密閉受限空間內N2、CO2對H2/Air混合氣體的抑爆效果研究

鄒 穎，董冰巖，查裕學，殷平平

（江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州 341000）

當今世界隨著大多數不可再生能源的儲量減少，溫室效應加劇，發展可再生的清潔能源就有十分重要的意義[1-4]。而氫能則作為新型可再生能源的代表，具有儲存運輸方便、使用涉及范圍大、利用率高、來源較為廣泛與方便等特點[5-7]。在當今世界里，氫在生物學、工業、醫學、燃料應用、軍工、航天、食品等各方面都有很重要的應用，其重要性已經毋庸置疑[8-13]。但與其廣泛的使用相對應的，其爆炸極限為4%～75%、最小點火能量為0.019 mJ，使其顯得愈發危險[14-16]。因此，對氫氣的防爆、抑爆工作得到了人們的廣泛重視。

早在1958年，青島市勞動局[17]曾在《勞動》期刊上發表《轉爐（貝氏爐）煉鋼安全操作注意事項》一文，對煉鋼過程中存在的危險可燃氣體爆炸危險提出了相應的針對措施。1998年張小和[18]采用噴霧方式對H2、O2預混合氣體爆轟進行抑制，采用水、碳酸鈣以噴霧方式來抑制氫氣爆炸。碳酸鈣與水均有抑制效果且隨著噴射量的不斷增加，其抑制效果越明顯。當碳酸鈣質量濃度為0.526 kg/m3時，火焰被完全抑制。但是由于實驗設備及模擬技術的水平還不是很高，導致部分實驗與模擬的結果吻合度不高。胡耀元等[19]對多元爆炸性混合氣體爆炸的阻尼效應進行了比較系統的研究，系統講述了惰性氣體N2、CO2與水蒸汽對H2爆炸具有一定的抑制作用。INGRAM等[20]模擬研究了采用細水霧抑制氫氣在氮氧環境中的抑爆效果并與實驗相對比，發現有了水霧，燃燒速度在0.1～0.21的無燃料氧餾分等效比范圍內降低。火焰不穩定性隨著細水霧密度的增加而顯著增加，特別是在稀氫混合物中。PARK等[21]研究了添加CO對H/CO/CO合成氣擴散火焰熄滅特性的化學影響，發現添加CO后的化學效應降低了火焰熄滅時的臨界CO摩爾分數，從而在更高的火焰溫度下熄滅了火焰。

綜上可見，對可燃氣體的抑爆研究受到國內外的廣泛關注。而一般的抑爆劑有固體、液體和氣體抑爆劑3種[22]，其中氣態抑爆劑能夠與可燃氣體在分子級別充分混合，并通過物理作用或者物理和化學雙重作用而達到較為良好的抑爆效果，因此本文嘗試以固定H2/Air比例為40%的混合氣體為例，以實驗室內的20 L爆炸球來模擬工業中常涉及到的儲罐、管道、廠房等受限空間或密閉空間來測試使用N2、CO2這2種惰性氣體進行抑爆的結果。而實驗得到的結果能為工業中涉及爆炸危險的場合提供理論支持，為企業開展防爆抑爆工作提供參考。

1 實驗系統

為了充分揭示受限密閉空間內H2/Air混合氣體爆炸的具體過程，本文使用由南京涂末科技有限公司制作的20 L氣體爆炸測試裝置，并配合臺州藤原工業有限公司的真空泵、臺州奧突斯工貿有限公司的空壓機和美國ICP公司的壓力傳感器及傳輸線，共同組合成實驗所需的實驗系統，其主要包括氣路系統、點火系統及數據采集系統。其現場布置如圖1所示，實驗系統如圖2所示。

圖1 實驗設備的現場布置

圖2 實驗系統示意圖

1.1 氣路系統

氣路系統主要由氣瓶、真空泵、空壓機與20 L爆炸球連接組成，再與室外連接。其中真空泵產自臺州藤原工業有限公司，空壓機由臺州奧突斯工貿有限公司生產。

本研究采用分壓法手動配氣方案，利用了理想氣體狀態方程，公式如下：

式（1）中：P為氣體壓力，Pa；V為氣體體積，m3；n為氣體的物質的量，mol；R為阿伏伽德羅常數，8.314 472 m3·Pa·mol-1·K-1；T為氣體的溫度，K。

1.2 點火系統

點火系統主要包括爆炸球內點火電極和PCL控制柜內的高壓脈沖點火器2個部分。點火電極的材料為銅極，2根銅棒間隔為5 mm；而脈沖電壓為±7 kV，峰值電流20 mA，放電時間在控制箱觸摸屏上設置。

1.3 數據采集系統

數據采集系統主要由壁面處的壓力傳感器通過低噪聲屏蔽電纜與PCL柜內的數據采集模塊相連，最后通過計算機輸出實驗的爆炸壓力隨時間變化和爆炸壓力增長率隨時間變化的數據。

2 實驗結果

2.1 N2抑爆結果展示

不同體積分數N2抑爆壓力及壓力增長率隨時間變化曲線如圖3所示。圖3（a）展示了不同體積分數N2（0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、62%）對固定H2/Air比例為40%的混合氣體抑爆效果的壓力隨時間變化的曲線圖。結果顯示隨著N2的加入，對H2爆炸燃燒的抑制有非常明顯的作用，但是爆炸期的3個階段以及爆炸結束后壓力下降的趨勢還是基本不變。當N2的體積分數為10%，即N2與H2/Air混合氣體比例為1∶9時，對氫氣爆炸的影響還較小，可以看到最大壓力只下降了4.5%，而到峰值的時間相差極為微小。之后隨著N2體積分數的不斷增加，在N2體積分數分別為10%、20%、30%、40%、50%時，可以看到基本變化趨勢還是與未添加N2時基本一致；但是可以看到爆炸壓力峰值不斷下降，并且達到峰值的時間也在不斷推后。當N2體積分數為50%時，爆炸直到t=166ms這一時刻才結束，與未添加N2時爆炸峰值到達時間為15 ms相比，增加了近11倍左右；同時可以看到爆炸結束后下降的壓力也是越來越接近常壓。當N2體積分數達到60%，可以看到N2的抑爆效果已經十分明顯，壓力的變化曲線已經不同于之前，雖然還是存在先升高后降低趨勢，但是可以看到此實驗條件下壓力到達峰值前后的變化都較為平緩；爆炸結束后、監測結束前，壓力甚至還未曾回落到常壓下；爆炸結束時間也延后到了590 ms左右，最大爆炸壓力相較于未添加N2時也下降了近70%之多。當N2的體積分數占比達到62%時，可以看到壓力曲線基本趨近平緩，爆炸期的3個階段在監測時間內也未能表現出來，直到監測結束時也只能看到壓力上升階段，可見此時爆炸被抑制到了一個極低的程度。

圖3（b）則展示了不同體積分數N2抑爆過程中，壓力增長率隨時間的變化。從圖中可以看到，當N2的體積分數為10%時，壓力增長率下降了近12.2%，相較于壓力峰值的較小影響，這是因為雖然壓力峰值下降較小，但是由于反應速度很快，在極短的時間內求導計算出來的導數（壓力增長率）變化較大。之后可以看到隨著N2體積分數分別增加到20%、30%、40%、55%時對壓力增長率變化趨勢的影響與壓力變化相似，且第二個峰值也隨著N2體積分數的上升也在不斷增大，直至接近于0 MPa/s。而當N2體積分數達到60%和62%時，可以看到爆炸壓力增長率隨時間變化曲線已失去了之前先上升后下降再上升至0 MPa/s附近這樣一種變化趨勢。N2體積分數為60%時，壓力增長率曲線基本在0 MPa/s左右波動；而N2體積分數為62%時，壓力增長率曲線則一直處于大于0 MPa/s這個狀態，可見此時球內混合氣體雖被點燃，但燃燒較緩，并不激烈，此時的N2體積分數已經十分接近完全抑爆的最佳值。

圖3 不同體積分數N2抑爆壓力及壓力增長率隨時間變化曲線圖

不同體積分數N2抑爆實驗的壓力峰值與壓力增長率峰值變化曲線如圖4所示。從圖中可以看到，各爆炸的壓力曲線峰值出現了隨著N2體積分數不斷增加而不斷減小，并且下降速度呈現越來越快的趨勢；而爆炸的壓力增長率峰值曲線則在N2體積分數為0～10%時下降較緩，N2體積分數為10%～40%時壓力增長率峰值快速下降，N2體積分數為40%～62%時壓力增長率峰值緩緩下降。未添加N2時爆炸Pmax和（dP/dt）max分別為0.66 MPa和140.60 MPa/s，而當N2的體積分數達到62%時，爆炸Pmax和（dP/dt）max分別為0.07 MPa和0.96 MPa/s。而爆炸壓力波要導致人體內臟的損傷而死亡一般超壓值需達到75 kPa以上，此時雖然Pmax為0.07 MPa，依舊會對人體造成較大傷害，但是已經基本進入了不會致人死亡這樣一個安全界限范圍內。N2的體積分數達到62.5%時，爆炸不在發生。

圖4 不同體積分數N2抑爆壓力峰值與壓力增長率峰值變化曲線圖

2.2 CO2抑爆結果展示

不同體積分數CO2抑爆壓力及壓力增長率隨時間變化曲線如圖5所示。

圖5（a）展示了不同體積分數（0%、10%、20%、30%、40%、42%、43%）CO2對固定H2/Air比例為40%的混合氣體的抑爆效果壓力隨時間變化的曲線圖。從圖中可以看到，隨著CO2體積分數增高，爆炸的最大壓力Pmax不斷降低，到達峰值的時間也在不斷推后。當CO2的體積分數分別為10%、20%、30%時，保持基本的爆炸壓力曲線變化趨勢，但爆炸壓力峰值到達時間由未添加N2時的15 ms到20 ms再到46 ms再到125 ms，可以看到時間相差間隔越來越大。而CO2的體積分數為10%時，可計算得出Pmax下降了13.0%，與同樣添加10%的N2時相比下降了4.5%，可以明顯看到CO2的抑爆效果更好。而當CO2的體積分數達到40%之后，爆炸壓力曲線變化開始十分緩慢，直到447 ms時爆炸才結束；當CO2體積分數達到42%，直到500 ms時爆炸才結束。當CO2體積分數為43%時，其壓力變化曲線與N2的體積分數為62%時效果接近，直到監測時間結束壓力都還在上升階段，此時爆炸已被抑制到一個極低的程度，可清楚看出CO2的抑爆效果好于N2。

圖5（b）展示了不同體積分數CO2抑爆過程中，壓力增長率隨時間變化的曲線圖。從圖中可以看到，隨著CO2添加量不斷增加，呈現出了與添加N2基本相差不多的變化情況，在加入量相同的情況下，CO2的抑爆效果比N2更好。當CO2的體積分數達到20%時，壓力增長率變化曲線基本保持先升高到峰值后下降到小于0 MPa/s，再上升到接近于0 MPa/s后保持平穩；而當CO2的體積分數達到30%時，則可以看到曲線大于0 MPa/s的峰值很明顯，但是小于0 MPa/s的峰值則基本上看不到；而當CO2的體積分數達到40%以上時，基本看不到變化趨勢。

圖5 不同體積分數CO2抑爆過程中壓力及壓力增長率隨時間變化曲線圖

不同體積分數CO2抑爆壓力峰值與壓力增長率峰值變化曲線如圖6所示。

圖6中2條曲線的變化趨勢與添加N2抑爆的曲線變化趨勢基本一致，只是在變化節點的位置有所不同。當CO2的體積分數為10%時，爆炸的Pmax和（dP/dt）max分別為0.58 MPa和106.29 MPa/s，CO2的體積分數少于10%時下降較緩，大于10%之后則曲線下降速度加快；當CO2的體積分數達到30%時，壓力增長率峰值曲線下降變緩，而壓力峰值變化曲線下降速度則進一步加快；當CO2的體積分數不斷升高到40%、42%、43%時，爆炸的壓力峰值變化曲線下降速度進一步加快，壓力增長率峰值變化曲線則進一步變緩，且這3個體積分數的Pmax值分別為0.16 MPa、0.15 MPa、0.06 MPa，（dP/dt）max值則分別為1.76MPa/s、1.22 MPa/s、1.22 MPa/s；CO2的體積分數為43.3%左右時，Pmax和（dP/dt）max值降為0 MPa和0 MPa/s，此時爆炸基本被完全抑制。

圖6 不同體積分數CO2抑爆壓力峰值與壓力增長率峰值變化曲線圖

2.3 抑爆效果對比

在實際爆炸過程中，最大壓力Pmax和爆炸指數KG是構成表征點火和爆炸嚴重程度的特征參數，是準確評估爆炸危害即為至關重要的一環。加入惰性氣體后，最大壓力Pmax和爆炸指數KG變化如圖7所示。而爆炸指數KG可根據最大壓力上升速率（dP/dt）max計算出來，其計算公式如下：

式（2）中：KG為爆炸指數，MPa·m·s-1；為最大壓力上升速率；V為容器容積，m3，實驗容器的容積為20 L，即0.02 m3。

圖7（a）展示了球形爆炸球內壁面處壓力峰值Pmax隨惰性氣體（N2、CO2）體積分數變化的曲線圖，圖7（b）展示了球形爆炸球內壁面處爆炸指數KG值隨惰性氣體體積分數變化的曲線圖。

圖7 CO2與N2抑爆效果對比

從圖中可以看到，隨著惰性氣體的體積分數增加，2種惰性氣體都對H2爆炸有較好的抑爆效果；但是無論是壓力峰值曲線Pmax、壓力增長率峰值（dP/dt）max曲線還是爆炸指數KG值，CO2及N2體積分數占比相同時，都可以看到添加CO2之后的值都要低于N2；且爆炸的各項指數達到0時，CO2的占比在42.3%左右，要遠低于N2占比（62.5%左右），很明顯看出CO2抑爆效果遠好于N2。

3 結果分析

3.1 抑爆原因分析

從上述實驗結果可以得出，N2、CO2這2種惰性氣體都有較為良好的抑爆效果，但是CO2的抑爆效果要好于N2。2種氣體可抑爆的共同原因如下：①可燃氣體爆炸三要素為一定質量濃度的可燃氣體、一定量的氧氣以及足夠熱量點燃它們的火源，三者缺一不可，而N2的加入則會降低H2以及O2的質量濃度，可達到抑制爆炸的效果。②N2作為良好的惰性氣體，基本不參與爆炸過程，加入N2之后會降低H2和O2的質量濃度，增加活性粒子與N2分子碰撞的概率，損壞大量活性自由基，減少各個活性粒子間的碰撞概率，以達到抑爆目的；初始添加N2時，對H2和O2體積分數配比影響較大，且較為明顯；當繼續添加N2的體積分數超過40%之后，添加的N2已經較多，球內的活性粒子碰撞到的概率本來就比較少，此時再添加N2的效果就會降低。③由于N2的比熱容要大于O2，而在H2體積分數固定的情況下隨著N2的不斷添加，會使混合氣體在溫度升高時吸收的熱量減少，降低爆炸的強度。④考慮到本實驗是采用中心點火方式，而H2的摩爾質量遠小于N2和O2，當加入的N2過多時，N2與O2會下沉，而H2會上浮，這也是導致爆炸強度減弱或無法爆炸的一個影響因素。

3.2 CO2抑爆效果優于N2的原因分析

由于2種惰性氣體在物理性質和化學性質上的差別，使得CO2的抑爆效果好于N2，主要原因如下：①相同條件下，CO2的比熱容大于N2，所以CO2的吸熱能力要大于N2的吸熱能力，這就使得在分別加入相同質量濃度的2種惰性氣體的情況下CO2比N2吸收了更多原本屬于氫氣爆炸所需要的能量，這也就導致CO2的抑爆效果會好于N2。②雖然在爆炸系統中添加N2和CO2都會增加自由基與惰性介質分子的碰撞概率而阻礙活性粒子間碰撞，以達到阻礙鏈式反應繼續而抑爆的目的，但是CO2的分子體積大于N2，在氣體質量濃度相同的情況下，自由基與CO2分子碰撞的概率要大于與N2分子碰撞的概率。③N2的分子鍵能為945.8 kJ/mol，這表明N2分子具有極好的穩定性，很難斷裂形成自由基；CO2的分子鍵能則只有531.4 kJ/mol，使得CO2可在吸收較小能量的情況下斷裂為CO、O等自由基，而這些自由基會與活化基團碰撞，影響爆炸的鏈式反應速率，使活化基團失去活性而終止鏈式反應過程。

4 結論

爆炸壓力曲線呈現先升高到峰值后降低的變化過程，并且由于產生的水蒸汽隨溫度回歸常溫而變成液態水，使得溫度會低于初始的常壓，而壓力增長率曲線則呈現先升高后降低再升高的變化趨勢。隨著添加的N2的體積分數不斷升高，壁面處爆炸壓力峰值Pmax、爆炸壓力增長率峰值（dP/dt）max、爆炸指數KG值都隨之降低，當添加到N2的體積分數達到62.5%左右時，爆炸被完全抑制，此時3個參數都降到0。隨著添加CO2的體積分數升高，出現與添加N2相似的變化，但是在添加CO2體積分數達到43.3%時基本被抑制。由于CO2與N2在物理性質和化學性質上的差別，使得CO2的抑爆效果好于N2。