（安全技术及工程专业论文）可燃性混合气体（蒸气）安全含氧量研究.pdf

t h er e s e a r c ho fs a f eo x y g e nc o n t e n to f m i x e dc o m b u s t i b l e g a s e s ( v a p o r s ) a b s t r a c t f u z h i y u a n ，t a ny i n x i n g f o rt h e a p p a r e n tc o m b u s t i o n s u p p o r t i n g a c t i o no fo x y g e ni nc o m b u s t i o no r e x p l o s i o no fc o m b u s t i b l eg a s e s ( v a p o r s ) ，t h ep e o p l ei g n o r et h ei m p o r t a n c eo fs a f e o x y g e n c o n t e n te a s i l y a tp r e s e n t ，t h es a f eo x y g e nc o n t e n to fc o m b u s t i b l eg a s e s ( v a p o r s ) i sam o r en e w s u b j e c t ，a n dt h ed o c u m e n t a t i o na b o u ti ti sf e w b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no f c l a s s i c a le x p l o s i v e t h e o r ya n de x p e r i m e n t c o n d i t i o n t h i sa r t i c l e s t u d i e st h e c o n c e p t i o n o fs a f e o x y g e n c o n t e n t b y t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s ，a n dd i s c u s s e st h es i m p l em e t h o d t od e c i d em i n i m u m o x y g e nd e n s i t y a n dc r i t i c a lv a l u eo fo x y g e nd e n s i t yb yc h e m i c a lc a l c u l a t i o na n dg r a p h i n gm e t h o d ，a n d e l e m e n t a r i l ya n a l y s e st h ec o n n e c t i o nb e t w e e n m i n i m u mo x y g e nd e n s i t ya n dc r i t i c a lv a l u eo f o x y g e nd e n s i t y o nt h eb a s i so f e x p l o s i v et e s t i n gd e v i c eo f c o m b u s t i b l eg a s e s ，s o m ec o m b u s t i b l eg a s e s ( v a p o r s ) t h a th a v eb e e na p p l i e d t op r o d u c t i v ep r a c t i c ea r es t u d i e d ，a n dt h ee x p l o s i o nl i m i ta n d s a f eo x y g e nc o n t e n to f t h e ma r ed e t e r m i n e di nd i f f e r e n tc o n d i t i o n ( 1 ) t h el o we x p l o s i o nl i m i to f m e t h y ls u l f i d ef o rp r o d u c i n gd m s o a n d n i t r o g e nd i o x i d e a n d o x y g e n i s d e t e r m i n e d ，a n d h a s i m p o r t a n t r e f e r e n c e dv a l u eo fp r a c t i c ef o r s a f e t y p r o d u c t i o n o nn o r m a lp r o d u c t i v ec o n d i t i o n ( 2 ) t h em i n i m u mo x y g e nd e n s i t yo fl i q u i dv a p o r so f d e c a l i nt h a ti se x t e n s i v eu s e di n t e x t i l ei n d u s t r yi nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dd e n s i t y t h ee f f e c to fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n d d e n s i t yt om i n i m u mo x y g e nd e n s i t yi sa n a l y z e d t h e v a l u eo f e x p e r i m e n t a ld e t e r m i n a t i o ni s c o m p a r e dw i t ht h e o r e t i c a lv a l u ea n dt h ec h a n g i n gr e g u l a r i t yo f m i n i m u m o x y g e nd e n s i t yi s d i s c u s s e d ( 3 ) m a k i n g u s eo f a p p e n d i n gn i t r o g e nt om i x t u r e ，t h i sa r t i c l ed e t e r m i n e st h ee x p l o s i o n l i m i ta n dc r i t i c a lv a l u eo fo x y g e nd e n s i t yo fc o a lg a sa n dl p g i nd i f f e r e n te x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n , a n dr e s e a r c h e st h ec o n n e c t i o nb e t w e e ne x p l o s i o nl i m i ta n dc r i t i c a lv a l u eo f o x y g a n d e n s i t y , a n dt h ee f f e c to fi n a c t i v eg a s 、i n i t i a lt e m p e r a t u r e 、i n i t i a lp r e s s u r ea n dv a r i e t ya n d c o m p o s i t i o no fg a s e st oc r i t i c a lv a l u eo fo x y g e nd e n s i t y k e yw o r d s ：m i x e dc o m b u s t i b l eg a s e s ( v a p o r s ) ，e x p l o s i o nl i m i t ，s a f eo x y g e nc o n t e n t ， m i n i m u m o x y g e nd e n s i t y , c r i t i c a lv a ! u co fo x y g e nd e n s i t y 本人声明 我声明本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所 利用的一切资料均已在参考文献中列出。 姓名：傅志远 签字：倨纠l 日期：2 0 0 5 年3 月4 日 中北大学学位论文 1 绪论 爆炸是能量快速释放的过程。是一种高能量密度的能源，在工业上得到了 广泛应用。爆炸常分为物理爆炸和化学爆炸，前者是指爆炸过程中只发生物理 状态变化的爆炸，如锅炉爆炸、雷电、地震、高速碰撞等；后者是指爆炸过程 中既有物理变化，又有化学变化的爆炸，如炸药爆炸、瓦斯爆炸、粉尘爆炸等。 气体爆炸在本质上是可燃气体与空气或氧气的快速氧化反应，属于化学爆炸范 畴。 气体爆炸是工业爆炸灾害的重要形式之。在实际生产过程中，有很多情 况能使气体与空气混合并达到可燃浓度，此时若有点火源存在，便能酿成燃烧、 爆炸灾害。 常见工业灾害很多，如气体或液体燃料管道破裂及液化天然气储罐、油料 储罐、油罐槽车泄漏等所引起的燃烧爆炸事故；煤矿瓦斯和煤粉爆炸；粮食、 饲料、油脂、食品等农产品粉尘爆炸；冶金系统金属、合金粉尘的爆炸等等。 如果这种分数系统全由气体组成，则称为均匀相系统，如果燃料以液滴或固体 粒子形式存在，则称为非均匀相系统。这种在无限大空间中的分散系统称为无 约束分散系统，因为这种燃料和空气的混合物没有固壁容器包围和限制。与其 相反，煤矿井下坑道中瓦斯或煤粉、粮食提升中粮食粉尘分散系统等属于有约 束分敬系统，因为它们是在矿井或提升机那样特殊固壁约束条件下的分散体系。 工业爆炸灾害中，单一气体和混合气体爆炸各有特点和规律，但也有其共 性。从安全防爆技术角度来看，必须探索和总结这些特点和规律，分析研究爆 炸的引发、形成、扩展和作用效应的全过程，这样才能有针对性地去预防、抑 制消除这类爆炸，设计制定各种科学而有效的防爆措施，以达到安全生产的目 中北大学学位论文 的。 1 1 选题的目的及意义 自从气体作为能源用于工业生产和家庭生活以来，它在给人们带来方便的 同时，也造成了极大的危害。气体爆炸的形式不仅限于某些单一气体在一定条 件下的分解爆炸，而且很多可燃气体、液体蒸气等与空气混合，达到可燃浓度 后，一旦有点火源的作用，便会酿成燃烧、爆炸灾害。多年以来，由于人们对 气体潜在危险性缺乏必要的认识，致使发生气体爆炸事故而造成的损失尤为巨 大。 人类对气体爆炸的研究是从1 8 5 7 年英国发生城市煤气管道爆炸之后才开始 的，直到十九世纪末，才确定了对主要可燃气体，如氢、甲烷、一氧化碳、乙 炔、乙烯等的燃烧与爆炸的观察结果，提出了防止事故发生的安全措旖，并付 诸于实施，取得了一定的成效。但随着科技进步和生产力的发展，大量的新型 可燃物不断涌现，更为复杂的多元化的气体爆炸事故层出不穷。气体爆炸事故 不仅在石油、化工、仓储部门发生，而且在交通、运输、居民家庭中也频繁发 生，阻碍了社会进步和经济的发展，给人民的生活造成了极大的危害，因而预 防这类危险物质爆炸灾害的发生、保证其储运安全已显得尤为突出和紧迫。 k g u g a n “1 曾经对六十年代以来欧美地区1 0 0 起此类事故做过统计，结果表 明可燃性气体爆炸事故的早期发生频率为2 8 起年，且以每年3 1 1 起的速度 增加。预计随着全球经济的发展，以及人类对能源的大规模应用，此类爆炸事 故的发生还会增加。可燃性气体爆炸问题已逐渐成为工程上关注的重点，是少 数还未完全解决的问题之一。其爆炸灾害的发生绝大多数是由可燃气体泄漏， 被火源点燃后，受装置、管道等障碍物的扰动丽形成湍流燃烧、爆燃直至爆轰， 造成惨痛的人员伤亡和财产损失。近年来国内外发生的较为严重的事故有：1 9 7 3 2 中北大学学位论文 年1 0 月日本千叶县石油化工厂大量液化丙烯泄漏着火，引起大爆炸，工厂设备 被烧毁，4 人死亡：1 9 7 4 年6 月英格兰的里克斯保夫附近的一个化工厂发生大 规模的无约束蒸气云瀑炸，2 8 人丧生，8 9 人受伤，直接经济损失1 亿美元；1 9 8 4 年1 1 月9 日在墨西哥城郊工业区发生煤气爆炸，死亡人数达5 0 0 人，伤7 0 0 0 人：1 9 8 8 年，英国北海钻井平台爆炸，数百人丧生，损失数亿英镑。苏联西伯 利亚，由于输送碳氢燃料的管道破裂，使大量燃料泄漏于空中形成可燃悬浮气 云，由两列火车交汇时摩擦产生的火花引爆，造成2 0 0 余人死亡，千余人受伤 的重大事故。1 9 8 9 年，美国一座聚乙烯厂4 0 髓异丁烷泄漏引起的爆炸将工厂全 部摧毁，造成2 4 人死亡，1 2 4 人受伤，经济损失7 5 亿美元。1 9 8 9 年8 胃1 2 日9 时6 5 分，中国石油天然气总公司管道局胜利输油公司所属青岛油库老灌区 5 座油罐发生一起因遭雷击继而引起大火的特大爆炸火灾事故，造成了巨大的经 济损失和人员伤亡。这场大火前后共燃烧1 0 4 h ，烧掉原油3 6 0 0 0 t ，烧毁油罐5 座，老灌区全部付之一炬，已无修复价值，事故造成直接经济损失3 5 0 0 万元。 6 0 0 t 原油流入海里，使附近海域和沿岸受到一定程度的污染，海水污染所造成 的损失未统计在内。在救火中，有1 4 名消防官兵牺牲，6 6 人受伤，5 名油库职 工牺牲，1 2 人受伤“3 。1 9 9 3 年1 0 月北京燕山石化公司化工一厂高压聚乙烯装置， 因乙烯气体泄漏造成大范围的爆炸，死亡3 人，损失达两亿元人民币；1 9 9 5 年 山东省济南市发生地下煤气管道泄漏爆炸事故，造成1 3 人死亡，4 8 人受伤，直 接经济损失数百万元；1 9 9 7 年河南平顶山十矿发生瓦斯爆炸，死亡8 7 人；1 9 9 8 年3 月西安发生的特大液化石油气泄漏引起的火灾爆炸事故，造成1 2 人死亡， 3 0 多人受伤，经济损失达4 7 7 8 万元“。 可燃气体爆炸的三个基本条件是”3 ：有合适浓度的燃料气体：有合适浓度 的氧气；有足够能量的点火源。所谓“合适浓度”是指可以发生爆炸的浓度。 每种燃料气体在氧气中或空气中，都有一个可以发生爆炸的浓度范围。超出这 3 中北大学学位论文 个范围，即使用很强的点火源也不能激发爆炸。这个浓度范围就是爆炸极限； 在可燃性气体( 蒸气) 的浓度处于爆炸极限时，燃烧或爆炸的传播要求有一个临 界氧浓度伯1 ( 最高容许氧浓度啪) ，低于临界氧浓度( 最高容许氧浓度) ，反应就 无法生成足够的热量来加热气体混合物，从而也就无法使燃烧得以传播。 对可燃性气体( 蒸气) 爆炸特性参数进行定性定量分析，寻找和发现可燃气 体爆炸的抑制方法，可有效地提出减灾防护措施，最大程度地减少由爆炸引起 的连锁反应所造成的人员和财产损失，具有明显的现实意义和科研价值，并且 有利于推动气体爆炸这一学科领域的发展，丰富气体爆炸的理论，以便逐步建 立起完整的气体爆炸理论体系。因此，开展本课题的研究，具有重要的理论意 义及应用价值。 1 2 国内外研究状况 可燃气体爆炸过程分为爆燃发生发展过程及爆燃转爆轰过程，这两种过程 的形成机理及破坏效应各有其不同特点。可燃气体爆燃的发生、发展主要与可 燃气体与空气混合的浓度、体积及空间分布、点火源的类型、强度及位置、障 碍物的形状、数量及分布、容器的密闭情况或泄压情况有关”。由于爆炸压力 是由气体燃烧和膨胀过程的相互作用形成的，而约束条件限制了气体的膨胀， 从而导致气体燃烧流动的加速，致使爆炸压力增大。c h a p m a n 和w h e e l e r ”( 1 9 2 6 ， 1 9 2 7 ) 进行了早期的管道火焰传播试验。他们发现了连续的火焰加速现象和管 道内有障碍物时的火焰加速和压力增高现象。h j e r t a g e r 。1 等人( 1 9 8 3 ) 针对管 道内障碍物对甲烷一空气、丙烷一空气混合物爆燃过程中的火焰速度与压力的影 响进行了实验研究，他们在一端开口的大型燃烧管中分别充入甲烷一空气混合物 和丙烷一空气混合物，并依次改变管内障碍物( 环形板孔) 的数量和堵塞面积， 并在闭端点火，观测管内火焰速度和爆炸压力的变化情况。实验表明，障碍物 4 中北大学学位论文 产生的湍流效应，对火焰产生明显的加速作用，而且通过设置适当数量和大小 的障碍物，能够获得最大的火焰燃烧速度及爆炸压力。此外，通过比较还发现， 在相同实验条件下，丙烷一空气混合物和甲烷一空气混合物的爆炸压力之间存在 较大差别。f a i r w e a t h e r 坤1 等人( 1 9 9 9 年) 针对预混气体( 甲烷一空气化学计量 浓度混合物) 的火焰在一系列小型圆柱形爆炸管内的传播过程，进行了实验和 理论研究。d u n n - r a n k “等人( 2 0 0 0 年) 同样针对可燃气体火焰在局部封闭( 一 端封闭，另一端开口) 的含有障碍物的管道内的传播过程进行了研究，并提出 了预测管内超压的简化模型。国内周凯元、李宗芬1 ( 2 0 0 0 年) 针对丙烷一空气 爆燃波的火焰面在直管道中的加速运动及影响因素等进行了初步的实验研究。 研究表明，在内壁光滑或近于光滑的直管道中，闭端点火比开端点火可以获得 更大的爆燃火焰加速度。点火能量的有限改变对初期传播的气体爆燃火焰加速 度有较大影响，当管道内有障碍物时，将明显增大爆燃火焰的加速度，并有可 能出现燃烧转爆轰。 爆燃转爆轰是当前气体爆炸研究的热点和难点之一，是造成爆炸灾害的主 要原因。对于长距离输送管道特别容易出现这一现象。管道内爆燃波是一种不 稳定状态的燃烧波，它有可能在爆燃的后边界约束增强或存在障碍物的情况下， 使压力波逐渐增强，火焰不断加速，直至火焰阵面赶上前驱压力波阵面，形成 带化学反应区的强冲击波，爆燃波转为爆轰波“。爆燃转爆轰出现的可能性及 转变距离取决于火焰的加速速率。m o e n 。钉等人针对爆燃转爆轰及火焰加速机理 开展了实验研究。研究表明，对于反应较剧烈的燃料一空气混合物来说，导致初 始层流火焰加速转变成湍流火焰的原因主要有两个：一是当雷诺数变得足够大 时，在火焰前的未燃气体流动中形成湍流；二是压力波与火焰的相互作用。 k n y s t a u t a s 、l e e “钉等人通过实验观测到了火焰传播的三种状态：( 1 ) 湍流爆燃 状态，典型火焰速度小于l o o m s ；( 2 ) “扼流”状态，火焰速度相当于燃烧产物 5 中北大学学位论文 的声速；( 3 ) 准爆轰状态，波速为c j 爆速5 0 1 0 0 ，并测得了由湍流爆燃转向 扼流和由扼流转向准爆轰时所对应的计量比浓度值，研究人员还分别在钢管中， 采用固体炸药直接引发霹轰，并使用烟膜技术对爆轰波的胞格尺寸进行了测量； 国内胡栋“6 1 等人对圆柱形激波管中氢一氧混合物爆燃转爆轰进行了研究，测得了 爆炸极限、爆炸波传播速度和压力等，并利用烟膜技术测量了气体爆轰形成的 胞格结构：徐守彬“”等人在水平激波管内进行了民用液化石油气燃烧转爆轰的 初步实验研究，得出了一些反应爆炸压力随时间和距离变化规律的数据，并证 观了不同点火能量对可燃混合物的燃烧转爆轰有影响，随着点火能量增大，爆 燃转爆轰的转变距离交短，在重复设置障碍物的情况下，转变距离也将大大缩 短；林伯泉“7 1 等人研究了瓦斯爆炸过程中火焰与超压之间的关系、火焰与爆炸 波之间的相互关系、障碍物对火焰、爆炸波传播的影响。结果表明，超压与火 焰的速度有关，障碍物对火焰的传播具有加速作用；余立新“等人通过实验研 究了氢一空气混合物的预混火焰在半开口管道中的火焰传播加速现象。结果表 明，火焰传播状态随着氢气当量比的变化而发生改变。 综上所述，国外在可燃气体爆燃、爆燃转爆轰等方面取得了一些研究成果， 国内也进行了一定研究，但研究成果与国外相比存在较大差距，特别是针对混 合气体爆炸威力及其抑爆技术的研究更为薄弱，急待做进一步的研究。随着军 备需要的不断增强以及气体爆炸灾害的不断发生，国内外学者从实验、理论和 数值模拟等多个方面对可燃气体从低速层流、预混燃烧发展到快速爆炸的条件 和机理进行了深入研究。 1 2 ，1 实验研究的进展情况 西方发达国家关于气体爆炸问题已做了很多的实验工作。l e y e r “”在实验室 做了一系列点燃半球形肥皂泡内可燃气体的试验，同时也对气体内障碍物的存 6 中北大学学位论文 在及射流对燃烧特性的影响进行了详细的研究。对于直径在4 - 、一4 0 c m 之间的肥 皂泡内的燃料一空气混合物在无障碍物的情况下，火焰速度接近层流火焰速度。 不同长径比的圆筒形肥皂泡内的气体燃烧速度更低，如乙烯的最大火焰速度为 4 2 m s 。h o f f 乜以( 1 9 8 3 ) 用模拟试验研究了直径1 0 c m 的天然气管道破裂泄漏的 点火爆炸，管道初始工作压力6 0 0 0 k p a ，流量为4 0 0 0 0 0 m 3 d ，试验中测得的最大 火焰速度约为1 5 m s ，在距离5 0 m 处测得的最大超压约为1 5 0 p a ；z e e u w e n 等。” ( 1 9 8 3 ) 在荷兰w e s t e r s c h e l d t 河口南岸的m u s s e l b l a n k s 的开阔水平地势上进 行了大规模的丙烷( 1 0 0 0 4 0 0 0 k g ) 自然扩散后燃烧试验，晷的是研究可燃气 体爆炸冲击波的破坏效应。结果表明，火焰阵面的速度具有很强的方向性，并 且与风速有关。 在有约束、有障碍物的气体爆炸事故中，爆炸火焰可以加速到每秒几百米 甚至更高的速度。障碍物引起火焰加速的机理是由于气流与障碍物相互作用产 生大的涡流以及反应阵面内热量和质量的湍流输运。当未燃气体燃烧后，体积 会膨胀至原来的8 9 倍，燃烧产物会推动未燃气体向前流动，由于障碍物的存 在，加速了湍流的形成，当火焰穿过湍流区域时，燃烧速度会显著提高。增大 的燃烧速度会进一步促使流动速度和火焰面前方湍流度的提高。 爆轰是可燃气体爆炸事故中破坏最为严重的一种情况。爆轰波是一种超音 速燃烧波。一般气体的爆轰波传播速度可达1 5 0 0 2 0 0 0 m s ，峰值压力可达 1 5 0 0 2 0 0 0 k p a 。在实际的可燃气体爆炸过程中，一般情况下的点火能量都较低， 如静电点火，机械摩擦点火或故障电火花点火等，一开始火焰以3 4 m s 的层 流火焰速度向前传播n ”，如果可燃气体周围的环境是无约束无障碍的情况，则 其火焰速度一般不会超过2 0 2 5 m s ，由其产生的超压也比较小。象可燃气体被 高能量起爆装置点燃后发生直接爆轰这样的情况在工业爆炸事故中发生的可能 性极小。般的情况是，可燃气体被弱点火而导致爆燃，然后通过火焰传播过 7 中北大学学位论文 程与其自身诱导的膨胀流动相互作用后才有可能发展戒爆轰。 顾根口盯对1 9 2 1 1 9 7 7 年间发生的1 0 0 起蒸气云爆炸事故进行了统计分析， 结果表明，多数蒸气云爆炸事故是爆燃而不是爆轰。尽管蒸气云被点火后直接 发生爆轰的可能性很小，但蒸气云发生爆燃后转变为爆轰的可能性是存在的。 蒸气云的爆燃转爆轰现象是由m o e n 等船”在一个大型乙炔一空气爆炸试验中发现 的，后来的许多研究表明气体射流湍流燃烧引起爆轰也是可能的。对于活性相 对较低的气体一空气混合物，只有在其燃烧过程存在合适的边界条件时才会发生 爆轰，这些边界条件在火焰阵面前的气体流动中诱导湍流结构，从而引发燃烧 反应的正反馈加速机制。 上面分别对无约束条件及有约束条件下的可燃气体爆燃及爆轰进行了综 述，从前人的实验结果可以看出，初始情况为静止的完全无约束可燃气体在弱 点火条件下一般不会产生很大的冲击波。湍流是燃烧加强的决定因素，它可以 通过以下两种方式产生，一是由于燃料在高压下的猛烈释放或容器破裂时的爆 炸性释放：二是由于燃烧过程产生的气体流动与边界条件的相互作用，合适的 边界条件可能会使火焰传播加速从而达到爆轰状态。这些边界条件包括有足够 的约束程度或足够障碍物的不规则约束。在化工厂、煤矿井下或炼油厂稠密的 工业处理设备中曾发生过很多蒸气云爆炸事故。可以说，在各种工业可燃气体 爆炸灾害中，部分约束的爆炸模型是比较普遍的。 国内对可燃气体爆炸的研究刚刚起步，为了研究矿井下瓦斯煤尘爆炸，煤 炭科学研究总院重庆分院在2 0 世纪8 0 年代初建成了断面积7 2 m 2 、长7 2 0 m 的 地下爆炸实验巷道和一系列刚性地面爆炸实验管道。”。9 0 年代初，北京理工大 学建成了爆炸灾害预防与控制国家重点实验室，其中的实验设备，如激波管、 2 0 l 及1 m 3 爆炸实验装置等，都以研究管道和密闭容器中的爆炸为主。9 0 年代中 期，中国矿业大学建成了瓦斯爆炸试验系统，试验管道为8 0 m m x s o m m 的方管， 8 中北大学学位论文 每节长有0 5 ，1 0 ，1 5 ，2 5 m 四种，总长2 4 m 。在方管上有压力、温度、火焰 传感器和点火装置的安设孔。林柏泉博士等“们利用此设备对瓦斯爆炸过程中障 碍物对火焰和爆炸波的影响进行了实验研究。结果表明，有障碍物存在时，火 焰的传播速度将迅速提高，在2 0 倍长径比处达到最大值，随后逐渐衰减，直至 熄灭。对于敞开空闯的气体爆炸，大连理工大学开展了一些实验研究，如毕明 树等人n ”进行了小规模蒸气云爆炸实验，对直径分别为1 m 、2 m 、3 m 的乙炔一空 气混合气体和直径为2 m 的液化石油气一空气混合气体进行了爆燃实验测试。对 不同距离上测点的超压记录表明，在气体火焰熄灭以后，最大超压值随着距离 的增加呈指数规律衰减。 1 2 2 理论研究的进展概况 在气体爆炸的理论研究中，研究者们在大量气体爆炸事故的基础上对数据 进行分析和处理之后，得到了一些有用的经验公式。代表性的有t n t 当量法、 t n o 法、多能法、改进的多能法、b r i t i s hg a s 法和s h e l l 法。这些方法有各自 的使用条件。 理论研究的另一个重要方面是探索可燃气体爆炸场的解析解。k u h l ，与 o p p e n h e i m “”用自相似方法研究了稳定火焰在可燃气云中传播产生的压力波。为 了满足流场的自相似条件，仪考虑火焰达到稳定传播的情况。由于假设火焰阵 面后的流场为静止的，因此该自相似解只适用于燃速低于c j 燃速的火焰传播 i ；3 题。用自相似方法求解非理想爆源的冲击波生成规律的还有f r e e m a n “盯和 d a b o r a 阻吖等人。k u h l 的结果通常用来校正其它方法得到的结果，但需要进行数 值积分。s t r e h o w ”，b a c h 与l e e ”2 1 等人在k u h l 分析解的基础上进步简化 得到近似解，不需要数值积分( 只要求解代数方程) ，由于误差较大，使用范围 受到限制，实际应用的不多。 9 中北大学学位论文 7 0 年代以来，随着计算机技术的快速发展，数值模拟方法作为理论研究的辅 助工具得到了广泛的应用。通过实验测量般只能得到爆炸流场某些特定点的 压力波形，对于整个爆燃场的作用载荷分布，运用合理的数值模拟方法，分析非 定常流场的发展演化过程，才能获得爆燃场更多交化特征。气体燃烧使用的数值 模拟方法仍在使用，如c m c ( c o n d i t i o n a lm o m e n tc l o s u r e ) 方法和概率密度函数 方法( p d f ，p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ) 。在实际应用中占优势的数值计算 工具仍是建立在霄诺平均基础上，且利用简单的化学模型，如 e d d y - b r e a k u p ( e b u ) 模型和层状火舌模型的简化形式，处理复杂流场，得出实用 结果。改进的湍流顸混燃烧模型的发展，如火焰表面密度方法提高了处理流场和 火焰波阵面之间剧烈作用的能力。 国内对可燃气体爆炸的数值模拟研究已取得了一定进展。徐胜利等“1 一直 在对燃料空气炸药云雾爆炸场进行了数值模拟研究，包括近期对多爆源爆炸波 的三维数值模拟进行的磅究，并在此基础上开发了计算软件。复杂的燃烧反应和 湍流的影响。刘君等拈5 1 从非定常欧拉方程出发，构造新型的e n o 差分格式对爆炸 波与物体干扰的流场进行了二维和三维的数值模拟，结果与实验符合较好，可作 为气体爆炸冲击波研究的很好借鉴。姚海霞等”采用双方程模型和改进的e b u 燃烧模型对障碍物诱导的湍流与燃烧祸合作用下的流场进行了模拟，揭示了障 碍物、湍流及火焰之间相互加速的正反馈机理，其三维模拟的结果与实验数据吻 合较好。 1 。2 3 安全含氧量的研究概况 从气体( 蒸气) 爆炸研究现状中可以发现，对影响气体( 蒸气) 爆炸的安 全台氧量国内外的文献颇少，但工业生产中一直将可燃性气体( 蒸气) 中的含氧 量作为重要的控制指标。如g b 6 2 2 2 - 8 6 工业企业煤气安全规程规定：发生炉 1 0 中北大学学位论文 煤气的含氧量大于1 时，禁止并入网路，水煤气含氧量达到0 8 时，立即停止 回收。t k s u b r a m a n i a m 和j o s e p hv c a n g e l o s i 口”( 1 9 8 9 ) 对可燃性气体一空气 混合物用氮气进行稀释，当爆炸上下限会聚到点，用此时的氧浓度来表示最 大安全百分氧浓度，并预测了最大安全百分氧浓度的值；邬烈豪侣町针对煤矿并 下的瓦斯气体提出：瓦斯爆炸界限随着空气中氧含量的降低而缩小。当正常大 气压和常温时，瓦斯爆炸界限与氧含量的关系利用柯瓦德爆炸三角形来说明： 氧含量降低时，爆炸下限变化不大。爆炸上限则明显降低。氧含量低于1 2 时， 瓦斯就失去爆炸性，柯瓦德爆炸三角形对判断井下火灾地点或火区中有无瓦斯 混合气体爆炸危险，有一定的参考价值。国内万成略，汪莉口”就焦炉煤气安全 含氧量进行了研究，用化学计算法和作图法简便计算理论氧浓度和临界氧浓度， 提出焦炉煤气含氧量安全限值接近4 ，并建议，焦炉煤气安全含氧量的放宽值 不宜过大。 1 3 本文的主要工作 从国内外气体爆炸的研究现状来看，以往理论研究的重点主要集中在可燃 性气体( 蒸气) 的火焰速度、燃烧速度、爆炸压力、压力上升速率，以及爆炸威 力或效应等方面，实验的研究也局限于障碍物对爆炸威力及火焰加速的影响，对 可燃性气体( 蒸气) 的发生条件及因素，如安全含氧量以及含氧量与爆炸极限之 间的关系的研究相对较少，影响可燃性气体( 蒸气) 安全含氧量的因索还需要进 一步分析探讨。据此本论文想初步开展以下几项研究： ( 1 ) 对可燃性气体( 蒸气) 的的爆炸极限、安全含氧量进行理论上的研究， 利用化学计算法和作图法对安全含氧量进行理论上的确定，建立一套比较完搀 的安全含氧量的理论。 ( 2 ) 利用可燃性气体( 蒸气) 爆炸特性参数实验测试系统，对几种在生产上 中北大学学位论文 有实际应用意义的可燃性气体( 蒸气) 进行研究，在不同条件下测定其爆炸极限、 安全含氧量。 ( 3 ) 通过理论值与实验测定值的比较，对不同温度、不同压力、不同气体 浓度、组成以及惰性气体等外界条件对安全含氧置的影响规律进行分析论证， 并将所得到的结论加以推广和运用，进一步丰富可燃性气体( 蒸气) 的爆炸理论。 1 2 中北大学学位论文 2 可燃性混合气体( 蒸气) 爆炸的理论研究 2 1 气体爆炸机理 气体爆炸是一种非点源爆炸，与凝聚炸药爆炸有很大的区别。通常按气体 燃烧和爆炸的危险性把气体分为四大类：可燃性气体、助燃性气体、分解爆炸 性气体及惰性气体。一般情况下对气体爆炸机理可以从以下两个方面说明： ( 1 ) 分解爆炸性气体的分解爆炸 ( 2 ) 爆炸性混合气体的爆炸 2 1 1 分解爆炸性气体的分解爆炸 在日常生活中我们经常遇到这种情况：某些气体即使在没有空气或氧气的 情况下同样可以发生爆炸，如乙炔在没有氧气的情况下，若被压缩到2 0 0 k p a 以 上，遇火星就能引起爆炸。此外还有其他一些分解反应为放热反应的气体如： 乙炔、氧化乙烯、氧化乙炔、四氟己稀、丙稀、臭氧等也具有同样的性质。出 现这种情况的原因在于这类气体在分解时能放出大量的热量，使分解出来的气 体受热膨胀，造成压力的急剧升高和释放从而导致爆炸。气体的分解爆炸过程 是以伴随放热的分解反应为主的，同时产生特殊的分解火焰。 由于分解爆炸性气体的分解热为爆炸提供了足够能量，故发生分解爆炸时 并不一定有助燃气体存在。一定的压力和温度是发生分解爆炸的外在因素。从 图2 1 可看出分解爆炸性气体发生分解爆炸的难易程度与压力有关：在压力低 时，需要较大的能量；压力较高时，稍加能量便能发火。随着压力的下降，所 需发火能将依次增加，低于某一压力时，火焰便不能继续传播，此压力称为分 1 3 中北大学学位论文 最小发火能( j ) 图2 1 乙炔分解爆炸时乙炔压力与最小发火能的关系 解爆炸的临界压力。分解火焰传播的中断压力( 即临界压力) 未必高于大气压， 故可判定分解爆炸未必是高压气体特有的性质所引起的“。 在对分解火焰的发生及传播进行观察时发现，其状态与气体爆炸极为相似， 而分解爆炸健气体中绝大多数是可燃性气体，它们与空气混合后同样存在着爆 炸的危险，故可将其作为气体爆炸的特殊类型来进行研究和处理。 2 1 2 爆炸混合性气体的爆炸 可燃性气体与助燃性气体混合并达到爆炸极限便可能会引起爆炸，这一类 气体混合物称为爆炸性混合物。例如可燃性气体和空气预混合后在一定范围内 遇火可以发生燃烧，它是由发火源产生的火焰在混合气体中向前传播的所谓“火 焰传播”现象，这时，在已燃气体和未燃气体的界面有火焰产生，出现高温和 强光。因为燃烧气体能够自由膨胀，所以在火焰传播速度较慢时每秒只有几米 或更小，几乎不产生压力波和爆炸声响，只有当火焰速度很快时，才可能产生 压力波和爆炸声响，丽当火焰速度进一步加快，达到每秒数百米甚至上千米时， 1 4 中北大学学位论文 则燃烧可向爆轰转交，形成强大的冲击波， 给周围环境以巨大的破坏力。 在可燃气体( 蒸气) 与空气均匀混合成 预混合气的情况下，若其浓度在爆炸范围 内，则其燃烧物理模型如图2 2 所示“”： 当预混气被一点火源点燃时，立即形 成一个小火球，成为中心火源，在其周围 形成的燃烧波以球面波的形式向周围传 播，火焰向四周蔓延，中心点火源外层的 图2 ，2 预混气火焰蔓延物理模型 预混气被点燃，成为一个较大的火球，也就是一个新的燃烧波面，它又继续向 外蔓延，使球壳形的反应区逐层增大。由此可知，火球以一层层同心球面波的 形式往各个方向蔓延和扩展，最终将空气中的预混气点燃，如果燃烧过程发生 在密闭的容器中，则由于气体燃烧产物的温度上升，以及由此引起的压力急剧 增加，便形成爆炸，可以造成极大的破坏作用。 对比于气体的燃烧过程，从机理上说，爆炸性混合气体发生爆炸的原因可 用链式反应理论和热爆炸机理来加以解释。 2 1 2 1 链式反应理论 链式反应理论是由前苏联科学家谢苗洛夫提出来的。根据链式反应机理， 爆炸性混合物与火源接触，就会有活性分子生成而成为连锁反应的活动中心， 活性分子自由基与另分子作用，其作用结果会产生新基，新基又迅速参与反 应，形成一系列的连锁反应，从宏观上看，爆炸性混合物在一点上着火后。热 量及活性中心都向外传播，促进相邻一层混合物发生化学反应，然后该层又成 为热量和活动中心新的源泉而引起新的相邻一层混合物的反应，如此循环往复， 1 5 中北大学学位论文 直到全部反应物均反应完为止。通过实验也可观察到在爆炸时火焰是以球面的 形式往各方面蔓延的。 链式反应又分为直链反应和支链反应两种。氯和氢的反应是典型的直链反 应。直链反应的基本特点有：( 1 ) 每一个活性分子( 自由基) 与作用分子反应 后，仅生成一个新的活性粒子，自由基与价饱和的分子反应时自由基不消失。( 2 ) 自由基或原子与价饱和的分子反应时活化能很低。 氢和氧的反应是典型的支链反应。支链反应的特点在于：在反应中一个自 由基能生成一个以上的自由基。不论是何种链式反应都由三个阶段构成：即链 的引发，链的传递( 包括链的支化) 和链的终止。以氢和氧的支链反应为例： 链的开始： h 2 一h + h 链的传递： h + 0 2 一o h + + 0 0 + h 2 _ + o h + h o h + h 2 。h 2 0 + h h + 0 2 dh 0 2 h 0 2 + h 2 _ h 2 0 + o h 链的终止：h 0 2 。+ m 一销毁 h + m 一销毁 o h 。+ m 一销毁 其中m 代表器壁或体系中的惰性质点。 链的起始需要有外来能源激发，使分子键破坏，生成第一个基。链的传递 ( 包括链的支化) 即自由基与分予反应，链的终止就是引向自由基消失的反应。 在链的反应可以增殖游离基的情况下，如果此时发生的销毁游离基( 链的终止) 的反应速度低于游离基增殖的速度，则反应链的速度就会加快，这样又会增殖 1 6 中北大学学位论文 更多的游离基，如此循环进展，导致发生爆炸。 链式反应速度v 可用下式表示： y = 万舳 式中：f ( c ) 反应物浓度函数： 以一链在气相中销毁因数； 六一链在容器上销毁因数； a 一与反应物浓度相关的函数： 口一链的分支数，在直链反应中d = 1 ，支链反应中口 1 。 根据链式反应理论。增加气体混合物的温度可使反应速度增加，使因热运 动而生成的游离基数量增加。在某一温度下，链的分支数超过中断数，这时反 应便可加速并达到混合物自行着火的反应速度。所以链式反应理论认为气体混 合物自行着火的条件是：链式反应的分支数超过中断数，此时即便混合物的温 度保持不变，仍可导致自行着火。在一定条件下，如当z + z + 一曲珈时，就会 发生爆炸“。 2 1 2 2 热爆炸机理 热爆炸是指爆炸性物质受热而发生化学反应。并自动加速直到爆炸的一种 现象。爆炸性物质在发生放热的化学反应时，系统的温度随之提高，同时由于 各种传热形式的存在系统要相应地损失一部分热量。热量产生的速率和温度的 关系是非线性的指数关系，而热量损失的速率和温度的关系通常是接近线性或 线性的关系，旦系统产生的热量不能够全部传递出去或损失掉，系统就会出 现热积累使温度继续升高。这种热失衡现象的结果是使反应速度加快，释放更 1 7 中北大学学位论文 多的热量，热量积累和热量损 失的失衡更加恶化，系统温度 进一步提高，如此循环，好像 系统在自我加热。如果自热过 程未被控制，一璧系统温度升 高到满足点火条件时，系统就筻 k 会出现起燃或起爆，从而导致 燃烧或爆炸的发生。 事实上，不是所有的爆炸 现象可以仅用一种理论加以 解释，爆炸现象是一种非常复 杂的现象，其产生机理和影响 因素非常复杂。至于在何种情 图2 3 氢和氧混合物( 2 ：1 ) 爆炸区间 况下发生热反应，何种情况下发生链式反应，要根据具体情况而定。甚至同一 种爆炸性混合物有时在不同条件下，发生爆炸的机理有时也会有所不同。图2 3 所示为氢和氧按完全反应的浓度组成的混合气发生爆炸的温度和压力区间。从 图中可以看出，当压力很低且温度不高时，如在温度5 0 0 c 和压力不超过2 0 0 p a 时，由于游离基很容易扩散到器壁上销毁，此时连锁中断速度超过支链产生速 度，因而反应进行缓慢，混合物不会发生爆炸：当温度为5 0 0 c ，压力升高到2 0 0 p a 和6 6 6 6 p a 之间时，由于产生支链速度大于销毁速度，链反应很猛烈，就会发生 爆炸；当压力继续提高，超过b 点以后，由于混合物内分子的浓度增高，容易 发生链中断反应，致使游离基销毁速度又超过链产生速度，链反应速度趋于缓 和，混合物又不会发生爆炸了。 图2 3 中a 和b 点对应的压力，即2 0 0 p a 和6 6 6 6 p a 分别是混合物在5 0 0 c 1 8 中北大学学位论文 时的爆炸下限和爆炸上限。随着温度增加，爆炸极限会变宽。这是由于链反应 需要有一定的活化能，链反应速度随温度的升高而增加，而链终止的反应却随 温度的升高而降低，故升高温度对产生链反应有利，结果使爆炸极限变宽，在 图上呈现半岛形，当压力在升高超过c 点( 大于6 6 6 6 6 1 0 p a ) 时，开始出现下列 反应： h + 0 2 _ h 0 2 h 0 2 + h 2 4h + h 2 0 2 h 0 2 + h 2 0 一o h + h 2 0 2 产生游离基h 和o h ，这两个反应是放热的，结果使反应释放出的热量超过从 器壁散失的热量，从而使混合物的温度升高，进一步加快反应，促使释放出更 多的热量，导致热爆炸的发生“”。 2 2 可燃性气体( 蒸气) 的爆炸极限 2 2 1 爆炸极限的基本概念 部分可燃气体( 如氢气、天然气、乙烯、乙炔、合成氨原料、城市煤气等) ： 可燃液化气( 如液化石油气、液氨、液化环氧乙烷等) ；以及可燃液体的蒸气( 如 乙醚、苯、酒精等) 与空气组成的混合物，并不是在任何混合比例下都可以燃 烧或爆炸的，而且混合的比例不同，燃烧的速度( 火焰蔓延速度) 也不同。由 实验得知，当混合物中可燃气体含量接近于理论混合比时，燃烧最快或最剧烈。 下限和上限通常用可燃气体( 蒸气) 对混合气体的体积百分比( v o l ) 来表示a 当浓度比理论混合比的浓度减少或增加，则火焰蔓延速度降低。当浓度低于或 高于某一极限值，火焰便不再蔓延。可燃性气体( 蒸气) 与空气组成的混合物 1 9 中北大学学位论文 能使火焰蔓延的最低浓度，称为该气体( 蒸气) 的爆炸下限；同样，能使火焰 蔓延的最高浓度，称为该气体( 蒸气) 的爆炸上限。爆炸下限与爆炸上限之间 称为爆炸范围。浓度在上限以上或下限以下的混合物，则不会着火或爆炸。可 燃气体( 蒸气) 爆炸极限的概念可以用热爆炸理论来解释。当可燃性气体( 蒸 气) 的浓度小于爆炸极限时。由于在混合物中含有过量的空气，过量空气的冷 却作用及可燃物浓度的不足。导致系统得热小于失热，反应不能延续下去；同 样，当