可燃性气体爆炸氧浓度的实验研究

可燃性气体爆炸氧浓度的实验研究氧气是燃烧与爆炸的三要素之一，如果能控制可燃性气体混合物中的氧含量，使其处于临界氧浓度氧体积百分数以外，就可以防止发生爆炸。许多工业生产场合都将可燃性气体氧含量作为重要的安全技术指标。而随着目前煤矿瓦斯爆炸事故的频繁发生，对煤矿瓦斯爆炸条件也有着广泛而深入地研究。目前许多关于气体燃烧与爆炸的文献中对气体中氧的含量有一些论述，但是对于可燃性气体临界氧浓度的研究不是很多，对于混合气体氧浓度数据国内外还未见到文献报道。因此本文就煤矿瓦斯的主要成分甲烷及甲烷混气进行了氧浓度的实验研究，得出的数据和结论对矿井瓦斯灾害的肪治和治理提供了一些理论基础。1.2实验原理理论分析可知在可燃性混合气体中，当加入惰性气体，如二氧化碳、氮气，可燃性混合气体中的氧浓度会相应减小，同时会有效缩小可燃性混合气体的爆炸极限范围，使爆炸下限上升，而爆炸上限下降，爆炸范围最终聚为一点，超过此点混合气体即退出爆炸范围，此点则为可燃性混合气体的爆炸极限临界点，此点对应的氧浓度即为爆炸极限临界氧浓度。如果加入的惰性气体能使可燃性混合气体中的氧浓度在临界值以下，无论可燃性气体与惰性气体含量发生任何变化，均不会发生爆炸。2实验结果与分析2.1甲烷、甲烷＋氢气、甲烷＋乙烯爆炸极限及氧浓度的对比分析从图1中看出随着二氧化碳气量的增加，氧气体积分数逐渐下降，甲烷混气爆炸极限范围逐渐缩小。其中，爆炸下限随着二氧化碳充入量的增加而升高，爆炸下限变化比较缓慢；爆炸上限随着二氧化碳充入量的增加而减少，爆炸上限变化较快。随着充入二氧化碳体积分数的增加，氧气体积分数变化比较平缓，爆炸上限和爆炸下限对应的氧浓度都是平滑的下降，而爆炸上限值的变化相对于上限氧浓度的变化较快，爆炸下限值的变化与下限氧浓度变化相比，差别不大。所以充入二氧化碳后，氧浓度对爆炸上限的影响比对爆炸下限的影响大。可见增加混气中二氧化碳的体积分数除了减小了混合气体中的氧浓度外，同时还体现了二氧化碳的惰化作用，使爆炸极限发生变化。图1甲烷及甲烷混气在空气中充入二氧化碳爆炸极限及氧浓度图分析可知：在爆炸下限附近，氧始终处于过剩状态，爆炸与否主要取决于可燃气体的体积分数大小。此时改变惰性气体的体积分数或是氧气的体积分数对可燃气体是否爆炸的影响主要是冷却、稀释等方面的影响，而下限的可燃性气体所占混和气体的百分数又比较少，改变惰性气体的体积分数或是氧气的体积分数对可燃气体体积分数的影响较小，所以氧浓度对可燃气体爆炸下限的影响较小。而爆炸上限对应的可燃性气体体积分数比较大，氧气的含量相对来说是处于临界状态，所以可燃性气体爆炸上限对应的氧浓度变化，会使可燃气体的爆炸上限变化较大。同时，由于惰性气体的充入，对可燃气体的爆炸上限的影响也会比对爆炸下限的影响大。图1中纯甲烷在加入二氧化碳后临界爆炸极限氧体积与甲烷与氢气比例为10：1的混气在加入二氧化碳后临界爆炸极限氧体积相比变化不大；说明氢气的加入，对甲烷临界爆炸极限氧浓度氧体积分数的影响不大，对甲烷的爆炸危险性影响不大。纯甲烷在加人二氧化碳后临界爆炸极限氧体积与甲烷与乙烯比例为10：1的混气在加入二氧化碳后临界爆炸极限氧体积相比，变化较大，甲烷与乙烯比例为10：1的混气在加入二氧化碳后临界爆炸极限氧体积比纯甲烷在加入二氧化碳后临界爆炸极限氧体积低一些，也就是说，在临界爆炸极限状态下甲烷与乙烯比例为10：1的混气爆炸所需要的氧气量要少一些，说明在甲烷中加入乙烯后，会使甲烷的爆炸危险性更大。从爆炸极限图中也可以看出甲烷与乙烯比例为10：1的混气的爆炸极限范围比甲烷与氢气比例为10：1的混气和甲烷的爆炸极限范围更大，而且临界爆炸极限值也低，这也说明甲烷中加入乙烯后，使混合气体的爆炸危险性更大。2.2惰性气体对甲烷爆炸极限及氧浓度的影响图2中，甲烷在充入氮气后，变化情况与充入二氧化碳时的基本一致。两者的区别是充入相同体积的二氧化碳和氮气的情况下，充入二氧化碳的甲烷爆炸上限对应的氧体积均比充入氮气的甲烷爆炸上限对应的氧体积低；而充入二氧化碳的甲烷爆炸下限对应的氧体积均比中如氮气的甲烷爆炸下限对应的氧体积高。而临界氧浓度的对比上，充入氮气的甲烷爆炸极限临界氧浓度比充入二氧化碳的甲烷临界爆炸极限氧浓度低，充入二氧化碳的甲烷爆炸极限范围也比充入氮气的甲烷的爆炸极限范围小。这说明充入二氧化碳对甲烷的爆炸极限的影响比充入氮气的影响大。二氧化碳对甲烷爆炸的阻抑效果比氮气对甲烷爆炸的阻抑效果好。图2甲烷在空气中充入二氧化碳或氮气的爆炸极限及氧浓度图2.3氧气浓度对可燃气体爆炸极限的影响图3是甲烷在纯氧中反应，爆炸极限的变化曲线及爆炸极限对应氧浓度的变化曲线，从图中可以更明显的看出氧浓度的变化对爆炸极限的影响。在纯氧中，虽然甲烷爆炸下限对应的氧浓度变化很大，但是甲烷的下限变化却非常少；而甲烷爆炸上限对应的氧浓度变化却使得甲烷爆炸上限变化很大。甲烷等可燃性气体的爆炸上限值所对应的氧浓度值是爆炸上限爆炸所需的极限氧浓度，即最小氧浓度。甲烷等可燃性气体的爆炸上限与上限对应的极限值的氧浓度是正比关系。若总的氧浓度增大，则甲烷等可燃性气体的爆炸上限极限值也会随氧浓度的增大而增大，反之若对应的总的氧浓度降低，可燃气体的爆炸上限值也会减小直至临界爆炸极限浓度。因此甲烷在纯氧中的爆炸极限范围比在空气中的爆炸极限范围大很多。图3甲烷在纯氧中与在空气中爆炸极限对比3结论(1)甲烷中加入乙烯组成的混合气体临界爆炸极限比较低，爆炸极限临界氧浓度比较低，乙烯的加入使甲烷更危险。氢气的加入对甲烷爆炸极限及爆炸极限临界氧浓度影响不大。(2)不同的惰性气体对可燃性气体爆炸极限及爆炸极限临界氧浓度的影响差别很大。二氧化碳对甲烷爆炸极限和爆炸极限临界氧浓度的影响比氮气的大，二氧化碳的惰化效果比氮气好。(3)可燃性气体爆炸极限与爆炸极限临界氧浓度是衡量可燃性气体是否能爆炸的两个重要参数，在实际应用过程中，可控制可燃性气体体积分数在爆炸下限以下或降低氧浓度在临界氧浓度以下，或两者同时使用以阻止爆炸的发生。(4)可燃气体的爆炸极限及爆炸极限临界氧浓度随气体组成、情性气体种类、温度、压力的变化而变化。特别是惰性气体不同，临界氧浓度有较大变化，因此必须注意其使用条件