三元混合气体爆炸极限实验研究

●杨守生，王学宝

(武警学院 消防工程系，河北廊坊 065000)

0 引言

随着工业现代化的进一步发展，特别是近年来煤、石油、化工、天然气等能源的需求量大量增加，使得这些行业的工业快速发展，而同时在相关工业中混合气体爆炸的事故也有所增加。特别是矿井瓦斯爆炸事故［1］。矿井瓦斯从广义上讲是井下有害气体的总称，其主要成分有甲烷、重烃、氢、二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、硫化氢等。矿井瓦斯是一种无色、无味、无嗅的气体。瓦斯密度为0．716 kg·m-3，比空气轻。所以，瓦斯经常积聚在矿井通道的上部。矿井瓦斯本身没有毒性，但在空气中占的量多的时候，能使空气中的氧含量降低，从而使人窒息，甚至死亡。高瓦斯矿井由于煤层瓦斯含量高，一经采掘布置，瓦斯就从煤体中脱吸附逸出到巷道、工作面和采空区。这些瓦斯大部分被通过巷道、工作面的风流带走，局部风流不畅通的地带会发生瓦斯积聚。因此一旦氧浓度超过12%，只要存在火源，就有可能引起这些局部地带瓦斯燃烧或爆炸，是煤矿中最严重的灾害之一。［2～3］

大力开展矿井瓦斯气体爆炸特性的研究，研究瓦斯爆炸极限的数据和规律，掌握瓦斯爆炸的特性从而运用其规律进行预防和控制煤矿瓦斯爆炸事故的发生，具有较高的价值［4］。国内外对可燃气体爆炸极限的研究很多［5～13］。本文利用 HY12474型爆炸极限测定仪研究煤矿开采区常见的可燃气体混合物爆炸极限随组分配比变化的情况。通过对三组分不同配比混合气体的爆炸极限的测试，采用Taylor多项式，拟合出了常压下三元气体混合物的爆炸极限随组分配比变化的经验计算公式。

1 实验部分

1．1 实验仪器及实验药品

实验仪器:HY12474型爆炸极限测试装置，由中国人民武装警察部队学院与公安部天津消防研究所联合研制。实验药品:无水醋酸钠，碱石灰，稀硫酸，金属锌，电石，水，硫酸铜溶液，浓硫酸，甲酸(均为分析纯)。实验用气体均采用化学方法制取。

1．2 测试方法

参照GB/T 12474-2007《空气中可燃气体爆炸极限测定方法》［14］。

1．3 实验方案设计及数据处理

1．3．1 数据处理方法

利用Taylor导出的特殊多项式来处理和分析实验数据。三元混合气体爆炸极限经验计算公式:

其中的系数为:b1=Y1，b2=Y2，b3=Y3，b12=4Y12－ 2(Y1+Y2)，b13=4Y13－ 2(Y1+Y3)，b23=4Y23－2(Y2+Y3)，b123=27Y123－12(Y12+Y13+Y23)+3(Y1+Y2+Y3)。

以上公式中，X代表混合气体中某种物质的体积百分比(X1+X2+X3=1);Y代表混合气体的爆炸极限值。

1．3．2 实验方案设计说明

根据三元混合气体爆炸极限经验计算公式的原理要求，至少需要10个实验样本，表1给出了各组分间的配比［15］。

当每组样本测出用于经验计算公式的7个值后，即可进行系数计算，导出经验公式，再由经验公式求得另外3个样本的计算爆炸上限和爆炸下限，设定为预期爆炸上限和爆炸下限，最后将计算值与实测值进行比较，检验预测模型精度。

表1 三组分实验设计方案

1．4 实验数据及经验公式推算

1．4．1 单一气体的爆炸极限值的测试

按照实验的要求，首先测试出单一气体在实验条件下的爆炸极限值，结果如表2。由表2可以看出，实验所用设备测得可燃气体爆炸极限值与文献值非常接近。

表2 单一气体爆炸极限的测试

1．4．2 三元混合气体的爆炸极限测试及经验公式推算

将甲烷、氢气、乙炔、一氧化碳按表1规定比例分别混合，配制成所需的混合气体试样，进行爆炸极限测试，结果如表3。将表3的值代入式(1)，得到几种情况下混合气体爆炸上限、爆炸下限经验公式。

表3 三元混合气体的爆炸极限

甲烷、一氧化碳、乙炔混合爆炸极限经验计算公式:

甲烷、氢气、乙炔混合爆炸极限经验计算公式:

2 经验公式验证

按照表1规定要求配制混合气体，实测其爆炸极限值，并将相应的比例代入对应的经验公式计算，其结果如表4。

由表4可以看出，经验公式计算爆炸极限值与实测值的最大差值在±5．0%以内，经验公式的计算值比较准确，可以用于实验条件下的混合气体爆炸极限值估算。

表4 混合气体爆炸极限计算值与实测值的比较

3 结论

利用HY12474型爆炸极限测试仪测试气体在不同情况下组成的三元混合气体的爆炸极限变化规律进行了实验研究，采用Taylor多项式，拟合出了常压下三元气体混合物的爆炸极限随组分配比变化的经验计算公式，并通过实验数据进行了验证。经验公式对给定组分的计算值与实际测试值比较接近。

在实际生产生活中，可通过便携式检测仪测得混合气体中各组分的含量，利用经验公式即可快速判断出混合气体的爆炸极限范围，进而判断出该混合气体的火灾危险性，对于制定相应的安全措施和安全要求具有十分重要的现实意义。

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［14］GB/T 12474-2007，空气中可燃气体爆炸极限测定方法［S］．

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