N2/CO2 混合氣體對甲烷爆炸的影響*

錢海林，王志榮，蔣軍成

(南京工業大學城市建設與安全工程學院，江蘇 南京210009)

在工業氣體爆炸事故中，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、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)包括數據采集系統、點火系統、配氣系統、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;數據采集系統由壓阻式高頻壓力變送器、數據采集儀及配套分析軟件組成;點火系統選用高能電子點火器，點火能量6 J;配氣系統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。測極限氧體積分數時，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分別為10%和20%時，甲烷體積分數為6%時進行實驗。

1.3 實驗條件

實驗時，環境溫度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，判斷是否發生爆炸。當壓力增加超過初始壓力的7%時認為發生爆炸。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和不能爆炸的最低體積分數的平均值確定為爆炸上限，而把能夠爆炸的最低體積分數和不能爆炸的最高體積分數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

圖3 為極限氧體積分數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，極限氧體積分數呈線性下降。根據氣體的動理論，認為氣體處于平衡狀態時，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生爆炸。從而使得極限氧體積分數變小。

運用理論公式計算的極限氧體積分數為10%，實驗得到的極限氧體積分數為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。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對生產裝置進行惰化防護是合理可行的。

在臨界狀態下，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(處于極限氧體積分數時甲烷體積分數)隨惰性混合氣中N2含量的變化趨勢和極限氧體積分數隨惰性混合氣中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φinert時對甲烷爆炸極限的影響。可以看出，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，氧體積分數本來就很小，惰性氣體的加入使得氧氣體積分數更小，所以對上限影響很大。但隨著惰性氣體的繼續加入，對氧體積分數的影響就變小了。

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的體積分數為60%，代入式(1)得臨界甲烷體積分數為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分別為10%和20%時，甲烷體積分數為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)根據實驗數據繪制純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的體積分數越高，抑爆效果越好。

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