三元混合氣體爆炸極限實驗研究

●楊守生，王學(xué)寶

(武警學(xué)院 消防工程系，河北廊坊 065000)

0 引言

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進一步發(fā)展，特別是近年來煤、石油、化工、天然氣等能源的需求量大量增加，使得這些行業(yè)的工業(yè)快速發(fā)展，而同時在相關(guān)工業(yè)中混合氣體爆炸的事故也有所增加。特別是礦井瓦斯爆炸事故［1］。礦井瓦斯從廣義上講是井下有害氣體的總稱，其主要成分有甲烷、重烴、氫、二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、硫化氫等。礦井瓦斯是一種無色、無味、無嗅的氣體。瓦斯密度為0．716 kg·m-3，比空氣輕。所以，瓦斯經(jīng)常積聚在礦井通道的上部。礦井瓦斯本身沒有毒性，但在空氣中占的量多的時候，能使空氣中的氧含量降低，從而使人窒息，甚至死亡。高瓦斯礦井由于煤層瓦斯含量高，一經(jīng)采掘布置，瓦斯就從煤體中脫吸附逸出到巷道、工作面和采空區(qū)。這些瓦斯大部分被通過巷道、工作面的風流帶走，局部風流不暢通的地帶會發(fā)生瓦斯積聚。因此一旦氧濃度超過12%，只要存在火源，就有可能引起這些局部地帶瓦斯燃燒或爆炸，是煤礦中最嚴重的災(zāi)害之一。［2～3］

大力開展礦井瓦斯氣體爆炸特性的研究，研究瓦斯爆炸極限的數(shù)據(jù)和規(guī)律，掌握瓦斯爆炸的特性從而運用其規(guī)律進行預(yù)防和控制煤礦瓦斯爆炸事故的發(fā)生，具有較高的價值［4］。國內(nèi)外對可燃氣體爆炸極限的研究很多［5～13］。本文利用 HY12474型爆炸極限測定儀研究煤礦開采區(qū)常見的可燃氣體混合物爆炸極限隨組分配比變化的情況。通過對三組分不同配比混合氣體的爆炸極限的測試，采用Taylor多項式，擬合出了常壓下三元氣體混合物的爆炸極限隨組分配比變化的經(jīng)驗計算公式。

1 實驗部分

1．1 實驗儀器及實驗藥品

實驗儀器:HY12474型爆炸極限測試裝置，由中國人民武裝警察部隊學(xué)院與公安部天津消防研究所聯(lián)合研制。實驗藥品:無水醋酸鈉，堿石灰，稀硫酸，金屬鋅，電石，水，硫酸銅溶液，濃硫酸，甲酸(均為分析純)。實驗用氣體均采用化學(xué)方法制取。

1．2 測試方法

參照GB/T 12474-2007《空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法》［14］。

1．3 實驗方案設(shè)計及數(shù)據(jù)處理

1．3．1 數(shù)據(jù)處理方法

利用Taylor導(dǎo)出的特殊多項式來處理和分析實驗數(shù)據(jù)。三元混合氣體爆炸極限經(jīng)驗計算公式:

其中的系數(shù)為:b1=Y1，b2=Y2，b3=Y3，b12=4Y12－ 2(Y1+Y2)，b13=4Y13－ 2(Y1+Y3)，b23=4Y23－2(Y2+Y3)，b123=27Y123－12(Y12+Y13+Y23)+3(Y1+Y2+Y3)。

以上公式中，X代表混合氣體中某種物質(zhì)的體積百分比(X1+X2+X3=1);Y代表混合氣體的爆炸極限值。

1．3．2 實驗方案設(shè)計說明

根據(jù)三元混合氣體爆炸極限經(jīng)驗計算公式的原理要求，至少需要10個實驗樣本，表1給出了各組分間的配比［15］。

當每組樣本測出用于經(jīng)驗計算公式的7個值后，即可進行系數(shù)計算，導(dǎo)出經(jīng)驗公式，再由經(jīng)驗公式求得另外3個樣本的計算爆炸上限和爆炸下限，設(shè)定為預(yù)期爆炸上限和爆炸下限，最后將計算值與實測值進行比較，檢驗預(yù)測模型精度。

表1 三組分實驗設(shè)計方案

1．4 實驗數(shù)據(jù)及經(jīng)驗公式推算

1．4．1 單一氣體的爆炸極限值的測試

按照實驗的要求，首先測試出單一氣體在實驗條件下的爆炸極限值，結(jié)果如表2。由表2可以看出，實驗所用設(shè)備測得可燃氣體爆炸極限值與文獻值非常接近。

表2 單一氣體爆炸極限的測試

1．4．2 三元混合氣體的爆炸極限測試及經(jīng)驗公式推算

將甲烷、氫氣、乙炔、一氧化碳按表1規(guī)定比例分別混合，配制成所需的混合氣體試樣，進行爆炸極限測試，結(jié)果如表3。將表3的值代入式(1)，得到幾種情況下混合氣體爆炸上限、爆炸下限經(jīng)驗公式。

表3 三元混合氣體的爆炸極限

甲烷、一氧化碳、乙炔混合爆炸極限經(jīng)驗計算公式:

甲烷、氫氣、乙炔混合爆炸極限經(jīng)驗計算公式:

2 經(jīng)驗公式驗證

按照表1規(guī)定要求配制混合氣體，實測其爆炸極限值，并將相應(yīng)的比例代入對應(yīng)的經(jīng)驗公式計算，其結(jié)果如表4。

由表4可以看出，經(jīng)驗公式計算爆炸極限值與實測值的最大差值在±5．0%以內(nèi)，經(jīng)驗公式的計算值比較準確，可以用于實驗條件下的混合氣體爆炸極限值估算。

表4 混合氣體爆炸極限計算值與實測值的比較

3 結(jié)論

利用HY12474型爆炸極限測試儀測試氣體在不同情況下組成的三元混合氣體的爆炸極限變化規(guī)律進行了實驗研究，采用Taylor多項式，擬合出了常壓下三元氣體混合物的爆炸極限隨組分配比變化的經(jīng)驗計算公式，并通過實驗數(shù)據(jù)進行了驗證。經(jīng)驗公式對給定組分的計算值與實際測試值比較接近。

在實際生產(chǎn)生活中，可通過便攜式檢測儀測得混合氣體中各組分的含量，利用經(jīng)驗公式即可快速判斷出混合氣體的爆炸極限范圍，進而判斷出該混合氣體的火災(zāi)危險性，對于制定相應(yīng)的安全措施和安全要求具有十分重要的現(xiàn)實意義。

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［14］GB/T 12474-2007，空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法［S］．

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