多孔介质和CO2抑制低氢比甲烷爆炸的效应研究.pdf

为了研究管道内掺氢天然气的抑爆技术,在定制的100 mm100 mm1 000 mm 有机透明玻璃管道中，使用多孔介质和 CO2抑制掺氢比为 10%的甲烷爆炸的协同效应，探究了多孔介质协同 CO2作用于火焰发展的不同时期以及喷气位置的变化对爆炸的影响。结果表明：多孔介质协同 CO2作用于火焰发展的不同时期，CO2左侧贴壁喷气均不能使火焰于多孔介质处淬熄，CO2作用于指头形火焰，且火焰前峰处于喷头正下方时对火焰的传播有明显的抑制作用，而 CO2右侧贴壁喷气可成功阻挡火焰传播，对火焰速度峰值、火焰平均速度以及爆炸超压峰值均起到良好的抑制作用，说明多孔介质协同 CO2的气固两相双重抑爆机制效果优于单一多孔介质抑爆，为掺氢天然气管道工程的复合抑爆技术提供理论参考。关键词：CO2；多孔介质；低氢比甲烷；协同抑爆中图分类号：X932；TE832 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）08-1051-06面对日益严重的能源紧缺和环境污染问题，氢能以其低成本、零碳排、高热值等特点被认为是最理想的清洁能源1。目前氢能的有效利用方法是在天然气中掺入氢气，但掺氢会改变甲烷的燃烧特性2，扩大甲烷的可燃性极限范围3，增强其爆炸危害性。因此，研究降低掺氢甲烷爆炸危害的高效阻燃防爆方法和技术，对保证掺氢天然气的安全运输至关重要。现有研究中常用的抑制剂有多孔介质、惰性气体、细水雾和固体粉末。其中多孔介质具有防爆性能优异、可重复使用、易于填充等优点，在天然气管道工程阻燃防爆领域得到了更广泛的探索和实施4。SHAO H 等5研究发现多孔材料对预混气体爆炸的火焰速度和爆炸超压有抑制作用。CHEN X F 等6研究指出多孔介质能影响火焰传播和火焰前锋表面的结构特征，导致火焰变形，也能适度抑制燃烧压力波的传播。WANG M M 等7试验研究表明多孔金属泡沫对气体爆炸有显著的抑制作用。基金项目：河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地开放基金项目（WS2021A04）；重庆市教育委员会科学技术研究项目（KJQN202101503）；油气生产安全与风险控制重庆市重点实验室开放基金项目（cqsrc202111）；重庆市研究生科研创新项目（CYS22732）1051Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8CICCARELLI G 等8发现如果多孔介质淬熄失效，多孔介质内的流动阻塞会促进爆炸升级。LONG F Y 等9和武双贺10发现 10 PPI的多孔材料淬熄效果有限，对爆炸火焰起促进作用；20 PPI 的多孔材料对低氢比甲烷爆炸会淬熄失效并促进爆炸升级；30 PPI 的多孔材料由于较大的阻塞比，极易促进来流火焰形成局部爆炸，导致多孔材料抑爆失效。因此，为优化多孔介质的抑爆效果，探究30 PPI 多孔介质阻爆基础上，协同惰性气体的双重抑爆机制效果。而对于惰性气体抑爆方面的研究中，LI H M等11发现惰性气体能抑制可燃气体爆炸，且抑制效果显著。ZAHEDI P 等12研究得出不同的惰性气体中 CO2抑爆特性最好。YANG H N 等13研究认为惰性气体在反应体系中会产生一定的吸热作用，抑制爆炸火焰。综上所述，目前研究大多探讨多孔介质或惰性气体等单一因素作用对低掺氢甲烷爆炸的影响，而对多孔介质协同惰性气体双重抑爆作用下低掺氢甲烷爆炸特性的影响研究有所欠缺。因此，本文主要研究多孔介质和CO2对 10%低氢比甲烷爆炸的协同抑爆效果，重点剖析了固定多孔介质协同 CO2作用于火焰发展的不同时期以及喷气位置的变化对爆炸的影响。1试验设置试验装置图示意图如图 1 所示。主要由爆炸试验管道、多孔介质、配气系统、压力采集系统、图像采集系统、点火系统、惰性气体喷气系统组成。爆炸试验管道水平放置，内部尺寸为 100 mm100 mm1 000 mm。管道由 20 mm 厚的长方体透明玻璃制成。为防爆安全，泄压口位于管道右端上方距通风端 40 mm 处，试验过程中泄压口用 PVC薄膜覆盖并密封。多孔介质固定放置在距点火 端 34 cm 处。其 材 质 为 泡 沫 铜 镍，截 面 尺 寸 为 100 mm100 mm，厚度为 10 mm。其规格如图 2 所示，PPI（每线性英寸的孔隙）为 30。氢气/甲烷/空气混合物由 3个质量流量控制器精确控制。压力采集系统包括冲压测试仪、2个压力传感器和 Tytest数据视图测试软件。压力传感器 p1和 p2分别安装在距点火端 0、770 mm 处。图像采集系统由高速摄像机和 PCC图像处理软件组成。点火系统由 6 V 稳压直流电源、高频脉冲点火器、脉冲开关和自制点火头组成。自制惰性气体喷气系统由 CO2气瓶、电磁阀和双流体喷头构成。CO2喷头安装位置如图 3 所示，分别紧贴多孔介质左右两侧壁面，喷气压力取 0.3 MPa，流量为 4.24 L/s，CO2触发后持续作用至火焰传播结束。为了探究多孔介质协同 CO2双重抑爆机制对低氢比甲烷爆炸的影响，考虑 CO2作用于火焰发展的不同时期和不同的喷气位置。为避免试验结果偶然性，每组试验重复 34 次。试验工况如图 3 所示，C1 为无 CO2作用下预混气体爆炸试验，此为基础对照试验。C2C4 为左侧贴壁喷气的 CO2作用于火焰发展的不同时期。C2为 CO2作用于指尖形火焰时期，且火焰前锋未到达喷头处；C3为CO2作用于指尖形火焰时期，且火焰前锋处于喷头正下方；C4为 CO2作用于指形火焰时期，且火焰前锋已全部通过并充分接触多孔介质；C5 为 CO2右侧贴壁喷气作用下的爆炸试验。2试验结果与分析2.1无 CO2作用火焰传播过程多孔介质对火焰结构演变有着显著影响。图 4 为无CO2作用下火焰传播与时间的关系。其中图 4（a）表示火焰结构演变过程，灰色区域表示多孔介质安装位置。图 4（b）表示火焰传播速度和火焰前沿距离，红色虚线部分表示火焰传播至 34 cm 处（火焰锋面接触多孔介质）。对图 4分析可知，多孔介质上游的混合气体被点燃后，半球形火焰向右蔓延，在 t=15 ms 转变为指尖形火焰。此时管道内温度升高，火焰传播速度也逐渐增大至第一峰值。直至火焰锋面在 t=37 ms左右被多孔介质阻挡。火焰传播到多孔介质的孔隙中，在壁面处产生冷壁淬熄效应。由于多孔介质的阻挡作用，火焰传播速度逐渐减小归零。但因为 30 PPI 多孔介质的孔隙较大，火焰在 t=47.5 ms时淬熄失效，下游未燃区出现二次爆燃现象，导致火焰速度再次增大至第二峰值。随着下游管道内混合气浓度的降低，传播速度也逐渐下降，整个爆炸反应速度峰值 vmax为 18.18 m/s，爆炸历程总耗时 135 ms。点火装置控制器喷头多孔介质泄压口p2通风端计算机高速摄影机空气压缩机阀门点火端p1H2CH4CO2MFC图 1试验装置图Fig.1Experimental device diagram30 PPI图 2多孔介质泡沫铁镍Fig.2Porous mediafoam iron nickelC2C1C3C4C5无 CO2图 3试验工况Fig.3Experimental conditions1052消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期2.2协同 CO2火焰传播过程图 5图 7显示了多孔介质协同 CO2左侧贴壁喷气的C2、C3和 C4的火焰传播随时间的变化。C2：图 5（a）中在点火后 30 ms 左右触发 CO2左侧贴壁以圆锥形向四周扩散。CO2向下游扩散时因多孔介质特殊的孔隙结构，气体分子迅速地持续填充到多个狭小空间内，继续向管道下游扩散。同时，CO2向上游扩散所形成的锥形障碍物对火焰锋面造成阻挡作用。CO2虽因惰性性质不参与燃烧反应，但随着火焰向前传播，CO2喷出气流直接冲击火焰锋面，火焰由稳定的层流形态转变成湍流形态，促使火焰提前 1.5 ms 接触多孔介质。多孔介质淬熄失效，下游未燃区在管道上层出现二次爆燃现象。由于 CO2的吸热作用，延迟燃烧区和未燃烧区之间的传热，二次爆燃现象出现时间较 C1 延迟至 46 ms。随着多孔介质内部孔隙部分填充有持续作用的 CO2，此部分可视为网状障碍物，加速下游爆燃火焰传播，混乱的湍流火焰蔓延至通风端。爆炸历程总耗时为 114.5 ms。再结合图 5（b）的速度曲线分析，CO2喷出气流直接冲击火焰锋面，抑制火焰速度的增长，第一速度峰值降低至16.44 m/s。而 C2的二次爆燃现象较 C1的燃烧反应更加剧烈，第二速度峰值增至 22.25 m/s，即 C2 的火焰速度峰值 vmax，与无 CO2作用相比增幅了 22.94%。因此，当 CO2左侧贴壁喷气且火焰前锋未到达喷头处，多孔介质协同CO2对火焰传播具有促进作用。15 ms25 ms30 ms35.5 ms46 ms55 ms60 ms80 ms114.5 msCO2喷气（a）火焰结构过程演变图时间/ms0 20 40 60 80 100火焰传播速度/m/s302520151050火焰前峰距离/cm120100806040200火焰传播速度火焰前峰距离16.44 m/s22.35 m/s（b）火焰传播速度与火焰前峰距离图图 5C2的火焰传播与时间的关系Fig.5Relation between flame propagation and time in C2（a）火焰结构过程演变图15 ms25 ms30 ms35.5 ms46 ms55 ms60 ms80 ms121 msCO2喷气0 20 40 60 80 1002520151050120100806040200火焰传播速度火焰前峰距离17.66 m/s16.07 m/s火焰传播速度/m/s图 6C3的火焰传播与时间的关系Fig.6Relation between flame propagation and time in C315 ms25 ms30 ms37 ms47.5 ms65 ms80 ms111 ms135 ms（a）火焰结构演变过程图时间/ms0 20 40 60 80 100 120火焰传播速度/m/s2520151050火焰前峰距离/cm120100806040200火焰传播速度火焰前峰距离18.18 m/s17.61 m/s（b）火焰传播速度与火焰前峰距离图图 4C1的火焰传播与时间的关系Fig.4Relation between flame propagation and time in C11053Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8C3：图 6（a）中在上游火焰结构演变相似于 C1，随后在 t=35 ms 触发 CO2的扩散，火焰前锋刚与多孔介质表面相接触。CO2冲击火焰前锋，扰乱火焰传播状态。火焰携带 CO2穿透多孔介质，下游未燃区仍出现二次爆燃现象。但因 CO2的吸热作用，爆炸出现时间晚于 C2，火焰以混乱的湍流火焰蔓延至管道末端。爆炸历程总耗时 121 ms。图 6（b）中 C3的火焰速度峰值 vmax为 17.66 m/s，对比C1降低 2.86%。故此条件下多孔介质协同 CO2对火焰传播起到抑制作用，气固两相双重抑爆机制有所体现。C4：由图 7（a）可知，C4 也未能将火焰阻挡在多孔介质处，下游管道出现二次爆燃现象。爆炸历程总耗时 118 ms。C4 的 火 焰 速 度 峰 值 vmax为 18.34 m/s，较 C1 增 长0.08%。这说明当火焰前锋已全部通过并充分接触多孔介质后 CO2喷气对爆炸火焰传播的影响不明显。C5：不同于协同 CO2左侧贴壁喷气的火焰特征，图 8（a）中多孔介质协同 CO2右侧贴壁喷气的双重抑爆作用下的火焰结构演变出现明显差异，C5 成功将火焰阻挡至多孔介质处。上游火焰结构变化类似于 C1，火焰结构由球形向指尖形发育演变，直至接触多孔介质。而点火的瞬间多孔介质下游 CO2以圆锥形向四周扩散，向点火端扩散的 CO2迅速地持续填充到多孔介质的孔隙结构中，扩散的 CO2持续积聚，其惰性性质以及对未燃气体的稀释作用降低了未燃气体的点火能量。因此，火焰传播受到明显抑制，二次爆燃现象消失。爆炸历程总耗时 100 ms。结合图 8（b）分析，由于 C5 未出现二次爆燃现象，火焰速度曲线只有一个速度峰值 vmax为 16.11 m/s，较 C1衰减 11.39%。多孔介质协同 CO2左侧贴壁喷气且作用于火焰发育的不同时期对火焰传播的抑制作用：C3C1C4C2。当 C3 中 CO2正对火焰前锋触发，CO2既能降低氧气的浓度起到抑爆或减小爆炸危害的作用，又避免了 C2 中 CO2提前触发扰乱火焰形态，加速火焰传播的情况。C3中火焰携带 CO2与多孔介质左侧壁面接触发生热量损失，但多孔介质的流动阻碍作用有限不能完全淬熄火焰。而 C5中多孔介质协同 CO2右侧贴壁喷气时，火焰成功淬熄在填充有部分 CO2的多孔介质处，C5 的气固两相双重抑爆机制在抑制火焰传播方面效果显著，优于协同多孔介质 CO2左侧贴壁喷气的 C3工况。2.3爆炸超压图 9为各工况爆炸超压与时间的关系。C1 无 CO2作用下的爆炸超压出现明显波动，由于爆炸冲击波在整个传播过程中受到多孔介质、PVC 膜破裂以及二次爆燃等多因素的影响，爆炸超压曲线呈现多峰特性，上下游全过程最大超压 p1和 p2分别为 25.07、21.13 kPa。而在多孔介质协同 CO2贴壁喷气的双重抑制作用下，冲击波在传播过程中同样受多因素影响，导致超压曲线出现单峰或多峰特征，最大超压出现增大或减小两种情形。由图 9可知，多孔介质协同 CO2左侧贴壁喷气作用于火焰发育的不同时期时的超压曲线趋势与无 CO2时的相似，均呈现多峰特征。C2 中 CO2提前喷出而迅速扩散15 ms25 ms30 ms35.5 ms46 ms55 ms60 ms80 ms118 msCO2喷气（a）火焰结构过程演变图火焰传播速度/m/s时间/ms0 20 40 60 80 1002520151050火焰前峰距离/cm120100806040200火焰传播速度火焰前峰距离17.00 m/s18.34 m/s（b）火焰传播速度与火焰前峰距离图图 7C4的火焰传播与时间的关系Fig.7Relation between flame propagation and time in C415 ms25 ms35 ms37 ms50 ms80 ms100 ms（a）火焰结构过程演变图时间/ms0 20 40 602520151050火焰前峰距离/cm100806040200火焰传播速度火焰前峰距离16.11 m/s火焰传播速度/m/s（b）火焰传播速度与火焰前峰距离图图 8C5的火焰传播与时间的关系Fig.8Relation between flame propagation and time in C51054消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期积聚，再加上多孔介质对爆炸气流的阻力作用，爆炸超压呈指数增长，上下游中第一压力峰值增大；第二压力峰值出现是由于多孔介质协同 CO2淬熄失效导致未燃区二次爆燃，爆燃冲击波分别向管道上下游扩散。由表 1 可知，对比 C1 的最大超压，C2 最大超压 p1和 p2分别为 24.74 kPa和 25.10 kPa，p1衰减 1.32%，p2增幅 18.79%。C3中多孔介质协同 CO2双重抑爆机制有所体现，最大超压 p1和 p2分别为 18.07 kPa 和 21.14 kPa，p1衰减了 27.92%，p2仅增幅 0.05%。C4 中由于 CO2的延迟作用，二次爆燃现象加剧，上下游第二压力峰值即最大超压 p1和 p2分别增幅1.76%和 10.88%，增至 25.51 kPa 和 23.43 kPa。这说明当 CO2左侧贴壁喷气且作用于火焰发育的不同时期时，C3 的 双 重 抑 爆 机 制 对 超 压 峰 值 衰 减 作 用 优 于 C1、C2、C4。另外，当 CO2作用于同一火焰发育时期且喷气位置为右侧贴壁喷气时，C5 的爆炸超压曲线特征有别于其他工况。再结合火焰结构分析可知，CO2右侧贴壁喷气时，爆炸火焰传播被成功阻挡于多孔介质处，未能出现二次爆燃现象，因爆燃产生的冲击波消失，下游超压曲线也因此由多峰转变为单峰特征。所以对比 C1的最大超压，C5的 最 大 超 压 p1和 p2分 别 降 幅 36.74%和 21.34%，降 至15.86 kPa 和 16.62 kPa。同一条件下，多孔介质协同 CO2对爆炸超压的双重抑制作用：右侧贴壁喷气左侧贴壁喷气无 CO2作用。3结 论（1）多孔介质协同 CO2双重抑爆作用下，CO2左侧贴壁喷气均不能使火焰于多孔介质处淬熄。但是 CO2右侧贴壁喷气可有效阻挡爆炸火焰传播，火焰被成功淬熄，气固两相双重抑爆机制效果显著。（2）不同条件下的气固两相双重抑爆机制对火焰传播 的 抑 制 作 用 C5C3C1C4C2。对 比 无 CO2作用，协同 CO2的火焰淬熄时间均有所缩短，最多减幅可达25.93%。C3 和 C5 工况对火焰传播有抑制作用，火焰速度峰值和火焰平均速度均有所降低，其中 C5 衰减幅度最大。（3）多孔介质协同 CO2的双重抑爆机制对爆炸超压峰值有促进或抑制双重作用。多孔介质协同 CO2右侧贴壁喷气的 C5对超压峰值有良好的抑制效果，其超压峰值p1和 p2衰 减 效 果 明 显，分 别 降 低 至 15.86 kPa 和 16.62 kPa，较无 CO2作用分别降幅 36.64%和 21.34%。参考文献：1 时浩,吕杨,谭更彬.天然气管道掺氢输送可行性探究J.天然气与石油,2022,40(4):23-31.2 YADAV V K,YADAV J P,RANJAN P.Numerical and experimental investigation of hydrogen enrichment effect on the combustion characteristics of biogasJ.International Journal of Renewable Energy Research,2018,8(3):1269-1280.3 SANCHEZ A L,WILLIAMS F A.Recent advances in understanding of flammability characteristics of hydrogenJ.Progress in Energy and Combustion Science,2016,54:93-94.4 WEN X P,GUO Z D,WANG F H,et al.Experimental study on the quenching process of methane/air deflagration flame with porous mediaJ.Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2020,65:104121.5 SHAO H,WANG C,YU H K.Effect of copper foam on explosion suppression at different positions in the pipeJ.Powder Technology,2019,360:695-703.6 CHEN X F,QI Z,DAI H M,et al.Effect of metal mesh on the flame propagation characteristics of wheat starch dustJ.Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2018,55:107-112.7 WANG M M,WEN X P,ZHANG S M,et al.Effect of metal foam 时间/ms0 50 100 1503020100-10-20-30-40超压/kPaC1C2C3C4C5（a）上游时间/ms0 50 100 15050403020100-10-20-30-40-50超压/kPaC1C2C3C4C5（b）下游图 9各工况爆炸超压与时间的关系Fig.9Relationship between explosion overpressure and time under various working conditions表 1爆炸超压峰值及其较无协同 CO2超压峰值的变化率Table 1Peak value of explosion overpressure and change rate of the peak value of overpressure compared with no CO2序号C1C2C3C4C5超压峰值/kPap125.0724.7418.0725.5115.86p221.1325.1021.1423.4316.62超压峰值变化率p1-1.32%-27.92%+1.76%-36.74%p2+18.79%+0.05%+10.88%-21.34%1055Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8mesh on flame propagation of biomassderived gas in a halfopen ductJ.ACS Omega,2020,5(32):20643-20652.8 CICCARELLI G.Explosion propagation in inert porous mediaJ.Philosophical Transactions of the Royal Society A-Mathematical Physical and Engineering Sciences,2012,370(1960):647-667.9 LONG F Y,DUAN Y L,YU S W,et al.Effect of porous materials on explosion characteristics of low ratio hydrogen/methane mixture in barrier tubeJ.Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2022,80:104875.10 武双贺.多孔材料对管道内爆炸火焰抑制的试验研究D.北京:北京理工大学,2018.11 LI H M,LI G X,SUN Z Y,et al.Effect of dilution on laminar burning characteristics of H2/CO/CO2/air premixed flames with various hydrogen fractionsJ.Experimental Thermal and Fluid Science,2016,74:160-168.12 ZAHEDI P,YOUSEFI K.Effects of pressure and carbon dioxide,hydrogen and nitrogen concentration on laminar burning velocities and NO formation of methane-air mixturesJ.Journal of Mechanical Science and Technology,2014,28(1):377-386.13 YANG H N,LIN Y J,LIU C H,et al.Suppression of flame propagation in a long duct by inertia isolation with inert gasesJ.Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2019,59:23-34.Effect of porous media and CO2 on inhibiting methane explosion with low hydrogen ratioZheng Lulu1,2,Duan Yulong1,2,Li Zehuan1,2,Jia Hailin3(1.School of Safety Engineering,Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 401331,China;2.Chong qing Key Laboratory of Oil and Gas Production Safety and Risk Control,Chongqing 401331,China;3.Henan Key Laboratory of Gas Geology and Gas Control,Henan Jiaozuo 454003,China)Abstract:To study the explosion suppression technology of the hydrogendoped natural gas in the pipeline,in a customized 100 mm100 mm1 000 mm plexiglass pipe,the synergistic effect of using porous media and CO2 to suppress the methane explosion with a hydrogen content ratio of 10%was studied,and the effect of synergistic CO2 on the different stages of flame development and the change of jet position on the explosion was explored.The results indicate that when the porous medium cooperates with CO2 at different stages of flame development,the left side wall attached CO2 jet cannot successfully quench the flame at the porous medium.When CO2 acts on the fingertip flame and the flame front is directly below the nozzle,it has a significant inhibitory effect on the flame propagation.However,the CO2 right side wall attached jet can successfully block flame propagation and has a good inhibitory effect on peak flame velocity,average flame velocity,and explosion overpressure peak.This indicates that the gas-solid dual explosion suppression mechanism of porous media cooperating with CO2 is better than that of a single porous medium,providing a theoretical reference for the composite explosion suppression technology of hydrogen-doped natural gas pipeline engineering.Key words:CO2;porous media;low hydrogen ratio methane;collaborative explosion suppression作者简介：郑露露(1997-)，女，重庆科技学院安全工程学院硕士研究生，主要从事油气爆炸动力学研究，重庆市高新区大学城东路 20号，401331。通信作者：段玉龙（1982-），男，重庆科技学院安全工程学院副教授。收稿日期：2023-02-18（责任编辑：梁兵）1056