煤礦可燃燃性氣體爆炸氧濃度的實驗研究
作者：中國礦業商務網
2008-12-15 00:00
來源：不詳
摘要：目前對可燃性氣體的臨界氧濃度的研究大多數都是對單元氣體進行的，通過對
煤礦可燃性氣體的爆炸極限氧濃度和臨界氧濃度進行的實驗研究，對
煤礦可燃性氣體臨界氧濃度的影響因素進行了
03manbetx
，得出的數據及結論為
煤礦瓦斯的
安全防爆工作提供了理論基礎。
關鍵詞：爆炸極限；臨界氧濃度：甲烷
氧氣是燃燒與爆炸的三要素之一，如果能控製可燃性氣體混合物中的氧含量，使其處於臨界氧濃度氧體積百分數以外，就可以防止發生爆炸。許多工業生產場合都將可燃性氣體氧含量作為重要的 安全技術指標。而隨著目前 煤礦瓦斯爆炸 02manbetx.com 的頻繁發生，對煤礦瓦斯爆炸條件也有著廣泛而深入地研究。目前許多關於氣體燃燒與爆炸的文獻中對氣體中氧的含量有一些論述，但是對於可燃性氣體臨界氧濃度的研究不是很多，對於混合氣體氧濃度數據國內外還未見到文獻報道。因此本文就煤礦瓦斯的主要成分甲烷及甲烷混氣進行了氧濃度的實驗研究，得出的數據和結論對礦井瓦斯災害的肪治和治理提供了一些理論基礎。
1 實驗裝置及原理
1.1 實驗裝置係統
主要由4個部分組成：高壓爆炸反應器、配氣係統、點火係統和測量係統(實驗裝置圖略)。設備情況見文獻。
1.2 實驗原理
理論 03manbetx 可知在可燃性混合氣體中，當加入惰性氣體，如二氧化碳、氮氣，可燃性混合氣體中的氧濃度會相應減小，同時會有效縮小可燃性混合氣體的爆炸極限範圍，使爆炸下限上升，而爆炸上限下降，爆炸範圍最終聚為一點，超過此點混合氣體即退出爆炸範圍，此點則為可燃性混合氣體的爆炸極限臨界點，此點對應的氧濃度即為爆炸極限臨界氧濃度。如果加入的惰性氣體能使可燃性混合氣體中的氧濃度在臨界值以下，無論可燃性氣體與惰性氣體含量發生任何變化，均不會發生爆炸。
1.3 實驗條件
本實驗選用純甲烷、甲烷與氫氣比例為10：1的混氣、甲烷與乙烯比例為10：1的混氣這三種氣體，通過充入不同比例的二氧化碳或氮氣對這三種氣體的爆炸極限及氧濃度進行實驗測定，得出這三種氣體的爆炸極限及氧濃度變化圖。實驗使用配氣裝置，將實驗所需氣體(采用分壓比的方法進行配氣)經過配氣係統充入爆炸室充分混合，進行點火爆炸實驗。
2 實驗結果與 03manbetx
2.1 甲烷、甲烷＋氫氣、甲烷＋乙烯爆炸極限及氧濃度的對比 03manbetx
從圖1中看出隨著二氧化碳氣量的增加，氧氣體積分數逐漸下降，甲烷混氣爆炸極限範圍逐漸縮小。其中，爆炸下限隨著二氧化碳充入量的增加而升高，爆炸下限變化比較緩慢；爆炸上限隨著二氧化碳充入量的增加而減少，爆炸上限變化較快。隨著充入二氧化碳體積分數的增加，氧氣體積分數變化比較平緩，爆炸上限和爆炸下限對應的氧濃度都是平滑的下降，而爆炸上限值的變化相對於上限氧濃度的變化較快，爆炸下限值的變化與下限氧濃度變化相比，差別不大。所以充入二氧化碳後，氧濃度對爆炸上限的影響比對爆炸下限的影響大。可見增加混氣中二氧化碳的體積分數除了減小了混合氣體中的氧濃度外，同時還體現了二氧化碳的惰化作用，使爆炸極限發生變化。
圖1 甲烷及甲烷混氣在空氣中充入二氧化碳爆炸極限及氧濃度圖
分析可知：在爆炸下限附近，氧始終處於過剩狀態，爆炸與否主要取決於可燃氣體的體積分數大小。此時改變惰性氣體的體積分數或是氧氣的體積分數對可燃氣體是否爆炸的影響主要是冷卻、稀釋等方麵的影響，而下限的可燃性氣體所占混和氣體的百分數又比較少，改變惰性氣體的體積分數或是氧氣的體積分數對可燃氣體體積分數的影響較小，所以氧濃度對可燃氣體爆炸下限的影響較小。而爆炸上限對應的可燃性氣體體積分數比較大，氧氣的含量相對來說是處於臨界狀態，所以可燃性氣體爆炸上限對應的氧濃度變化，會使可燃氣體的爆炸上限變化較大。同時，由於惰性氣體的充入，對可燃氣體的爆炸上限的影響也會比對爆炸下限的影響大。
圖1 中純甲烷在加入二氧化碳後臨界爆炸極限氧體積與甲烷與氫氣比例為10：1的混氣在加入二氧化碳後臨界爆炸極限氧體積相比變化不大；說明氫氣的加入，對甲烷臨界爆炸極限氧濃度氧體積分數的影響不大，對甲烷的爆炸危險性影響不大。純甲烷在加人二氧化碳後臨界爆炸極限氧體積與甲烷與乙烯比例為10：1的混氣在加入二氧化碳後臨界爆炸極限氧體積相比，變化較大，甲烷與乙烯比例為10：1的混氣在加入二氧化碳後臨界爆炸極限氧體積比純甲烷在加入二氧化碳後臨界爆炸極限氧體積低一些，也就是說，在臨界爆炸極限狀態下甲烷與乙烯比例為10：1的混氣爆炸所需要的氧氣量要少一些，說明在甲烷中加入乙烯後，會使甲烷的爆炸危險性更大。從爆炸極限圖中也可以看出甲烷與乙烯比例為10：1的混氣的爆炸極限範圍比甲烷與氫氣比例為10：1的混氣和甲烷的爆炸極限範圍更大，而且臨界爆炸極限值也低，這也說明甲烷中加入乙烯後，使混合氣體的爆炸危險性更大。
2.2 惰性氣體對甲烷爆炸極限及氧濃度的影響
圖2 甲烷在空氣中充入二氧化碳或氮氣的爆炸極限及氧濃度圖
圖2中，甲烷在充入氮氣後，變化情況與充入二氧化碳時的基本一致。兩者的區別是充入相同體積的二氧化碳和氮氣的情況下，充入二氧化碳的甲烷爆炸上限對應的氧體積均比充入氮氣的甲烷爆炸上限對應的氧體積低；而充入二氧化碳的甲烷爆炸下限對應的氧體積均比中如氮氣的甲烷爆炸下限對應的氧體積高。而臨界氧濃度的對比上，充入氮氣的甲烷爆炸極限臨界氧濃度比充入二氧化碳的甲烷臨界爆炸極限氧濃度低，充入二氧化碳的甲烷爆炸極限範圍也比充入氮氣的甲烷的爆炸極限範圍小。這說明充入二氧化碳對甲烷的爆炸極限的影響比充入氮氣的影響大。二氧化碳對甲烷爆炸的阻抑效果比氮氣對甲烷爆炸的阻抑效果好。
2.3 氧氣濃度對可燃氣體爆炸極限的影響
圖3 是甲烷在純氧中反應，爆炸極限的變化曲線及爆炸極限對應氧濃度的變化曲線，從圖中可以更明顯的看出氧濃度的變化對爆炸極限的影響。在純氧中，雖然甲烷爆炸下限對應的氧濃度變化很大，但是甲烷的下限變化卻非常少；而甲烷爆炸上限對應的氧濃度變化卻使得甲烷爆炸上限變化很大。甲烷等可燃性氣體的爆炸上限值所對應的氧濃度值是爆炸上限爆炸所需的極限氧濃度，即最小氧濃度。甲烷等可燃性氣體的爆炸上限與上限對應的極限值的氧濃度是正比關係。若總的氧濃度增大，則甲烷等可燃性氣體的爆炸上限極限值也會隨氧濃度的增大而增大，反之若對應的總的氧濃度降低，可燃氣體的爆炸上限值也會減小直至臨界爆炸極限濃度。因此甲烷在純氧中的爆炸極限範圍比在空氣中的爆炸極限範圍大很多。
圖3 甲烷在純氧中與在空氣中爆炸極限對比
3 結論
(1)甲烷中加入乙烯組成的混合氣體臨界爆炸極限比較低，爆炸極限臨界氧濃度比較低，乙烯的加入使甲烷更危險。氫氣的加入對甲烷爆炸極限及爆炸極限臨界氧濃度影響不大。
(2)不同的惰性氣體對可燃性氣體爆炸極限及爆炸極限臨界氧濃度的影響差別很大。二氧化碳對甲烷爆炸極限和爆炸極限臨界氧濃度的影響比氮氣的大，二氧化碳的惰化效果比氮氣好。
(3)可燃性氣體爆炸極限與爆炸極限臨界氧濃度是衡量可燃性氣體是否能爆炸的兩個重要參數，在實際應用過程中，可控製可燃性氣體體積分數在爆炸下限以下或降低氧濃度在臨界氧濃度以下，或兩者同時使用以阻止爆炸的發生。
(4)可燃氣體的爆炸極限及爆炸極限臨界氧濃度隨氣體組成、情性氣體種類、溫度、壓力的變化而變化。特別是惰性氣體不同，臨界氧濃度有較大變化，因此必須注意其使用條件
關鍵詞：爆炸極限；臨界氧濃度：甲烷
氧氣是燃燒與爆炸的三要素之一，如果能控製可燃性氣體混合物中的氧含量，使其處於臨界氧濃度氧體積百分數以外，就可以防止發生爆炸。許多工業生產場合都將可燃性氣體氧含量作為重要的 安全技術指標。而隨著目前 煤礦瓦斯爆炸 02manbetx.com 的頻繁發生，對煤礦瓦斯爆炸條件也有著廣泛而深入地研究。目前許多關於氣體燃燒與爆炸的文獻中對氣體中氧的含量有一些論述，但是對於可燃性氣體臨界氧濃度的研究不是很多，對於混合氣體氧濃度數據國內外還未見到文獻報道。因此本文就煤礦瓦斯的主要成分甲烷及甲烷混氣進行了氧濃度的實驗研究，得出的數據和結論對礦井瓦斯災害的肪治和治理提供了一些理論基礎。
1 實驗裝置及原理
1.1 實驗裝置係統
主要由4個部分組成：高壓爆炸反應器、配氣係統、點火係統和測量係統(實驗裝置圖略)。設備情況見文獻。
1.2 實驗原理
理論 03manbetx 可知在可燃性混合氣體中，當加入惰性氣體，如二氧化碳、氮氣，可燃性混合氣體中的氧濃度會相應減小，同時會有效縮小可燃性混合氣體的爆炸極限範圍，使爆炸下限上升，而爆炸上限下降，爆炸範圍最終聚為一點，超過此點混合氣體即退出爆炸範圍，此點則為可燃性混合氣體的爆炸極限臨界點，此點對應的氧濃度即為爆炸極限臨界氧濃度。如果加入的惰性氣體能使可燃性混合氣體中的氧濃度在臨界值以下，無論可燃性氣體與惰性氣體含量發生任何變化，均不會發生爆炸。
1.3 實驗條件
本實驗選用純甲烷、甲烷與氫氣比例為10：1的混氣、甲烷與乙烯比例為10：1的混氣這三種氣體，通過充入不同比例的二氧化碳或氮氣對這三種氣體的爆炸極限及氧濃度進行實驗測定，得出這三種氣體的爆炸極限及氧濃度變化圖。實驗使用配氣裝置，將實驗所需氣體(采用分壓比的方法進行配氣)經過配氣係統充入爆炸室充分混合，進行點火爆炸實驗。
2 實驗結果與 03manbetx
2.1 甲烷、甲烷＋氫氣、甲烷＋乙烯爆炸極限及氧濃度的對比 03manbetx
從圖1中看出隨著二氧化碳氣量的增加，氧氣體積分數逐漸下降，甲烷混氣爆炸極限範圍逐漸縮小。其中，爆炸下限隨著二氧化碳充入量的增加而升高，爆炸下限變化比較緩慢；爆炸上限隨著二氧化碳充入量的增加而減少，爆炸上限變化較快。隨著充入二氧化碳體積分數的增加，氧氣體積分數變化比較平緩，爆炸上限和爆炸下限對應的氧濃度都是平滑的下降，而爆炸上限值的變化相對於上限氧濃度的變化較快，爆炸下限值的變化與下限氧濃度變化相比，差別不大。所以充入二氧化碳後，氧濃度對爆炸上限的影響比對爆炸下限的影響大。可見增加混氣中二氧化碳的體積分數除了減小了混合氣體中的氧濃度外，同時還體現了二氧化碳的惰化作用，使爆炸極限發生變化。
圖1 甲烷及甲烷混氣在空氣中充入二氧化碳爆炸極限及氧濃度圖
分析可知：在爆炸下限附近，氧始終處於過剩狀態，爆炸與否主要取決於可燃氣體的體積分數大小。此時改變惰性氣體的體積分數或是氧氣的體積分數對可燃氣體是否爆炸的影響主要是冷卻、稀釋等方麵的影響，而下限的可燃性氣體所占混和氣體的百分數又比較少，改變惰性氣體的體積分數或是氧氣的體積分數對可燃氣體體積分數的影響較小，所以氧濃度對可燃氣體爆炸下限的影響較小。而爆炸上限對應的可燃性氣體體積分數比較大，氧氣的含量相對來說是處於臨界狀態，所以可燃性氣體爆炸上限對應的氧濃度變化，會使可燃氣體的爆炸上限變化較大。同時，由於惰性氣體的充入，對可燃氣體的爆炸上限的影響也會比對爆炸下限的影響大。
圖1 中純甲烷在加入二氧化碳後臨界爆炸極限氧體積與甲烷與氫氣比例為10：1的混氣在加入二氧化碳後臨界爆炸極限氧體積相比變化不大；說明氫氣的加入，對甲烷臨界爆炸極限氧濃度氧體積分數的影響不大，對甲烷的爆炸危險性影響不大。純甲烷在加人二氧化碳後臨界爆炸極限氧體積與甲烷與乙烯比例為10：1的混氣在加入二氧化碳後臨界爆炸極限氧體積相比，變化較大，甲烷與乙烯比例為10：1的混氣在加入二氧化碳後臨界爆炸極限氧體積比純甲烷在加入二氧化碳後臨界爆炸極限氧體積低一些，也就是說，在臨界爆炸極限狀態下甲烷與乙烯比例為10：1的混氣爆炸所需要的氧氣量要少一些，說明在甲烷中加入乙烯後，會使甲烷的爆炸危險性更大。從爆炸極限圖中也可以看出甲烷與乙烯比例為10：1的混氣的爆炸極限範圍比甲烷與氫氣比例為10：1的混氣和甲烷的爆炸極限範圍更大，而且臨界爆炸極限值也低，這也說明甲烷中加入乙烯後，使混合氣體的爆炸危險性更大。
2.2 惰性氣體對甲烷爆炸極限及氧濃度的影響
圖2 甲烷在空氣中充入二氧化碳或氮氣的爆炸極限及氧濃度圖
圖2中，甲烷在充入氮氣後，變化情況與充入二氧化碳時的基本一致。兩者的區別是充入相同體積的二氧化碳和氮氣的情況下，充入二氧化碳的甲烷爆炸上限對應的氧體積均比充入氮氣的甲烷爆炸上限對應的氧體積低；而充入二氧化碳的甲烷爆炸下限對應的氧體積均比中如氮氣的甲烷爆炸下限對應的氧體積高。而臨界氧濃度的對比上，充入氮氣的甲烷爆炸極限臨界氧濃度比充入二氧化碳的甲烷臨界爆炸極限氧濃度低，充入二氧化碳的甲烷爆炸極限範圍也比充入氮氣的甲烷的爆炸極限範圍小。這說明充入二氧化碳對甲烷的爆炸極限的影響比充入氮氣的影響大。二氧化碳對甲烷爆炸的阻抑效果比氮氣對甲烷爆炸的阻抑效果好。
2.3 氧氣濃度對可燃氣體爆炸極限的影響
圖3 是甲烷在純氧中反應，爆炸極限的變化曲線及爆炸極限對應氧濃度的變化曲線，從圖中可以更明顯的看出氧濃度的變化對爆炸極限的影響。在純氧中，雖然甲烷爆炸下限對應的氧濃度變化很大，但是甲烷的下限變化卻非常少；而甲烷爆炸上限對應的氧濃度變化卻使得甲烷爆炸上限變化很大。甲烷等可燃性氣體的爆炸上限值所對應的氧濃度值是爆炸上限爆炸所需的極限氧濃度，即最小氧濃度。甲烷等可燃性氣體的爆炸上限與上限對應的極限值的氧濃度是正比關係。若總的氧濃度增大，則甲烷等可燃性氣體的爆炸上限極限值也會隨氧濃度的增大而增大，反之若對應的總的氧濃度降低，可燃氣體的爆炸上限值也會減小直至臨界爆炸極限濃度。因此甲烷在純氧中的爆炸極限範圍比在空氣中的爆炸極限範圍大很多。
圖3 甲烷在純氧中與在空氣中爆炸極限對比
3 結論
(1)甲烷中加入乙烯組成的混合氣體臨界爆炸極限比較低，爆炸極限臨界氧濃度比較低，乙烯的加入使甲烷更危險。氫氣的加入對甲烷爆炸極限及爆炸極限臨界氧濃度影響不大。
(2)不同的惰性氣體對可燃性氣體爆炸極限及爆炸極限臨界氧濃度的影響差別很大。二氧化碳對甲烷爆炸極限和爆炸極限臨界氧濃度的影響比氮氣的大，二氧化碳的惰化效果比氮氣好。
(3)可燃性氣體爆炸極限與爆炸極限臨界氧濃度是衡量可燃性氣體是否能爆炸的兩個重要參數，在實際應用過程中，可控製可燃性氣體體積分數在爆炸下限以下或降低氧濃度在臨界氧濃度以下，或兩者同時使用以阻止爆炸的發生。
(4)可燃氣體的爆炸極限及爆炸極限臨界氧濃度隨氣體組成、情性氣體種類、溫度、壓力的變化而變化。特別是惰性氣體不同，臨界氧濃度有較大變化，因此必須注意其使用條件
