甲烷和正庚烷的爆炸特性试验

韦 一，潘剑锋，GABEL Dieter

(1.江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013；2.奥托·冯·格里克马格德堡大学 仪器与环境技术研究所，德国 马格德堡 39106)

随着工业水平的快速发展，可燃气体和液体(蒸气)被广泛应用于生产、储存和运输等环节中.然而，由此导致的爆炸事故也造成了巨大的人员伤亡和财产损失.从爆炸理论的角度来看，爆炸特性参数是爆炸发生难易程度和爆炸危险性的直接体现，对于了解可燃物质爆炸特性和预防爆炸事故具有重要意义，也是国内外学者研究的重点.

目前，相关研究主要以试验测量可燃气体的爆炸特性参数为主，对于可燃液体(蒸气)的关注不足.张增亮等[1-2]利用20 L柱形爆炸筒对可燃气体的爆炸极限规律进行了研究，并对惰性气体对于液化石油气爆炸极限的抑制作用进行了试验和理论分析.周宁等[3]改进了20 L球形爆炸测试装置，研究了氮气和二氧化碳对于液化石油气爆炸极限的影响.CHEN C.F.等[4]利用20 L球形爆炸容器对富氧状态下乙烯的爆炸特性进行了研究.D.RAZUS等[5]利用直径10 cm的不锈钢球形容器对初始温度和压力对于丙烷-空气混合物(dp/dt)max的影响进行了研究.E.SALZANO等[6]使用体积为5 L的圆管作为反应容器，对甲烷-氢气-空气混合物在不同初始压力下的爆炸特性参数进行了研究.A.A.PEKALSKI等[7]利用20 L球形爆炸容器，重点探讨了点火延迟时间对碳氢化合物-空气混合物爆炸特性参数的影响.

在甲烷气体爆炸特性的研究方面，主要是探究温度、压力等初始条件对甲烷爆炸特性参数的影响，但对于流动状态的影响则关注不足.高娜等[8]利用20 L球形测试系统，对不同初始压力和初始温度下甲烷的爆炸极限进行了测量.CUI G.等[9]利用不锈钢圆管爆炸特性试验装置，对较低初始温度下甲烷-空气混合物的爆炸特性进行了研究.目前仅有邓军等[10]对宏观静止和流动状态下甲烷爆炸特性参数进行了较为深入的研究，但采用的高压气流压力最大为1 MPa，对高流速下的爆炸特性参数关注不足，且未对甲烷爆炸危险程度进行定量分析.有关正庚烷液体的爆炸特性的研究则更加有限，目前有关学者仅对其高温下的爆炸极限和最小点火能量等参数进行了研究[11-12].

目前国内外对于流动状态下的可燃物质，特别是正庚烷等液体的爆炸特性参数研究仍不足，此外，井下瓦斯爆炸、液体泄漏爆炸等事故，均发生在流动状态下.因此，对流动状态下可燃物的爆炸危险性进行判别具有重要意义.笔者对20 L球形爆炸容器标准测试装置进行改进和简化，通过2 MPa高压气流改变流动环境，在室温(25 ℃)和常压(0.10 MPa)的初始条件，对宏观静止和流动状态下甲烷和正庚烷的爆炸特性参数(最大爆炸压力pmax、最大爆炸压力上升率(dp/dt)max和爆炸指数KG)进行测量，探究宏观静止和流动状态下各参数的变化规律，并通过计算KG值对2种烷类可燃物的爆炸危险性进行判别，对其安全生产、储存和运输提供建议.

1 试验装置和方法

1.1 试验装置

在20 L球形爆炸容器测试设备基础上，增加了1组控制阀门，用来实现对导入气体、液体、抽真空和创造流动环境等的控制.整套装置能够对不同种类的可燃气体、液体(蒸气)的爆炸特性参数进行测量，并改变流动环境，研究宏观静止与流动状态下的爆炸特性参数变化规律.测试系统简图如图1所示.

图1 20 L球形爆炸容器测试系统简图

该测试系统主要由20 L球形爆炸容器、点火装置、进气系统、进液系统、数据接收与处理、空气泵装置以及高压气流装置组成.球形爆炸容器容积为20 L，内径为336 mm，厚度为10 mm.内置有2个压力传感器，用于测量容器内爆炸压力随时间变化的过程.容器内的爆炸情况可由容器前端的窗口观测得知.该容器的实物图以及不同爆炸状态下的观测图如图2所示.本试验的点火装置为一对由计算机控制的电火花塞，点火能量为10 J，点火延迟时间为60 ms，电极是2根圆形的钨棒，相对放置，间距为6 mm.当开关闭合时，该点火装置可由计算机程序KSEP 320控制点火.

图2 20 L球形爆炸容器及不同爆炸状态的观测图

试验中流动状态由可变气压输出装置和空气瓶配合实现，其中可变气压装置容积为0.7 L，通过内径10 mm的钢管直接与容器相连.该装置连接空气瓶后，可产生压力为1 MPa或2 MPa的空气气流，并在进气和配气过程结束、高压气流阀门打开后进入容器，通过压力差在容器内形成空气快速流动.为了提高空气流速，更好地促进可燃气与空气混合，试验采用了压力为2 MPa的高压气流.

1.2 试验方法

进行宏观静止状态气体试验时，首先利用抽气泵将容器内的压力抽至接近真空，再打开进气阀门，根据压力传感器读数，利用分压法将相应体积分数的气体导入.随后，打开空气阀门，利用容器内外压力差将甲烷气体导入容器内，待容器压力恢复为环境压力后，关闭阀门，静置2 min，点火并记录数据.

进行流动状态气体试验时，为了保证高压气流进入容器后，容器总压力仍维持在环境压力，根据理想气体状态方程，计算出释放高压气流前，容器内的压力约为0.04 MPa.因此，与上述宏观静止试验步骤稍有不同，导入气体或蒸气后，需打开空气阀门，待容器压力恢复至0.04 MPa时将其关闭，同时打开高压气流阀门，使高压气流通过与容器直接连接的管道进入容器内，形成流动环境.当容器内压力恢复至环境压力后，立即点火并记录数据.

进行液体试验时，需要提前用带刻度的移液器量取相应体积的液体备用.试验开始后，用空气泵将容器抽至接近真空，在这一过程即将结束时，用移液器将液体注射进阀门进口.待抽气完毕后，将进液阀门打开，此时，液体沸点低于室温从而汽化，再利用分压法将其导入容器中.待容器压力恢复为环境压力后，关闭阀门，点火，并记录数据.液体试验主要在流动状态下进行，并在最佳体积分数处进行宏观静止状态的对照试验.

每次试验结束后，均将容器内的高压释放，通入纯净空气将容器内可能存在的未燃混合气排出，并将容器内壁生成的水擦去，保证容器的干燥.

2 试验结果及分析

2.1 甲烷试验结果及分析

甲烷(CH4)在空气中的爆炸极限范围是体积分数为4.6%～14.3%.因此，试验测定了体积分数为7%～13%的区间，以1%为梯度递增，共7种体积分数下甲烷的pmax和(dp/dt)max值.为了减少试验误差，每种体积分数下进行了10次测量，取其平均值.7种不同体积分数甲烷在宏观静止和流动状态下pmax的测量值如图3所示.

图3 宏观静止和流动状态下7种体积分数甲烷的pmax

从图3可以看出：在宏观静止和流动状态下，甲烷的pmax均随着体积分数的升高，呈现先增大后减小的趋势，且2种流动状态下的甲烷均在体积分数为11%处达到峰值，其中宏观静止状态下峰值为

0.69 MPa，流动状态下峰值为0.75 MPa.pmax峰值对应的体积分数又称为最佳爆炸体积分数，因此本试验测得的甲烷在空气中的最佳爆炸体积分数为11%.甲烷在空气中燃烧的化学方程式为

CH4+2O2+2×3.773N2→CO2+2H2O+2×3.773N2.

(1)

由式(1)计算出的甲烷化学计量体积分数约为9.5%，根据有关气体爆炸理论的研究[13]，对于多数气体燃料和空气的混合物来说，由于化学反应的不完全性和燃烧产物的解离及二次反应等原因，气体的最佳爆炸体积分数一般大于化学计量体积分数，且为化学计量体积分数的1.1～1.5倍.经计算，笔者的试验结果与理论结果相吻合.此外，这一结果还证明了气体流动状态几乎不会改变甲烷气体的最佳爆炸体积分数，即在宏观静止和流动状态下的甲烷气体最佳爆炸体积分数具有一致性.

从图3还可以看出：在甲烷体积分数为7%～11%区间内，两者变化规律相近，在低体积分数区间(7%～9%)，随着体积分数升高，pmax上升较快；在中间体积分数到最佳爆炸体积分数区间(9%～11%)，随着甲烷体积分数升高，pmax上升较慢.而在11%～13%体积分数区间内两者则有很大不同，随着体积分数增大，在宏观静止状态下的甲烷pmax下降较快，而流动状态下的pmax则略有下降.从流动状态对不同体积分数甲烷pmax的提升结果来看，在最佳爆炸体积分数之前的体积分数区间(7%～11%)，所有体积分数下pmax的增幅基本一致，其中10%体积分数下的增幅和其他几种体积分数相比略小，7%体积分数下的增幅则略大.在最佳爆炸体积分数之后的体积分数区间(11%～13%)，随着体积分数的增加，其对应的pmax的增幅逐渐升高.

基于以上试验结果与分析可以得出结论，通过高压气流形成的流动作用可以提高不同体积分数甲烷气体的pmax.造成这一现象的主要原因如下：高压气流作用下，空气的流速加快，更好地促进了甲烷气体与空气的混合，从而促进了爆炸反应过程中的传热传质，使爆炸过程释放更多能量，而pmax则是爆炸释放能量的直接反映，因此对不同体积分数的甲烷气体，其pmax均得到不同程度的提升.此外，高压气流作用对于体积分数小于最佳爆炸体积分数的甲烷气体pmax仅有小幅提升，而对大于其最佳爆炸体积分数的甲烷气体的pmax则提升幅度较大.从化学反应学的角度来看，主要是因为当体积分数高于最佳爆炸体积分数后，甲烷完全燃烧所需氧气量不足，再加上宏观静止状态时混合气混合度不佳，由这2方面的原因造成反应不充分，释放能量降低，从而使pmax迅速降低，而流动状态可以有效提高混合气的混合度，因此，同样情况下的下降速率较为缓慢.

7种不同体积分数甲烷在宏观静止和流动状态下的(dp/dt)max如图4所示，每种体积分数下进行了10次测量，取其平均值，并利用Origin软件对其结果进行了拟合.

图4 宏观静止和流动状态下7种体积分数甲烷的(dp/dt)max

从图4可以看出：与甲烷的pmax提升结果相比，流动状态对不同体积分数下甲烷气体的(dp/dt)max提升效果更显著；宏观静止状态下测得的(dp/dt)max峰值为最佳爆炸体积分数11%处对应的20.78 MPa·s-1，在流动状态下，这一数值陡增至113.44 MPa·s-1；甲烷气体pmax和(dp/dt)max的峰值均出现在同一体积分数处，呈现唯一对应关系.从图4中2曲线对应数据的差值来看，越接近最佳爆炸体积分数，(dp/dt)max的增加越明显，而越远离最佳爆炸体积分数，增加值则越小.分别从2条曲线的变化规律来看，流动状态下随着体积分数增加，甲烷的(dp/dt)max的变化速率明显增大，而宏观静止状态下相应值的变化速率则较小，曲线也较为平缓，这也进一步说明了提高空气流速对于(dp/dt)max的提升显著.

结合有关资料[14]分析可以得出，流动状态下甲烷(dp/dt)max大幅提高的主要原因如下：① 混合气体分子不规则脉动，使得燃烧火焰面扭曲，增大了反应面积，还可使火焰前锋分裂成许多燃烧中心，导致湍流火焰燃烧速率大大增加；② 燃烧反应的热量和活性物质输运速率得到提高，从而增大了垂直于火焰面的燃烧速度；③ 已燃气与未燃新鲜可燃气快速混合，使火焰本质上成为均质混合反应物，从而缩短混合时间，提高燃烧速度.

爆炸指数为

(2)

由式(2)计算出甲烷气体在宏观静止状态下的KG为5.64 MPa·m·s-1，在流动状态下KG为30.79 MPa·m·s-1.从结果中可以发现，在流动状态下，甲烷气体的KG值扩大到近5.5倍，因此，甲烷气体爆炸的危险性也大大提高.

为了更好地将上述试验结果与其他学者的研究结果进行对比，给出了与其他文献资料的对比情况如表1所示.

表1 甲烷试验结果与文献资料对比情况

从表1可以看出：由于容器尺寸、点火方式、能量以及气体流动状态等试验因素的影响，测得的宏观静止状态下甲烷的pmax峰值略小于其他学者的试验结果，流动状态下的试验结果则介于文献[11]和[16]的结果之间.通过分析不同结果，进一步验证了流动状态对于甲烷pmax的提升幅度有限，而对(dp/dt)max和KG的提升较为明显.

综合上述试验结果与分析，在实际生产和运输过程中，需要严格监测甲烷气体的体积分数，特别是处于爆炸极限范围内和处于体积分数为11%附近的甲烷，需远离火源，并避免其处于通风口等流动环境中.

2.2 正庚烷试验结果及分析

正庚烷(C7H16)蒸气的爆炸极限范围为1.2%～6.7%.液体试验主要选择在流动状态下进行，并对最佳爆炸体积分数处的正庚烷在宏观静止条件下的爆炸特性参数进行了对比测量.试验选取体积分数为1.5%～5.0%，以0.5%为梯度递增，对共8种体积分数的正庚烷在流动状态下测量其pmax和(dp/dt)max.每种体积分数下所需气体、液体体积计算结果如表2所示.

表2 8种体积分数正庚烷所需气体、液体体积计算结果

为了减少试验误差，每种体积分数下进行10次试验，取其平均值，利用Origin软件对其拟合，结果如图5、6所示.在流动状态下，正庚烷的pmax和(dp/dt)max均在体积分数为4%处取得峰值，分别为0.88 MPa和196.52 MPa·s-1.即体积分数为4%最接近其最佳爆炸体积分数.此外，其参数变化规律也与甲烷试验结果相一致，即在爆炸极限内，随着体积分数的增加，正庚烷的pmax和(dp/dt)max均呈现先增大后减小的趋势，且在最佳爆炸体积分数前，pmax和(dp/dt)max变化较快，在最佳爆炸体积分数后的变化趋势较为平缓.

图5 流动状态下8种不同体积分数正庚烷的pmax

图6 流动状态下8种不同体积分数正庚烷的(dp/dt)max

在正庚烷最佳爆炸体积分数(4%)处进行了宏观静止与流动状态对照试验，每种状态下的试验重复10次，结果如图7、8所示,与甲烷试验结果相似，与宏观静止状态的结果相比，流动状态提高了正庚烷的pmax和(dp/dt)max峰值，其中pmax峰值从0.81 MPa增大至0.88 MPa，增幅约8.6%；(dp/dt)max峰值从56.60 MPa·s-1增大至196.52 MPa·s-1，提升到约3.5倍，2种参数增大的原因也与甲烷试验中所提及的相一致.

图7 宏观静止和流动状态下体积分数为4%的正庚烷pmax分布

图8 宏观静止和流动状态下体积分数为4%的正庚烷(dp/dt)max分布

同样地，利用式(2)进行计算，在宏观静止状态下，计算得出的正庚烷(蒸气)的KG为15.36 MPa·m·s-1，而在流动状态下的KG为53.34 MPa·m·s-1，证实了在流动状态下，正庚烷(蒸气)的爆炸指数扩大到约3.5倍，提高了爆炸的危险程度.因此，在运输、生产和储存该液体时，需严格控制其体积分数，并防止其汽化或处于流动环境下.

结合之前甲烷的试验结果可以发现，2种烷类具有类似的规律，即流动状态均可以小幅提高2种烷类的pmax峰值，并大幅提高其(dp/dt)max峰值，由此也提高了其KG值，从危险程度上来说，正庚烷在宏观静止和流动状态下pmax和(dp/dt)max峰值均大于甲烷，且KG值也约为甲烷的2倍，因此，正庚烷的爆炸剧烈程度和危险程度要大于甲烷.

3 结 论

1) 在宏观静止和流动状态下，不同体积分数甲烷的pmax、(dp/dt)max随着体积分数的增加，均呈现先增大后减小的趋势，且均在体积分数为11%处达到峰值，即本试验测得的甲烷在空气中的最佳爆炸体积分数为11%.基于此，在流动状态下，对不同体积分数正庚烷液体(蒸气)的pmax、(dp/dt)max进行测量.体积分数为4%是正庚烷液体(蒸气)的最佳爆炸体积分数.

2) 流动状态下，2种烷类pmax和(dp/dt)max峰值均增加，综合来看，pmax小幅增加为5%～10%，而(dp/dt)max的提升则十分明显，为宏观静止状态对应值的4～5倍，同样地，其KG值也提高到4～5倍，显著提高了爆炸的破坏性和危险性.

3) 试验测得正庚烷在宏观静止和流动状态下的pmax、(dp/dt)max峰值和KG值均大于甲烷，即正庚烷具有更高的爆炸危险性.