多组分可燃气体爆炸极限研究现状及探讨*

刘涛涛 贾泉升 刘成

（1.重庆科技学院 安全工程学院，重庆 401331；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

0 引言

在冶金、石化、化工等工业领域生产过程中，会产生大量易燃易爆多组分危险性气体，所造成的火灾爆炸事故频发［1］，如“7·16”大连输油管线爆炸事故、“8·12”天津港爆炸事故等。事故调查发现，多组分可燃气体的爆炸强度远大于单一气体，且更难以控制，因此关于预防和减少多组分可燃气体爆炸的研究日益重要。单一气体的爆炸极限可通过查阅文献获取，但多组分气体的爆炸极限会随着组分种类和占比不同而有所变化，同时初始温度、初始压力对其也有一定的影响［2-3］。笔者从理论和实验2个方面介绍了多组分气体爆炸极限的研究进展，并总结了初始压力、初始温度对多组分可燃气体爆炸极限影响的研究成果，对多组分气体爆炸极限的预测以及防爆抑爆具有一定的参考价值。

1 多组分可燃气体爆炸极限的理论研究

目前，多组分可燃气体爆炸极限的理论研究取得了一定成果［4-6］。对于较为复杂的多元气体爆炸极限的计算，通常采用理-查特里经验公式，如式（1）所示，该公式适用于有机烃类混合气体，但不适用于含H2的混合气体。

式中，Lm为混合气体爆炸极限，%；Ln为各组分的爆炸极限，%；Vn为各组分体积分数，%。

对于含惰性气体的多组分可燃气体的爆炸极限可用以下公式计算：

式中，CC为不含惰性气体的爆炸极限;B为惰性气体体积分数。

由于多组分可燃气体爆炸极限受众多因素的影响，因此学者们运用经验公式，提出了多种理论计算方法预测爆炸极限。马秋菊等［4］基于可燃气体绝热火焰温度与化学平衡反应，提出了2种混合气体爆炸极限预测模型，但计算结果与实验值均存在误差，需考虑安全系数。郑立刚等［7］对含H2、CH4、CO的多元混合气体，提出采用神经网络非线性方法和偏最小二乘回归法计算爆炸极限。MA T G等［8］对理-查特里公式进行了改进，预测了CH4、C3H8、NH3、CO等在不同体积分数下混合气体的爆炸极限。夏阳光等［9］基于能量平衡方程和简化反应模型建立了预测模型，研究发现对于平均碳原子数大于2的混合气体预测结果较好。此外，根据工程实践的需求，学者们也建立了多种爆炸模型［10-11］。魏永生等［12］对H2、CO、CH4混合气体的爆炸极限数值进行了多元线性回归分析，建立了预测模型，该方程表现为高度相关，能较好地拟合原始数据，其中CH4、H2、CO对上限影响较明显。胡耀元等［13］对多元气体爆炸特性进行了研究，得出了复相链终止概率的统一表达式，由于混合气体爆炸极限影响因素较多，该结果需进行有效放大处理，表达式为：

式中，为复相链终止概率；为几何相似性常数；D为扩散系数；d为圆柱形容器的直径为链载体的平均寿命。

综上所述，当前多组分气体爆炸极限的理论研究往往只考虑了各组分气体的体积分数等单一因素，而忽略了实际生产中反应容器尺寸、温度变化等其他因素的耦合影响。但理论值加上安全系数，对实验研究仍有参考意义。

2 多组分可燃气体爆炸极限的实验测量方法

2.1 可燃气体爆炸极限的实验标准

目前，国际上还没有对可燃气体爆炸极限测定进行统一规定，主要原因是实验标准不同，实验结果差异较大。COWARD H F等［14］最早提出测定气体的爆炸极限，并对可燃气体的爆炸极限进行了测定。美国材料与实验协会采用了5 L的球形容器，德国标准设计了直径为6 cm、高为30 cm的圆柱形垂直管，我国现行测定标准为《空气中可燃气体爆炸极限测定方法》（GB/T 12474—2008），但该标准仅适用于常温常压条件下。

2.2 多组分可燃气体爆炸极限的实验研究

学者们对于初始温度、初始压力对多元气体爆炸极限影响的研究成果如下。ZHAO F等［15］在常温常压条件下测量了部分二元碳氢混合气体的爆炸极限，结果与理-查特里公式结果基本一致。MARKUS D等［16］考察了温度为323K和373K时，CH3OH、CH4、空气的混合物爆炸极限，发现实验结果与理-查特里公式不同。KONDO S等［17］测定了在5~100℃下烃类燃料的爆炸极限，发现爆炸极限随温度变化而变化。罗灿［18］利用自行搭建的1.5 L实验平台，对乙烷、乙烯在氧气中的爆炸极限进行了测定，结果表明随着初始温度、初始压力的上升，乙烷、乙烯的爆炸极限均增大。寇丽颖等［19］采用理论与实验相结合的方法，对高温高压下CH4、C2H6、C3H8的爆炸极限进行了研究，结果表明温度与压力的变化对爆炸上限作用更明显。

同时，学者们也对大量二元、三元可燃气体的爆炸极限进行了研究。邓军等［20］探索了CH4、CO、C2H4等多元可燃气体的爆炸极限，并分析了各组分浓度的变化对爆炸极限的影响。周邦智等［21］、韦贝贝［22］开展了CO与H2在不同组合下的爆炸实验，研究发现CO促进了混合气体爆炸，使得爆炸压力与爆炸极限均上升。杨守生等［23］在常温常压下研究了三元混合气体爆炸极限，并给出了经验公式，同时指出高温高压下经验公式的推导还需要大量研究。胡锐等［24］开展了多组实验，测定了H2、CO、CH4在空气中不同组合的爆炸极限。罗振敏等［25］从理论和实验2种方式研究了C2H6、C3H8、CH4混合气体的爆炸极限，分别研究了不同初始条件和配比对爆炸极限的影响规律，发现混合气体爆炸极限随着C3H8含量和初始温度、初始压力的增加而扩大。

3 结语

从当前的研究现状来看，多组分可燃气体爆炸极限的研究历史已久，并在很多方面取得了较大进展，但多集中于常温常压下的单一气体，如H2、CO、CH4或有惰性气体参与的二元可燃气体。然而，在实际工况下产生的多组分气体成分复杂，且大多数处于高温高压条件下，所造成的爆炸危险性更大，且难以控制。为了有效控制多组分可燃气体的燃烧爆炸事故，应在如下3个方面开展进一步研究：

1）利用数值模拟与实验相结合的方法，开展工况条件下更多三元及以上不同组分可燃气体的爆炸特性研究。

2）关于初始温度、初始压力、惰性气体对多组分可燃气体爆炸极限的影响还需要进一步分析。

3）目前，我国对高温高压下多组分可燃气体爆炸极限的测定尚无统一标准，有待尽快制订和健全。