N2/CO2 混合气体对甲烷爆炸的影响*

钱海林，王志荣，蒋军成

(南京工业大学城市建设与安全工程学院，江苏 南京210009)

在工业气体爆炸事故中，甲烷爆炸事故占很大的比例。甲烷爆炸防护的方法有:抑爆、隔爆、泄爆等，其中抑爆是比较常用的一种手段，抑爆又分为使用惰化气体和化学抑制剂。常用惰性气体有N2、CO2、CCl4、水蒸气等。关于惰性气体对甲烷爆炸特性的影响已进行了一些实验研究［1-2］，并形成了一套有效的理论计算方法［3-6］。但绝大部分研究集中于单一惰性气体对甲烷爆炸特性的影响，而对多组分惰性气体的抑爆效果研究还比较少［7-8］。工业生产中，燃烧产生的废气的主要成分是CO2与N2，是一种理想的惰化气体。因此，本文中，通过实验研究N2/CO2混合气体对甲烷极限氧体积分数、爆炸极限和抑爆效果的影响，拟合N2/CO2混合气体条件下甲烷的爆炸极限经验公式，以期指导安全生产。

1 实 验

1.1 实验装置

实验装置(图1 ～2)包括数据采集系统、点火系统、配气系统、实验爆炸容器、实验用气(甲烷和空气)5 个部分。爆炸容器为体积22 L 的球形容器;数据采集系统由压阻式高频压力变送器、数据采集仪及配套分析软件组成;点火系统选用高能电子点火器，点火能量6 J;配气系统由真空泵和配气仪组成。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic of the experimental device

图2 气体爆炸实验装置Fig.2 Experimental device of gas explosion

1.2 实验内容

(1)极限氧体积分数。测极限氧体积分数时，甲烷与空气的配比始终按照化学当量比进气，然后充入不同体积比的惰性混合气(纯N2，3 ∶1、2 ∶1、1 ∶1、1 ∶2、1 ∶3 的N2/CO2混合气体，纯CO2)。

(2)爆炸极限。测爆炸极限时，改变甲烷和空气的配比，先充入80%或90%的甲烷与空气的混和物，然后充入纯N2，体积比为2 ∶1、1 ∶1、1 ∶2 的N2/CO2混合气体，纯CO2进行实验。

(3)抑爆效果。惰性混合气体体积分数分别为10%和20%时，甲烷体积分数为6%时进行实验。

1.3 实验条件

实验时，环境温度18 ℃，采用中心点火，点火能量6 J。点火前的初始压力为大气压力。通过观察压力的变化，判断是否发生爆炸。当压力增加超过初始压力的7%时认为发生爆炸。实验以最大-最小准则来确定爆炸极限，即把实验所得的能够爆炸的最高体积分数和不能爆炸的最低体积分数的平均值确定为爆炸上限，而把能够爆炸的最低体积分数和不能爆炸的最高体积分数的平均值确定为爆炸下限。

2 实验结果与分析

2.1 极限氧体积分数

图3 为极限氧体积分数φlim(O2)随惰性混合气体中N2含量φ(N2)的变化曲线。从图中可以看出，随着N2的增加，极限氧体积分数呈线性下降。根据气体的动理论，认为气体处于平衡状态时，分子任何一个自由度的平均能量都相等。CO2和N2均可认为是理想气体，其中CO2为多原子分子，自由度为6，N2为刚性双原子分子，自由度为5，所以CO2的比定容热容大于N2的。这就意味着随着惰性混合气中N2的增加，热容变小，吸热变少，只需更少的氧气就能发生爆炸。从而使得极限氧体积分数变小。

运用理论公式计算的极限氧体积分数为10%，实验得到的极限氧体积分数为12.66%～14.74%，在实际生产中，一般要求实际氧含量必须保持比临界氧含量低20%的安全系数。计算可得理论值为10%，比实验值低超过20%，所以运用理论极限氧体积分数对生产装置进行惰化防护是合理可行的。

在临界状态下，由于甲烷与空气是以化学当量比混合的，所以甲烷的临界体积分数(处于极限氧体积分数时甲烷体积分数)随惰性混合气中N2含量的变化趋势和极限氧体积分数随惰性混合气中N2含量的变化趋势是一样的，所以可对临界甲烷体积分数进行线性拟合。拟合结果见图4，拟合公式为

图3 极限氧体积分数随N2 含量的变化曲线Fig.3 Limit oxygen volume fraction history for various composition ratios N2

图4 临界甲烷体积分数的拟合曲线Fig.4 Fitted curve of methane volume fraction for various composition N2

2.2 爆炸极限的应用实例

图5 为不同混合比例的惰性气体，不同体积分数φinert时对甲烷爆炸极限的影响。可以看出，惰性气体的加入对爆炸上限的影响很大，爆炸上限大幅度下降;而对爆炸下限的影响不是很大，只略有上升。刚加入惰性气体时，爆炸上限的下降速率很大，继续加入后对爆炸上限的影响变缓，几乎成线性关系。因为在爆炸上限时，氧体积分数本来就很小，惰性气体的加入使得氧气体积分数更小，所以对上限影响很大。但随着惰性气体的继续加入，对氧体积分数的影响就变小了。

假设惰性气体的总含量为φinert，则得到爆炸上限

爆炸下限

图5 不同配比惰性混合气体体积分数对爆炸极限的影响Fig.5 Influence on explosion limit for inert gases mixture with different compositions

这样，结合拟合公式(1)确定出临界甲烷体积分数φc(CH4)，再代入式(2)～(3)中，分别得到N2/CO2混合气中N2任意配比含量φ(N2)时及N2/CO2混合气任意总含量φinert时对应的爆炸上、下限的值。

例1。当惰性混合气中，φ(N2)∶φ(CO2)=1.5 ∶1时，即惰性气中N2的体积分数为60%，代入式(1)得临界甲烷体积分数为6.847%。另外，当充入总惰性气体的量为20%时，分别代入式(2)～(3)得φUFL=10.2%，φLFL=6.35%。即当充入20%的惰性气体和1.5 ∶1 的N2/CO2混合气体时，甲烷的爆炸极限为6.35%～10.2%。

2.3 抑爆效果

图6 为惰性混合气体体积分数分别为10%和20%时，甲烷体积分数为6%时的爆炸压力曲线图。虽然惰性气体的加入对爆炸下限影响不是很大，局限在5.5%～7%的范围之内。但从图中可以看出，惰性气体体积分数为10%时，随着混合气体中CO2含量增加时，峰值压力逐渐变小，压力上升速率变化不大，压力上升曲线几乎平行。惰性气体体积分数为20%时，随着混合气体中CO2含量增加，峰值压力也逐渐变小，压力上升速率也有明显下降。这都说明随着CO2含量的增加，爆炸下限上升得更大，同时说明CO2的抑爆效果好于N2。

图6 惰性气体体积分数为10%和20%时，甲烷爆炸压力曲线Fig.6 Pressure curves of methane explosion for various compositions，in the presence of inert gases:10%and 20%

3 结 论

(1)随着惰性混合气中N2含量的增加，极限氧体积分数呈线性下降。

(2)任意配比的惰性混合气对爆炸上、下限的影响均可以认为是线性变化的。

(3)根据实验数据绘制纯N2、不同体积比的N2/CO2混合气体和纯CO2时的甲烷爆炸极限图，结合临界甲烷体积分数的拟合方程，可以得到N2与CO2任意配比时不同惰性气体含量的甲烷爆炸极限。

(4)惰性混合气中CO2的体积分数越高，抑爆效果越好。

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