任常興，張 琰，趙文勝，李 晉

(1.應(yīng)急管理部天津消防研究所，天津 300381；2.天津理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384； 3.國家消防工程技術(shù)研究中心，天津 300381)

0 引言

可燃混合氣體的燃燒或爆炸特性參數(shù)是定性或定量評估爆炸性氣體環(huán)境風(fēng)險的基本依據(jù)，主要取決于爆炸極限(Lower Explosion Limit，LEL；Upper Explosion Limit，UEL)、極限氧濃度(Limiting Oxygen Concentration，LOC)、最小點火能(Minimum Ignition Energy, MIE)、引燃溫度(Ignition Temperature， IT)和最大實驗安全間隙(Maximum Experimental， MESG)等，這些特征參數(shù)與其混合氣體的爆炸傾向性或可能性有關(guān)。其中，可燃混合氣體的爆炸極限和極限氧濃度是表征可燃?xì)怏w爆炸特性的2個重要基本參數(shù)，通常作為工業(yè)爆炸性氣體環(huán)境安全預(yù)警技術(shù)指標(biāo)[1]。可燃混合氣體極限氧濃度的測定是為確定不同氧濃度下的爆炸極限，對于爆炸性環(huán)境現(xiàn)場未知多組分混合氣體爆炸性的判定尤為重要。

目前氣體爆炸性環(huán)境現(xiàn)場偵檢和爆炸傾向性判定通常以現(xiàn)場濃度探測與實驗室測定的爆炸極限進(jìn)行比對確定，缺乏對現(xiàn)場混合氣體爆炸性的直接測定裝置和判定方法，而實驗室測定與裝置的形狀、容積、測試的初始溫度、壓力、濕度和氧濃度等有關(guān)[2-4]，且與現(xiàn)場采樣混合氣體的組分和擴(kuò)散程度有關(guān)?？扇?xì)怏w爆炸極限的實驗室測試裝置可分為管式裝置(T)或球式裝置(B，含圓柱形)，其中管式裝置符合《空氣中可燃?xì)怏w爆炸極限測定方法》(GB/T 12474)、《氣體和蒸氣的爆炸極限測定》(EN 1839)[5]、《氣體和蒸氣的極限氧濃度(LOC)易燃?xì)怏w和蒸氣》(EN14756)[6]、《可燃性氣體和空氣中燃?xì)饣旌衔锏谋O限測定》(DIN 51649)[7]等標(biāo)準(zhǔn)測試裝置規(guī)定；球式裝置可分為20 L的球形不銹鋼爆炸罐、1 m3的圓柱形容器、5 L或12 L短環(huán)頸瓶等，分別應(yīng)符合《粉塵云爆炸下限濃度測定方法》(GB/T 16425)、《空氣中可燃?xì)怏w爆炸指數(shù)的測定》(GB/T 803)、《化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》(GB/T 21844)或《化合物易燃性濃度限值的標(biāo)準(zhǔn)測試方法》(ASTM 681)[8]相關(guān)試驗裝置的規(guī)定。關(guān)于可燃?xì)怏w爆炸性的判定，管式測定裝置均以目測為主，火焰?zhèn)鞑ゲ坏陀?00 mm，或間斷火焰暈達(dá)到管頂部，或不低于240 mm即可判定為發(fā)生爆炸現(xiàn)象，如GB/T 12474、EN 1839等， GB/T 21844或ASTM 681對于待測氣體爆炸性的判定也是目測觀察火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x或角度來確定；球式測定裝置通常以點火時刻的壓力上升量來判定，如EN 14756、《氣體和蒸氣極限氧(氧化劑)濃度的標(biāo)準(zhǔn)測定方法》(ASTM E2079)[9]等，初始爆炸壓力分別提升5%、7%(絕壓)即可判定為爆炸現(xiàn)象已發(fā)生，點火能量2～5 J。夏陽光等[10]基于絕熱火焰溫度建立了混合氣體LEF和UFL的預(yù)測模型，實現(xiàn)了多元混合氣體爆炸極限的理論預(yù)測，而對含C2H4和CO混合組分預(yù)測結(jié)果偏差較大。金滿平等[11]研究了溫度對烴類氣體爆炸極限的影響，認(rèn)為C1～C4烴類氣體的爆炸下限在20～140℃范圍內(nèi)與溫度呈線性關(guān)系;Takahashi[3]、Zlochower等[4]系統(tǒng)研究了爆炸初始條件對爆炸極限的影響，認(rèn)為爆炸極限與測試容器形狀和容積有關(guān)，以目測為主且尚未涉及現(xiàn)場氣體爆炸測定分析。為此，急需對多元混合氣體直接進(jìn)行爆炸性試驗測定，且適用于爆炸性環(huán)境現(xiàn)場測試，進(jìn)而提高判定的客觀性和科學(xué)性。

針對?；沸孤﹫鏊鶜怏w爆炸性環(huán)境的現(xiàn)場測試判定需求，筆者研發(fā)了1種混合氣體爆炸性現(xiàn)場測試裝置，改變了傳統(tǒng)目測的判定方式，提出了未知混合氣體爆炸性傾向的高速壓力和溫度雙重探測指標(biāo)及判定方法，并開展了典型可燃?xì)怏w的爆炸性對比實驗分析。該裝置實現(xiàn)了現(xiàn)場混合氣體的自動采樣及爆炸性測試判定，可用于對有混合氣爆炸傾向的現(xiàn)場快速評定，對于現(xiàn)場警戒區(qū)、疏散區(qū)劃分以及應(yīng)急救援處置決策等具有重要的現(xiàn)實意義。

1 實驗裝置

1.1 實驗裝置

自行研制的混合氣體爆炸性現(xiàn)場測試裝置包括設(shè)置在便攜式箱體內(nèi)的自動采樣系統(tǒng)、爆炸腔體及阻火泄壓系統(tǒng)、超高溫點火系統(tǒng)、智能控制及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)和電源等，實現(xiàn)了混合氣體現(xiàn)場爆炸性測試裝置的小型化和溫度壓力的高速測量。基于設(shè)備爆炸性環(huán)境防爆產(chǎn)品的性能要求，采用了防爆阻火性能設(shè)計，確保測試設(shè)備不能引燃外界爆炸性氣體環(huán)境。裝置采用超高溫鉑熱點火，點火能量約30～50 J；壓力探測采用陶瓷壓力傳感器，測量范圍-0.1～2.0 MPa，響應(yīng)時間不大于1 ms，采樣頻率5 000 Hz；溫度探測采用高速熱電偶溫度傳感器，測量范圍0～1 360℃，響應(yīng)時間不大于1 ms，采樣頻率5 000 Hz；裝置外形尺寸為320 mm×116 mm×203 mm，爆炸腔體采用304不銹鋼，耐壓2.5 MPa，容積為1L，φ98 mm×132 mm。目前可燃?xì)怏w爆炸極限典型測定裝置包括：1)管式裝置符合GB/T 12474-2008要求；2)5 L和20 L球式裝置分別符合《化學(xué)品(蒸氣和氣體)可燃性濃度極限的標(biāo)準(zhǔn)測定方法》(ASTM 681-01)和《粉塵火災(zāi)和爆炸危險-評估、防護(hù)措施-粉塵安全特性的測定方法》(VDI 2263-1)[12]的要求。測試裝置的容積形狀、點火裝置及爆炸性判定準(zhǔn)則見表1，可知管式測定裝置的爆炸性判斷采用肉眼視覺判斷，球式爆炸裝置多以初始壓力提升率判斷。

1.2 爆炸性判定方法

含單一可燃?xì)怏w的混合氣體爆炸性的判定通常有3種方法：科瓦德爆炸三角形法、美國礦業(yè)局的爆炸三角形計算方法和極限氧濃度法[13]。含多種可燃?xì)怏w的混合氣體爆炸性的判定采用預(yù)測和理論計算，與實際情況往往存在較大的差異，為了真實反映爆炸性氣體環(huán)境的

表1 常壓條件下爆炸極限測定裝置比較Table 1 Apparatus parameters of the compared test methods for explosion limit determination at atmospheric pressure

未知組分混合氣體的爆炸性需要進(jìn)行直接的點火測定，從而判定是否具有爆炸性?，F(xiàn)場爆炸性氣體判定指標(biāo)通常有以下4類：①目測觀察，即點火后火焰?zhèn)鞑サ木嚯x或角度，如管式測定法；②壓力上升準(zhǔn)則，即當(dāng)爆炸壓力上升到一定值時判定為爆炸現(xiàn)象發(fā)生；③典型反應(yīng)產(chǎn)物的分析，如CO2、CO、H2O等；④爆炸過程的壓力-時間曲線的數(shù)學(xué)分析等。目測法通常與測試人員的經(jīng)驗有關(guān)，且爆炸下限或上限附近的爆炸現(xiàn)象判定有時不很明顯。對于反應(yīng)產(chǎn)物的分析，通常需要色譜等檢測設(shè)備，僅限于實驗室測定，不適合爆炸性氣體環(huán)境現(xiàn)場測定。為此，可以采用爆炸過程壓力上升準(zhǔn)則和溫度上升準(zhǔn)則的雙重探測判定標(biāo)準(zhǔn)，且結(jié)合爆炸過程的壓力/溫度-時間變化曲線的趨勢分析給出爆炸性的綜合判定相對客觀。依據(jù)爆炸過程的壓力和溫度上升判定準(zhǔn)則如下：

PR=(Pmax-ΔPignitor)/Pignitor

(1)

TR=Tmax-Tignitor-ΔTignitor

(2)

式中:Pignitor為在點燃時刻測試爆炸腔體內(nèi)壓力，MPa；Tignitor為在點燃時刻測試爆炸腔體內(nèi)溫度，℃；ΔPignitor和ΔTignitor分別為爆炸腔體內(nèi)空氣狀態(tài)下點火源本身導(dǎo)致的壓力和溫度的上升量，單位分別為MPa、℃；Pmax為點燃后爆炸腔內(nèi)測定的最大壓力，MPa；Tmax為點燃后爆炸腔內(nèi)測定的最高溫度，℃；PR為混合氣體爆炸過程的壓力提升率，通常設(shè)定為7%～10%，需要結(jié)合測試條件和環(huán)境因素綜合考慮設(shè)定；TR為混合氣體爆炸過程的溫度提升值，℃,綜合環(huán)境因素和測試條件確定，通常設(shè)定為30～100℃。關(guān)于爆炸過程壓力提升率的設(shè)定，Cashdollar等[14]采用20 L爆炸球測定了甲烷、乙烷和氫氣的爆炸極限，設(shè)定為PR≥1.07；關(guān)于爆炸過程溫度的提升值，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均未涉及；Tschirschwitz等[15]開展了高溫高壓下甲烷、氫氣、氨氣、丙烷、正己烷等典型可燃?xì)怏w爆炸性測定，給出溫度提升值100 K的判定標(biāo)準(zhǔn)；Schr?der等[16]比較了不同測試裝置和爆炸性判定標(biāo)準(zhǔn)測定爆炸極限的差異性，認(rèn)為球式裝置壓力提升量判定沒有管式火焰?zhèn)鞑ビ^察敏感。為此，筆者采用爆炸過程壓力和溫度的雙重判定準(zhǔn)則，滿足式(1)或(2)的任意條件即判定為爆炸性氣體，同時通過顯示點火期間的壓力-時間曲線和溫度-時間曲線進(jìn)行可視化處理，直觀反映爆炸腔體內(nèi)是否發(fā)生爆炸現(xiàn)象。

2 結(jié)果與討論

2.1 混合氣體爆炸壓力

選取乙烯(純度99.99%)、丙烷(優(yōu)質(zhì)品，純度99.99%)、液化石油氣(家用普通型，丙烷和丁烷含量不低于97%)，采用5 L球狀短頸玻璃瓶、管式裝置和20 L球爆炸裝置進(jìn)行爆炸極限測定，見表2。發(fā)現(xiàn)上述3種標(biāo)準(zhǔn)測試裝置對可燃混合氣體的爆炸下限測定一致性較好，爆炸上限存在較大差異性。這主要是由于爆炸下限附近，爆炸壓力或火焰?zhèn)鞑ゴ嬖谔S，爆炸性現(xiàn)象判定比較明顯，根本原因是氧氣量充足；爆炸上限附近存在漸變趨勢，氧氣量不足，對爆炸現(xiàn)象的判定存在過渡區(qū)，不同測定者選取的判定界限存在差異性。同時，5 L裝置采用高精度壓力傳感器，測定的爆炸極限范圍相對較寬。

采用帶攪拌功能的20 L氣體爆炸裝置進(jìn)行測定，隨著濃度變化，丙烷和乙烯的最大爆炸壓力變化曲線如圖1所示。爆炸下限附近最大爆炸壓力呈現(xiàn)突變現(xiàn)象，爆炸上限附近爆炸壓力呈現(xiàn)逐級降低。采用混合氣體爆炸性現(xiàn)場測試裝置(1 L)，以丙烷和乙烯的最大爆炸壓力隨濃度變化的趨勢比較(見圖2)，呈現(xiàn)類似現(xiàn)象，混合氣體緩慢燃燒時壓力提升不明顯，且最大爆炸壓力低于20 L球測定值，如乙烯和丙烷的20 L球測定最大爆炸壓力0.905 MPa和0.849 MPa，1 L爆炸腔體測定最大爆炸壓力0.784 MPa和0.742 MPa，相比降低了13.4%和12.6%。

表2 典型可燃?xì)怏w爆炸極限實驗測定Table 2 Explosion limits for some combustible gas in air determined with different test apparatus

圖1 乙烯和丙烷的最大爆炸壓力-濃度曲線(20 L球)Fig.1 Influence of concentration on Pmax for ethylene and propane(20 L apparatus)

圖2 乙烯和丙烷最大爆炸壓力-濃度曲線(1 L裝置)Fig.2 Influence of concentration on Pmax for ethylene and propane(1 L apparatus)

2.2 混合氣體爆炸過程溫度

以1 L爆炸腔體測定丙烷、乙烯和液化石油氣的爆炸性，測定過程溫度的判定標(biāo)準(zhǔn)為TR=30℃，爆炸壓力的提升量為點火時刻初始壓力的10%。以丙烷為例，從混合氣體爆炸過程溫度變化來看(見圖3)，體積分?jǐn)?shù)3.0%～7.0%范圍內(nèi)爆炸過程溫度上升明顯，爆炸下限附近(1.8%～2.3%)混合氣體爆炸過程溫度呈上升趨勢，1.5 s時達(dá)最高溫度62～86℃；爆炸上限(8.5%～10.0%)混合氣體爆炸過程溫度呈上升趨勢，測試過程記錄最高溫度范圍為107～240℃。可見，從爆炸過程溫度變化來看，混合氣體丙烷的爆炸極限范圍(1.8%～10.0%)比20 L測試爆炸極限范圍寬。

選取乙烯的最大爆炸壓力和最大爆炸溫度進(jìn)行比較(見圖4)。乙烯濃度從體積分?jǐn)?shù)2.7%至體積分?jǐn)?shù)35%過程中，混合氣體的最大爆炸壓力和最高溫度均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢；在爆炸下限體積分?jǐn)?shù)2.8%附近，爆炸壓力提升不明顯而爆炸過程溫度提升明顯；同樣，爆炸上限體積分?jǐn)?shù)為30%～35%，其最大爆炸壓力提升不明顯，而爆炸過程3 s之內(nèi)最高溫度達(dá)146℃以上。對于乙烯在爆炸上限和下限濃度附近，氣體被點燃后微弱燃燒，爆炸壓力提升不明顯，但由于消耗爆炸腔體內(nèi)的氧氣其爆炸壓力呈現(xiàn)下降趨勢，呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)。對于液化石油氣LPG來說，爆炸壓力和爆炸溫度呈現(xiàn)同樣的趨勢變化(見圖5)，但LPG氣體在逼近爆炸上限過程中溫度變化的更加明顯，這與液化石油氣的高熱值有關(guān)。液化石油氣LPG 的熱值為110 MJ/m3，乙烯熱值為63.4 MJ/m3，明顯低于液化石油氣LPG。

圖3 丙烷混合氣體爆炸過程溫度-時間曲線(1 L裝置)Fig.3 Temperature/time-diagram of propane-air mixtures explosion(1 L apparatus)

圖4 乙烯濃度與最大爆炸壓力和最大溫度變化曲線 (1 L裝置)Fig.4 Pmax and Tmax/concentration-diagram of ethylene-air mixtures explosion(1 L apparatus)

圖5 LPG濃度與最大爆炸壓力和最大溫度變化曲線 (1 L裝置)Fig.5 Pmax and Tmax/concentration-diagram of LPG-air mixtures explosion(1 L apparatus)

2.3 混合氣體爆炸性判定比較

采用帶攪拌功能的20 L球與混合氣體現(xiàn)場爆炸裝置進(jìn)行測定對比分析，隨著乙烯和LPG氣體濃度的增加，其最大爆炸壓力的對比變化趨勢如圖6所示。隨著可燃?xì)怏w濃度的增加，其最大爆炸壓力呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，且1 L混合氣體現(xiàn)場爆炸性測試裝置的最大爆炸壓力值相對偏低；在可燃?xì)怏w爆炸上限和爆炸下限附近，混合氣體的爆炸壓力相對較低，2種裝置的測試結(jié)果比較接近，其中LPG氣體的爆炸上限采用混合氣體現(xiàn)場測試裝置相對較明顯，即1 L爆炸腔測得LPG氣體的爆炸上限相對較寬，而丙烷和乙烯相對不明顯，這可能是由于LPG的熱值較高，一旦被引燃，溫度迅速上升且氣體膨脹壓力增大。

圖6 乙烯和LPG濃度與最大爆炸壓力曲線(1 L和 20 L測試裝置)Fig.6 Pmax /concentration-diagram of ethylene /LPG-air mixtures explosion(1 L and 20 L apparatus)

管式測定法對于爆炸性的判定采取目測觀察，與試驗操作人員的經(jīng)驗判定有極大關(guān)系，與文獻(xiàn)公布數(shù)據(jù)有差異。采用溫度和壓力判定相對比較客觀，且近年來壓力和溫度傳感器的精度和采樣頻率提高，對于爆炸極限范圍的判定相對更準(zhǔn)確?？傮w來看，20 L球和1 L爆炸腔以爆炸壓力提升來判定，對于爆炸下限和爆炸上限比管式法測定窄，且1 L爆炸腔爆炸壓力提升量判定爆炸極限范圍更窄，即在爆炸上限和下限附近爆炸壓力提升量相對不明顯。依據(jù)實驗測定爆炸壓力的判定結(jié)果，以壓力提升量5%～10%判定較適宜，且爆炸下限附近爆炸壓力提升呈跳躍發(fā)展，逼近爆炸上限時其最大爆炸壓力呈緩慢下降趨勢，這與可燃物的盈虧程度有關(guān)。

混合氣體現(xiàn)場爆炸性測試裝置以爆炸過程溫度提升量來判定，爆炸極限范圍比以爆炸壓力提升量判定相對寬，與目測觀察的管式測定法相比，略寬于管式測定法和大部分文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。同時，以爆炸過程溫度提升量判定與可燃?xì)怏w的熱值和燃燒速率有關(guān)，對于熱值較高的氣體其溫度提升量比較明顯，如液化石油LPG。依據(jù)實驗爆炸過程溫度測量判定的結(jié)果，爆炸過程溫度提升量以ΔT=30℃判定為宜，且與實驗數(shù)據(jù)的測定時間有關(guān)，可燃?xì)怏w爆炸極限附近若被點燃，溫度呈逐步上升趨勢，采樣時間以3 s為限進(jìn)行最大溫度提升量的判定。

3 結(jié)論

1)可燃?xì)怏w爆炸極限的實驗室測試裝置可分為管式裝置或球式裝置(含圓柱形)，管式測定法以目測觀察火焰?zhèn)鞑ヅ卸ūìF(xiàn)象是否發(fā)生，球式采用目測觀察或初始爆炸壓力提升量來判定(5%或7%)。

2)目前實驗室標(biāo)準(zhǔn)測定裝置均不適用于爆炸性環(huán)境現(xiàn)場測定，自行研制了混合氣體現(xiàn)場爆炸性測試裝置，實現(xiàn)了裝置小型化和溫度、壓力的高速測量。采用爆炸過程溫度判定準(zhǔn)則，測定爆炸極限范圍比以爆炸壓力提升量判定準(zhǔn)則變寬，與目測觀察的管式測定法相比，略寬于管式測定法和大部分文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。

3)在國內(nèi)外爆炸性標(biāo)準(zhǔn)對比分析和實驗測試的基礎(chǔ)上，提出了基于壓力和火焰溫度變化相結(jié)合的氣體爆炸性判定指標(biāo)，提高了混合氣體爆炸性判定的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。同時，建議進(jìn)一步開展醇類、氫氟烴類等不同可燃?xì)怏w或蒸氣爆炸性的對比測試，提高爆炸性判定準(zhǔn)則設(shè)置的合理性。