多元可燃性混合气体爆炸中间产物发射光谱特性实验研究

郭　晶，王　庆

(首都经济贸易大学 安全与环境工程学院，北京　100070)

0　引言

可燃性气体爆炸的形式不仅表现为单一气体的分解爆炸，而且表现为多种可燃性气体的混合爆炸。对仅存在一种单组份可燃性气体的爆炸特性，前人进行过大量的研究，并取得了丰富的研究成果[1-4]。然而在煤矿井下采掘过程中从煤和周围岩层中除了涌出瓦斯气体，还会涌出少量其他可燃性气体，例如乙烷、乙烯、一氧化碳、氢气等，并且煤在自燃高温条件下也会产生以上可燃性气体中的一种或多种。人们对多元可燃性气体爆炸的研究深度和广度都远远不能满足实践工作的需要[5-6]，以致多元可燃性性气体支链爆炸事故具有多发性和重发性的特点。

因此，为了预防煤自燃高温环境中产生的多元可燃气体爆炸事故的发生、减少事故造成的危害，需要知道该多元可燃性气体爆炸的微观基团辐射特性，其与事故预防密切相关。但是到目前为止，大多数矿井瓦斯爆炸的研究是以纯甲烷为研究对象，只有部分学者开展了CO，H2、烃类可燃性气体对甲烷爆炸特性的影响研究，且都停留在研究混合气体的爆炸宏观特性上，针对煤矿开采过程中产生的多元可燃性气体爆炸中间产物进行研究，能够更好地认识多元混合气体爆炸微观引发机理，为煤矿多元混合气体爆炸的预防提供数据支持和技术参考[7-8]。

从实际出发，本文选用类似于煤矿开采现场及矿井火区产生的多元可燃性气体：CH4，C2H6，C2H4，CO，H2，利用可视化球形密闭气体爆炸实验系统对不同组分浓度、组分配比的多元可燃性气体进行爆炸实验，并利用瞬态光谱测量系统采集自由基发射光谱，研究爆炸引发阶段中间产物的光谱特征，分析组分配比、组分浓度和甲烷浓度对压力特性和中间产物光谱的影响，分析多元可燃性气体爆炸系统中3种自由基的出现顺序。

1　实验

1.1　实验气体

根据矿井实际情况，本实验所使用CH4体积分数较大，故将整瓶CH4放置于实验室安全区域，备用；而其他4种可燃性气体的体积分数较小，限于实验系统的配气精度，故将其余4种可燃性气体(C2H6，C2H4，CO，H2)按表1的配气情况进行配制并静置混合均匀，备用。

表1　多组份气体配气情况Table 1　Multi-component gas distribution

根据甲烷爆炸实验的特性，并且顾及到反应体系中甲烷反应过程中的当量比条件关系，每组实验甲烷的体积分数均选择：7%(富氧)、9.5%(当量比为1)和11%(贫氧)。根据矿井实际情况，本实验所选用的其他4种可燃性气体的体积分数较小，故实验所用的多组分可燃性气体浓度确定为：0.4%，0.8%，1.2%，1.6%和2.0%。

1.2　实验装置

1.2.1球形密闭爆炸实验系统

本装置以国家标准GB/T 21426-1996 《粉尘云最大爆炸压力和最大爆炸上升速率测定方法》[9]为依据，由20 L球形不锈钢爆炸罐、抽真空系统、自动点火装置、自动配气系统、无线数传系统和计算机监控系统等组成。如图1所示。

图1　120 L球形爆炸实验系统Fig.1　Explosion experiment system of 20 liter sphere

1.2.2瞬态光谱测量系统

瞬态光谱测量系统由单色仪(美国PI公司SP2758型)和科学级ICCD相机(美国PI-MAX3：1024*256-25mm-Unigen2-P43型)构成，通过光纤接口测试在反应器中气体爆炸过程自由基发射光谱。另外可同时应用多台单色谱仪(卓立汉光Omni-λ系列光谱仪)对准爆炸过程几种中间产物在该响应区较强谱带的带头位置，采集相应对象的辐射信号。

1.3　实验内容及工况

在宏观爆炸过程中，配合使用瞬态光谱测量技术，采集不同配比的多元可燃性气体的爆炸中间自由基的发射光谱。设定需要采集的3个自由基的波长[10-12]依次为：OH(λ=309 nm)，O(λ=777 nm)，H(λ=656.3 nm)。

采用球形密闭爆炸实验系统进行实验时，实验室温度控制在18～22℃；混合气体湿度为45%～50%RH；实验混合气体自动搅拌时间120 s；真空值设置为10%；实验数据最大采集时间2 000 ms，响应时间1 ms。

2　实验结果及分析

2.1　多元混合气体与单一甲烷爆炸特性对比分析

结合前人对甲烷爆炸特性的研究成果[13-15]和本文对多元可燃性混合气体爆炸的实验研究可以发现，当爆炸体系中只有单一的甲烷气体时，随着甲烷浓度的不断升高，其最大爆炸压力一定是呈现先增大后减小的趋势，理论上曲线的顶点出现在甲烷浓度为9.5%时刻。然而，当体系中加入一定浓度的多元可燃性混合气体时，理论上此时的混合气体最大爆炸压力曲线顶点应该提前，且随着加入多元气体组分浓度的增大而不断提前，同时，此时的混合气体最大爆炸压力曲线顶点的出现位置即为5种混合气体与反应罐中的氧气完全反应的浓度。另外，甲烷最大爆炸压力上升速率的变化曲线与甲烷最大压力的变化曲线趋于一致，对于体积分数为7%的甲烷，随着不同配比的可燃性混合气体的加入，其最大压力上升速率呈现上升的趋势。同样，对于体积分数为9.5%和11%的甲烷，随着不同配比的可燃性混合气体的加入，其最大压力上升速率均呈现下降的趋势。但是，其下降幅度并不相同。

2.2　不同组分配比对多元可燃气体爆炸中间产物发射光谱的影响

为了研究不同组分配比的多元可燃性气体对中间产物发射光谱的影响，根据实验结果分别分析研究在甲烷浓度、多组分气体浓度一定时，组分配比对中间产物发射光谱峰值出现时间的影响。如图2、图3和图4所示。

图2　7%甲烷，不同组分配比对中间产物发射光谱峰值出现时间的影响Fig.2　7% methane, the ratio of different groups on the peak time of the emission spectrum of the intermediate product

图3　9.5%甲烷，不同组分配比对中间产物发射光谱峰值出现时间的影响Fig.3　7% methane, the ratio of different groups on the peak time of the emission spectrum of the intermediate product

图4　11%甲烷，不同组分配比对中间产物发射光谱峰值出现时间的影响Fig.4　11% methane, the ratio of different groups on the peak time of the emission spectrum of the intermediate product

由图2～4分析可看出，横向就一个确定浓度的甲烷而言，6种组分配比的多元气体加入甲烷中后，爆炸3种关键自由基峰值出现时间先后顺序呈现一种杂乱的随机状态，并没有较明显的规律或趋势所寻。纵向来看，3个浓度的甲烷(7%，9.5%，11%)爆炸3种关键自由基峰值出现时间先后顺序也没有相互对应的、可循的规律，更多的是呈现一种随机状态，故对比分析来看，多元可燃性气体的组分配比对其爆炸中间产物的峰值出现时间并没有一定的影响，也就是说，只要是这5种气体的混合，对其爆炸后的中间产物发射光谱没有影响。

从图2、图3和图4均可以明显地看出，任意3条曲线中H自由基曲线位于最高位置，其次依次为O自由基曲线和OH自由基曲线，对于任意浓度的甲烷和多组分气体，3种关键自由基的峰值出现时间顺序为：OH自由基、O自由基、H自由基。

2.3　不同组分浓度的多元可燃性气体对中间产物发射光谱的影响

图5、图6分别给出了在组分配比和甲烷浓度一定时，不同组分浓度的多元可燃性气体对中间产物发射光谱的影响。从图5(a)中可以看出，对于体积分数为7%甲烷而言，配比1多元气体加入的体积分数小于1.2%前，随着加入多元气体体积分数的增加，3种自由基光谱峰值的出现时间不断缩短，配比1多元气体加入的体积分数等于1.2%时， 3种自由基光谱峰值的出现时间达到最小值，随后3种自由基光谱峰值的出现时间不断延迟。从图5(b)和图5(c)可以看出，对于体积分数为9.5%，11%甲烷而言，随着加入的配比1多元气体体积分数的增大，3种自由基光谱峰值的出现时间不断延迟。从图6(a)中可以看出，对于体积分数为7%甲烷而言，随着配比2混合气体体积分数的增加，3种自由基光谱峰值的出现时间不断缩短。从图6(b)和图6(c)可以看出，对于体积分数为9.5%，11%甲烷而言，随着加入的配比2混合气体体积分数的增大，3种自由基光谱峰值的出现时间不断延迟。

图5　配比1，不同组分浓度对中间产物发射光谱峰值出现时间的影响Fig.5　Ratio 1, the effect of different component concentration on the peak time of the emission spectrum of the intermediate product

图6　配比2，不同组分浓度对中间产物发射光谱峰值出现时间的影响Fig.6　Ratio 2, the effect of different component concentration on the peak time of the emission spectrum of the intermediate product

总体来看，对于组分配比1而言，在甲烷富氧状态下，3种自由基光谱峰值的出现时间随着多元气体组分浓度的增大呈现先缩短后延长的规律，期间会有一个最小出现时间。这主要是因为乙烷、乙烯与氧气完全反应的耗氧量均大于同条件下甲烷的耗氧量，配比1是以乙烷和乙烯为主要成分的混合气体，故而出现了实验中当混合气体加入的体积分数为1.2%时，5种气体与反应罐中的氧气形成一个可较完全反应的情形；对于组分配比2而言，在甲烷富氧状态下，3种自由基光谱峰值的出现时间随着多元气体组分浓度的增大不断缩短。其原因在于配比2是以一氧化碳和氢气为主要成分，而一氧化碳和氢气与氧气完全反应的耗氧量均小于同条件下甲烷的耗氧量，故在实验过程中为能形成一个较完全反应的情形。在任意相同条件的爆炸过程中，3种关键自由基光谱峰值出现的时间先后顺序为： OH自由基、O自由基、H自由基。

2.4　不同甲烷浓度对中间产物发射光谱的影响

在组分配比和多组分气体浓度一定时，根据纯甲烷反应当量比情况，选择加入的甲烷体积分数分别为7%，9.5%，11%，研究不同甲烷浓度对中间产物发射光谱的影响，如图7和图8所示。对于组分配比1的气体而言，多组分气体加入量分别为0.4%时，关键自由基发射光谱峰值出现时间随着甲烷浓度的增大呈现先缩短后延长的规律。多组分气体加入量分别为1.2%和2.0%时，关键自由基发射光谱峰值出现时间随着甲烷浓度的增大不断延长。对于组分配比2的气体而言，多组分气体加入量分别为0.4%和1.2%时，关键自由基发射光谱峰值出现时间随着甲烷浓度的增大呈现先缩短后延长的规律。多组分气体加入量分别为2.0%时，关键自由基发射光谱峰值出现时间随着甲烷浓度的增大不断延长。在任意相同条件的爆炸过程中，3种关键自由基光谱峰值出现的时间先后顺序为： OH自由基、O自由基、H自由基。

图7　配比1，不同甲烷浓度对中间产物发射光谱峰值出现时间的影响Fig.7　Ratio 1, the effect of different methane concentration on the peak time of the emission spectrum of the intermediate product

图8　配比2，不同甲烷浓度对中间产物发射光谱峰值出现时间的影响Fig.8　Ratio 2, the effect of different methane concentration on the peak time of the emission spectrum of the intermediate product

3　结论

1)多元可燃性气体的组分配比对其爆炸中间产物的峰值出现时间并没有一定的影响。在任意相同条件的爆炸过程中，3种关键自由基光谱峰值出现的时间先后顺序为： OH自由基、O自由基、H自由基。

2)甲烷在富氧状态下，对于有机气体含量较大的组分配比而言，3种自由基光谱峰值的出现时间随着多元气体组分浓度的增大不断缩短。对于无机气体含量较大的组分配比而言，3种自由基光谱峰值的出现时间随着多元气体组分浓度的增大呈现先缩短后延长的规律，期间会有一个最小出现时间。在甲烷贫氧状态下，3种自由基光谱峰值的出现时间随着多元气体组分浓度的增大不断延迟。

3)对于任意组分配比气体，在多组分气体加入后未形成体系贫氧状态时，关键自由基发射光谱峰值出现时间随着甲烷浓度的增大先缩短后延长，在多组分气体加入后形成体系贫氧状态时，关键自由基发射光谱峰值出现时间随着甲烷浓度的增大不断延长。

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