CO2-多孔材料協同抑制甲烷爆炸特性

向開軍，段玉龍，何國欽，黃 維

（1.海南拓力特科技有限公司, 海南 ?？?570100；2.重慶科技學院安全工程學院, 重慶 401331；3.油氣生產安全與風險控制重慶市重點實驗室, 重慶 401331）

甲烷是一種典型的易燃、易爆物質，作為重要的能源，甲烷也是天然氣的重要成分之一，與生產生活息息相關。然而，受限空間內的甲烷一旦發生爆炸，可能造成巨大危害和損失。因此，開展甲烷的爆炸抑制特性研究、開發高效的抑爆技術，對于保證我國工業的安全生產至關重要。

為了減少爆炸事故帶來的損失，近年來，許多學者對甲烷阻抑爆技術進行了深入研究。武雙賀[1]研究了泡沫陶瓷對甲烷爆炸火焰的阻隔爆特性，分析發現泡沫陶瓷的抑爆效果顯著。陳鵬等[2]研究發現，聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、自制泡沫3 種多孔材料對爆炸超壓均起到抑制作用。Duan 等[3]對多孔介質的孔徑和厚度進行了研究，結果表明，多孔介質對甲烷爆炸火焰和超壓均有顯著影響。此外，關于惰性氣體抑制甲烷爆炸也有大量研究。王濤[4]研究了不同體積分數的CO2對甲烷爆炸的抑制作用，發現隨著CO2體積分數的增大，爆炸壓力減小，火焰的強度和亮度均逐步降低，傳播速度遞減。路長等[5]開展了N2對瓦斯爆炸的阻爆實驗，結果表明，N2的噴氣壓力越大，阻爆效果越明顯，火焰被阻止的位置越靠前。錢海林等[6]從爆炸極限、抑爆效果和極限氧體積分數3 個方面研究了一定比例的N2-CO2混合氣體對甲烷爆炸的影響，得出了預測N2和CO2取任何配比時甲烷爆炸極限的擬合公式。

除單一抑爆方法外，一些學者還進行了復合協同抑爆方法研究。Yu 等[7]探究了超細水霧與多孔介質的協同作用對多孔介質淬熄效果以及多孔介質上游爆炸超壓的影響。郭成成等[8]通過實驗研究，發現在同一條件下，N2-細水霧與CO2-細水霧均比單一細水霧的抑爆效果要好，且CO2-細水霧的抑爆效果優于N2-細水霧，當加大氣體的壓力，影響效果將顯著增強。Pei 等[9]在爆炸容器中注入N2、CO2和超細水霧，探究其對甲烷-空氣預混氣體爆炸的抑制作用，結果表明，氣-液兩相介質的協同作用增強了甲烷氣體爆炸的抑制效果。鄭露露等[10]研究了不同摻氫體積分數及CO2噴氣壓力對甲烷爆炸特性的影響，發現CO2噴氣作用加劇低氫比混合氣體的燃燒，導致抑爆失效。

以上研究結果顯示，多孔介質協同抑爆效果更好，但有關CO2與多孔介質協同抑爆的研究尚不多見。CO2能夠削弱爆炸火焰的傳播速度和超壓，但很難對火焰產生阻隔作用；而多孔材料雖然能夠有效地熄滅傳播火焰，但在阻火失效的情況下會充當障礙物的作用，存在一定的安全隱患，并有可能造成二次事故，對受限空間造成影響。鑒于此，本研究通過搭建CO2與多孔材料復合抑制甲烷-空氣預混氣體爆炸的管道實驗平臺，探索CO2與多孔材料的協同作用對甲烷爆炸火焰傳播和爆炸超壓的影響規律。

1 實驗裝置及流程

自主搭建的甲烷-空氣爆炸實驗平臺由爆炸腔體、點火系統、數據采集系統、高速攝像系統、配氣系統、多孔材料、CO2噴出裝置等組成，實驗裝置如圖1 所示。爆炸腔體為有機玻璃管道，全長為1 000 mm，截面尺寸為100 mm×100 mm，在腔體兩端使用厚度為10 mm 的鋼板封閉，管道上方泄壓口用厚度為10 μm 的PVC 薄膜密封。點火系統采用高頻脈沖點火器，工作電壓為6 V。數據采集系統中的高頻壓力傳感器采用美國PCB Piezotronics 公司生產的High Frequency ICP?壓力傳感器，型號為113B27，可對氣體爆炸產生的沖擊波做出快速響應，測量范圍0～344.7 kPa，可用超量程689.4 kPa，最大耐壓689.5 kPa，響應時間不超過1 μs，線性度誤差為0.1%，分別置于多孔材料前后。壓力采集器是由泰測科技生產的Blast-PRO 型沖擊測試儀。高速攝像系統采用美國Vision Research 公司的Phantom? VEO 710高速攝像機，其最大分辨率為1 280 像素×800 像素，滿幅拍攝幀率可達7 500 s-1。多孔材料采用密度為0.8 g/m3、厚度為10 mm 的泡沫金屬鎳，孔隙密度為10、20 和40 PPI（pixels per inch，每英寸對角線長度上的孔數），放置在距點火端400 mm 位置處。CO2噴出裝置距點火端330 mm，采用同步控制器與點火裝置相連。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental device

實驗流程如下：(1) 將各設備按照圖1 所示進行連接，并檢查氣密性；(2) 用2 個質量流量計分別控制甲烷和空氣的氣體流速，使甲烷的體積分數固定為9.5%，確保排凈腔體內的多余氣體，采用4 倍體積法[11]進行通氣，時間為8 min；(3) 將CO2調至對應的壓力，利用同步控制器在點火的同時噴出CO2；(4) 儲存高速攝像機與壓力采集系統內的有效數據，將各實驗設備恢復至實驗準備階段的狀態，排出管道內的雜質氣體，準備下一次實驗；(5) 為確保實驗數據的可靠性，每個工況至少重復3 次。

本實驗主要研究CO2壓力和多孔材料孔隙度對火焰傳播速度和最大爆炸壓力的影響。按照預先設計，多孔材料的孔隙度分別為10、20、40 PPI，CO2壓力分別為0、0.2 和0.4 MPa 時，開展甲烷抑爆實驗，計算出火焰傳播速度，并記錄爆炸超壓峰值數據。同時，對多孔材料的孔隙度和CO2噴氣壓力對甲烷的隔抑爆性能進行綜合分析。在點火能、爆炸性氣體體積分數等條件一定的情況下，評價材料阻火抑爆性能最主要的2 個參數是爆炸壓力峰值和火焰傳播速度[12]?；鹧鎮鞑ニ俣仁怯筛咚贁z像機獲取的火焰前鋒在特定時刻的瞬時速度。依照以上實驗步驟及流程完成實驗，具體實驗工況見表1。

表1 實驗工況Table 1 Experimental conditions

2 實驗結果與分析

2.1 火焰傳播結構

圖2、圖3 和圖4 顯示了CO2噴氣壓力分別為0、0.2 和0.4 MPa，多孔材料的孔隙度分別為10、20、40 PPI 時的甲烷火焰結構變化?？梢钥闯?，甲烷-空氣預混氣體在管道左壁面處被點燃，因受到管道上、下壁面的擠壓作用，火焰初始呈半球形，然后逐漸轉變為手指形，并持續向前傳播。當多孔材料的孔隙度為10 和20 PPI 時，火焰前鋒經過短暫延時后穿透多孔材料，由于多孔材料的孔隙度較小，可視為網狀障礙物，致使火焰燃燒程度加劇，火焰前鋒呈一種混亂且無規則的形態繼續傳播，火焰鋒面與未燃氣體之間沒有發生明顯分層，火焰鋒面出現褶皺現象，火焰鋒面由于受到擾動呈現湍流趨勢。當多孔材料的孔隙度為40 PPI 時，火焰也經過了半球形和手指形火焰階段，但不同的是，火焰鋒面經過多孔材料后，未在后部區域繼續傳播，這是多孔材料內部通道的冷壁效應[13]所致，即當火焰擴散到多孔材料的孔隙中時，由于火焰與多孔材料內壁面接觸而產生了熱損失，物質與壁面碰撞損失了能量，導致活性分子被破壞，火焰傳播速度與氣流速度不平衡，從而導致淬熄效應[7]。

圖2 0 MPa 時火焰結構的變化Fig.2 Changes of the flame structure at 0 MPa

圖3 0.2 MPa 時火焰結構的變化Fig.3 Changes of the flame structure at 0.2 MPa

圖4 0.4 MPa 時火焰結構的變化Fig.4 Changes of the flame structure at 0.4 MPa

橫向對比可知：當多孔材料的孔隙度為10 和20 PPI 時，火焰傳播過程相似；相比之下，20 PPI 時的火焰傳播時間有所延長，都從65 ms 延長到了70 ms，火焰顏色明亮程度減弱，經過多孔材料后的湍流強度也明顯變弱?？v向對比可知，噴出的CO2氣體與火焰發生接觸，并未明顯擾亂火焰前鋒，但相比于無CO2，CO2噴氣壓力為0.2 和0.4 MPa 時的火焰明顯變暗，且隨著噴氣壓力的升高，火焰明亮程度逐漸減弱，這是因為噴入CO2氣體時，甲烷的體積分數減小，爆炸強度減弱。

2.2 火焰傳播速度

圖5 給出了不同CO2噴氣壓力作用下多孔材料孔隙度分別為10、20 和40 PPI 時甲烷爆炸火焰傳播速度隨時間變化曲線。由圖5(a) 可知，在多孔材料孔隙度為10 和20 PPI 的工況下，火焰傳播速度變化趨勢相似，且火焰前鋒傳播速度均出現2 次加速。當甲烷剛被點燃時，火焰在短時間內釋放熱量，導致火焰溫度升高，反應強度逐漸加劇，此時火焰鋒面速度第一次小幅加速傳播；之后，火焰繼續蔓延，在管道壁面約束產生的導熱效應和冷壁效應的作用下，火焰消耗了一部分反應能量，火焰傳播速度稍微降低；隨后，PVC 薄膜破裂，新鮮空氣涌入參與燃燒反應；由于多孔材料的阻火失效，爆炸產生的前驅沖擊波和火焰波被破壞，導致火焰穿透多孔材料，此時多孔材料充當網狀障礙物，火焰前鋒燃燒面積增加，火焰穿透多孔材料后由層流轉變為湍流，火焰傳播速度也隨之大幅上升。在多孔材料孔隙度為40 PPI 的工況下，多孔材料成功淬熄火焰，火焰傳播速度的增加幅度和峰值明顯小于10 和20 PPI 工況，有效抑制了火焰的傳播。

圖5 火焰鋒面速度變化曲線Fig.5 Velocity curves of flame front

從圖5 可以看出，增大CO2噴氣壓力后，火焰前鋒到達多孔材料的時間縮短，在多孔材料的孔隙度為10、20 和40 PPI 的工況下，最多可分別縮短4.0、0.5 和5.0 ms。當CO2噴氣壓力為0 MPa 時，多孔材料的孔隙度為10、20 和40 PPI 工況下的速度峰值分別為30.71、25.30、14.23 m/s；當CO2噴氣壓力為0.2 MPa 時，速度峰值分別為28.27、24.66、17.04 m/s；當CO2噴氣壓力為0.4 MPa 時，速度峰值分別為26.52、23.57、18.01 m/s。結果表明，在同一CO2噴氣壓力下，多孔材料孔隙度越大，火焰速度峰值越小。

在多孔材料孔隙度為10 PPI 的工況下，相較于無CO2，加入噴氣壓力為0.2 和0.4 MPa 的CO2時，火焰速度峰值減小，從30.71 m/s 分別減小到28.27 和26.52 m/s，衰減率分別為7.9%和13.64%；在多孔材料孔隙度為20 PPI 的工況下，火焰速度峰值從25.30 m/s 分別減小到24.66 和23.57 m/s，衰減率分別為2.53%和6.84%；然而，在多孔材料孔隙度為40 PPI 的工況下，火焰速度峰值不減反增，火焰速度峰值從14.23 m/s 分別增加到17.04 和18.01 m/s，增長率分別為19.75%和26.49%，這是由于火焰傳播到噴頭附近時，火焰速度小于噴氣傳播速率，噴氣氣體因泄壓口存在而向前加速，致使火焰加速。

2.3 爆炸超壓

圖6 為不同工況下爆炸超壓變化曲線，其中：p1表示管道上游甲烷爆炸動態超壓，p2表示管道下游甲烷爆炸動態超壓。對圖6 中的超壓峰值進行對比分析：在多孔材料孔隙度為10 和20 PPI 的工況下，爆炸超壓變化趨勢相近，共出現2 個爆炸超壓峰值；而在多孔材料孔隙度為40 PPI 的工況下，只出現1 個超壓峰值，且峰值大幅度下降，這是由于冷壁效應有效淬熄火焰，從而有效衰減了爆炸超壓峰值。多孔材料孔隙度為10 和20 PPI 時：在第1 個超壓峰值出現之前，由于孔隙度較小，多孔材料充當網狀障礙物，超壓上升趨勢明顯；在火焰穿透多孔材料產生湍流之后，PVC 薄膜發生破裂，爆炸超壓開始釋放，超壓驟減；隨后，火焰進入湍流燃燒階段，火焰燃燒面積增大，燃燒劇烈程度增加，爆炸超壓再次上升，達到第2 個超壓峰值；隨后，燃燒產物膨脹導致超壓下降，在壁面與泄壓口的共同影響下，沖擊波反射與新鮮空氣涌入導致管道內壓力出現振蕩，超壓逐漸降低直至初始壓力。

圖6 各工況下爆炸超壓變化曲線Fig.6 Explosion overpressure curve under different conditions

圖7 顯示了各工況下爆炸超壓峰值的對比結果，表2 列出了各工況下爆炸超壓峰值及較CO2噴氣壓力為0 MPa 時超壓峰值的衰減率?？梢钥闯?，當CO2的噴氣壓力為0 MPa 時，在多孔材料孔隙度分別為10、20、40 PPI 的工況下，上游超壓峰值p1-peak分別為67.13、55.25、15.90 kPa，下游超壓峰值p2-peak分別為76.15、52.79、21.98 kPa；當CO2的噴氣壓力為0.2 MPa 時，在多孔材料孔隙度分別為10、20、40 PPI 的工況下，上游超壓峰值分別為60.05、51.56、9.00，相比于CO2噴氣壓力為0 MPa時分別衰減了10.54%、6.68%和43.40%，下游超壓峰值分別為60.91、47.95、20.11 kPa，相比于CO2噴氣壓力為0 MPa 時分別衰減20.96%、9.17%和8.51%；當CO2噴氣壓力為0.4 MPa 時，在多孔材料孔隙度分別為10、20、40 PPI 的工況下，上游超壓峰值分別為55.42、48.89、7.50 kPa，相比于CO2噴氣壓力為0 MPa 時分別衰減了17.44%、11.51%和52.83%，下游超壓峰值分別為56.38、46.92、20.73 kPa，相比于CO2噴氣壓力為0 MPa 時分別衰減25.96%、11.12%和5.69%。通過對比分析發現，隨著多孔材料孔隙度的增加，爆炸超壓峰值降低，最低爆炸超壓峰值為7.50 kPa，且隨著CO2噴氣壓力升高，爆炸超壓峰值也有所降低，衰減率最高達52.83%。

表2 各工況下爆炸超壓峰值及超壓峰值衰減率Table 2 Peak overpressure under each working condition and the attenuation rate of peak overpressure

圖7 各工況下壓力峰值的對比Fig.7 Comparison of peak pressure under different conditions

3 結 論

通過CO2協同多孔材料抑制甲烷爆炸特性實驗研究，從火焰結構、火焰傳播速度和爆炸超壓3 方面分析，得到如下主要結論。

(1) 多孔材料對火焰波有衰減和促進兩種相反的效果。當多孔材料孔隙度為10 和20 PPI 時，多孔材料充當網狀障礙物，未能成功阻爆；而孔隙度為40 PPI 時，由于多孔材料內部通道的冷壁效應能有效淬熄火焰，阻爆效果明顯。

(2) 提高CO2的噴氣壓力可減小甲烷的體積分數，具有一定的阻爆效果。當多孔材料孔隙度為10 和20 PPI 時，隨著CO2噴氣壓力的升高，火焰速度峰值逐漸減小，衰減率最大可達13.64%，且爆炸超壓峰值也隨之下降，其衰減率最大可達52.83%。

(3) 綜合火焰速度和爆炸超壓變化可知，多孔材料的孔隙度越高，CO2噴氣壓力越高，阻抑爆效果越顯著。本實驗工況中，當多孔材料的孔隙度為40 PPI、CO2噴氣壓力為0.4 MPa 時，阻爆效果最好。