流动态可燃气体爆炸极限的试验研究

谭迎新，霍雨江，张华荣，宋锦武

(1.中北大学 环境与安全工程学院，山西 太原 030051；2.广州广电计量检测股份有限公司，广东 广州 510656)

0 引 言

可燃气体的燃烧爆炸是各种灾难性事故的主要形式之一，由此引起的爆炸事故发生频率和危害程度呈逐年上升的趋势[1-2].由于动态爆炸特性相关问题复杂，涉及影响因素较多，研究难度大，国内外对其研究相对较少.截止到目前，前人所做的研究工作基本是针对静态(不流动)的气体进行的.事实上，在实际生产、生活中，可燃气体多处于流动状态，研究动态条件下可燃气体的爆炸特性与实际情况更为吻合，也更具有实际意义[3-4].国内外学者对于可燃气体的爆炸特性研究主要集中在爆炸极限、爆炸压力、点火能量、火焰传播速度、初始温度以及初始压力对其爆炸特性参数的影响等方面[5].邓军等[6]利用20 L球形气体爆炸装置测试了静止状态和湍流状态下甲烷的爆炸极限和爆炸压力，结果表明流动状态对甲烷爆炸极限的影响较小，甲烷的爆炸压力和爆炸压力上升速率随湍流程度的增大而增大；谢溢月等[3,7]测定了湍流条件下甲烷和氢气的爆炸极限，通过搅拌转子的转速来表征湍流强度.

本文利用自行设计的可燃气体动态爆炸特性试验装置，试验研究了3种可燃气体在动态条件下的爆炸极限范围，以期为其它可燃气体动态爆炸极限的测定提供一套新装置、新方法，同时为国家、企事业单位设计、制定各种科学而有效的安全措施提供理论依据.

1 试验装置

测试所用的试验装置为自行设计的可燃气体动态爆炸极限测试装置，由燃爆管、配气系统、点火系统和数据采集系统四部分构成，其核心部分是承载混合气体发生爆炸的燃爆管和两级气体混合器.燃爆管的材质选用不锈钢，管长约 1 400 mm，内径约60 mm.混合气体的配气浓度采用分压法确定，进气量通过流量计控制.燃爆管内相对放置一对点火电极用来引爆可燃气体，采用高压互感器为其供电击穿空气产生电火花.混合气体在燃气管中被电火花引燃最终是否发生爆炸，通过安装在燃爆管上的压力传感器的压力数据和燃爆管端口是否观察到火焰以及点火电极处的火焰情况综合判定.为了得到准确的试验数据，必须保证混合气体在燃爆管中分布的均匀性，为此设计了二级气体混合器.为了保证试验过程的安全，防止爆炸回火倒燃现象的发生，在系统中安装了阻火器.试验的配气采用可燃气体和空气同时进气的同步式配气法，通过观察窗可以判断点火后点火电极是否放电和判断混合气体是否发生爆炸.为了保证试验过程中可燃气体在燃爆管内的正常流动和避免试验过程中产生的废气对环境造成污染，试验中在燃爆管末端增加了一段集气管.试验装置系统图如图 1 所示.

图 1 测试装置系统图Fig.1 Test equipment system diagram

2 试验方法

试验采用渐进法，首先通过流量计控制甲烷和空气同时进气[8]，按照所需比例配制试验用混合气体，用高压点火器点火，若爆炸，则减小(测定爆炸下限时)或增大(测定爆炸上限时)可燃气体浓度重复试验；如果点火后可燃性混合气体未发生爆炸，则增大(测定爆炸下限时)或减小(测定爆炸上限时)可燃气体的浓度重复试验，最终得到最接近火焰传播的浓度和不传播的浓度.按照GB/T 12474-2008中给出的公式计算出可燃气体爆炸极限值[9].

(1)

式中：φ为可燃气体爆炸极限值；φ1为最接近火焰不传播的浓度；φ2为最接近火焰传播的浓度.

测试时可燃气体浓度的调节步长为0.1%，在最接近火焰不传播的浓度处至少重复测试5次.为了使混合气体在燃爆管内保持流动状态，在燃爆管末端增加一段集气管，当混合气体充满燃爆管后，在不间断供气的情况下实现混合气体在燃爆管内的正常流动.

3 动态爆炸极限的测定

本研究选择了3种生产生活中的代表性危险气体，即甲烷、液化石油气(含杂质)和氢气，进行动态条件下的爆炸上限和爆炸下限研究测定.本研究所用甲烷样品的纯度≥99.9%，氢气样品纯度≥99.9%，液化石油气(含杂质)纯度为40%.

3.1 甲烷爆炸极限测试

甲烷在流动状态下的在流动状态下的爆炸下限测试结果如表 1 所示.

表 1 甲烷爆炸下限

由表 1 可以看出，甲烷最接近火焰不传播的浓度为5.2%；最接近火焰传播的浓度为5.3%，根据式(1)可计算出甲烷在流动状态时的爆炸下限为

甲烷在流动状态下的爆炸上限测试结果如表 2 所示.

表 2 甲烷爆炸上限

根据表 2 可知，甲烷最接近火焰不传播的浓度为17.1%；最接近火焰传播的浓度为17.0%，由式(1)计算得到甲烷在流动状态时的爆炸上限为 17.05%，因此甲烷在流动状态下的爆炸极限范围为5.25%～17.05%.

3.2 液化石油气(含杂质)爆炸极限测试

液化石油气(含杂质)在流动状态下的爆炸下限测试结果如表 3 所示.

由表 3 可得，液化石油气(含杂质)最接近火焰不传播的浓度为2.5%；最接近火焰传播的浓度为2.6%，由式(1)计算得到液化石油气(含杂质)在流动状态时的爆炸下限为2.55%.液化石油气(含杂质)在流动状态下的爆炸上限测试结果如表 4 所示.

表 3 液化石油气(含杂质)爆炸下限

表 4 液化石油气(含杂质)爆炸上限

由表 4 可知，液化石油气(含杂质)在流动状态下最接近火焰不传播的浓度为12.9%；最接近火焰传播的浓度为12.8%，由式(1)计算得到液化石油气(含杂质)在流动状态时的爆炸上限为 12.85%，因此液化石油气(含杂质)在流动状态下的爆炸极限范围为2.55%～12.85%.

3.3 氢气爆炸极限测试

氢气在流动状态下的爆炸下限测试结果如表 5 所示.

表 5 氢气爆炸下限

根据表 5 可知，氢气最接近火焰不传播的浓度为4.3%；最接近火焰传播的浓度为4.4%，由式(1)计算得到甲烷在流动状态时的爆炸下限为4.35%.氢气在流动状态下的爆炸上限测试结果如表 6 所示.

根据表 6 可以看出，氢气最接近火焰不传播的浓度为76.1%；最接近火焰传播的浓度为76.0%，根据式(1)计算出氢气在流动状态时的爆炸上限为76.05%.由上述试验数据可知，氢气在流动状态下的爆炸极限范围为4.35%～76.05%.

表 6 氢气爆炸上限

3.4 测试结果分析

将上述流动状态下测得的爆炸极限数据与静态下的爆炸极限数据进行比较，结果见表 7.

表 7 不同状态下爆炸范围比较

由上述数据可知，与静止状态的爆炸极限相比，流动条件下甲烷、液化石油气(含杂质)和氢气的爆炸下限升高，而爆炸上限降低，爆炸危险性加大.

4 结 论

1) 试验研究发现甲烷、液化石油气(含杂质)及氢气在动态条件下的爆炸下限值比静态条件下的爆炸下限值高，而动态条件下的爆炸上限值比静态条件下的爆炸上限值低，说明动态条件下可燃气体的爆炸极限范围比静态条件下的爆炸极限范围小，爆炸危险性加大.

2) 爆炸极限是评估可燃气体爆炸危险性的一个重要参数，但是用不同试验装置测定的可燃气体爆炸极限有所区别，受外界因素影响较大，因此在实际中采用这些数据时应选择一定的安全系数.在工业生产等使用可燃气体时，应保持一定的通风有助于降低可燃气体的爆炸危险性.