基于产物分析的网状铝合金阻隔防爆材料抑爆机理的研究

随着我国工业化进程的不断加快,各类工业可燃气体需求量激增,使用的环境和操作条件日益复杂,使得气体爆炸事故时有发生,给企业安全生产和社会稳定带来巨大压力。深入开展气体爆炸反应的研究,揭示其爆炸机理,对抑制可燃气体爆炸、减少人员伤亡和财产损失意义深远。

金潮等[1]对近年来国内外气体爆炸特性的综述研究表明,复杂工况下可燃气体爆炸危害研究主要集中在压力、临界氧浓度、爆炸极限、数值模拟等方面,在气体爆炸反应机理、复杂工况对爆炸特性的影响等方面研究有所欠缺。Razus等[2-6]利用传感器

监测可燃气体爆炸压力和温度,探究了压力、温度与

时间、距离等之间的变化规律,得出最大爆炸压力与初始温度上限成反比等关系,不仅直观地表明爆炸特性,也为寻找抑爆方法提供借鉴。Kim 等[7-9]利用高速摄相机、纹影仪等研究了可燃气体爆炸火焰 的形成与传播规律,探究不同因素对火焰的影响,发现初始温度升高导致火焰速度和热释放速率加快, 可燃气体越接近化学当量浓度,火焰越厚、传播速度越快、位移越大,该研究为预防爆炸火焰伤害和阻火设 备 的 研 究 提 供 理 论 基 础。Nie 等[10-13] 利 用 Chemkin、Fluent、AutoReaGas、FLACS等软件对不同工况下的可燃气体的爆炸压力、温度、链式反应等 数值进行模拟,研究气体爆炸特性及机理,减少了人力财力消耗和解决了搭建实验平台的困难,对预防和控制爆炸事故具有重要作用。这些研究主要从爆 炸特征参数和数值模拟分析着手,对可燃气体爆炸产物的分析研究较为欠缺。

在气体爆炸抑制机理研究方面,杨真理等[14-15]

介绍了近年来抑爆介质在瓦斯爆炸过程中的作用机

理和当前铝合金阻隔防爆材料的物理化学抑爆机理,提出今后仍需要加大抑爆机理和抑爆材料结构设 计 的 研 究,但 并 未 提 出 具 体 的 抑 爆 机 理。Fedyaeva等[16]研究得出在氩气和水的介质中丙烷的氧化是通过链式-热爆炸机理发生,在 CO2  介质中丙烷的氧化转化率较低;在 H2O 介质中,丙烷的氧化几乎完全消耗 O2。理想条件下化学当量的甲烷-空气、丙烷-空气等的预混气体发生爆炸反应生成水和二氧化碳。但在实际中甲烷和丙烷等的爆炸反应机理极为复杂,如甲烷爆炸基元反应有325个[17],丙烷爆炸可用基元反应有784个[18]。甲烷燃爆链式机理已经较为详细,氧化反应主要沿着如下链式反应路径进行[19]:CH4 → ·CH3 →CH2O→ · CHO→CO→CO2。其中 HCO+O⇌HO+CO2  是

放热量最大的反应,且 CO 转化 CO2  基元反应相比

其他反应较慢[20]。

因此,笔者利用瞬态爆炸压力采集系统测试爆炸压力,利用现代分析检测技术测试爆炸产物的组成情况,以此为依据探究网状铝合金阻隔防爆材料对丙烷-空气预混气体爆炸反应的抑制机理。在此基础上,开发出一套基于爆炸产物分析的气体爆炸反应机理研究方法,并揭示气体爆炸反应机理及网状铝合金阻隔防爆材料的抑爆机理。

1实验部分

1.1实验系统与网状铝合金阻隔防爆材料

实验系统主要由预混可燃气体封闭管道、瞬态压力采集、点火装置以及其他部分组成。实验系统如图1所示。

(1)实验管道为自主设计加工的钢质封闭圆柱

形管道,长 度为 400 mm,内 径为 60 mm,壁 厚为

6mm。

(2)瞬态压力采集系统由 Kistler-211B3传感器及相关软件组成,采集频率为80 次/ms,测压范围为0~3.4MPa。

(3)点火系统由 EPT-7 型高能点火仪和点火

头组成,点火能量分别为200、500mJ和700mJ。 (4)气相色谱检测仪型号为 GC7890,分析条件

为 进样口温度为250 ℃,检测器温度为300 ℃,进

样量为1mL,色谱柱流量为8mL/min;保持色谱柱至60℃,10min后,设定升温速率为20 ℃/min,升至130 ℃,保持 5 min 后,以 25 ℃/min 继续升至 150℃,保持26min。

实验所用阻隔防爆材料为网状铝合金材料 厚0.5mm,拉伸后形成蜂窝状六边形,目前该材料已作为我国加油站成品油储罐的防爆材料而广泛应用。材料成型及填充如图2所示。

(1)将网状铝合金阻隔防爆材料按设定装填密

度25kg/m3  卷成圆柱状,用超声波清洗、干燥后装填入爆炸管道内,由于材料体积较小,可忽略不计。管道点火头端留出5 空间以便有效点火,实验管道其余空间均匀填装材料,并装好两端密封盖。

(2)利用压力表对装置进行测试,确保管道在

0.1MPa负压下具有良好的气密性。



3抑爆机理研究

相比空白组,填装网状铝合金阻隔防爆材料后丙烷残余量增长5.6 倍,网状铝合金阻隔防爆材料抑制了丙烷参与反应的数量,减少了反应初期生成自由基的数量,抑制了链引发反应。同时网状铝合金阻隔防爆材料促进了自由基的气相销毁反应,抑制了烷基的氧化反应,导致多种烃类产物含量增加和氧化产物 CO 和 CO2  减少,使链式反应提前终丙烷爆炸实验组较空白组不同位置传感器爆炸最大压力峰值降低72   以上,爆炸反应提前结束,说明网状铝合金阻隔防爆材料起到了抑制爆炸反应的作用。实验组1号传感器较空白组压力峰值降低72.7   ,测得丙烷残余量增长5.6倍,爆炸反应受到抑制,说明在爆炸链引发阶段丙烷参与数量减少,反应被抑制,即网状铝合金阻隔防爆材料抑制了丙烷爆炸生成更多的丙基自由基等。实验组3号传感器较空白组压力峰值降低72.4   ,最大压力上升速率降低48.3   ,爆炸反应提前结束,说明丙烷爆炸在链终止阶段反应即被促进,即网状铝合金阻隔防爆材料促进了丙烷爆炸自由基的气相反应,促使反应生成更多的烃类物质,如乙烯、丙烯。实验组1、2号和2、3号传感器之间压力差值低于空白组,残余丙烷增长5.6倍,生成 CO、CO2  减少90   以上,O2  增加22.25   ,甲烷减少70   ,丙烯增加300   ,乙烯增加150   ,说明丙烷爆炸传播的过程中,链引发和链传递受到抑制和链终止受到促进。通过爆炸压力和产物分析说明网状铝合金阻隔防爆材料对丙烷的爆炸起到明显的抑制作用。