CN103033606A - 一种测定半敞开空间可燃气体最小点火能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测定半敞开空间可燃气体最小点火能的方法，该发明所用的测定方法为升降法。该可燃气体燃爆特性综合试验装置主要由气体输送和配制系统、气体预混系统、爆炸室、点火系统和数据采集系统等部分构成。主要试验的项目有：气体的分层试验、气体浓度的测试、爆炸上下限测试、爆炸压力、温度测试、最小点火能测试、爆炸过程研究、可燃气云的形成及扩散研究和抑爆作用研究。本发明使可燃气体与空气混合更均匀，改进后的20L气体爆炸测试装置，以实用、方便、廉价等优点，可作为安全工程专业、防火防爆专业的科研教学标准测试装置和演示装置。
Description
技术领域
本发明涉及可燃气体最小点火能方法，特别是一种测定半敞开空间可燃气体最小点火能的方法。
背景技术
自1857年英国发生城市煤气管道爆炸事故以来，国内外学者已经对可燃气体的爆炸特性和机制展开了长期的研究。由于各国学者研究的侧重点不同，使用的试验装置的尺寸差别较大，实测参数也有所不同，所以国内外至今尚没有制定出统一的测定可燃性气体(液体蒸气)爆炸特性参数的装置。
受限空间工业气体爆炸具有破坏性大和复杂性强等特点，世界各国投入了大量人力、财力对其进行了深入广泛的研究。因为实际研究的需要，球形、圆柱形和管道等密闭容器式的试验装置也陆续被开发和使用，例如，1993年张景林发明设计了可燃气体爆炸特性测试装置，其主体为20L等边圆柱筒，主要由爆炸装置、配气系统、温度压力控制系统及爆炸参数测试系统组成；1996年Adolf Kuhner AG设计了20L球形爆炸测试装置，采用循环配气混合，逐渐在试验研究中得到广泛使用。
随着化学工业的发展，有机溶剂和可燃气体的广泛应用，车间、仓库这种半开敞空间发生的可燃气体(液体蒸气)火灾爆炸事故屡见不鲜，但迄今对这一类空间内可燃气体爆炸过程的试验却并不多见，相应的试验装置也很缺乏。
发明内容
本发明的目的是提供一种运用升降法测定在半敞开空间可燃气体最小点火能的方法，起到实用、方便、廉价等优点。
本发明的技术方案是：该发明使用的测定方法为升降法，该可燃气体燃爆特性综合试验装置主要由气体输送和配制系统、气体预混系统、爆炸室、点火系统和数据采集系统等部分构成。
可燃性预混气体爆炸按传播状况的不同可分为4种模式：定压燃烧、爆燃、定容爆炸和爆轰，通常开敞空间可燃气体的爆炸过程属于爆燃过程。
试验装置上开展的可燃气体爆燃过程的测试和研究，主要试验的项目有：
(1)气体的分层试验。将可燃气体通入到密闭预混塔，经过混合、静置后，观察其分层现象，得到不同高度处气体浓度随时间变化的规律；
(2)气体浓度的测试。测试气体的浓度有3种方法：浓度传感器直接测试气体爆炸前后的浓度；声级计测量爆炸声音的大小反映气体的浓度；通过测试气体爆炸速度来反映气体的浓度；
(3)爆炸上下限测试。对不同浓度的可燃性气体点火试验，确定爆炸上下限；
(4)爆炸压力、温度测试。运用压力、温度传感器以及数据采集卡，确定爆炸压力、温度瞬时值及其变化趋势，还可根据爆炸威力指数等于最大爆炸压力与平均升压速度之积计算爆炸威力指数、最大爆炸指数等；
(5)最小点火能测试。对不同浓度的可燃性混合气体进行点火试验，确定最小点火能；
(6)爆炸过程研究。爆燃是一种带有压力波的燃烧，火焰以亚音速传播，压力波则以当地音速传播，因此必须利用高速摄像机才可以拍摄气体爆炸火焰传播的过程，并应用ProAnalyst软件分析确定传播速度等参数；开展爆炸室的约束面及其障碍物对爆炸火焰传播及其他参数的影响研究等；
(7)可燃气云的形成及扩散研究。利用计算流体力学等软件，可模拟空间内气云的形成和扩散过程；
(8)抑爆作用研究。在爆炸室内设置阻燃材料(如金属丝网)，研究它们对可燃性气体抑爆的效果。
本发明的优势在于：本发明使可燃气体与空气混合更均匀，改进后的20L气体爆炸测试装置，以实用、方便、廉价等优点，可作为安全工程专业、防火防爆专业的科研教学标准测试装置和演示装置。
附图说明
图1为可燃气体爆燃特性综合试验装置；
其中：1-预混塔；2-爆炸气体检测探头；3-爆炸气体钢瓶；4-气体流量计；5气体钢瓶(氧气、氮气)；6-爆炸箱；7-搅拌叶片；8-搅拌电机；9-泄压窗；10-温度检测探头；11-爆炸气体浓度探头；12-压力检测探头；13-声级信号探头；14-电子点火器；15-快速摄像机；16-触发开关；17-数据处理器；18-显示器；19-打印机；20-气体输送管路；21-气体阀门；22--数据线
具体实施方式
最小点火能是指能引起一定浓度可燃物燃烧或爆炸所需要的最低能量值，是衡量可燃气体(液体蒸汽)、可燃性粉尘爆炸危险性的重要参数，也是静电安全的重要技术参数。
通过采用控制点火能和甲烷浓度的方法对不同浓度下甲烷爆炸的最小点火能的变化趋势进行试验，具体方法是：初始均设定点火试验台最大电压对某一甲烷浓度(甲烷在空气中的爆炸极限约为5％～15％，因此，设定的甲烷气体浓度依次为5.0％，5.5％，6.0％，6.5％，7.0％，7.5％，8.0％，8.5％，9.0％，9.5％，10.0％，11.0％，12.0％，13.0％，14.0％和15.0％)下的混合气体进行点火试验，若混合气体发生爆炸则以100V的幅度不断减小点火电压直到不发生爆炸，再在最后一次爆炸与不爆炸的2个电压值之间2次采用二分法确定电压进行试验，直到得出发生爆炸的最小电压，最后计算出点火能量即为该浓度下的最小点火能。
在该试验条件下，甲烷浓度在5.0％，5.5％，6.0％，6.5％以及15.0％时未发生爆炸，初步断定是点火系统的最大点火能达不到以上浓度下甲烷气体的爆炸最小点火能。当甲烷浓度为6.8％时，它的爆炸最小点火能为点火系统的最大能量。
可燃气体浓度对最小点火能的影响非常显著，但其他因素对其也有影响，例如：惰性介质、环境温度、湿度等等。因此，在该试验基础上，又开展了惰性介质——氮气对甲烷-空气混合气体最小点火能的影响试验。试验结果见表2。
表2甲烷-空气混合气体的最小点火能
Table2 Minimum ignition energy of methane air mixture gas
注：*表示电压和点火能已达到仪器参数可调上限。
爆炸室通入5％氮气后，该装置点火系统的量大能量小于甲烷-空气混合气体所需最小点火能量，混合气体不能被点燃。
分析与讨论
(1)当甲烷浓度处于爆炸上、下限附近时，最小点火能明显高于其他浓度情况，因此，点火能有一个急剧下降和上升的过程，且越接近爆炸上、下限变化幅度越大，例如：甲烷浓度从6.8％升至8.0％，点火能从30.37mJ降至10.94mJ，下降幅度为2.78倍；浓度从13.0％升至14.0％，点火能从5.53mJ急剧升至22.82mJ，上升幅度达到4.13倍；
(2)此次试验得到的甲烷气体浓度与点火能的关系与T.X.Phuoc，F.P.White等在常压下用持续5.5ns的1064nm脉冲激光束引燃甲烷-空气混合气体所得最小点火能变化趋势非常相近，并且其所测爆炸极限在6.5％～17％，约在11％时得到点火能的最小值大约为4mJ。这也说明用强点火和弱点火的方式点燃甲烷-空气混合气体对点火能的变化趋势影响不大，但在所需最小点火能的测量数值上有一定的差别；
(3)向爆炸室通入1％氮气后，最小点火能随甲烷浓度变化的趋势基本没有改变，但最小点火能的数值却发生了明显的变化，对应各浓度的最小点火能都有显著上升，升幅最小也达122％。通入5.0％的氮气时，在该装置点火条件下甲烷-空气混合气体不发生爆炸。因此，充注氮气使得相同浓度下的甲烷更难发生爆炸，体现了氮气抑制爆炸的惰化作用，并且注入氮气的量越多，惰化作用越明显；
(4)经分析，主要原因是注入氮气后，爆炸室内的氧浓度相对降低，例如：当甲烷浓度为10％时，通入1％氮气，氧含量从18.9％将为18.5％，所以需要的点火能量将升高。同时，反应中的氧浓度减小，反应中的氧浓度不足使反应物中的氧气分子较少，也不能产生足够的氧基，链式反应中有氧气分子和氧基参加的支链反应数目也随之减少，反应速率降低，抑制了爆炸反应的进行；
(5)此次试验得到了甲烷爆炸浓度与最小点火能的变化趋势，以及通入不同量氮气条件下甲烷爆炸浓度与最小点火能的函数关系，但由于点火系统能量的限制，并未能测得甲烷爆炸极限内所有浓度对应的最小点火能，以及通入较高氮气量时甲烷-空气混合气体的最小点火能。
Claims (4)
1.一种测定半敞开空间可燃气体最小点火能的方法，其特征在于：该发明使用的测定方法为升降法。
2.根据权利要求1所述的一种测定半敞开空间可燃气体最小点火能的方法，其特征在于：该可燃气体燃爆特性综合试验装置主要由气体输送和配制系统、气体预混系统、爆炸室、点火系统和数据采集系统等部分构成。
3.根据权利要求1所述的一种测定半敞开空间可燃气体最小点火能的方法，其特征在于：可燃性预混气体爆炸按传播状况的不同可分为4种模式：定压燃烧、爆燃、定容爆炸和爆轰，通常开敞空间可燃气体的爆炸过程属于爆燃过程。
4.根据权利要求1所述的一种测定半敞开空间可燃气体最小点火能的方法，其特征在于：试验装置上开展的可燃气体爆燃过程的测试和研究，主要试验的项目有：
(1)气体的分层试验：将可燃气体通入到密闭预混塔，经过混合、静置后，观察其分层现象，得到不同高度处气体浓度随时间变化的规律；
(2)气体浓度的测试：测试气体的浓度有3种方法：浓度传感器直接测试气体爆炸前后的浓度；声级计测量爆炸声音的大小反映气体的浓度；通过测试气体爆炸速度来反映气体的浓度；
(3)爆炸上下限测试：对不同浓度的可燃性气体点火试验，确定爆炸上下限；
(4)爆炸压力、温度测试：运用压力、温度传感器以及数据采集卡，确定爆炸压力、温度瞬时值及其变化趋势，还可根据爆炸威力指数等于最大爆炸压力与平均升压速度之积计算爆炸威力指数、最大爆炸指数等；
(5)最小点火能测试：对不同浓度的可燃性混合气体进行点火试验，确定最小点火能；
(6)爆炸过程研究：爆燃是一种带有压力波的燃烧，火焰以亚音速传播，压力波则以当地音速传播，因此必须利用高速摄像机才可以拍摄气体爆炸火焰传播的过程，并应用ProAnalyst软件分析确定传播速度等参数；开展爆炸室的约束面及其障碍物对爆炸火焰传播及其他参数的影响研究等；
(7)可燃气云的形成及扩散研究：利用计算流体力学等软件，可模拟空间内气云的形成和扩散过程；
(8)抑爆作用研究：在爆炸室内设置阻燃材料(如金属丝网)，研究它们对可燃性气体抑爆的效果。
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