不同湿度和近爆炸下限条件下甲烷-空气混合物爆炸特征*

杨龙龙，刘 艳，杨春丽

（1. 北京市劳动保护科学研究所，北京 100054；2. 北京市科学技术研究院，北京 100089）

煤层中含有大量瓦斯，会随着开采释放到巷道空间；污水管道内的有机质分解，也会产生以甲烷为主的可燃性气体并在管道内扩散。两者都位于地下空间，相对比较封闭，甲烷气体可能在局部位置积聚。加上两种环境内的湿度都比较大，容易形成由水蒸气、甲烷和空气混合物组成的爆炸性气体。研究不同湿度条件下的甲烷-空气混合气体爆炸特征，对灾害的预防与评估有重要意义。

影响甲烷爆炸特征的因素有爆炸初始压力、初始温度、点火能大小、点火位置、气体组分及浓度、混合均匀程度、流动状态、容器尺寸和有无障碍物等[1-4]。惰性气体或液体能够抑制甲烷的爆炸，惰性气体在工业防爆、抑爆领域有广泛的应用。研究表明，氩气、氮气和二氧化碳等气体对甲烷-空气混合物爆炸有明显的抑制作用[5-7]。余明高等[8]、裴蓓等[9]研究了惰性气体和超细水雾耦合的抑爆效果，发现超细水雾和多孔材料的组合对瓦斯爆炸也有很好的抑制作用。甲烷爆炸极限作为一个重要参数，受多种因素的影响。Cashdollar 等[10]分别在20、120 L 爆炸装置中研究了不同状态、点火源类型的爆炸极限，发现容器尺寸对爆炸压力上升速率的影响较大。任常兴等[11]分析了爆炸容器和容积、初始温度等因素对爆炸极限测定的影响。谭迎新等[12]指出，在流动状态下，甲烷-空气混合物的爆炸极限是5.25%～17.05%，爆炸下限和上限较一般情况均有所升高。与上述因素相比，关于湿度对甲烷等可燃气体爆炸极限影响的研究较少。刘丹等[13]研究了水蒸气对瓦斯爆炸极限的影响，发现气体混合物从干燥向水蒸气饱和状态转变时，爆炸下限上升0.11%，爆炸上限下降0.31%。谭汝媚等[14]研究了40%、88%相对湿度条件下的环氧丙烷爆炸参数，指出在环氧丙烷最佳化学计量比浓度附近时，最大爆炸压力随着湿度的增大明显下降，这个现象在爆炸极限浓度附近则不显著。朱丕凯[15]研究了不同环境湿度对甲烷爆炸极限的影响，当相对湿度从20%增大到80%时，相应的爆炸下限从4.91%上升到5.03%，上升率为0.17%。李成兵等[16]通过加热装置将激波管加热至353 K，制备一定湿度的甲烷-空气混合物，分析了水蒸气对甲烷燃烧和爆炸的抑制作用。Shen 等[17]研究了饱和水蒸气条件下甲烷-空气混合物的燃爆特性：根据设定的水蒸气在混合气体中占比，混合气体的相对湿度在85%～100%；在此湿度条件下，当甲烷浓度低于10%时，湿度的影响较小，而当甲烷浓度高于10% 时，最大爆炸压力、最大压力上升速率、层流燃烧速度有明显的减小，爆炸极限相应地变窄。

上述研究中，他们对甲烷-空气混合气体的温度、压力等参数都进行了准确的描述与分析。环境湿度是一个波动的参数，随着测试者所处地理位置、气候条件、测试时段不同，其环境湿度可能存在较大差异。文献中以记录环境湿度范围的居多，而对气体混合后的湿度没有准确的描述。煤矿井下巷道、城市污水管道内，受到特殊的环境条件限制，内部空气比较潮湿，甲烷浓度达到爆炸下限的可能性高。本文中，设计饱和湿空气发生及储存装置，分析和计算混合后可燃性气体的相对湿度。利用20 L 球形爆炸装置，研究不同相对湿度条件对近爆炸下限的甲烷-空气混合气体爆炸特征的影响。

1 实验设备和方法

1.1 实验设备

实验设备为20 L 球形爆炸测试装置（见图1），由爆炸腔体、粉尘仓、数据采集仪、电火花发生器、真空泵、高压气瓶等组成。爆炸腔体为双层结构，通过水浴加热器和循环水泵保持爆炸腔体温度恒定。粉尘仓体积为0.6 L，耐压4 MPa。采用电火花点火，两个钨电极布置在腔体中部，点火能量为10 J。腔体设置有玻璃视窗，通过视窗可观察电极所处位置。压电式传感器布置在腔体侧面，采样频率为5 kHz，通过数据采集仪和计算机采集并储存爆炸压力数据。采用分压法配置混合气体，配气所用压力传感器量程为0～100 kPa，分辨率为0.1 kPa。预先设定参数，仪器通过控制电磁阀的开闭自动配气。

图1 实验装置Fig. 1 Experimental equipment

为了控制混合气体湿度，设计了饱和湿空气发生及储存装置，如图2 所示。该装置由空压机、水浴加热器、加热带及控制器、鼓泡器、气囊、保温管路、减压阀、节流阀和流量计等组成。鼓泡器置于水浴加热器中，压缩空气通过减压阀、节流阀进入鼓泡器，节流阀控制鼓泡速度，然后气体进入气囊，经过一段平衡时间，气囊中湿空气达到饱和状态。气囊的两个出口分别接20 L 爆炸腔进气口和泄压阀。通过温度控制器和加热带，保持连接管路和气囊的温度恒定，以防止水蒸气析出。

图2 饱和湿空气发生及储存装置Fig. 2 Saturated vapor generator and container

1.2 实验方法

爆炸腔温度为298 K，初始压力设置为101 kPa。通过饱和湿空气发生及储存装置，预先制备一定量的饱和湿空气，待气囊中空气相对湿度稳定后再开始配气。甲烷和饱和湿空气分别通过进气口1 和2 进入爆炸腔体，配气完成后静置5 min，使气体达到均匀混合。由于水蒸气饱和分压力与温度有关，当温度固定后，根据不同气体组分的浓度和相对湿度，可计算爆炸腔体中混合气体的相对湿度：

式中：Hmix为混合后气体相对湿度，φ1为湿空气的体积分数，η 为饱和系数（流速过快或平衡时间短时，η＜1，达到饱和湿空气状态时，η=1），φ2为爆炸腔体抽真空后残留空气的体积分数，φ3为压力配平空气的体积分数，Hair为环境中空气的相对湿度。

以井下巷道和污水管道内的可燃气体环境为例，结合实际情况，设甲烷浓度分别为5.9%、6.1%、6.3%和6.5%。实验中，水浴加热器和保温管路的温度均为298 K，可计算混合后的气体实际相对湿度分别为27.7%、36.5%、52.6%、72.6%和80.1%。根据ISO 6184-1《Explosion protection systems》，记录爆炸压力曲线，以爆炸压力超过初始压力7%判断是否发生爆炸。测试得到混合气体发生爆炸的最低浓度和不发生爆炸的最高浓度，其平均值作为该温度和湿度下的爆炸极限。每个工况测试至少重复3 次。

2 实验结果及分析

2.1 最大爆炸压力

最大爆炸压力pmax反映了爆炸反应的强度，是化学反应释放能量大小在热力学层面的表征[18]。研究不同工况下的最大爆炸压力，可为甲烷爆炸灾害的预防与评估提供依据。图3 为不同甲烷浓度（体积分数）的最大爆炸压力。由图3 可见，随着甲烷浓度的增大，pmax逐渐增大。随着相对湿度的增大，pmax呈逐渐降低的趋势。图4 为pmax随相对湿度的变化情况，可以看出，总体上甲烷的最大爆炸压力与相对湿度有一定的线性关系。当甲烷浓度为6.5%时，相对湿度从27.7%增大到80.1%，pmax从0.436 MPa 降低到0.390 MPa。而当甲烷浓度为5.9%和6.1%时，拟合线性较差，可能是配气时进气速率过高导致相对湿度波动较大。从4 种甲烷浓度的拟合公式可以看出，其斜率均较小，在所研究范围内甲烷浓度较低时，相对湿度对最大爆炸压力的影响较有限。

图3 不同甲烷浓度时最大爆炸压力Fig. 3 Maximum explosion pressures with different methane concentrations

图4 不同相对湿度时甲烷最大爆炸压力Fig. 4 Maximum explosion pressures at different relative humidities

2.2 最大爆炸压力上升速率

最大爆炸压力上升速率(dp/dt)max反映爆炸反应热量释放速率，是甲烷爆炸过程化学反应快慢的宏观反映。图5 为不同甲烷浓度下的最大爆炸压力上升速率，可以看出，随着甲烷浓度增大，(dp/dt)max逐渐增大。注意到，在甲烷浓度为6.5% 时，相对湿度为36.5% 的最大爆炸压力上升速率比相对湿度为27.7% 的大，可能与配气温度变化导致的相对湿度波动有关。整体上看，随着相对湿度的增大，(dp/dt)max呈线性下降的趋势，如图6 所示。当甲烷浓度为6.5%时，相对湿度为27.7%的(dp/dt)max为33.357 MPa/s，相对湿度增大到80.1%时的(dp/dt)max下降到23.071 MPa/s。表1 为pmax和(dp/dt)max随相对湿度变化的拟合参数。由4 条曲线的斜率可见，(dp/dt)max随甲烷浓度变化的斜率逐渐趋于平缓。在甲烷浓度较低时，(dp/dt)max受湿度的影响比在高浓度时小。

表1 甲烷爆炸特征随相对湿度变化的拟合参数Table 1 Fitted parameters of CH4 explosion characteristics at different relative humidities

图5 不同甲烷浓度时最大压力上升速率Fig. 5 Maximum rates of pressure rise with different methane concentrations

图6 不同相对湿度时最大压力上升速率Fig. 6 Maximum rates of pressure rise at different relative humidities

2.3 爆炸下限

爆炸极限是反映气体爆燃特性的重要参数之一。在常温常压下，甲烷的爆炸极限为5%～16%，这是采用直径508 mm 以上透明管通过观察是否出现向上传播的火焰而测试得到的[19]。大多数情况下，甲烷的爆炸极限不是一个固定值，它与甲烷-空气混合气体的初始温度、压力、点火能量、容器尺寸、壁面类型等有关[20-21]。上述因素对甲烷爆炸极限的影响已有大量数据[10,13,17,20-26]，表2 为不同条件下甲烷的爆炸下限φL(CH4)、爆炸上限φU(CH4)，W 为电火花能量。可以看出，测试条件的初始温度和初始压力多采用室温和标准大气压，采用的测试设备类型和体积、点火源类型及大小也都有准确的描述。

表2 甲烷空气混合物爆炸极限Table 2 Explosion limits of methane-air mixtures

本文中，主要模拟煤矿井下巷道和城市污水管道内的可燃气体环境参数，通过饱和湿空气发生装置配置了不同湿度和浓度的可燃气体混合物。根据现场检测，通常情况下，甲烷浓度低于1%，远低于爆炸下限。这类场所并非密闭空间，其内部与外界有一定的气体交换，只有在异常条件下能够达到本文中所设定的条件。此外，当甲烷浓度在近爆炸上限范围内时，混合体系处于富燃料状态，氧含量不足，混合气体中的甲烷不能完全反应。在这种情况下，增加水蒸气进一步降低混合气体中的氧含量，此时测试参数的变化，是由水蒸气的加入和氧含量降低两种因素共同作用所致，研究湿度单一因素对爆炸特征的影响，还需要进一步分析。而在近爆炸下限时，混合气体始终处于贫燃料状态，不存在氧含量不足这个因素的干扰。因此，仅讨论湿度对近甲烷爆炸下限的影响。

基于上述考虑，我们测试了较低甲烷浓度下和不同相对湿度下甲烷-空气混合物的爆炸下限，如图7所示。可见，随着混合物相对湿度的增大，爆炸下限从5.15%上升到5.25%，上升率为1.9%。通过误差分析可知，实验测量的误差由两部分组成：一部分是压力传感器和配气过程造成的系统误差，另一部分是系统测试环境产生的随机误差。由于系统误差具有重复性和单向性，重复测定时结果会同时偏大或偏小，加上每组工况都进行了重复测试，随机误差有一定程度的降低。因此，在考虑系统误差和随机误差的基础上，可认为爆炸下限变化的差值是由湿度引起的。同时也注意到，在常温常压下，湿度对甲烷-空气混合物爆炸下限的影响较有限，主要是因为：在该条件下，水蒸气在空气中的饱和分压力较低，绝对湿度较小，对爆炸下限的影响较弱。Shen 等[17]研究了饱和水蒸气对甲烷-空气爆炸极限的影响，发现甲烷爆炸极限由干燥条件下的5%～15%变为6%～14%。本文中，爆炸下限的变化与文献中类似湿度条件的爆炸下限变化趋势一致，但是爆炸下限均大于文献中的测试值。这与文献中采用干燥的合成空气代替空气进行配气、而混合后气体不含水蒸气有关。此外，实际情况中，爆炸腔体的真空度、是否采用空气配平，都会影响实际湿度，因此本文测试的爆炸下限与文献中的爆炸下限有一定差异。

图7 不同相对湿度时甲烷爆炸下限Fig. 7 Lower explosion limits of methane-air mixture at different relative humidities

2.4 层流燃烧速度

层流燃烧速度是，在绝热条件下平坦的、无拉伸的火焰面相对于未燃预混气体的速度[27]，是反映可燃气体燃烧特性的重要参数之一，对爆炸灾害的分析与计算有重要意义。层流燃烧速度可以通过分析计算球形火焰扩张的轨迹得到。也可以通过爆炸压力曲线计算层流燃烧速度[28]：

式中：pmax、p0、p 分别为最大爆炸压力、初始压力和实际压力，Pa；V 为爆炸腔体容积，m3；γ 为未燃气体的绝热指数，取为1.374[27,29]；dp/dt 为压力上升速率，Pa/s。该模型的优点在于，只通过压力曲线获得最大压力和压力上升速率，就能计算得到层流燃烧速度。由该模型得到的层流燃烧速度与通过其他方法测试得到的结果相差不大[7,30-32]。

取实际压力为爆炸峰值压力，将不同的爆炸参数代入式（2），计算不同条件下的层流燃烧速度，如图8 所示。可见，随着甲烷浓度的增大，层流燃烧速度SL逐渐增大。当相对湿度为27%时，甲烷浓度从5.9%增大到6.5%，相应的SL从0.11 m/s 增大到0.20 m/s。图9 是层流燃烧速度随相对湿度变化情况。可见，在相同甲烷浓度下，层流燃烧速度随相对湿度的增大而线性减少，拟合参数见表1。

图8 不同甲烷浓度时层流燃烧速度Fig. 8 Laminar burning velocities with different methane concentrations

图9 不同相对湿度时层流燃烧速度Fig. 9 Laminar burning velocities at different relative humidities

3 讨 论

3.1 混合气体水蒸气分压力

本文中，空气湿度的表征采用相对湿度，即空气的实际绝对湿度与相同温度下饱和湿度的比，也就是空气中水气压与相同温度下饱和水气压的比。饱和水气压随温度而变化，即温度越高，饱和水气压越大。在混合气体与外界无质量交换的前提下，温度升高，绝对湿度不变，而相对湿度增大。实际配气中，采用的可燃气体纯度较高，气体中含有的水蒸气极少。配气采用的空气一般有两种形式：一种是氮气和氧气按一定比例混合的合成空气，可认为是干燥空气；另外一种是通过空压机压缩并储存的空气，其湿度与环境湿度有关。采用后者空气进行配气时，根据可燃气体的浓度大小，混合后的可燃气体湿度略小于空气的相对湿度。

目前，大部分仪器设备对空气湿度的表征采用相对湿度。根据上述分析，研究水蒸气对甲烷及其他可燃气体混合物爆炸特征的影响，或在同类或相近研究中进行横向比较时，应注意实验条件的温度、相对湿度是否一致。本文中，实验初始条件为298 K、101 kPa，通过伴热带和水浴加热器控制气囊、配气管路和爆炸腔体的温度，避免水蒸气的凝结，以保证湿度的准确性。从实验结果和分析中，可以看出，在温度相对较低的室温条件下，相对湿度对pmax、（dp/dt）max和SL有一定影响，但是影响较弱。这与室温下水蒸气的饱和分压力较低有关[33]。本实验控制可燃气体混合物湿度方法的特点是方便和安全，甲烷和饱和湿空气在进入爆炸腔体内不进行混合。与此同时，该方法也有一定的局限性，其最大绝对湿度与温度、可燃气浓度有关，即由于干燥可燃气的存在，无法配置出相对湿度100%的气体环境。当混合气体的初始条件为高温、高压时，水蒸气分压力显著增大[33]，体系中的水蒸气含量不能忽视，此时采用水蒸气分压力来表征体系中的水蒸气的量则更合适。

3.2 水蒸气对甲烷爆炸作用机理

混合气体的相对湿度增大，即体系中水蒸气分压逐渐增大，pmax、(dp/dt)max和SL都有一定的减小。除了本文中分析的水蒸气对甲烷等可燃气体爆炸特征的影响，有关研究表明，水蒸气对汽油-空气混合物的爆炸特征的影响也有类似规律[18,34]。分析其原因，主要有以下两个方面。（1）在化学反应动力学层面，影响甲烷燃烧的关键基元反应有：H + CH4↔ CH3+ H2, OH + CH4↔ CH3+H2O, O + CH4↔ OH + CH3。中间产物CH3的消耗通过基元反应步H + CH3（+M）↔ CH4（+M）进行。反应体系中水蒸气的存在，减小了由反应物产生的H、O 和OH 等自由基的浓度，抑制了CH4的消耗[35]，进而降低了宏观上的最大压力上升速率和燃烧速率。（2）水蒸气的比热容大，与其他气体相比，在爆炸过程中吸收热量更多，降低了宏观上的爆炸压力[18,36]。

4 结 论

通过20 L 球形爆炸装置和饱和湿空气发生及储存装置，配置了固定温度下、不同相对湿度的甲烷-空气混合气体，研究了不同工况下甲烷-空气混合气体的爆炸特征，得到如下结论。

（1）在近爆炸下限附近，随着甲烷浓度的降低，最大爆炸压力pmax、最大压力上升速率(dp/dt)max和层流燃烧速度SL逐渐下降，且下降趋势逐渐减弱。在相同甲烷浓度下，甲烷-空气混合气体爆炸的pmax与相对湿度呈一定的线性关系，(dp/dt)max和SL随相对湿度的增大线性减小。

（2）在温度、压力相对较低的室温条件下，随着相对湿度的增大，爆炸下限从5.15%上升到5.25%，即湿度对甲烷-空气混合物爆炸下限的影响较有限，这与室温下水蒸气的饱和分压力较低有关。当混合气体的初始条件为高温、高压时，水蒸气分压力显著增大，体系中的水蒸气含量不能忽视，此时采用水蒸气分压力来表征体系中水蒸气的量更合适。