环境温度对预混瓦斯气体爆炸特性的影响

2021-03-04黄子超

煤矿安全 2021年2期

黄子超

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

近年来，由于煤矿开采深度的加大以及煤层自燃发火等原因，致使井下环境温度升高。另外，我国瓦斯抽采利用量快速增长，2015 年全国瓦斯抽采量140 亿m3，利用量达77 亿m3，煤层气燃烧脱氧、蓄热氧化等工艺中环境温度处于几十到几百摄氏度。环境温度变化会造成瓦斯爆炸特性改变，给煤矿安全带来不确定性，也给瓦斯抽采利用带来一系列安全隐患。国外研究机构和学者对特殊环境对可燃气体爆炸特性的影响以及危险程度进行了一定探索。Shigeo Kondo、Jaimes D 等[1-2]利用12、1 L 不同实验容器对甲烷、丙烷、H2/CO 混合气等气体在不同初始温度、初始高压条件下的爆炸极限，得到了可燃极限与环境温度、压力的依赖关系。随着初始温度和压力的升高，可燃气爆炸范围增大，爆炸危险性增大。Wan Xin[3]等人研究了较高温度和压力对爆炸下限的影响，提出了预测可燃气爆炸下限的理论方法。李润之、刘丹等[4-6]运用20L 爆炸实验装置对不同初始压力、湿度、温度以及耦合条件下瓦斯爆炸的危险程度进行了实验测试。罗振敏[7]利用FLACS 数值软件模拟了C2H2、C2H6等气体按不同比例与甲烷混合后爆炸特性参数的变化。但由于特殊环境条件下可燃气爆炸特性实验没有统一的方法和标准，该方面的研究依然较少，亦没有形成系统的理论体系。为此，采用20 L 特殊环境爆炸实验装置，通过改变环境温度，对预混瓦斯气体的爆炸压力特性、燃烧特性、爆炸极限等多个参数进行了综合、系统性测试，进行分析温度对瓦斯爆炸特性的影响规律。

1 实验系统及实验方法

1.1 实验系统

瓦斯气体爆炸实验在20 L 特殊环境爆炸特性实验系统中进行。实验系统包括实验罐体、预混气体储罐、加热系统、抽真空系统、点火发生器、控制系统、采集测试系统等组成，实验系统组成示意图如图1。实验罐体通过内部的加热丝和外壳夹层内的导热油进行加热和保温，由罐体上的温度传感器连接至控制系统监测罐体内的温度，系统最高环境温度可达200 ℃。控制系统控制着罐体的抽真空、进气、温度加热及监测、点火、数据采集等流程操作及信息监测，由测试系统采集每次爆炸实验罐体内的压力数据，采样率1 MS/s。

图1 实验系统组成示意图Fig.1 Schematic diagram of the test system

1.2 实验方法

实验前通过压力配比法配置当量浓度附近的瓦斯混合气体，预先通过循环搅拌充分混合均匀，甲烷体积浓度为10.1%。实验通过点火能量发生器对点火电极高压放电，引爆罐体内预混瓦斯气体，点火能量为10 J。

实验方法可概括为“抽真空-充气-点火-判定-改变条件重复实验”。控制系统通过时序电路控制实验装置抽真空、进气、点火测试等过程节点。罐体壁面安装压力传感器，通过测试软件触发采集实验中爆炸压力的实时变化，实验数据通过无线传输技术发送并保存至系统。

实验首先测试了常温常压条件下瓦斯爆炸特性参数，之后通过改变环境温度测试预混瓦斯气体的爆炸压力、压力上升速率、燃烧特性、爆炸极限等参数变化。实验环境温度条件变化范围是20～200 ℃，温度测试点分别选取20、50、75、100、125、150、175、200 ℃。文中提到的压力均为绝对压力，实验环境初始压力为0.1 MPa，环境相对湿度为78%～80%，预混瓦斯气体点火前为静态，点火能量10 J。

2 实验结果

2.1 对爆炸压力特性的影响

粉尘爆炸最大压力pex是指在某一粉尘浓度条件下测得的爆炸压力p 曲线的最大值；（dp/dt）ex为压力曲线上升变化的最大值。在20 L 特殊环境爆炸实验装置中进行了常压不同环境温度条件预混瓦斯气体爆炸测试，不同环境温度瓦斯爆炸压力曲线如图2，对比了20、50、100、150、200 ℃温度下爆炸压力曲线变化。

图2 不同环境温度瓦斯爆炸压力曲线Fig.2 Curves of gas explosion pressure under different ambient temperatures

点火后，预混气体快速反应，爆炸压力急速上升，当压力上升到最大值后逐渐下降。由于实验装置具有承压、密封性，但并非理想绝热条件，所以在点火400 ms 后，罐体内仍有一定的超压值。在室温20℃时，爆炸最大压力为0.894 MPa，最大压力上升速率为（dp/dt）ex为27.3 MPa/s。

对比不同温度爆炸压力曲线变化发现，随环境温度的升高，瓦斯爆炸最大压力明显降低，到达最大压力的时间提前，最大压力上升速率基本呈现在同一水平线上。不同环境温度对爆炸压力特性参数的影响如图3。在环境温度200 ℃条件下，爆炸最大压力为0.502 MPa，相对于室温条件下降了43.8%；而压力上升速率维持在22.8～27.3 MPa/s 范围内。

图3 不同环境温度对爆炸压力特性参数的影响Fig.3 Effect of ambient temperatures on characteristics of explosion pressure

由于实验装置内压力保持为常压，根据气体状态方程，随环境温度的升高，预混气体物质的量减少，释放热量减少，这是造成最大压力降低的主要原因。压力上升速率是燃烧爆炸反应质量变化速率的反映，虽然燃烧体系气体分子量减少，但根据Arrhenius 定律，环境温度升高引起化学反应速率明显加快[8]，同时形成了正反馈、负反馈效应，从而使得最大压力上升速率无明显变化。

2.2 对爆炸燃烧反应特性的影响

2.2.1 爆炸反应时间

引入爆炸反应时间ta的定义，表示第a 次实验时，爆炸实验由点火时刻至达到最大压力pex的时间差，不同环境温度条件下预混瓦斯爆炸反应时间对比图如图4。爆炸反应时间的长短体现了预混瓦斯气体燃烧反应剧烈程度，图4 对比了环境温度20 ℃分别与不同高温环境条件的瓦斯爆炸反应时间。室温20 ℃时，20 L 定容瓦斯爆炸反应时间t1为140 ms，50、100、150、200 ℃爆炸完全反应所消耗的时间t2～t5分别为131、110、94、86 ms。随环境温度的升高，预混瓦斯气爆炸反应所需要的时间明显缩短。环境温度升高到200 ℃，爆炸反应时间缩短了54 ms，减少了38.6%。

图4 不同环境温度条件下预混瓦斯爆炸反应时间对比图Fig.4 Comparison diagrams of premixed gas explosion reaction time under different ambient temperatures

根据测试结果，得到了实验条件下预混瓦斯爆炸反应时间随环境温度升高的变化曲线，环境温度对爆炸反应时间的影响如图5，爆炸反应时间呈现指数衰减的变化趋势。

图5 环境温度对爆炸反应时间的影响Fig.5 Effect of ambient temperatures on explosion reaction time

由于环境温度升高，气体分子内能增加，运动速率加快，碰撞几率增加，根据定容爆炸模型[9]，20 L实验装置瓦斯爆炸反应速率加快，致使可燃气体完全反应需要的时间减少。对测试结果进行数据拟合分析，拟合函数如下：

式中：T1为爆炸反应时间，ms；X 为环境温度，℃；y1、A1、a1为常数，根据变化特性分别取67.38、87.17、126.61；指数拟合的相关性系数R2为0.966 4。

2.2.2 点火延迟时间

预混瓦斯爆炸的高压放电点火时为0 时刻，点火后压力并没有立即上升，而是有几十毫秒的感应时间，即瓦斯爆炸点火延迟时间[10]。实验中，点火延迟时间记为从点火至测试系统探测到压力开始上升之间的时间差。环境温度对点火延迟时间的影响如图6。

图6 环境温度对点火延迟时间的影响Fig.6 Effect of ambient temperatures on ignition delay time

室温20 ℃时，瓦斯点火延迟时间为44 ms，而环境温度升高至200 ℃时，点火延迟时间降低至29.6 ms。对测试结果进行数据拟合分析，拟合函数如下：

式中：T2为点火延迟时间，ms；y2、A2、a2为常数，分别取25.90、21.23、115.03；指数拟合的相关性系数R2为0.987 8。

分析可知，环境温度与点火延迟时间之间呈指数衰减的变化关系，当环境温度的升高，爆炸点火延迟时间逐渐降低，且减小速率逐渐变缓。

瓦斯爆炸反应机理分析以热爆炸理论和链式反应理论为基础，环境温度的提高使气体分子碰撞速率加快，而且使分子的内能增加[11-12]，使其由初始状态上升到活化状态所需的能量减少。另外，高温使可燃气分子热分解速率或分解链反应相应加快，从而越容易、越快引起点火源周围更多的瓦斯参与反应，表现为爆炸点火延迟时间明显减少。

2.3 对爆炸极限的影响

2.3.1 判定标准

目前，国内没有关于特殊环境条件下可燃气爆炸极限的测试标准。预混瓦斯气爆炸极限测试参照美国ASTM E918 标准中的判据来判断是否发生了爆炸，如果点火后罐体内的压力相较于初始压力（绝压）上升大于7%，则认为发生了爆炸[13-14]。可燃气爆炸下限、爆炸上限浓度分别通过式（3）、式（4）计算得到。

式中：LEL 为爆炸下限浓度值，%；L1为可燃气体在规定条件下发生爆炸的最小体积浓度，%；L2为可燃气体在规定条件下不发生爆炸的最大体积浓度，%。

式中：UEL 为爆炸上限浓度值，%；U1为可燃气体在规定条件下发生爆炸的最大体积浓度，%；U2为可燃气体在规定条件下不发生爆炸的最小体积浓度，%。

每个测点进行3 次实验，当有1 次或1 次以上爆炸，浓度值记录为L1或U1，并降低或增加1 个步长，直至3 次实验都不爆炸。

2.3.2 对爆炸上限和下限浓度的影响

在环境温度20～200 ℃范围内，在20 L 特殊环境爆炸特性实验装置进行不同环境温度条件极限点附近预混瓦斯气体爆炸测试，探寻爆炸临界浓度。对实验数据处理并根据瓦斯爆炸压力上升值变化，判定是否发生爆炸。根据式（3）、式（4）计算得出不同环境温度对应的瓦斯爆炸上限、下限浓度值，不同环境温度条件下瓦斯爆炸极限浓度见表1。

在实验条件下，室温20 ℃时预混瓦斯气体的爆炸上限、下限浓度分别为15.8%、5.08%。根据表1 可知，随环境温度的升高，瓦斯爆炸上限浓度逐渐增加，下限浓度逐渐降低。当环境温度升高至200 ℃时，爆炸上限增加至17.7%，爆炸下限降低至4.25%，变化率分别为12.0%、16.3%。环境温度对瓦斯爆炸上限、下限浓度的影响如图7、图8。

表1 不同环境温度条件下瓦斯爆炸极限浓度Table 1 The gas explosive limits under different ambient temperature conditions

图7 环境温度对瓦斯爆炸上限的影响Fig.7 Effects of ambient temperatures on upper gas explosive limits

图8 环境温度对瓦斯爆炸下限的影响Fig.8 Effects of ambient temperatures on lower gas explosive limits

根据实验结果分别进行数据拟合分析，拟合函数分别如下：

式中：C1为瓦斯爆炸上限浓度，%；m、k 为常数，根据线性变化规律分别取0.011、15.56；线性拟合的相关性系数R2为0.994 1。

式中：C2为爆炸下限浓度，%；b1、b2、n 为常数，分别取1.39×10-5、-7.65×10-3、5.23；拟合结果相关性系数R2为0.997 2。

分析可知，在实验温度范围（20～200 ℃）内，爆炸上限与环境温度呈现出线性增加变化规律；爆炸下限与环境温度呈现出递减的变化特性，且随温度升高递减幅度越来越小。当瓦斯浓度低于爆炸下限或高于爆炸上限时，氧化生成的热量或分子分解的活化中心不足，难以形成连锁反应，遇点火源不爆炸。

随环境温度的增加，混合气体分子内能增加，同等条件下活化分子数量增多，且分子运动加快、碰撞几率增加，使燃烧基元反应在爆炸临界点更加活跃。在点火后，在一定程度上使环境中更多的甲烷、氧气分子参与爆炸初始反应。另一方面，环境温度升高，在初始点火时刻，可以产生更多的H、CH3、O、OH 等链反应自由基[15]，使分子链式反应更容易持续进行下去，从而使得原来稳定的不燃系统变成可燃、可爆系统，爆炸极限范围变宽。