高 娜胡毅亭张延松

①南京理工大学化工学院（江苏南京，210094）②中煤科工集团重庆研究院有限公司（重庆，400037）



初始温度对甲烷-空气爆炸压力影响的试验研究❋

高 娜①胡毅亭①张延松②

①南京理工大学化工学院（江苏南京，210094）②中煤科工集团重庆研究院有限公司（重庆，400037）

［摘 要］借助特殊环境20 L爆炸特性测试系统，研究了初始温度对甲烷-空气爆炸压力的影响，初始压力为0. 1 MPa，初始温度变化范围为298～473 K。结果表明，甲烷-空气爆炸的最大爆炸压力随初始温度的升高而降低，初始温度由298 K升高到473 K，最大爆炸压力由0. 783 3 MPa下降到0. 501 2 MPa，下降幅度为35. 89%。初始温度的升高加快了反应速率，缩短了最大爆炸压力到达时间，由298 K时的127. 1 ms缩短到473 K时的85. 0 ms。初始温度升高，甲烷-空气最大爆炸压力的上升速率（dp/ dt）max呈上升趋势。当初始温度由298 K上升至473 K时，（dp/ dt）max升幅并不大，仅为9. 16%；爆炸特征值KG不断增大，其爆炸危险性也随之增大。从反应开始到到达最大爆炸压力这段时间内，爆炸压力上升速率的变化在一定程度上可以反映甲烷-空气爆炸反应速率的变化情况。

［关键词］初始温度；甲烷-空气；最大爆炸压力；压力上升速率；最大压力到达时间

引言

煤层气的主要成分为甲烷，含量（体积分数）约为95%，还含有少量的乙烷、二氧化碳、氮气、氦气、氢气等［1］。煤层气的抽采利用，不仅降低了矿井瓦斯浓度，从而有效减少瓦斯爆炸事故，还可以作为一种清洁的非常规能源走进人们的生活［2-3］。随着能源需求的持续增长和安全要求的逐渐提高，中国对煤层气开发利用的重视程度逐渐提高［4-5］。在煤层气的开发利用过程中，由于工艺要求，往往使煤层气处于高温高压等特殊条件下［6］；而在煤层的深度开采过程中，瓦斯也往往处于非常温常压的状态，若发生事故，将造成严重的后果。因此，研究特殊条件下甲烷的爆炸特性，对于评估煤层气利用的安全性及指导煤炭的安全生产都具有重要的意义。

初始温度是影响甲烷爆炸的重要条件之一，初始温度改变，甲烷的爆炸特性也将随之变化。国内外学者针对初始温度对甲烷爆炸反应的影响进行了一些研究［7-14］，然而，在不同试验条件下，甲烷的爆炸特性试验数据至今仍不够完备。Cashdollar等［7］在不同容积爆炸罐中测定了不同甲烷浓度下的甲烷爆炸压力及压力上升速率，试验表明，压力上升速率受爆炸容器体积的影响较大。Gieras等［8］在40 dm3爆炸罐中试验研究了不同初始温度下甲烷浓度对甲烷爆炸压力及压力上升速率的影响，建立了甲烷最大爆炸压力与初始温度之间的直线关系。目前为止，国内的相关研究还很少，李润之等［13］在20 L爆炸罐中试验测定不同初始温度条件下瓦斯爆炸压力及最大压力上升速率，然而其仅对试验结果进行了描述性总结，并未进行深入的探讨。

为了进一步探讨初始温度对甲烷爆炸特性的影响，本文研究不同初始温度条件下，基于特殊环境20 L爆炸特性测试系统的试验数据，分析初始温度与甲烷爆炸压力、压力上升速率等的关系，并探讨其影响原因。

1 试验方法

特殊环境20 L爆炸特性测试系统主要包括爆炸罐体、配气系统、抽真空系统、点火系统、加热系统、测试系统、控制系统和数据采集系统。图1为该测试系统的主要部分。控制系统通过分析压力和温度传感器采集的数据，来控制加热系统和配气系统，并控制点火系统在罐体中心对气体进行点火操作。系统主要通过爆炸罐体内最底部的加热丝和爆炸罐体夹层中循环的被加热的导热油来完成对试验气体的加热操作。压力数据的采集频率为5 000 Hz。

试验中的初始温度变化范围为298～473 K，环境温度范围为289～303 K，环境相对湿度在60%～90%之间。

在试验条件下，依次对罐体进行抽真空，按体积分压充入甲烷及空气，并静置约5 min，以使甲烷和空气充分混合。利用红外甲烷传感器对罐体内混合气体的浓度进行检测，若连续3次检测到的浓度均为试验设定值，则认为配气完成。爆炸前，罐体内可燃混合气体均处于静止状态。将混合气体加热至试验温度，并利用高能电火花能量发生器产生的电火花对试验气体进行点火，点火能量均为10 J。

2 最佳摩尔分数的确定

在甲烷爆炸反应中，化学计量浓度Cs就是化学反应式中能被氧气完全氧化为CO2和H2O的甲烷在空气中的摩尔分数。理论上，此摩尔分数时反应完全，燃烧速率最大，且放热最多。甲烷-空气混合气体完全氧化反应可以写为：

CH4+2（O2+3. 773N2）＝CO2+2H2O + 7. 546N2。

然而在甲烷-空气的实际反应中，由于反应物并不能反应完全，且反应产物可能产生离解及其他反应，反应时燃烧速率最大且放热最多时的甲烷摩尔分数高于其化学计量浓度。甲烷与空气混合物的燃烧速率和放热量均随着甲烷摩尔分数的变化而改变，当甲烷摩尔分数达到一定值时，其基本燃烧速率达到极值，这时的甲烷摩尔分数为最佳值。在最佳值时，甲烷爆炸的威力最大，破坏效应最严重。要深刻认识甲烷爆炸的危险性，就需要研究最佳摩尔分数时甲烷的爆炸特性。一般情况下，可燃气体和空气混合物中甲烷的最佳摩尔分数为其化学计量浓度的1. 1～1. 5倍。

通过改变常温常压条件下反应中甲烷的摩尔分数，确定最高的甲烷最大爆炸压力，此时的摩尔分数即为此试验系统中甲烷的最佳摩尔分数。最大爆炸压力与甲烷摩尔分数的关系如图2所示。由图2可知，甲烷摩尔分数为10. 1%时，甲烷最大爆炸压力的值最大。因而，在本文的试验系统中，甲烷的最佳摩尔分数为10. 1%。在甲烷爆炸压力的测定中，甲烷的摩尔分数均设定为10. 1%。

3 初始温度对甲烷-空气爆炸压力的影响

3. 1 甲烷-空气最大爆炸压力

图3为298 K和473 K时甲烷爆炸压力随反应时间的变化曲线。由图3可知，爆炸压力在经过一段延迟时间后，迅速上升到最高值，随后缓慢下降。初始温度改变，最大爆炸压力及最大爆炸压力到达时间均改变。甲烷最大爆炸压力由298 K时的0. 783 3 MPa下降为473 K时的0. 501 2 MPa，即温度升高100 K，最大爆炸压力下降了35. 89%。这是因为在其他条件不变的情况下，初始温度的升高减少了单位体积内甲烷-空气混合气体的物质的量，从而减少了反应放出的热量。

图4给出了298～473 K内，甲烷最大爆炸压力（本文试验结果和文献［8］研究结果）及最大爆炸压力到达时间随初始温度的变化曲线。文献［8］得到的最大爆炸压力均高于本文试验值，这是由于：1）甲烷初始浓度不同；2）文献［8］中的爆炸容器为非球形，在反应过程中会产生压力叠加的现象。但本文与文献［8］中最大爆炸压力随初始温度的变化趋势相同。

由图4可知，随着初始温度的升高，甲烷最大爆炸压力逐渐降低，最大爆炸压力到达时间缩短。298 K时，从反应开始到到达最大爆炸压力经历了127. 1 ms，而当温度升高到473 K时，所需的反应时间仅为85. 0 ms，缩短了33. 1%。低于423 K时，初始温度升高使最大爆炸压力到达时间明显缩短；高于423 K后，最大爆炸压力到达时间的降低明显变缓。最大爆炸压力到达时间与反应速率直接相关，而反应速率受温度的影响较大。

根据Arrhenius理论，温度的升高增加了反应系统的内能，使其中活化分子数增多，且分子运动速度也随之加快，有效碰撞增加，因而反应速率加快，加速了氧化反应向快速的燃烧爆炸反应阶段的转化，从而缩短了最大爆炸压力到达的时间。但是，必须要经过一定的反应时间，爆炸压力才能到达最大值，因而，最大爆炸压力到达时间不可能无限地缩短。

3. 2 甲烷-空气最大爆炸压力上升速率

压力上升速率是衡量燃烧速率的标准，其主要与燃烧速率和反应容器体积V有关。根据立方根定律［15］：

最大压力上升速率与反应器容积直接关系到可燃混合气体爆炸特征值KG的大小，而KG可以用来评价可燃混合气体的爆炸危险程度。根据爆炸压力变化曲线，绘制压力上升速率随反应时间的变化曲线，由该曲线的峰值，确定该温度条件下的最大压力上升速率。图5为298 K和473 K时甲烷-空气爆炸反应的压力上升速率随反应时间的变化曲线，其直观地反映了在反应进行过程中，压力上升速率的变化情况。

表1给出了不同初始温度条件下甲烷-空气爆炸反应中的最大压力上升速率（dp/ dt）max和爆炸特征值KG。

由表1可知，最大压力上升速率在试验温度范围内随温度升高呈上升趋势，但变化幅度并不是很大，爆炸特征值也逐渐增大，爆炸危险性有所增加。

表1 不同初始温度下最大爆炸压力上升速率及爆炸特征值Tab. 1 Rising rate of maximum explosion pressure and explosion characteristic value at different initial temperature

甲烷燃烧速率的大小取决于甲烷与氧的化学反应速率和接触混合速率。在试验温度范围内，接触混合速率可认为变化不大，所以甲烷燃烧速率主要取决于甲烷与氧的化学反应速率。因此，作为衡量燃烧速率的标准，压力上升速率在一定程度上可以反映甲烷爆炸反应的反应速率，尤其是从反应开始到到达最大爆炸压力这段时间内。由图5可以看出，随着初始温度的升高，最大压力上升速率的到达时间缩短，且压力变化趋于平稳的时间也缩短。也可以认为是甲烷爆炸反应在更短的时间内达到最大的反应速率，反应放热速率也相应增大，导致反应在此阶段更加危险。在试验中，压力的变化还受到压力的升高、壁面反射波等因素的影响，故压力上升速率的变化不能完全等同于反应速率的变化。

4 结论

运用特殊环境20 L爆炸特性测试系统，在最佳甲烷摩尔分数下，分析初始温度的升高对甲烷-空气混合物爆炸压力的影响，主要得到以下结论：

1）随着初始温度的升高，甲烷-空气爆炸的最大爆炸压力降低。473 K时的最大爆炸压力较之298 K时降低了35. 89%。

2）最大爆炸压力到达时间与反应速率密切相关，反应速率越快，到达时间越短。因此，最大爆炸压力到达时间随初始温度的升高而缩短，从298 K时的127. 1 ms，缩短到473 K时的85. 0 ms。缩短的反应时间，对安全防护强度提出了更高的要求。

3）从反应开始到到达最大爆炸压力这段时间内，压力上升速率的变化在一定程度上可以反映甲烷-空气爆炸反应速率的变化情况。随着初始温度的升高，最大压力上升速率呈上升趋势，其爆炸特征值KG也不断增大，甲烷-空气的爆炸危险性也随之增大。

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Experimental Research on Methane-air Mixtures Explosion Pressure under Normal and Elevated Initial Temperatures

GAO Na①，HU Yiting①，ZHANG Yansong②

①School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science & Technology（Jiangsu Nanjing，210094）②Chongqing Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corporation（Chongqing，400037）

［ABSTRACT］ The influence of initial temperature on the explosion pressure of methane-air mixtures was experimentally investigated at different initial temperature from 298 K to 473 K under the constant initial pressure of 0. 1 MPa. Experiments were performed in a closed spherical 20 L vessel with the ignition electrode at the center，which could heat the experimental gas. The results show that the maximum explosion pressure of methane-air mixtures decreases along with the rise of initial temperature. When the initial temperature increases from 298 K to 473 K，the maximum explosion pressure drops from 0. 783 3 MPa to 0. 501 2 MPa，decreased by 35. 89%. Higher initial temperature accelerates the reaction rate，so the reach time of the maximum explosion pressure is shortened from 127. 1 ms at 298 K to 85. 0 ms at 473 K. In the experimental temperature range，the maximum pressure rise rate（dp/ dt）maxincreases at elevated initial temperature，but the increase is not large，which is only 9. 16%. So the explosion eigen value KGalso increases. During the period from the beginning of the reaction to the time reaching the maximum pressure，the rising rate of explosion pressure，to a certain extent，can reflect the change of the methane-air explosion reaction rate.

［KEY WORDS］ initial temperature；methane-air mixtures；the maximum explosion pressure；rising rate of explosion pressure；reach time of the maximum explosion pressure

收稿日期：［分类号］ TD712；X932❋2015-11-16

doi：10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 03. 006

作者简介：高娜（1986 -），女，博士，主要从事气体爆炸方面的研究。E-mail：gaona_mxd@163. com