錢海林，王志榮，蔣軍成

(南京工業(yè)大學城市建設與安全工程學院，江蘇 南京210009)

在工業(yè)氣體爆炸事故中，甲烷爆炸事故占很大的比例。甲烷爆炸防護的方法有:抑爆、隔爆、泄爆等，其中抑爆是比較常用的一種手段，抑爆又分為使用惰化氣體和化學抑制劑。常用惰性氣體有N2、CO2、CCl4、水蒸氣等。關于惰性氣體對甲烷爆炸特性的影響已進行了一些實驗研究［1-2］，并形成了一套有效的理論計算方法［3-6］。但絕大部分研究集中于單一惰性氣體對甲烷爆炸特性的影響，而對多組分惰性氣體的抑爆效果研究還比較少［7-8］。工業(yè)生產中，燃燒產生的廢氣的主要成分是CO2與N2，是一種理想的惰化氣體。因此，本文中，通過實驗研究N2/CO2混合氣體對甲烷極限氧體積分數(shù)、爆炸極限和抑爆效果的影響，擬合N2/CO2混合氣體條件下甲烷的爆炸極限經驗公式，以期指導安全生產。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

實驗裝置(圖1 ～2)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、實驗爆炸容器、實驗用氣(甲烷和空氣)5 個部分。爆炸容器為體積22 L 的球形容器;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓阻式高頻壓力變送器、數(shù)據(jù)采集儀及配套分析軟件組成;點火系統(tǒng)選用高能電子點火器，點火能量6 J;配氣系統(tǒng)由真空泵和配氣儀組成。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of the experimental device

圖2 氣體爆炸實驗裝置Fig.2 Experimental device of gas explosion

1.2 實驗內容

(1)極限氧體積分數(shù)。測極限氧體積分數(shù)時，甲烷與空氣的配比始終按照化學當量比進氣，然后充入不同體積比的惰性混合氣(純N2，3 ∶1、2 ∶1、1 ∶1、1 ∶2、1 ∶3 的N2/CO2混合氣體，純CO2)。

(2)爆炸極限。測爆炸極限時，改變甲烷和空氣的配比，先充入80%或90%的甲烷與空氣的混和物，然后充入純N2，體積比為2 ∶1、1 ∶1、1 ∶2 的N2/CO2混合氣體，純CO2進行實驗。

(3)抑爆效果。惰性混合氣體體積分數(shù)分別為10%和20%時，甲烷體積分數(shù)為6%時進行實驗。

1.3 實驗條件

實驗時，環(huán)境溫度18 ℃，采用中心點火，點火能量6 J。點火前的初始壓力為大氣壓力。通過觀察壓力的變化，判斷是否發(fā)生爆炸。當壓力增加超過初始壓力的7%時認為發(fā)生爆炸。實驗以最大-最小準則來確定爆炸極限，即把實驗所得的能夠爆炸的最高體積分數(shù)和不能爆炸的最低體積分數(shù)的平均值確定為爆炸上限，而把能夠爆炸的最低體積分數(shù)和不能爆炸的最高體積分數(shù)的平均值確定為爆炸下限。

2 實驗結果與分析

2.1 極限氧體積分數(shù)

圖3 為極限氧體積分數(shù)φlim(O2)隨惰性混合氣體中N2含量φ(N2)的變化曲線。從圖中可以看出，隨著N2的增加，極限氧體積分數(shù)呈線性下降。根據(jù)氣體的動理論，認為氣體處于平衡狀態(tài)時，分子任何一個自由度的平均能量都相等。CO2和N2均可認為是理想氣體，其中CO2為多原子分子，自由度為6，N2為剛性雙原子分子，自由度為5，所以CO2的比定容熱容大于N2的。這就意味著隨著惰性混合氣中N2的增加，熱容變小，吸熱變少，只需更少的氧氣就能發(fā)生爆炸。從而使得極限氧體積分數(shù)變小。

運用理論公式計算的極限氧體積分數(shù)為10%，實驗得到的極限氧體積分數(shù)為12.66%～14.74%，在實際生產中，一般要求實際氧含量必須保持比臨界氧含量低20%的安全系數(shù)。計算可得理論值為10%，比實驗值低超過20%，所以運用理論極限氧體積分數(shù)對生產裝置進行惰化防護是合理可行的。

在臨界狀態(tài)下，由于甲烷與空氣是以化學當量比混合的，所以甲烷的臨界體積分數(shù)(處于極限氧體積分數(shù)時甲烷體積分數(shù))隨惰性混合氣中N2含量的變化趨勢和極限氧體積分數(shù)隨惰性混合氣中N2含量的變化趨勢是一樣的，所以可對臨界甲烷體積分數(shù)進行線性擬合。擬合結果見圖4，擬合公式為

圖3 極限氧體積分數(shù)隨N2 含量的變化曲線Fig.3 Limit oxygen volume fraction history for various composition ratios N2

圖4 臨界甲烷體積分數(shù)的擬合曲線Fig.4 Fitted curve of methane volume fraction for various composition N2

2.2 爆炸極限的應用實例

圖5 為不同混合比例的惰性氣體，不同體積分數(shù)φinert時對甲烷爆炸極限的影響?？梢钥闯?，惰性氣體的加入對爆炸上限的影響很大，爆炸上限大幅度下降;而對爆炸下限的影響不是很大，只略有上升。剛加入惰性氣體時，爆炸上限的下降速率很大，繼續(xù)加入后對爆炸上限的影響變緩，幾乎成線性關系。因為在爆炸上限時，氧體積分數(shù)本來就很小，惰性氣體的加入使得氧氣體積分數(shù)更小，所以對上限影響很大。但隨著惰性氣體的繼續(xù)加入，對氧體積分數(shù)的影響就變小了。

假設惰性氣體的總含量為φinert，則得到爆炸上限

爆炸下限

圖5 不同配比惰性混合氣體體積分數(shù)對爆炸極限的影響Fig.5 Influence on explosion limit for inert gases mixture with different compositions

這樣，結合擬合公式(1)確定出臨界甲烷體積分數(shù)φc(CH4)，再代入式(2)～(3)中，分別得到N2/CO2混合氣中N2任意配比含量φ(N2)時及N2/CO2混合氣任意總含量φinert時對應的爆炸上、下限的值。

例1。當惰性混合氣中，φ(N2)∶φ(CO2)=1.5 ∶1時，即惰性氣中N2的體積分數(shù)為60%，代入式(1)得臨界甲烷體積分數(shù)為6.847%。另外，當充入總惰性氣體的量為20%時，分別代入式(2)～(3)得φUFL=10.2%，φLFL=6.35%。即當充入20%的惰性氣體和1.5 ∶1 的N2/CO2混合氣體時，甲烷的爆炸極限為6.35%～10.2%。

2.3 抑爆效果

圖6 為惰性混合氣體體積分數(shù)分別為10%和20%時，甲烷體積分數(shù)為6%時的爆炸壓力曲線圖。雖然惰性氣體的加入對爆炸下限影響不是很大，局限在5.5%～7%的范圍之內。但從圖中可以看出，惰性氣體體積分數(shù)為10%時，隨著混合氣體中CO2含量增加時，峰值壓力逐漸變小，壓力上升速率變化不大，壓力上升曲線幾乎平行。惰性氣體體積分數(shù)為20%時，隨著混合氣體中CO2含量增加，峰值壓力也逐漸變小，壓力上升速率也有明顯下降。這都說明隨著CO2含量的增加，爆炸下限上升得更大，同時說明CO2的抑爆效果好于N2。

圖6 惰性氣體體積分數(shù)為10%和20%時，甲烷爆炸壓力曲線Fig.6 Pressure curves of methane explosion for various compositions，in the presence of inert gases:10%and 20%

3 結 論

(1)隨著惰性混合氣中N2含量的增加，極限氧體積分數(shù)呈線性下降。

(2)任意配比的惰性混合氣對爆炸上、下限的影響均可以認為是線性變化的。

(3)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制純N2、不同體積比的N2/CO2混合氣體和純CO2時的甲烷爆炸極限圖，結合臨界甲烷體積分數(shù)的擬合方程，可以得到N2與CO2任意配比時不同惰性氣體含量的甲烷爆炸極限。

(4)惰性混合氣中CO2的體積分數(shù)越高，抑爆效果越好。

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