初始擾動對CO2抑制瓦斯爆炸特性研究*

楊炳輝，江丙友，蘇明清，王培龍，洪 漢，李靜靜，姚 祺

(1.安徽理工大學 工業粉塵防控與職業安全健康教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001；3.中國礦業大學(北京) 應急管理與安全工程學院，北京 100083)

0 引言

瓦斯爆炸是非常嚴重的礦井災害之一。2000—2020年我國特別重大瓦斯爆炸事故共發生49起，死亡2 884人，受傷849人，直接經濟損失8.037 352億元[1-2]。為了對抑制瓦斯爆炸提供理論指導，當前國內外學者針對瓦斯爆炸的抑爆方面進行了許多研究，包括粉體抑爆[3-7]、細水霧抑爆[8-12]及惰性氣體抑爆[13-18]。其中惰性氣體具有成本低廉、清潔、高效、環保、安全等特性，在抑制瓦斯爆炸上被廣泛使用，如路長等[13]開展全氟乙酮與惰性氣體對甲烷爆炸的協同阻爆作用研究；Wang等[14]通過直接測量和模擬研究了H2/CO比和N2/CO2稀釋率對合成氣層流燃燒速度的影響；陳曉坤等[15]測試了CO2對礦井多組分可燃性氣體抑爆特性的影響；陳金健等[16]進行了多元惰氣對瓦斯爆炸特性影響的實驗研究；李成兵等[17]通過數值模擬研究了N2/CO2/H2O抑制甲烷燃燒的影響；張迎新等[18]開展了N2/CO2抑制瓦斯爆炸的實驗研究，研究得出CO2的抑爆效果在惰性氣體中尤為顯著。但由于實際生產過程中的氣體往往并非靜態均勻混合的，絕大多數實際生產空間的氣體環境均呈現為非均勻狀態。有學者研究發現非均勻混合的湍流狀態下瓦斯爆炸強度相比于均勻靜置狀態更高，危險性更大[19-22]。如Wang等[19]研究了初始湍流對密閉空間內甲烷-乙烯-空氣混合物爆炸行為后發現，湍流使爆炸指數變大，從而增加了爆炸的風險；謝溢月等[20]測試了甲烷在不同湍流強度下的爆炸極限，研究表明：與均勻靜置狀態相比，湍流狀態下受限空間內壓強分布不均勻，隨著氣體流動速度增大，壓強減小；Zuo等[21]進行了湍流化學計量H2/CH4/空氣混合物爆炸指數的實驗研究，實驗得出雖然H2/CH4/空氣混合物在層流環境中爆炸指數較低，但一旦環境中出現湍流(即使湍流是非常弱)爆炸指數就會出現明顯增大。

而對于湍流瓦斯爆炸的抑爆方面研究甚少，基于此，本文利用20 L球形爆炸裝置，進行初始擾動下CO2抑制瓦斯爆炸特性影響的實驗研究，以期能夠為安全生產過程中預防瓦斯爆炸事故提供理論指導。

1 實驗系統及方法

1.1 20 L標準爆炸球實驗系統

實驗系統由計算機控制模塊、反應容器(20 L球體)、噴粉模塊、點火裝置、配氣模塊、數據采集模塊組成。反應容器為20 L不銹鋼雙夾套球形容器，如圖1所示。噴粉模塊由0.6 L粉塵倉、回彈噴嘴及氣動閥組成；經控制系統設置相關參數后，氣動閥打開向粉塵倉充入壓縮氣體至設定值后，通過回彈噴嘴將壓縮空氣噴入反應容器內，形成初始擾動。

1.2 實驗方法和步驟

實驗選用CH4濃度為9.5%，分別加入體積分數為0%，5%，10%，15%，20%的惰性氣體CO2，反應容器內為空氣環境。同時通過改變粉塵倉充壓設置不同的初始擾動狀態，設置粉塵倉充壓壓力(以下簡稱粉塵倉壓力)分別為0.5，1，1.5，2 MPa，將粉塵倉充壓壓力設置為0 MPa作為對照組。

實驗裝置根據選擇不同的粉塵倉壓力，通過真空泵將實驗裝置罐體內預配氣體的壓力抽至不同真空度，如粉塵倉內壓力為2 MPa時(不設置CH4及CO2濃度)，預配氣體的壓力將抽至-60 kPa。觸發電磁閥動作后,二者在罐體內混合后的壓力為1個大氣壓，對反應容器內O2濃度并無影響。混合規律如式(1)所示。

(1)

式中：p為點火時刻反應容器內壓力，MPa；v1為實驗裝置罐體容積，L；v2為實驗裝置粉塵倉的容積，L；p1為反應容器內壓力，MPa；p2為粉塵倉內壓力，MPa。

根據美國材料與試驗協會(ASTM)規定，爆炸誘導時間(Ta)為壓力提高7%的時刻，即壓力上升7%以上即認定為爆炸[23-25]。點火時刻與到達最大壓力上升速率時刻之間的時間稱之為快速燃燒時間(Tb)，Tc則是開始點火和達到最大爆炸壓力時刻之間的間隔，即最大爆炸壓力時間，也被定義為燃燒持續時間。

參考GB 803—2008《空氣中可燃氣體爆炸指數測定方法》，對CH4最大爆炸壓力、最大爆炸壓力時間、最大爆炸壓力上升速率進行測試[26]，同時通過CHEMKIN軟件得到絕熱平衡壓力并進行熱損失分析。

測試步驟：首先，在測試系統的操作軟件中輸入CH4與CO2的體積分數值，設置粉塵倉的充壓壓力。開啟實驗后，真空泵將反應容器抽至一定真空度；配氣模塊的電磁閥開啟并將對應體積分數的CH4與CO2氣體充入反應容器內，壓縮空氣充入粉塵倉至設置充壓壓力值；隨后，測試系統打開粉塵倉與反應容器之間的電磁閥并將高壓氣體以一定比例充入爆炸容器內，使爆炸容器內壓力升高至大氣壓；電點火電極自動點火，點火能量為10 J，測試系統自動完成爆炸過程中的數據采集。

每個工況實驗至少進行3組并取平均值。實驗記錄最大爆炸壓力、最大爆炸壓力時間以及最大爆炸壓力上升速率。同時，為了消除燃燒空間對于最大爆炸壓力上升速率的影響，有學者提出了“三次方定律”[27]，如式(2)所示：

(2)

式中：(dp/dt)max為最大爆炸壓力上升速率，MPa/s;KG為爆炸指數，MPa·m/s；V為反應容器體積，m3。

KG數值可以用來表征爆炸強度大小，也可用于評估可燃氣體爆炸后果和安全性。

2 實驗結果及分析

2.1 初始擾動下不同CO2濃度對CH4爆炸強度的影響

圖2所示為CO2濃度及擾動強度對爆炸壓力峰值的影響。隨著CO2濃度逐漸增大，CH4最大爆炸壓力呈下降趨勢，CH4的爆炸強度受到CO2濃度的影響。這主要是由于在反應中，CO2不僅增加了爆炸容器內物質的總熱容，從而降低爆炸強度，還參與鏈式反應中自由基及分子的碰撞，消耗了其中關鍵組分，延后了爆炸反應進程[15]。同時，初始擾動使得CH4的最大爆炸壓力出現明顯增大，相比于靜置狀態存在明顯漲幅，對于CH4爆炸存在促進作用，且擾動的產生削弱了CO2對CH4爆炸的抑制效果，但擾動強度的變化對削弱效果的影響并不明顯。

圖2 初始擾動下不同CO2濃度對9.5% CH4最大爆炸壓力影響Fig.2 Influence of different CO2 concentrations on maximum explosion pressure of 9.5% CH4 under initial disturbance

2.2 初始擾動下不同CO2濃度對CH4爆炸危險度的影響

隨著CO2濃度及初始擾動強度變化，二者對于9.5%CH4最大爆炸壓力上升速率及爆炸指數的影響如圖3所示，其中爆炸指數是由最大爆炸壓力上升速率根據式(2)計算所得，二者具有相同變化規律，因而選擇爆炸指數進行分析。從圖3可以看出，隨著CO2濃度增大，靜置狀態下爆炸指數下降趨勢與存在初始擾動并不相同，存在初始擾動時，爆炸指數下降趨勢相比于靜止狀態下較為緩慢。當CO2濃度為5%時，靜置狀態與初始擾動狀態下的爆炸指數分別為10.998，12.498，13.598，13.198，13.398；當CO2濃度升至10%時，爆炸指數分別為9.599，11.398，10.898，12.698，11.998；且當CO2濃度為15%時的爆炸指數則為8.399，9.198，8.999，11.198，10.799；而CO2濃度升至20%時CH4未發生爆炸。這說明相較于混合均勻的靜置狀態，初始擾動下CH4爆炸指數顯著增加，爆炸危險性更強，但不同初始擾動強度下，爆炸指數間變化很小；即初始擾動狀態下在一定程度上，削弱了CO2的抑爆效果，在同一CO2濃度時，初始擾動狀態下爆炸危險度高于混合均勻的靜置狀態。

圖3 初始擾動下CO2濃度對9.5% CH4最大爆炸壓力上升速率及爆炸指數影響Fig.3 Influence of CO2 concentration on maximum pressure rise rate and explosion index of 9.5% CH4under initial disturbance

2.3 初始擾動下不同CO2濃度對9.5% CH4爆炸危險時間的影響

由圖4可知，在同一初始擾動條件下，隨CO2濃度增大，爆炸誘導時間Ta，快速燃燒時間Tb，燃燒持續時間Tc均逐漸增大。初始擾動產生后，Tb與Tc間差值相比于靜置時存在明顯降低，且Tc數值明顯下降，說明初始擾動對于CH4爆炸存在促進作用。當CO2濃度一定時，初始擾動條件下Ta，Tb，Tc相比于靜置條件下均降低。說明初始擾動一定程度上削弱了CO2的抑爆效果，使得時間參數呈現上升趨勢。

圖4 不同工況下CO2濃度對9.5% CH4爆炸時間參數影響Fig.4 Influence of CO2 concentration on 9.5% CH4 explosion time under different conditions

3 湍流狀態下CO2濃度對CH4燃燒熱損失的影響

根據熱爆炸理論，在CH4從點火到爆炸的過程中，只有部分爆炸產生的能量轉換為了密閉容器內壓力和溫度的升高，一部分能量通過熱交換作用傳遞至密閉容器表面被吸收。因此，實際實驗所得的爆炸壓力低于理想狀態下的理論壓力值。被密閉容器吸收的熱交換能量被定義為爆炸過程中的熱損失Q，爆炸過程中損失的能量占爆炸總能量的百分比定義為熱損失分數F[28]。Q與F通過式(3)～(4)進行計算。

(3)

(4)

式中：Q為爆炸熱損失，kJ/m2；F為熱損失分數，%；V為爆炸球體體積，m3；S為爆炸球體內表面積，m2；λ為絕熱系數，取1.374；Qreal為氣體混合物的總釋放能量，kJ/m2；Pmax，ad，Pmax，real分別為理想狀態和實際情況下最大爆炸壓力，MPa。

混合均勻靜置與初始擾動狀態下CH4爆炸熱損失及熱損失分數隨CO2濃度變化規律如圖5所示。隨著CO2濃度逐漸增大，熱損失Q及熱損失分數F均增大。隨著初始擾動產生，熱損失及熱損失分數相較于靜置狀態出現明顯下降，但不同初始擾動強度間變化不大，說明初始擾動可以顯著降低爆炸熱損失，但與擾動強度間沒有明顯關系。

圖5 不同初始擾動條件下熱損失及熱損失分數變化Fig.5 Variation of heat loss and heat loss fraction under different initial disturbance conditions

靜置狀態下爆炸熱損失更大，反應容器內溫度損失更多，因而爆炸過程中因熱量散失而損耗的能量較多，使得爆炸壓力相比于湍流狀態存在下降趨勢。

4 結論

1)在混合均勻靜置或初始擾動狀態下，CH4的爆炸強度均隨著CO2濃度的增加逐漸減小，整體呈二次曲線下降趨勢，且在任一CO2濃度時刻，各初始擾動間爆炸強度相較于靜置狀態均有提高，不同初始擾動間，粉塵倉壓力為1.5 MPa與2 MPa時爆炸強度稍大，但變化并不顯著。

2)初始擾動在一定程度上削弱了CO2的抑爆效果，使得CH4最大爆炸壓力及爆炸指數相比于靜止狀態均出現上升趨勢，而爆炸誘導時間、快速燃燒時間、持續燃燒時間則表現為下降趨勢。且于粉塵倉壓力為1.5 MPa時分別達到最大爆炸壓力0.78 MPa及最大爆炸指數15.398 MPa·m/s；爆炸誘導時間、快速燃燒時間及持續燃燒時間則分別在0.5，0.5，1.5 MPa時最小，分別為334.8，397.2，418.5 ms。

3)相較于靜置狀態，擾動條件下CH4爆炸熱損失及熱損失分數存在明顯下降，爆炸反應時間變短，散熱量變少，且隨著CO2濃度增大至15%時，擾動條件下爆炸熱損失及熱損失分數下降趨勢逐漸顯著，CO2濃度分別為0%，5%，10%，15%時，擾動條件與靜置狀態間爆炸熱損失差值分別為0.018 66，0.018 81，0.020 96，0.023 1 kJ/m2、熱損失分數差值分別為20.5%，21.1%，29%，29.6%。