复杂工况下可燃气体爆炸特性研究现状及展望

金 潮，郑建国，张文宇，游国强，杜旭红

(中国辐射防护研究院，山西太原 030006)

复杂工况下可燃气体爆炸特性研究现状及展望

金 潮，郑建国，张文宇，游国强，杜旭红

(中国辐射防护研究院，山西太原030006)

从实验研究、数值模拟方面分别介绍了近年来国内、国外学者在复杂工况下可燃性气体爆炸特性方面的研究现状及成果。根据目前实际生产中遇到的问题及现阶段研究工作存在的不足，对今后可燃气体爆炸特性研究进行展望。

复杂工况 可燃性气体 爆炸特性 实验研究 数值模拟

人们对可燃气体爆炸的研究始于1857年英国煤气管道爆炸后。直到19世纪末期，才确定了氢气、甲烷、一氧化碳、乙炔等气体的燃烧与爆炸的特性，提出了预防事故发生的安全措施。然而，目前大多关于可燃气体爆炸特性的研究均局限于单一可燃气体在常温常压下的特性研究，而在实际工业生产中，气体爆炸事故往往发生于多元混合可燃气体在高温高压等复杂工况下发生的爆炸。因此，研究复杂工况下可燃气体爆炸特性对指导实际生产具有重要意义。

1 复杂工况下可燃气体爆炸特性研究

1.1 复杂工况下可燃气体爆炸极限实验研究

国外在早期便开展了关于可燃气体爆炸极限的研究。Wierzba等人[1]通过自行设计的实验装置对常压下碳氢化合物在不同初始温度下爆炸极限进行了测量，测量结果表明，随着温度升高，碳氢化合物的爆炸极限范围变宽，即爆炸下限变低，爆炸上限变高。G.Ciccarelli等人[2]通过自行设计的实验装置测量了NH3-H2-N2-空气的混合物在常压及不同初始温度条件下的爆炸极限，指出上述多元混合可燃性气体的爆炸极限与Le Chatelier经验公式计算结果大致吻合，且500 ℃下，上述混合气体在测试装置内发生了自燃。F.Van den Schoo等人[3]对C2H6-C3H8-C4H10混合气体在初始条件为3 MPa、250 ℃下的爆炸上限进行测量，测量结果表明，爆炸上限与初始温度成线性关系，初始温度升高，爆炸上限增大。Akifumi Takahashi和Youkichi Urano等人[4]对测试装置大小对可燃气体爆炸极限测量结果的影响进行了研究，研究表明，测试装置直径越小，可燃气体爆炸极限越容易受器壁的阻碍作用，当测试装置直径大于30 cm，高度大于60 cm时，测量的可燃气体爆炸极限结果即可认为是敞开环境中的真实结果。

我国的黄超等人[5]利用20 L圆柱形爆炸容器在高温条件下对正戊烷、正己烷等烷烃气体的爆炸极限进行了测量，得出了爆炸极限与温度的定性关系，指出随着温度升高，上述烷烃类可燃气体爆炸极限范围变宽。李刚等人[6]对不同初始温度、初始压力下煤层气爆炸极限进行了实验测量，测量结果表明，随着初始温度及初始压力升高，煤层气的爆炸极限范围变宽。张娥[7]通过实验对CH4-CO-H2-C2H6混合气体在初始压力为1.5倍大气压下的爆炸极限进行测量，指出上述多元混合可燃气体相对于单一可燃气体，爆炸极限范围对初始压力更敏感，危险性更大。姚洁等人[8]应用阿伦尼乌斯定律建立了初始温度与爆炸下限关系模型，并应用该模型对5种烷烃在不同初始温度下爆炸下限实验值与模型计算值进行对比，指出该模型具有较高的可靠性。

1.2 复杂工况下可燃气体爆炸压力实验研究

国外的F.Cammarota和A.Di Benedetto等人[9]通过实验研究了甲烷在不同初始条件下的最大爆炸压力变化情况，指出同一初始温度下，随着初始压力的增大，最大爆炸压力上升；同一初始压力条件下，随着初始温度的升高，最大爆炸压力反而下降。H.Phylaktou和G.E. Andrews[10]研究了引燃源位置及爆炸性气体浓度对爆炸强度的影响，研究结果表明，气体浓度对气体爆炸强度有较大的影响，可燃性气体浓度在理论混合比附近时，爆炸压力和压力上升速率最高。

我国的张良等人[11]对不同温度条件下一氧化碳与空气混合物在管道内的燃爆特性进行了测量，结果表明初始温度是影响气体燃爆特性的重要因素，混合气体初始温度升高，压力攀升变缓，最大火焰传播速度下降。张建华[12]研究了焦炉煤气在管道内的爆炸特性，得出焦炉煤气的最大爆炸压力与浓度、管径、管长等因素有关，在一定范围内，管径越大，最大爆炸压力越大，管径增大到一定程度，爆燃转化为爆轰。

1.3 复杂工况下可燃气体临界氧浓度实验研究

国外的T.K.Subramaniamd等人[13]利用惰性气体稀释可燃气体与空气的混合物，当惰性介质达一定量后，可燃气体爆炸下限与上限重合为一点，此时混合组分中的氧浓度即为临界氧浓度。

我国的刘振翼和李浩等人[14]通过实验测量了不同初始温度下原油蒸气的临界氧浓度，测量结果表明，随着初始温度升高，原油蒸气的临界氧浓度降低，并应用数值分析原理对临界氧浓度随初始温度的变化规律进行了拟合。李玉峰[15]通过自行设计的试验装置，对煤层混合气在常温常压下的临界氧浓度进行了测量，指出煤层混合气的临界氧浓度为12.95%。傅志远和谭迎新[16]通过实验测量了人工煤气的临界氧浓度，并指出临界氧浓度大小与气体组成、惰性介质种类，以及初始温度和初始压力有关。万成略、汪莉[17]利用化学计量法和作图法就焦炉煤气临界氧浓度进行了初步研究，并指出临界氧浓度的大小与混合气体中惰性气体有很大的关系。钱海林等人[18]通过试验研究了N2-CO2对CH4爆炸的影响，指出随着惰性混合气中N2的增加，临界氧浓度呈线性下降；并且惰性混合气中CO2含量越高，对甲烷爆炸的抑制效果更明显。

综上所述，通过建立实验装置对可燃气体在不同初始温度、初始压力下爆炸特性参数(爆炸极限、爆炸压力及临界氧浓度)变化进行了研究，但上述研究均只针对某些特定的单一可燃气体或多元混合可燃气体，尚未得到广泛适用的数量关系式，还不能准确地预测实际生产过程中可燃气体爆炸特性随工况环境的变化情况。

2 复杂工况下可燃气体爆炸特性数值模拟现状

数值模拟技术诞生于20世纪70年代，随着计算流体力学及计算机技术的飞速发展，由于数值模拟技术成本低、速度快、具有模拟真实条件的能力等，逐渐地被应用于可燃气体爆炸特性研究。

2.1 复杂工况下可燃气体爆炸压力数值模拟

国外的Ulrich Bielert和Martin Sichel[19]采用火焰轨迹方法对密闭管道内预混火焰的传播进行了研究，指出该方法可以用于预测管道内最大爆炸压力和压力上升速率到达的时间。E.Salzano等人[20]用AutoReaGas软件对管道内设有障碍物的爆炸性气体爆燃过程进行了数值模拟，指出气体不会发生准爆轰或C—J爆轰现象，软件模拟结果与试验结果相符。

我国的郭啸峰等人[21]通过计算机模拟了一氧化碳爆燃过程，结果表明在化学当量附近，一氧化碳爆炸所产生压力达最大值；微量水蒸气对爆燃有促进作用，并且点火能量的大小对一氧化碳爆燃强度影响很小。邓军和马晓峰等人[22]利用Fluent软件对CH4在不同初始浓度、点火能量、初始压力下爆炸压力的变化情况进行了数值模拟，结果表明，随着点火能量及初始压力的增大，CH4爆炸所形成的压力峰值随之增大。李润之[23]利用Chemkin软件对不同初始压力下甲烷浓度为化学计量比浓度时爆炸特性进行模拟，指出随着初始压力的增大，爆炸火焰温度升高，化学反应速率加快，点火延迟时间缩短，并且初始压力与火焰温度、化学反应速率及点火延迟时间呈不同的指数关系。

2.2 容器及障碍物等因素对可燃气体爆炸影响数值模拟

国外的Mcihele[24]采用AutoReaGas对管道内气体爆炸进行了数值模拟，结果表明，容器管道系统内可燃性气体发生爆炸的压力峰值和压力上升速率比单个管道高很多，并且指出管道直径对气体爆炸强度影响较大。Domnina Razus[25]等人通过计算机模拟建立了用于计算可燃性气体爆炸临界氧浓度的模型，该模型要求首先获得可燃性混合气体的爆炸下限及绝热火焰温度，作者同时强调该模型计算的结果具有一定的参考价值。

我国的吴兵等[26]从三维N-S方程出发，对可燃性气体爆炸过程中火焰产生压力波的过程进行了数值模拟，并对障碍物对火焰加速机理进行了研究，发现当火焰遇到障碍物时，火焰面发生变形，爆炸传播速度加快。姚海霞[27]、杨宏伟[28]等基于湍流k-ε模型和EBU-Arrhenius燃烧模型，用壁面函数法设置壁面边界层，研究了障碍物与管壁对戊烷-空气预混气体、甲烷-空气预混气体爆炸火焰的诱导加速作用，结果表明，障碍物比管壁对火焰的的加速作用更明显。梁春利[29]基于均相反应流方程组、k-ε湍流模型和EDU-Arrhenius燃烧模型，对设置了障碍物的受限空间内丙烷气体爆炸过程进行了二维空间的数值模拟，结果表明，受限空间内障碍物和湍流对火焰传播具有加速作用，并且随着障碍物阻塞率增大，超压越来越大。陈思维和杜扬[30]以RNG湍流模型及EDU-Arrhenius燃烧模型为基础，建立了管道内可燃气体单步化学反应湍流爆炸模型，对二维管道中惰性气体抑制可燃气体爆炸的过程进行了模拟，指出惰性气体的存在，对可燃气体爆炸具有很好的抑制作用，并且惰性气体含量越大，抑制效果越明显。邢志祥和杜贞等人[31]利用Fluent软件对密闭储罐内多空介质中C3H8-空气混合气燃烧进行了模拟，结果表明，非金属多孔材料对可燃气体具有阻燃及抑爆作用，并且多孔材料的平均孔径越小，其阻火防爆性能越好。

综上所述，数值模拟方法综合考虑了点火能量、障碍物、容器形状、惰性介质等因素对复杂工况下可燃气体爆炸特性的影响，而这正是前述实验研究不足之处。但数值模拟方法也有一定的局限性，首先，数值模拟结果的可靠性主要由所选数学模型准确性决定；其次，数值模拟对数学方程进行求解时，依赖于其收敛性及稳定性，这些方法对非线性方程则不是很有效。

3 展望

开展复杂工况下可燃气体爆炸特性的实验、数值模拟研究，对于有效地预防爆炸事故的发生，降低事故后果造成的人员伤亡、财产损失及环境污染具有很重要的指导意义。但目前尚不能确切地计算出不同多元混合可燃气体在不同初始温度、初始压力下的爆炸特性参数；数值模拟方法由于其自身的局限性，其模拟结果可靠性也待进一步验证。因此，应加强以下方面的研究。

a)借助热力学、化学动力学、爆炸力学等，加强对复杂工况下可燃气体爆炸机理的研究。

b)通过建立适当的试验装置，研究不同初始温度、压力、容器尺寸等环境因素对单一可燃气体及多元混合可燃气体爆炸特性的影响。

c)利用数值模拟技术，完善数学模型，研究大尺寸、复杂环境下可燃气体爆炸特性的变化情况。

[1] I Wierzba, V Kilchyk. Flammability limits of hydrogen-carbon monoxide mixtures at modera- tely elevated temperature[J]. Hydrogen Energy, 2001, 26: 639-643.

[2] G Ciccarelli, D Jackson, J Verreault. Flammability limits of NH3-H2-N2-air mixtures at elevated initial temperatures[J]. Combustion and Flame, 2006, (144): 53-63.

[3] F Van den Schoor, F Verplaetsen. The upper explosion limit of lower alkanes and alkenes in air at elevated pressures and temperatures[J]. Jornal of Hazardous Materials, 2006, (A128):1-9.

[4] Akifumi Takahashi, Youkichi Urano, Kazuaki Tokuhashi, Shigeo Kondo. Effect of vessel size and shape on experimental flammability limits of gases[J]. Journal of Hazardous Materials, 2003, (A150): 27-37.

[5] 黄超,杨续杰,陆路德,等.烷烃高温下爆炸极限的测定[J].化工进展,2002,21(7):496-498.

[6] 李刚,李玉峰,苑春苗.高温和高压下CBM的爆炸极限[J].东北大学学报,2012,33(4):580-583.

[7] 张娥.矿井可燃性气体爆炸特性的实验研究[D].西安:西安科技大学，2010.

[8] 姚洁,蒋军成,潘勇.初始温度对可燃气体爆炸下限影响的研究[J].工业安全与环保,2012,38(2):48-50.

[9] F Cammarota, A Di Benedetto, P Russo, E Salzano. Experimental analysis of gas explosions at non-atmospheric initial conditions in cylindrical vessel[J]. Process Safety and Envrionmental Protection, 2010, (88): 341-349.

[10] H Phylaktou, G E Andrews. Gas explosion in linked vessels, 13thICDERS, Japan, July, 1999.

[11] 张良,魏小林,余立新,等.管道内一氧化碳和空气预热混合物的爆燃特性[J].爆炸与冲击, 2010, (30): 191-196.

[12] 张建华. 焦炉煤气在管道中的爆炸性及其火焰传播规律[J].武汉理工大学学报, 2001, (23): 26-29.

[13] T K Subramaniam, Joseph V Cangelosi.预测可燃性气体中的安全氧含量[J].王先承,初敏,译.低温与特气,1992(2):49-55.

[14] 刘振翼,李浩,邢冀,等.不同温度下原油蒸气的爆炸极限和临界氧含量[J].化工学报,2012,62(7):1998-2004.

[15] 李玉峰.非标准状态条件下CBM爆炸参数特性试验研究[D].沈阳:东北大学，2011.

[16] 傅志远,谭迎新.多元可燃性混合气体临界氧浓度的测定[J].工业安全与环保,2004,30(12):25-27.

[17] 万成略,汪莉.可燃性气体含氧量安全限值的探讨[J].中国安全科学学报,1999,(1):48-52.

[18] 钱海林,王志荣,蒋军成.N2/CO2混合气体对甲烷爆炸的影响[J].爆炸与冲击, 2012, (32): 445 -448.

[19] U lrich Bielert, Martin Sichel. Numerical simulation of premixed combustion processes in closed tubes[J]. Combustion and Flame. 1998, (114): 397-419.

[20] E Salnazo. Numerical simulation of turbulent gas flames in tubes [J].Jounal of Hazardous Materials, 2002, (95): 233-247.

[21] 郭啸华,魏小林,李森,等.CO燃爆过程中火焰传播速度和超压峰值特性的数值模拟研究[J].工业与环境流体力学, 2012, (3): 93-97.

[22] 邓军,马晓峰,高铁林,等.多元可燃气体爆炸压力峰值的数值模拟[J].煤矿安全,2014,04:13-20.

[23] 李润之.点火能量与初始压力对瓦斯爆炸特性的影响研究[D].济南:山东科技大学,2007.

[24] Miehele Maermonti. Numerical simulation of gas explosion in linked vessels[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 1999, (12): 189-194.

[25] Domnina Razus, Maria Molnarne, Codina Movileanu. Estimation of LOC of fuel-air-inert mixtures at elevated temperatures by means of adiabatic flame temperatures[J]. Chemical Engineering and Processing, 2006, (45): 193-197.

[26] 吴兵,张莉聪,徐景德.瓦斯爆炸运动火焰生产压力波的数值模拟[J].中国矿业大学学报,2005, (34): 423-426.

[27] 姚海霞,范宝春.障碍物诱导的湍流加速火焰流场的数值模拟[J].南京理工大学学报, 1999, 23(2):109-112.

[28] 杨宏伟,范宝春.障碍物高度对火焰加速影响的数值模拟[J].弹道学报, 2001, 13(2): 32-36.

[29] 梁春利.内置障碍物受限空间内可燃气体爆炸数值模拟[D].大连:大连理工大学, 2005.

[30] 陈思维,杜扬.惰性气体抑制管道中可燃气体爆炸的数值模拟[J].天然气工业,2006,26(10):137-139.

[31] 邢志祥,杜贞,张成燕,等.密闭储罐内填充非金属多孔材料后预混可燃气体火焰传播的数值模拟[J]安全与环境学报.2014,14(6):91-94.

TheResearchStatusandProspectofFlammableGasExplosionCharactersinComplicatedProcesses

Jin Chao, Zheng Jianguo, Zhang Wenyu, You Guoqiang, Du Xuhong

(China Institute for Radiation Protection, Shanxi, Taiyuan 030006)

The research status and achievements in areas of experimental study and numerical simulation of flammable gas explosion characters in complicated processes are introduced. According to the problems in the practical production and the deficiency of experimental study in this stage, the study on flammable gas explosion characters is prospected in this paper.

complicated processes; flammable gases; explosion characters; experimental study; numerical simulation

2016-03-01

金潮，研究实习员，硕士研究生，2013年毕业于东北大学，现在中国辐射防护研究院从事核设施安全评价及安全技术研究工作。