的爆炸極限進(jìn)行了研究。鄧軍等［20］探索了CH4、CO、C2H4等多元可燃?xì)怏w的爆炸極限，并分析了各組分濃度的變化對爆炸極限的影響。周邦智等［21］、韋貝貝［22］開展了CO與H2在不同組合下的爆炸實驗，研究發(fā)現(xiàn)CO促進(jìn)了混合氣體爆炸，使得爆炸壓力與爆炸極限均上升。楊守生等［23］在常溫常壓下研究了三元混合氣體爆炸極限，并給出了經(jīng)驗公式，同時指出高溫高壓下經(jīng)驗公式的推導(dǎo)還需要大量研究。胡銳等［24］開展了多組實驗，測定了H2、CO、CH4在空氣中不同組合的爆炸極限。羅振敏等［25］從理論和實驗2種方式研究了C2H6、C3H8、CH4混合氣體的爆炸極限，分別研究了不同初始條件和配比對爆炸極限的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)混合氣體爆炸極限隨著C3H8含量和初始溫度、初始壓力的增加而擴大。

3 結(jié)語

從當(dāng)前的研究現(xiàn)狀來看，多組分可燃?xì)怏w爆炸極限的研究歷史已久，并在很多方面取得了較大進(jìn)展，但多集中于常溫常壓下的單一氣體，如H2、CO、CH4或有惰性氣體參與的二元可燃?xì)怏w。然而，在實際工況下產(chǎn)生的多組分氣體成分復(fù)雜，且大多數(shù)處于高溫高壓條件下，所造成的爆炸危險性更大，且難以控制。為了有效控制多組分可燃?xì)怏w的燃燒爆炸事故，應(yīng)在如下3個方面開展進(jìn)一步研究：

1）利用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方法，開展工況條件下更多三元及以上不同組分可燃?xì)怏w的爆炸特性研究。

2）關(guān)于初始溫度、初始壓力、惰性氣體對多組分可燃?xì)怏w爆炸極限的影響還需要進(jìn)一步分析。

3）目前，我國對高溫高壓下多組分可燃?xì)怏w爆炸極限的測定尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，有待盡快制訂和健全。