管道中纳米二氧化硅、二氧化碳和七氟丙烷气固混合物抑制瓦斯爆炸的试验研究

杨 克,王跃胜,纪 虹,郑 凯,邢志祥,毕海普,蒋军成

(常州大学安全科学与工程学院,江苏 常州 213164)

瓦斯在管道输送及各种工业生产过程中经常发生爆炸事故,威胁着相关行业工作人员的生命安全,造成了一定的人员伤亡和财产损失。瓦斯爆炸在自身产生爆炸压力波的情况下,会使地面灰尘扬起到空气中,在爆炸火焰的促使下,进而引起威力更大的粉尘爆炸[1]。因此,主动抑爆对预防瓦斯爆炸事故的发生和减轻事故伤亡具有重要意义。目前,学者们研究了抑爆材料对瓦斯爆炸的抑制作用,这些材料主要包括水雾[2]、抑爆粉体[3]、惰性气体[4]以及一些多孔介质等[5]。

实际上,惰性气体可以稀释可燃气体和氧气的浓度。而在惰性气体中,二氧化碳(CO2)是一种典型的惰性气体,众多学者对其进行了相关研究。已有试验和理论研究表明:二氧化碳在抑制可燃气体爆炸方面,不仅可以抑制单组分可燃气体的爆炸,而且可以抑制多组分混合可燃气体的爆炸[6]。惰性气体的体积分数对可燃气体爆炸有着很大的影响。已有研究表明,可以通过最大爆炸压力(Pmax)等特性参数来评估这种影响[7]。在瓦斯和空气混合物中,随着二氧化碳体积分数的增加,会导致可燃性气体可燃性范围和瓦斯爆炸强度的降低[8]。众多研究表明,相比于其他典型惰性气体(如氮气),二氧化碳的热容量更高,它能够更好地降低火焰温度,对瓦斯爆炸的抑制效果更好[9]。

近些年来国内外一些学者对七氟丙烷惰性气体对抑制瓦斯爆炸的效果进行了大量的研究。如:Gant等[10]将七氟丙烷和碳酸氢钠(NaHCO3)用来进行灭火试验,结果发现在加入少量NaHCO3和七氟丙烷协同反应过程中,NaHCO3会分解产生Na、NaO、NaOH等粒子,这些粒子会与含氟自由基发生反应生成NaF,降低HF的生成,从而减小火灾爆炸的危险性;Babushok等[11]开展了七氟丙烷和NaHCO3对甲烷(CH4)-空气进行协同阻燃的试验研究,结果发现加入少量NaHCO3和七氟丙烷协同反应后,抑制效果得到了有效的提高;Li等[12]开展了七氟丙烷抑制乙醇-汽油-空气混合物爆炸特性的试验研究,结果发现当七氟丙烷的添加浓度为10%时,可使乙醇-汽油混合物的超压降低幅度达60%,继续添加七氟丙烷-空气,能够完全抑制爆炸的产生; Zhang等[13]开展了七氟丙烷对氢气-甲烷预混气体爆炸火焰影响的试验研究,结果发现七氟丙烷对混合火焰具有较好的抑制作用,但是在试验过程中七氟丙烷也有一定热量的产生; Cao等[14]开展了七氟丙烷协同其他惰性气体抑制甲烷爆炸的试验研究,结果发现七氟丙烷协同二氧化碳(CO2)对甲烷爆炸的抑制效果要优于协同氮气(N2)的抑制效果,其主要原因是CO2比N2具有更高的比热容,CO2分子具有更高的活性,能够更容易参与链反应,协同化学抑制作用更强。

粉体也是一种能够很好地抑制可燃气体爆炸和燃烧的材料,其中二氧化硅(SiO2)等粉体具有良好的抑爆性能[15-17]。Liu等[15]在长距离圆形爆炸试验管道中对 SiO2超细粉体抑制瓦斯煤尘爆炸特性进行了研究,结果发现 SiO2超细粉体可使瓦斯煤粉混合气体的爆炸超压和火焰传播速度大幅下降;Chen等[16]分析了SiO2超细粉体对瓦斯爆炸火焰的抑制作用,结果发现SiO2超细粉体较易接触并吸收燃烧反应区的自由基,从而降低瓦斯燃烧的反应强度。

近年来,相关学者也研究了气固两相抑制剂协同对甲烷爆炸的抑制效果[6,18-19]。如:Luo等[6]的研究表明,ABC/CO2气固两相抑制剂具有协同抑制作用,对甲烷爆炸具有良好的抑制效果;Jiang等[19]研究了超细ABC粉体与N2混合物对甲烷爆炸的抑制作用,结果发现甲烷爆炸超压和火焰速度的最大下降幅度分别达76.8%和100%,并得出气固两相混合抑制剂的抑制效果明显优于单相气体或粉体。

二氧化碳气体、七氟丙烷气体和纳米二氧化硅粉体这三种抑制剂是已知的可以抑制管道中瓦斯爆炸的材料。然而,在工业生产过程以及管道输送气体过程中,很少有研究它们之间的协同作用对瓦斯爆炸的抑制效果,而在工业生产过程中对各种抑制剂的组合应用研究是十分必要的。因此,本文在自行搭建小型可视化瓦斯爆炸试验平台的基础上,探究了3种物质单独或联合对不同浓度瓦斯爆炸的抑制效果,主要体现在甲烷爆炸超压、最大爆炸压力和火焰传播图像等特性参数上,旨在探明惰性气体与粉体之间是否存在协同作用以及气固两相混合抑制剂对瓦斯爆炸的抑制机理。

1 试验系统与方法

1.1 试验系统与材料

本研究自行搭建的小型可视化瓦斯爆炸试验系统主要包括自制瓦斯爆炸管道、喷粉系统、高频脉冲点火系统、气体预混传输系统、高速摄影系统、数据采集系统和数据处理系统,如图1所示。

1.高压气瓶;2.气体预混系统;3.喷粉系统;4.高速摄影系统;5.瓦斯爆炸管道;6.光电压力传感器;7.点火电极;8.点火控制器;9.数据采集系统;10.同步控制器;11.数据处理系统。图1 自行搭建的小型可视化瓦斯爆炸试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the self-built small visual gas explosion test system in the experiment

试验所用的管道材料为亚克力玻璃,为半封闭透明管道,管道长度为1 000 mm,横截面积为 50 mm×50 mm,总容积为2.5 L,设计压力为 1.6 MPa,管道右端开口,试验过程中采用PVC薄膜进行密封,以便瓦斯爆炸时压力完全释放;喷粉系统主要由储粉罐、电磁阀、压力表、喷嘴、高压储气罐等构成,电磁阀开启时,高压储气罐产生的高压气体携带储粉罐中的粉体由喷嘴喷入管道中;气体预混系统由一个甲烷储气瓶、一个二氧化碳储气瓶、一个空气储罐、一个七氟丙烷储气瓶和一个多组分气体质量流量控制器组成;高速摄影系统为美国Phantom系列v1212超高速数字摄像机,该高速摄影机每秒能够拍摄10万张照片,最小曝光时间为1 μs,在试验过程中能够清晰准确地捕捉瓦斯爆炸火焰的形状与火焰前锋的位置变化;高频脉冲点火系统由点火控制器和安装在管道侧壁上的高热点火电极(6 kV)组成;数据采集和数据处理系统主要由上海铭动高频压力传感器(量程为-0.1～0.1 MPa,响应时间 0.2 ms,综合精度为0.25%)、红外光电压力传感器、USB-1608FS-Plus信号采集卡、MC数据采集软件、MC滤波处理系统等组成,红外光电压力传感器和高频压力传感器可以准确地采集瓦斯爆炸过程中的火焰和压力变化数据,记录压力数据的采集卡将数据传输给计算机。

1.2 试验方法

试验过程如下:首先,根据试验要求将特定浓度的瓦斯气体通入管道中,得到瓦斯-空气混合气体;然后,若为粉体单独参与试验,启动喷粉系统将一定量的粉体在高压情况下喷入管道中,待均匀扩散后通过点火控制器点火引爆,若为惰性气体单独参与试验,通过多组分气体质量流量控制器通入惰性气体,点火引爆;最后,气固两相协同抑爆,在通入惰性气体后,再喷入粉体,点火引爆。每次点火前均提前启动光电压力传感器和压力信号信息采集系统与高速摄影系统。

每次瓦斯爆炸试验前,容器内初始压力设定为0.1 MPa(大气压力)、初始温度设定为25 ℃(环境温度),环境相对湿度设定为45%～50%。最终得到的测试数据要在相同的试验条件下连续进行3次试验,以提高数据的准确性。

试验中所用的二氧化碳(CO2)纯度约为99.9%,其熔点、沸点和临界温度分别为-56.57、-78.4和31.1 ℃,临界压力为7.38 MPa,体积分数为4%;试验中所用的七氟丙烷(heptafluoropropane)简称HFC-227ea或FM-200,其结构式为CF3CHFCF3,在常温常压下为无色无味气体,体积分数为4%;试验所用的纳米二氧化硅(SiO2)粉体扫描电镜照片和粒径分布图,如图2所示。

图2 纳米二氧化硅(SiO2)扫描电镜照片和粒径分布图Fig.2 Scanning electron microscopy photos and particle size distribution of nano silica

由图2可以看出:纳米SiO2粉体粒径分布在14～32 nm范围内,计算得到其平均粒径为23 nm,属于超细粉体;纳米SiO2粉体具有较大的孔隙率和比表面积。

2 结果与讨论

为了研究瓦斯浓度对管道中瓦斯爆炸的影响,研究了管道中3种不同浓度瓦斯-空气混合气体的爆炸压力。在管道中瓦斯爆炸过程中,设定最大爆炸压力为Pex,最大爆炸压力增长速率为(dP/dt)ex,达到最大爆炸压力的时间定义为tc[20]。瓦斯浓度为7%、9.5%和11%时的瓦斯爆炸压力曲线对比见图3。在一个标准的试验装置中,气体爆炸的浓度范围在5%～15%,瓦斯浓度为7%、9.5%和11%时,试验条件分别为低浓度条件、化学当量条件和高浓度条件。

图3 不同瓦斯浓度(7.0%、9.5%和11.0%)时的瓦斯爆炸压力曲线对比Fig.3 Comparison of gas explosion pressure curves at gas concentrations of 7.0%,9.5%,and 11.0%

由图3可以看出:瓦斯浓度为7%、9.5%和11%时,管道中最大爆炸压力Pex分别为22.24、35.32、32.28 kPa,即在化学当量条件下瓦斯浓度为9.5%时瓦斯爆炸压力最大,爆炸威力最大,可释放巨大的能量。

根据研究发现,纳米SiO2粉体浓度为0.1 g/L时抑爆效果较好,本试验所选两种惰性气体(CO2和FM-200)的体积分数为4%[9,14-15]。不同瓦斯浓度下添加或不添加惰性气体(CO2和FM-200)时瓦斯爆炸压力曲线对比见图4,瓦斯爆炸参数见表1。

表1 不同瓦斯浓度下添加或不添加惰性气体(CO2和FM-200)时瓦斯爆炸参数

由图4可以看出:在3种瓦斯浓度下,加入惰性气体均能影响瓦斯爆炸参数;当加入CO2和FM-200气体抑制瓦斯爆炸时,瓦斯各项爆炸参数均有所下降,且添加FM-200气体的瓦斯爆炸压力曲线位于添加CO2气体的瓦斯爆炸压力曲线下方,说明FM-200气体对瓦斯爆炸的抑制效果优于CO2气体。

通过对表1的数据进行定量分析可知:当瓦斯浓度为11%时,添加4% CO2和4% FM-200气体,最大爆炸压力下降率分别为22.9%和28.2%,最大爆炸压力增长速率分别为15.69 kPa/ms和11.8 kPa/ms,最大爆炸压力增长速率下降率分别为31.1%和48.2%;无抑制剂时,气体燃烧时间为380 ms,添加4% CO2和4% FM-200气体后,气体燃烧时间分别为410 ms和490 ms,相对于未添加抑制剂时气体燃烧时间延迟了30 ms和110 ms,说明添加4%CO2和4%FM-200气体均能在一定程度上抑制瓦斯爆炸,并且FM-200气体对瓦斯爆炸的抑制效果优于CO2气体。

不同瓦斯浓度下添加纳米SiO2粉体、CO2-SiO2气固混合物、FM-200和SiO2气固混合物时瓦斯爆炸压力曲线对比见图5,瓦斯爆炸参数见表2。

由图5可以看出:加入气固混合物后,不同浓度瓦斯的爆炸压力均有所下降,说明混合抑制剂比单组分抑制剂对瓦斯爆炸的抑制效果要好,抑制效果由强到弱依次为FM-200和SiO2气固混合物、CO2-SiO2气固混合物、纳米SiO2粉体。

由图4和图5可以发现,不论是添加单组分抑制剂还是添加气固混合抑制剂,每组试验的瓦斯爆炸压力曲线都有两个波峰:第一个峰值是瓦斯爆炸释放巨大能量,管道内的瓦斯爆炸压力迅速上升,火焰触碰管道侧壁面,侧壁面吸热冷却使瓦斯爆炸得到一定抑制,加之膨胀作用使得瓦斯爆炸压力下降;第二个峰值是管道内火焰波面快速加热产生CO2和水蒸气,随着反应的进行管道内瓦斯爆炸压力急剧上升,当火焰从管道末端的PVC薄膜冲出后,瓦斯爆炸压力下降。

通过对表2数据进行定量分析可知:添加FM-200和SiO2气固混合物,瓦斯浓度为7%、9.5%、11%下瓦斯的最大爆炸压力下降率分别为39.3%、28.3%和38.3%,添加CO2-SiO2气固混合物,瓦斯浓度为7%、9.5%、11%下瓦斯的最大爆炸压力下降率分别为28.6%、12.8%和33.7%,说明气固混合物抑制剂对瓦斯爆炸的抑制作用强于单组分抑制剂;FM-200和SiO2气固混合物的瓦斯爆炸参数均达到最大值,说明其对瓦斯爆炸的抑制作用最为有效,表现出协同抑爆作用。

为了更好地比较气固混合物对瓦斯爆炸的抑制作用,考察了9.5%瓦斯浓度下添加单组分抑制剂和气固混合抑制剂的最大爆炸压力、达到最大爆炸压力的时间即气体燃烧时间和最大爆炸压力增长速率,其结果见图6和表3。

图6 9.5%瓦斯浓度下添加不同抑制剂对瓦斯爆炸的抑制效果对比Fig.6 Comparison of inhibition effect of adding different inhibitors on gas explosion at 9.5% gas concentration

由图6和表3可知:无抑制剂条件下,达到最大爆炸压力的时间为360 ms,而添加不同抑制剂条件下,达到最大爆炸压力的时间分别为405、385、470、470、515 ms,分别延迟了45、25、110、110、155 ms,延迟率分别为12.5%、6.9%、30.6%、30.6%和40.1%。从以上数据可以分析得出,气固混合物对瓦斯爆炸的抑制效果优于单组分抑制剂,并且FM-200和SiO2气固混合物的抑制效果最好,表现出协同抑爆作用。

9.5%瓦斯浓度下添加不同抑制剂的瓦斯爆炸火焰传播图像,如图7所示。

图7 9.5%瓦斯浓度下添加不同抑制剂的瓦斯爆炸火焰传播图像Fig.7 Flame propagation images of gas explosion with different inhibitors added at 9.5% gas concentration

由图7可以看出:

1) 添加4%CO2气体的瓦斯爆炸火焰中黄色比较多[图7(c)],这是因为CO2通过吸收瓦斯爆炸火焰的大量反应热和辐射热,导致瓦斯爆炸火焰温度的降低,因而火焰颜色发生改变。

2) 喷撒纳米SiO2粉体后,出现了明显的黄色火焰[图7(b)],这是由于在粉体的作用下,瓦斯爆炸反应升温过程中粉体参与反应时吸热,使管道和火焰表面的温度降低,反应速度变慢,且预热区的粉体对火焰传播起着重要作用,控制着火焰向前传播的速度;而从该火焰图中不难发现,管道上壁的火焰传播速度要快于管道下壁的火焰传播速度,这是由于粉体在管道内发生了沉降,管道下壁有粉体堆积,限制了火焰的发展[21-22]。

3) 添加4% FM-200气体的瓦斯爆炸火焰亮度明显降低[图7(d)],这主要是因为FM-200的物理和化学抑制作用相互作用的结果,FM-200主要通过化学抑制作用使火焰燃烧速率降低,进而降低火焰传播速率;且管道上端火焰速度要大于管道下端速度,这是因为随着FM-200的加入,可燃气体被稀释,FM-200吸热作用增强,火焰传播速度降低,火焰释放热量向上壁扩散,致使管道上壁火焰传播速度加快。

4) 添加了两种不同组合气固混合物的瓦斯爆炸火焰亮度均有所减弱[图7(e)和7(d)],这是因为添加了FM-200和CO2的原因,但总体颜色还是偏黄色,主要是因为管道中有纳米SiO2粉体导致颜色偏亮。相比于9.5%瓦斯浓度下,添加不同抑制剂均有所缓解瓦斯爆炸火焰传播速度,延迟了火焰传出管道的时间,并且气固混合物表现出了协同抑爆作用。

9.5%瓦斯浓度下添加不同抑制剂的瓦斯爆炸火焰传播速度曲线,见图8。

图8 9.5%瓦斯浓度下添加不同抑制剂的瓦斯爆炸火焰传播速度曲线Fig.8 Flame propagation velocity curves of gas explosion with different inhibitors addition at 9.5% gas concentration

由图8可以看出:

1) 添加4%CO2气体或者0.1 g/L纳米SiO2粉体时,对瓦斯爆炸的抑制效果相近,而添加4% FM-200气体的抑爆效果明显优于其他两种抑爆剂。

2) 添加FM-200和SiO2气固混合物,在9.5%瓦斯浓度下,瓦斯爆炸火焰冲出管道的时间从540 ms延长到660 ms,火焰冲出管道的时间延长了22.2%,最大火焰传播速度从18.65 m/s下降至3.8 m/s,最大火焰传播速度下降了79.6%。

3) 添加FM-200和SiO2气固混合物,其抑爆效果最好,表现出协同抑爆作用。

3 气固混合物协同抑爆机理

上述试验结果表明,气固混合物对瓦斯爆炸有明显的抑制作用,表现出协同抑爆作用,其抑爆机理如图9所示。

图9 气固混合物的协同抑爆机理图Fig.9 Mechanism diagram of synergistic explosion suppression of gas-solid mixtures

纳米SiO2粉体化学性质稳定,在瓦斯爆炸的过程中不参与反应,其对瓦斯的抑爆性能主要表现为物理抑制作用。纳米粉体的灭火性能相较于其他粉体更加优越,这是因为纳米粉体比表面积大、活性高、热分解快、自由基俘获强、辐射反射强[23]。本试验所用的纳米SiO2粉体粒径属于纳米级别,抑爆效果较好,它主要通过物理吸热来影响瓦斯爆炸反应进程。

CO2对瓦斯爆炸的抑制机制主要体现在以下几个方面[9,24]:一是CO2作为惰性气体抑制剂,可降低反应系统中瓦斯和O2气体浓度;二是CO2在反应中也可以作为冷却剂,吸收反应中的反应热和辐射热,可降低化学反应速率和反应的爆炸压力;三是CO2可以参与燃烧链式反应,以降低瓦斯的消耗,从而抑制瓦斯爆炸。

FM-200对瓦斯爆炸的抑制机制主要体现在两个方面:物理抑制作用和化学抑制作用,但是化学抑制作用占据主导地位。其中,物理抑制作用主要为FM-200稀释燃烧区氧气,吸收瓦斯爆炸火焰温度等;化学抑制作用主要为FM-200吸收大量火焰热量用于裂解,同时裂解出的含氟自由基又能够参与瓦斯爆炸中火焰燃烧的链式反应中,破坏了火焰燃烧的链式反应。

综上所述,气固混合物的协同抑爆机理为:在瓦斯爆炸反应系统中添加气固混合物,物理抑制作用和化学抑制作用同时起作用,其中纳米SiO2粉体通过物理抑制作用吸收反应过程中产生的热量,与此同时,随着CO2气体或FM-200气体的加入,惰性气体稀释反应系统中O2和瓦斯的浓度,并且与反应系统中自由基发生反应,中断瓦斯爆炸链的发展,抑制瓦斯爆炸。根据试验结果,气固混合物对瓦斯爆炸的抑制效果优于单组分抑制剂,气固混合物表现出协同抑爆作用。

4 结论与建议

本文自行搭建小型可视化试验平台,研究了纳米SiO2粉体、CO2气体和FM-200气体3种单组分抑制剂和气固两相混合抑制剂对瓦斯爆炸的抑制作用,得出如下结论:

1) 3种单组分抑制剂对瓦斯爆炸均有抑制作用,对瓦斯爆炸的抑制效果由强到弱依次为:FM-200气体、纳米SiO2粉体、CO2气体。单组分抑制剂抑制瓦斯爆炸反应中,瓦斯爆炸的各项爆炸参数均呈下降趋势。

2) 气固两相混合抑制剂对瓦斯爆炸的抑制效果由强到弱依次为FM-200和SiO2气固混合物、CO2-SiO2气固混合物、纳米SiO2粉体,且FM-200和SiO2气固混合物的抑制作用强于CO2-SiO2气固混合物,主要是因为FM-200参与了更多瓦斯爆炸中火焰燃烧的链式反应,消耗了更多爆炸反应中的自由基,其抑爆效果更好。

3) FM-200气体主要通过吸热效应的物理抑制作用和中断链式反应的化学抑制作用来抑制瓦斯爆炸。气固两相混合抑制剂——FM-200和SiO2气固混合物对较高瓦斯浓度/空气预混气体具有较好的抑爆效果。FM-200和SiO2气固混合物作为新型抑制剂可为预防瓦斯爆炸提供思路和方法。

基于以上分析,我们可以将气固混合抑制剂应用于工业生产过程中来抑制气体爆炸,并在未来的研究中可以借助相关模拟软件对气固两相混合抑制剂的抑爆过程进行流体动力学和分子动力学模拟分析,来进一步研究和完善其抑爆机理,同时还可以研究其他不同气固混合抑制剂以及不同浓度的抑爆粉末与不同体积分数的惰性气体之间的协同抑爆作用,以期得到抑制气体爆炸的气固混合物的最佳浓度配比。