一氧化碳影响二氧化碳惰化甲烷爆炸的实验研究*

程方明，邓　军

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)



一氧化碳影响二氧化碳惰化甲烷爆炸的实验研究*

程方明1，2，邓军1，2

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

为了全面考察火灾产物一氧化碳对矿井瓦斯爆炸危险性的影响，采用标准的可燃气体爆炸极限测试装置，测试研究了CO影响CO2惰化抑制CH4爆炸的规律。分别测试分析了含有不同浓度CO时CH4在空气中的爆炸极限和CO2惰化条件下的CH4爆炸极限与临界参数，并绘制出CH4爆炸三角形分析图，研究了CO对CH4爆炸三角形位置及大小的影响。结果表明，少量CO气体可使空气中CH4的爆炸上限和下限均有所下降，爆炸危险度F值增大；CO气体的存在会导致CO2惰化抑制CH4爆炸的临界浓度升高，且随CO含量的增大呈线性增加，临界氧浓度随着CO浓度的增大而降低；CO气体会引起CH4爆炸三角形向左下方移动和延伸，可爆区面积增大，不爆炸区面积缩小，窒息比明显提高，需要添加更多的惰性气体才能使CH4处于完全惰化状态。

瓦斯爆炸；一氧化碳；惰化；爆炸三角形

2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China)

0　引　言

矿井火灾、爆炸等灾害事故，在中国煤矿事故中占有相当大的比例[1]，严重威胁矿井安全生产。由矿井火灾引发的瓦斯爆炸是非常典型的一类爆炸事故，矿井火灾的气体产物参与瓦斯爆炸是这类事故的重要特点之一。

一氧化碳是煤自燃火灾产生的主要可燃性气体，因此一氧化碳对瓦斯爆炸的影响作用受到广泛关注，国内外学者已开展了相关研究。例如，杨永辰等[2]研究了回采工作面采空区内CO参与瓦斯爆炸的过程；陈晓坤[3]、周西华[4]、罗振敏[5]等曾先后采用不同实验装置研究了CO对CH4在空气中的爆炸极限参数影响；邓军[6]、秦波涛[7]等研究了的CO，CH4等多组分混合气体的爆炸极限；邓军等[8]还研究了不同浓度CO对CH4爆炸超压特征的影响规律。贾宝山等[9]从化学反应动力学角度分析了一氧化碳对瓦斯爆炸产生的阻尼效应；秦波涛等[7]研究了CH4和CO混合气体中加入N2后爆炸极限的变化情况；周利华[10]研究了火区多组分可燃气体共存情况下可燃性混合气体爆炸三角形判断方法，并进行了爆炸危险性分析。可见，目前相关研究大多关注CO对瓦斯爆炸危险性的影响，对CO影响惰性气体惰化抑爆效果的研究较少，而且仅开展了N2惰化的相关研究，并主要以分析混合气体爆炸极限为主。然而，随着液态CO2灭火、抑爆技术的推广应用，开展CO2惰化抑爆火区的相关研究是非常必要的，同时CO2也是火灾的主要产物之一，所以研究CO影响CO2惰化抑制CH4爆炸的规律，对矿井火区封闭及二氧化碳灭火抑爆技术实施过程的瓦斯爆炸防控具有重要的指导意义。

为此，文中基于气体爆炸极限测试实验，考察一氧化碳对甲烷爆炸极限和二氧化碳惰化条件临界参数的影响，并绘制出甲烷爆炸三角形分析图，研究一氧化碳对甲烷爆炸三角形位置及大小的影响规律，分析其爆炸危险性，为矿井火区爆炸危险判断提供参考。

1　实验测试

1.1实验装置

实验采用HY12474C型可燃气体爆炸极限测试装置(GB/T 12474-2008标准测试装置)，如图1所示。该装置主要由爆炸反应管、点火装置、循环泵、真空泵、压力计、电磁阀等组成。爆炸反应管由石英玻璃制成，管长1 400 mm±50 mm，管内径60 mm±5 mm，管底部装有通径为25 mm的泄压阀。实验装置可由计算机自动控制完成分压法配气、循环搅拌、点火等步骤，配气精度为0.1%，采用300 VA电压互感器作为点火电源，电极间距3 mm，放电时间0.1～1 s可调。

图1　可燃气体爆炸极限测试装置Fig.1　Test device for explosion limits of combustible gases

1.2测试条件

初始压力为1 atm，初始温度为25～28 ℃，环境湿度为54%～62% RH.循环搅拌时间为5 min，点火放电时间为500 ms.

1.3测试过程

实验首先分别测试纯CH4气体和混入少量不同比例(0.5%，1.0%，1.5%，2%)CO气体后CH4在空气中的爆炸极限，然后添加不同比例CO2气体，再测试上述5种情况CH4的爆炸极限，直至其爆炸上、下限重合，确定出CO2惰化CH4爆炸的临界点。爆炸极限的测试方法严格按照GB/T 12474-2008《空气中可燃气体爆炸极限测定方法》的要求进行。

2　结果与分析

2.1CO对CH4爆炸极限的影响

实验测得了CH4-Air预混气体中含有少量CO时CH4的爆炸极限，同时计算了甲烷的爆炸极限范围和爆炸危险度，来考察CO对CH4在空气中爆炸危险性的影响。其中，爆炸危险度F为爆炸下限L1和上限L2的几何平均数与下限L1的差除以该几何平均数[11]，F=[(L1·L2)0.5-L1]/(L1·L2)0.5，F值均在0～1之间，F值越大说明爆炸危险性越大。CO对空气中CH4爆炸极限及爆炸危险度F值的影响规律如图2和图3所示。

图2　CO对空气中CH4爆炸极限的影响 Fig.2　Influence of carbon monoxide on explosion limits of methane in air

图3　CO对空气中CH4爆炸危险度的影响Fig.3　Influence of carbon monoxide on explosive hazard degree of methane in air

从图2中可以看出，随着CO浓度的增加，空气中CH4爆炸下限和上限均有所下降，但爆炸极限范围变化很小，仅添加量大于1.5%以上才略有增大，这与文献[2-4]结果基本一致。图3表明，随着CO浓度的增加，空气中CH4爆炸危险度F值呈线性增大，2%的CO可使CH4爆炸危险度增大约9.1%.可见，CO在一定程度上增大了CH4在空气中的爆炸危险性，并以降低爆炸下限为主要体现。

2.2CO对CO2惰化防爆效果的影响

向含有不同浓度CO气体的甲烷-空气预混气中添加不同比例的CO2气体，进行爆炸性验证实验，通过对300多组实验结果的分析，得到添加不同比例CO2气体时混合气体中CH4的爆炸极限浓度，如图4所示。

图4　加入CO2后混合气体中CH4的爆炸极限浓度Fig.4　Explosion limits of methane adding with carbon dioxide

图5　CO对惰化过程CH4爆炸极限范围变化的影响Fig.5　Influence of carbon monoxide on explosion limits scope of methane suppressing with carbon dioxide

由图4可见，随着加入CO2气体的比例增大，混合气体中CH4的爆炸上限浓度下降，爆炸下限浓度上升，爆炸极限范围逐渐缩小，混合气体中CO的含量越高，CH4的爆炸极限值越低。不同浓度CO对CO2惰化过程CH4爆炸极限范围变化的影响情况如图5所示，可见当CO2气体添加比例低于20%时，CO的存在对惰化过程CH4爆炸极限范围的缩小情况基本没有影响；当添加比例高于20%时，CO浓度越高，随CO2气体增加CH4爆炸极限范围缩小的越慢，达到上下限重合时的临界状态所需的CO2气体的量就越大，CO对CO2惰化防爆临界浓度的影响规律如图6所示，CO2临界浓度随CO含量的增大呈线性增加。进行线性拟合后，可得到CO2临界浓度与CO含量的函数关系为y= 1.42x+ 25.22(R2= 0.99)，式中y为CO2的临界浓度(Vol%)，x为CO浓度(Vol%)。上述结果表明，对含有少量CO的矿井瓦斯进行惰化抑爆时，应加大惰性气体用量才能达到预期效果，且CO浓度越高惰性气体用量应越大。

图6　CO对CO2惰化临界浓度的影响Fig.6　Influence of carbon monoxide on the critical concentration of carbon dioxide inerted methane explosion

2.3CO对CH4爆炸三角形的影响

根据测得的CH4爆炸极限值可计算出爆炸极限对应的氧气浓度，利用图4中爆炸临界点相关数据可计算出CO2惰化条件的CH4爆炸临界氧浓度，具体结果见表1.由表1可知，CO浓度越大，CH4爆炸的临界氧浓度越低，即可维持CH4爆炸所需的最低氧气浓度随着CO浓度的加大而降低，也说明CO的存在加大了甲烷爆炸的可能性。利用CH4爆炸极限和临界氧浓度相关数据可绘制出含有不同浓度CO时的甲烷爆炸三角形，为了便于分析CO对爆炸三角形的影响情况，绘制了纯CH4和CO含量为2%时的2个爆炸三角形，如图7所示。

表1　CO2惰化条件CH4爆炸极限点与临界点的氧浓度

图7　CH4爆炸三角形分析图Fig.7　Methane explosion triangle diagrams

根据传统的爆炸三角形分区分析方法，图7中各关键点的具体物理意义如下：A点为空气中的氧气浓度，B点为CH4-Air混合气体中CH4达到爆炸下限时对应的氧气浓度，C点为CH4-Air混合气体中CH4达到爆炸上E点为限时对应的氧气浓度，D点为向CH4-Air混合气体中添加CO2使CH4爆炸上、下限重合的临界点，其对应的氧气浓度就是临界氧浓度，将A点和D点用直线相连并延长至横坐标轴，与坐标轴的交点即为E点。直线ABC为空气线，即空气中有不同浓度CH4时对应的氧气浓度变化情况。空气线以下的区域可划分为4个区：1区(△BCD)为爆炸区(即爆炸三角区)，2区(△ABD)为CH4浓度较低的不爆区，3区(CDE右侧区域)为O2浓度较低的不爆区，4区(ADE左侧区域)为安全区，该区域的CO2与CH4的浓度比均大于窒息比(惰化临界点处惰性气体与可燃气体的体积比)，处于完全惰化状态，不会发生爆炸。但是，各区并不是恒定不变的，随着空气或瓦斯浓度的改变各区之间会相互转化。当混合气体中含有CO时，CH4爆炸三角形分析图中各关键点均向左下方移动，爆炸三角形区域为△B′C′D′，可见可爆炸区域1区有所增大，呈现出向左下方移动、延伸的趋势，这是CO导致甲烷爆炸上、下限和临界氧浓度降低的直接体现，也说明增大了甲烷爆炸的可能性。掺入CO后，2区有所缩小，说明处在该区的混合气体更容易因瓦斯浓度异常上升而进入爆炸区；3区略有扩大，而4区明显缩小，说明窒息比增大了，需要添加更多的惰性气体才能使甲烷处于完全惰化状态。

从上述分析可知，矿井瓦斯含有少量CO时，仍使用纯甲烷爆炸三角形进行爆炸危险判断是不可靠的，而计算混合气体爆炸极限参数，绘制混合气体爆炸三角形又十分繁琐，现场应用的可操作性不强，这时基于CO气体对甲烷爆炸三角形的影响规律，可以将纯甲烷爆炸三角形向左下方延伸、扩展后再使用(将爆炸下限点向右移动，爆炸临界点向左下方移动)，这样可以保证爆炸危险判断结果的可靠性，也能满足现场瓦斯爆炸危险初步判断的需求。

3　结　论

1)少量CO气体可使空气中CH4的爆炸下限和上限均有所下降，而爆炸极限范围基本不受影响；随着CO浓度的增加，空气中CH4爆炸危险度F值呈线性增大；

2)CO气体的存在会导致CO2惰化抑制瓦斯爆炸的临界浓度升高，且随CO含量的增大而线性增加；

3)CO2惰化条件下，CH4爆炸的临界氧浓度随着CO浓度的增大而降低；

4)CO气体会引起甲烷爆炸三角形向左下方移动、延伸，可爆区面积增大，不爆炸区面积缩小；CO气体存在的情况下，窒息比明显提高，需要添加更多的惰性气体才能使甲烷处于完全惰化状态。

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Experimental study on the influence of carbon monoxide on carbon dioxide-inerted methane explosion

CHENG Fang-ming1，2，DENG Jun1，2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China；

In order to investigate the influence of carbon monoxide on the probability of gas explosion in coal mine，some experiments for validating the influence of carbon monoxide on carbon dioxide-inerted methane explosion were performed with a standard test device for explosion limits of combustible gases.Explosion limits of methane in air and explosion limits and critical parameters of the methane suppressed by carbon dioxide with carbon monoxide at varying concentrations were acquired and analyzed by experiments.Methane explosion triangle diagrams were drawn，and the influences of carbon monoxide on the size and location of methane explosion triangle were analyzed.The results show that upper explosion limit and lower explosion limit of methane in air decrease and the explosive hazard degreeFincrease when mixing with a small amount of carbon monoxide.The critical concentration of carbon dioxide inerted methane explosion raises linearly with the increment of the volume fraction of carbon monoxide，and the critical concentration of methane explosion decreases with it.The methane explosion triangle moves and extends to the bottom left，the size of the explosible area increases，the size of the no explosible area reduces，and the inerting ratio increases when mixing with carbon monoxide.Adding more carbon dioxide is necessary for suppressing the explosion of the mixture of methane and carbon monoxide.

gas explosion；carbon monoxide；inerting；gas explosion triangle

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0303

1672-9315(2016)03-0315-05

2016-01-21责任编辑：刘洁

国家自然科学基金(51304155)；国家自然科学基金(51504190)；博士启动基金(A5030144)

程方明(1982-)，男，辽宁桓仁人，工程师，博士研究生，E-mail：chengfm@xust.edu.cn

TD 712

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