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    四氟乙烷對(duì)甲烷/空氣爆炸特性的影響

    2017-10-20 06:18:32路長(zhǎng)劉洋于子凱潘榮錕劉磊滕飛
    化工進(jìn)展 2017年10期
    關(guān)鍵詞:管內(nèi)甲烷火焰

    路長(zhǎng),劉洋,于子凱,潘榮錕,劉磊,滕飛

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    四氟乙烷對(duì)甲烷/空氣爆炸特性的影響

    路長(zhǎng)1,2,劉洋1,2,于子凱1,2,潘榮錕1,2,劉磊1,2,滕飛1,2

    (1河南理工大學(xué)瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,河南焦作454003;2河南理工大學(xué)煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南焦作 454003)

    爆炸;安全;甲烷;抑制;四氟乙烷

    隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的逐漸調(diào)整,以天然氣和液化石油氣為主的可燃性氣體在能源結(jié)構(gòu)中的地位日益上升。但可燃性氣體在生產(chǎn)、輸送、儲(chǔ)存和利用過(guò)程中具有潛在的危險(xiǎn)性,是一種隱性的危險(xiǎn)源,任何操作失誤或存儲(chǔ)不當(dāng)都容易引起火災(zāi)或爆炸事故,造成大量的人員死亡、財(cái)產(chǎn)損失、環(huán)境污染以及惡劣的社會(huì)影響[1-3]。

    為了降低甲烷(CH4)爆炸帶來(lái)的危害,抑爆作為削弱和控制爆炸危害的有效方法一直被國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者廣泛研究。目前抑爆方式的研究主要集中在細(xì)水霧、粉體、惰性氣體方面,涉及的原理通常包括吸熱、惰化阻隔以及淬熄。賈寶山等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明同體積分?jǐn)?shù)下CO2抑制甲烷爆炸的效果比N2更好。余明高等[5-6]在研究細(xì)水霧抑制甲烷爆炸時(shí)發(fā)現(xiàn),荷負(fù)電的細(xì)水霧有著更好的抑制效果,但少量的細(xì)水霧會(huì)增強(qiáng)甲烷爆炸危害。裴蓓等[7]研究甲烷管道爆炸時(shí)發(fā)現(xiàn),CO2-雙流體細(xì)水霧抑制甲烷爆炸時(shí)具有協(xié)同作用,有利于提高細(xì)水霧的抑爆效率。張宇明等[8]在做磷酸銨鹽(ABC)干粉抑制甲烷爆炸實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),粒徑越小的粉體抑制甲烷爆炸效果越好。王信群等[9]在研究粉體抑爆中發(fā)現(xiàn),粒徑呈正態(tài)分布、表面形狀不規(guī)則的粉體更有利于與爆炸火焰相互作用,在BC粉體粒徑細(xì)化到10μm時(shí),抑爆性能大幅提高。

    在防火防爆中,對(duì)于氣體滅火劑的研究和選擇通常希望其具有多種滅火作用原理,從而提高滅火抑爆的效能。七氟丙烷(HFC-227ea)正是由于同時(shí)具有隔氧稀釋和化學(xué)抑制的滅火作用,在防火防爆中才得到很多的應(yīng)用。四氟乙烷(R134a)與HFC-227ea類(lèi)似,都具有窒息性低、滅火性能良好的特點(diǎn),且其破壞臭氧潛能值(ODP)為0,沸點(diǎn)為–26.1℃,美國(guó)采暖、制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)安全級(jí)別為A1(無(wú)毒不燃燒,這是最高級(jí)別)。這些優(yōu)點(diǎn)也引起了研究學(xué)者的關(guān)注。LI等[10]在氯氟烴(CFC)中分別加入N2和R134a來(lái)分析兩種添加劑的稀釋效應(yīng),得出R134a的稀釋效應(yīng)更好。YANG等[11]為了得出R134a和五氟丙烷(R245fa)的阻燃性能,對(duì)其進(jìn)行滅火對(duì)比,得出R134a比R245fa有更好的阻燃性能。目前,R134a在抑制爆炸方面的研究還很少。本文以體積分?jǐn)?shù)為8%、9%、9.5%、10%、11%的甲烷-空氣預(yù)混氣體為研究對(duì)象,運(yùn)用自制的甲烷/空氣爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái),研究在管道中改變R134a量對(duì)甲烷/空氣爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懀ㄟ^(guò)分析爆炸壓力和火焰圖像,了解R134a在抑爆方面的作用。

    1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

    本實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)如圖1所示,包括管道、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、壓力和光電信號(hào)采集系統(tǒng)以及R134a充入系統(tǒng)六大系統(tǒng)。其中管道尺寸150mm×150mm×1000mm,體積22.5L,采用同廠家批次破膜壓力為8kPa的聚氯乙烯(PVC)薄膜在實(shí)驗(yàn)前對(duì)管道最左端的泄爆口進(jìn)行密封,泄爆口尺寸為60mm×60mm。管道整體可看作一端封閉一端泄壓的半封閉容器。配氣系統(tǒng)選用2個(gè)精度為0.001L/min的質(zhì)量流量控制計(jì)在連接三通管后設(shè)定甲烷和空氣流量來(lái)控制預(yù)混氣體濃度。充氣時(shí)用排氣法充入4倍管道體積的預(yù)混氣體[12],確保管道內(nèi)預(yù)混氣體達(dá)到預(yù)定濃度。點(diǎn)火系統(tǒng)位于管道最右端,以點(diǎn)火電壓4.5V、點(diǎn)火能量為0.15J的高頻脈沖點(diǎn)火器為點(diǎn)火源,與穩(wěn)壓電源相連。圖像由SONY公司的RX 10II高頻攝像機(jī)采集,后經(jīng)Vegas Pro 9.0程序處理得到火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的靜態(tài)圖像(頻率為1000 張/秒),用于記錄管道內(nèi)預(yù)混氣體爆炸火焰陣面的傳播過(guò)程,得出火焰的平均速度。壓力和光電信號(hào)采集系統(tǒng)由安裝于管道最右側(cè)封閉端的15kHz壓力傳感器和RL-1紅外光電傳感器、USB-1208FS型數(shù)據(jù)采集卡和電腦組成,將壓力傳感器和光電傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡連接至電腦,用Lab view程序操控。其壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集范圍是–105~105Pa,響應(yīng)時(shí)間0.02ms,最大采集頻率50kHz,RL-1紅外光電傳感器僅用于捕捉點(diǎn)火開(kāi)始的時(shí)刻。R134a充入系統(tǒng)由R134a儲(chǔ)罐、壓力表、連接管、常閉式電磁閥、時(shí)間控制器等組成。R134a儲(chǔ)罐輸出口處設(shè)置有壓力表,經(jīng)連接管與常閉式電磁閥相連,為了避免R134a在噴入過(guò)程中汽化吸熱對(duì)點(diǎn)火源造成較大影響,電磁閥作為控制R134a噴入開(kāi)關(guān),安裝于管道末端,其開(kāi)啟時(shí)間長(zhǎng)短由時(shí)間控制器進(jìn)行控制。

    圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

    2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

    本實(shí)驗(yàn)旨在研究貧燃、當(dāng)量比、富燃條件下,甲烷/空氣預(yù)混氣中加入不同量R134a對(duì)爆炸時(shí)管內(nèi)壓力和火焰?zhèn)鞑サ挠绊?。?shí)驗(yàn)中所選用的甲烷純度為99.99%,R134a純度為99.98%,室溫在3℃(即氣體噴出為氣態(tài)),該溫度下飽和蒸氣壓為0.2703MPa。實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作中,在儲(chǔ)罐內(nèi)壓力恒定為0.4MPa條件下,用排水法測(cè)得儲(chǔ)罐1s噴出的R134a氣體占實(shí)驗(yàn)管道總體積的1.33%(300mL)。

    實(shí)驗(yàn)配氣過(guò)程如下:首先按甲烷體積分?jǐn)?shù)8%、9%、9.5%、10%以及11%條件分別計(jì)算和設(shè)定甲烷、空氣的流量,然后按4倍管道體積來(lái)確定通入氣體的時(shí)間。通氣前要檢測(cè)裝置的氣密性,通氣過(guò)程中用導(dǎo)管將排氣口與室外相連,避免排放出的甲烷/空氣進(jìn)入室內(nèi)增加危險(xiǎn)性,同時(shí)保持管道內(nèi)外壓力一致。通氣結(jié)束后立即關(guān)閉管道兩端的進(jìn)氣閥、排氣閥,按照所需的工況(0.4MPa條件下需通0、1s、2s、2.5s、3s的R134a)設(shè)定時(shí)間控制器的控制時(shí)間,打開(kāi)R134a儲(chǔ)罐開(kāi)關(guān)并調(diào)節(jié)出口的壓力表為0.4MPa,隨后開(kāi)啟時(shí)間控制器充入R134a氣體,在充入R134a后將管內(nèi)氣體靜置3min實(shí)現(xiàn)均勻混合、減小湍流,然后點(diǎn)火。依據(jù)前期0.4MPa條件下R134a通入1s后其體積占比為1.33%,計(jì)算可得,本實(shí)驗(yàn)工況在時(shí)間控制器控制下,管內(nèi)通入R134a的體積分?jǐn)?shù)分別為0、1.33%、2.67%、3.34%、4%。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)采集的壓力、圖像數(shù)據(jù)記錄并保存,且每次實(shí)驗(yàn)完成后換下PVC薄膜,用吹風(fēng)機(jī)吹干管道內(nèi)的剩余水蒸氣,繼續(xù)下一次實(shí)驗(yàn)。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的可重復(fù)性,每組工況實(shí)驗(yàn)需重復(fù)3次,且3次所測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)要在允許誤差范 圍內(nèi)。

    3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

    3.1 加R134a對(duì)壓力特征的影響

    3.1.1 加R134a對(duì)壓力變化曲線的影響

    實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)對(duì)壓力、光電傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,研究不同體積分?jǐn)?shù)的R134a對(duì)各濃度混合氣體的抑爆效果,得到各次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的壓力變化情況如圖2所示。

    從圖2可以看出,不同濃度的甲烷爆炸壓力變化曲線呈現(xiàn)“雙峰”結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)主要是管內(nèi)混合氣爆炸后由于高溫而壓力上升,火焰面前方的壓縮波沖破管道末端PVC薄膜,導(dǎo)致部分預(yù)混氣體沖出管道、壓力下降,出現(xiàn)第一峰值。之后爆炸反應(yīng)的快速進(jìn)行使得壓力持續(xù)上升,激起“二次升壓”過(guò)程。

    圖2中,隨著R134a加入量的增加,第一峰值出現(xiàn)時(shí)刻逐漸后移。這是因?yàn)镽134a的加入降低了管內(nèi)升壓速率,使達(dá)到破膜壓力0所需的時(shí)間增加,第一超壓峰值延后。

    分析壓力傳感器采集的數(shù)據(jù),繪制第一峰值大小和到達(dá)時(shí)刻關(guān)系如表1所示。

    將表1各實(shí)驗(yàn)工況下得到的第一峰值與時(shí)刻對(duì)比后,可知爆炸過(guò)程具有以下特點(diǎn):①第一壓力峰值大小主要受泄爆膜的破膜壓力影響,均保持在8kPa左右,差別不大;②隨著管內(nèi)R134a體積分?jǐn)?shù)的增加,第一峰值出現(xiàn)時(shí)刻延后;③甲烷體積分?jǐn)?shù)在當(dāng)量比(9.5%)附近反應(yīng)最劇烈,升壓速率最大,第一峰值出現(xiàn)時(shí)刻最早。

    圖2 加R134a后不同濃度甲烷爆炸壓力

    3.1.2 加R134a對(duì)超壓峰值的影響

    實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)對(duì)高頻壓力傳感器采集到各個(gè)工況的壓力峰值數(shù)據(jù)處理分析,研究R134a的加入對(duì)各濃度甲烷爆炸壓力峰值的影響,如圖3所示。

    表1 第一峰值與時(shí)刻表

    注:—表示本文實(shí)驗(yàn)條件下不發(fā)生爆炸。

    圖3 R134a體積分?jǐn)?shù)與最大超壓關(guān)系

    圖3中隨R134a體積分?jǐn)?shù)的增加,9.5%、10.0%的超壓峰值不斷下降且下降速度明顯快于8.0%、9.0%。主要是因?yàn)?.5%、10.0%為當(dāng)量比等于1,或1附近,燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)最為劇烈,產(chǎn)生了較多游離的自由基,致使加入R134a后作用效果更為明顯。從超壓峰值來(lái)看,10.0%條件下略大于9.5%,可能因?yàn)槿紵^(guò)程中存在化學(xué)反應(yīng)不完全性、燃燒產(chǎn)物離解以及二次反應(yīng)等,符合常見(jiàn)可燃?xì)怏w與空氣混合氣體的最強(qiáng)反應(yīng)濃度為化學(xué)計(jì)量濃度的1.1~1.5倍[13]。

    通過(guò)采集到的爆炸瞬間壓力峰值數(shù)據(jù),在表2中列出最大超壓峰值到達(dá)時(shí)刻和大小。

    對(duì)表2各濃度下最大超壓峰值進(jìn)行對(duì)比。甲烷濃度在9.0%、9.5%和10.0%時(shí),加入體積分?jǐn)?shù)為2.67%的R134a后,超壓峰值從16.58kPa、18.60kPa、19.33kPa降低為12.38kPa、7.11kPa、11.84kPa,分別降低了25.34%、61.78%、38.73%;到達(dá)峰值時(shí)刻也由57.2ms、55.33ms、65.80ms延長(zhǎng)至72.93ms、78.73ms、76.67ms,分別是未加R134a條件下的1.28倍、1.423倍、1.17倍。同一甲烷濃度下的最大超壓峰值隨R134a加入量的增大而降低,峰值出現(xiàn)時(shí)刻延后。

    表2 最大超壓峰值與時(shí)刻表

    注:—表示本文實(shí)驗(yàn)條件下不發(fā)生爆炸。

    對(duì)比不同甲烷濃度的壓力峰值以及峰值出現(xiàn)時(shí)刻,明顯看出:甲烷濃度越接近當(dāng)量比,到達(dá)超壓峰值所需時(shí)間越短,并且R134a的加入能夠有效降低可燃?xì)怏w的爆炸超壓峰值。

    將上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與R134a的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行結(jié)合分析:實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后,沸點(diǎn)為–26.1℃的R134a從儲(chǔ)罐內(nèi)經(jīng)絕熱性良好的氣密管進(jìn)入管道內(nèi)汽化吸熱降低管道內(nèi)溫度,同時(shí)氣態(tài)R134a也稀釋管內(nèi)原有的可燃?xì)?、氧氣濃度。并且在爆炸發(fā)生時(shí),R134a會(huì)分解出阻燃元素F,抑制甲烷燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),從而降低爆炸反應(yīng)速率。從壓力曲線可以看出,隨著R134a通入量的增大,R134a對(duì)甲烷爆炸的抑制效果逐漸增強(qiáng)。

    3.2 加R134a對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

    選取火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中各個(gè)時(shí)段便于對(duì)比的代表性圖像,可以研究不同體積分?jǐn)?shù)R134a作用下甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?guī)律。為更清楚地表達(dá)火焰?zhèn)鞑デ闆r,圖片右側(cè)都相應(yīng)標(biāo)出火焰到達(dá)該位置的時(shí)刻點(diǎn)(單位為ms)。

    根據(jù)高頻攝像機(jī)拍攝到的視頻,經(jīng)軟件VegasPro9.0處理后得到間隔為1ms的R134a抑制管內(nèi)甲烷爆炸火焰系列圖片。選取其中便于對(duì)比的圖像,整理得出各濃度下甲烷通入R134a后的火焰抑制圖像,如圖4~圖7所示。

    圖4~圖7中(a)、(b)、(c)、(d)表示該甲烷濃度下加入R134a的體積分?jǐn)?shù)分別為0、1.33%、2.67%、3.34%。根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ノ灰拼笮】梢源_定出平均傳播速度。

    從處理的圖像來(lái)看,通入不同量的R134a后,8%、9%、9.5%以及10.0%的甲烷爆炸火焰在管內(nèi)傳播的時(shí)間分別由初始的150ms、115ms、110ms、115ms延長(zhǎng)至180ms、190ms、140ms、150ms。隨著R134a通入量的增加,甲烷爆炸火焰在管內(nèi)的傳播時(shí)間逐漸變長(zhǎng),即火焰平均速度降低。原因在于:①管內(nèi)氣體爆炸反應(yīng)是鏈?zhǔn)椒磻?yīng),鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程需要吸熱,而R134a的汽化帶走了管內(nèi)部分熱量;②R134a中的阻燃元素F對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的抑制,影響了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速率,使火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档汀?/p>

    從圖4~圖6可以看出,在甲烷濃度不同條件下,R134a對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖璧K作用存在差異。在體積分?jǐn)?shù)1.33%條件下,8%、9%、9.5%火焰到達(dá)管端的時(shí)間分別延長(zhǎng)了30ms、15ms、15ms;R134a體積分?jǐn)?shù)為2.67%時(shí),與未加相比9%、9.5%的火焰陣面到達(dá)管端時(shí)間分別延長(zhǎng)了75ms、30ms。

    一個(gè)值得關(guān)注的現(xiàn)象是:圖7(b)、圖7 (c)中甲烷濃度為10%預(yù)混氣加入1.33%、2.67%R134a后,其傳播速度比不加R134a傳播速度略快。這可能因?yàn)镽134a對(duì)甲烷燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的自由基產(chǎn)生抑制,在部分甲烷燃燒被抑制的情況下剩余甲烷與空氣的比例恰好在當(dāng)量比附近,反而導(dǎo)致傳播速度有所加快,傳播速度接近于圖6(a)甲烷濃度9.5%不加R134a的情況,因此10%是一個(gè)比較特別的濃度。當(dāng)R134a進(jìn)一步增加到3.34%,圖7(d)火焰?zhèn)鞑ニ俣染蜁?huì)受到很大的抑制,傳播到泄爆口的時(shí)間從115ms增加到150ms,增加了約30%。

    經(jīng)過(guò)對(duì)圖4~圖7對(duì)比分析得出,甲烷濃度越接近當(dāng)量比,R134a對(duì)管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懺叫?,主要是火焰燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)受R134a干擾。甲烷濃度越接近當(dāng)量比,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)越劇烈,在不改變R134a量的條件下未被R134a抑制的自由基越多,這些自由基繼續(xù)引發(fā)下一步的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),因此接近當(dāng)量比的甲烷爆炸較難被抑制。

    3.3 R134a對(duì)甲烷爆炸的抑制效果

    為分析R134a對(duì)甲烷爆炸的抑制效果,在管內(nèi)氣體濃度不同條件下,加入不同體積分?jǐn)?shù)R134a后進(jìn)行點(diǎn)火操作,是否發(fā)生爆炸的結(jié)果如表3所示。

    從表3中明顯看出,濃度相同條件下,隨著通入R134a體積分?jǐn)?shù)的增加,管內(nèi)氣體被點(diǎn)燃的可能性降低,爆炸危險(xiǎn)性降低。這種現(xiàn)象歸因于R134a除了具有CO2、N2等惰氣的隔氧、稀釋作用外,還具有降溫、抑制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的作用。

    甲烷濃度越接近當(dāng)量比濃度時(shí),只有通入更多的R134a點(diǎn)火后才可能不發(fā)生爆炸。這是因?yàn)樵浇咏?dāng)量比,甲烷和氧氣恰好反應(yīng)完全,燃燒越劇烈放出能量越大,若要削弱更多的能量,就需要強(qiáng)的降溫、稀釋以及抑制作用。

    表3 R134a體積分?jǐn)?shù)與點(diǎn)燃爆炸的關(guān)系

    圖4 8%甲烷加R134a爆炸火焰圖像

    圖5 9%甲烷加R134a爆炸火焰圖像

    圖6 9.5%甲烷加R134a爆炸火焰圖像

    圖7 10%甲烷加R134a爆炸火焰圖像

    錢(qián)海林等[14]通過(guò)在甲烷/空氣預(yù)混氣中通入不同比例的N2/CO2混合氣體,得出了不同配比惰性混合氣體體積分?jǐn)?shù)對(duì)爆炸極限的影響。在甲烷體積分?jǐn)?shù)為8.0%、9.0%、9.5%、10.0%以及11.0%條件下,若需通入惰性氣體使該濃度恰為爆炸上限,則需通入CO2體積分?jǐn)?shù)分別為20%、17%、15%、13%、10%,通入N2體積分?jǐn)?shù)分別為28.5%、26%、24.5%、23%、20%。在本文實(shí)驗(yàn)中,最大只需要4%的R134a就能抑制各甲烷濃度的起爆,即在抑爆效果方面,R134a>CO2>N2。

    3.4 R134a抑爆炸機(jī)理討論

    R134a不僅具有傳統(tǒng)抑制劑的隔氧、稀釋等優(yōu)點(diǎn),還具備降溫、化學(xué)抑制的效果。

    R134a的降溫作用,體現(xiàn)在R134a沸點(diǎn)為–26.1℃,在噴出時(shí)汽化吸熱,使環(huán)境溫度降低,在爆炸初期進(jìn)行抑制,抑制爆炸的效果更好[15]。

    R134a的化學(xué)抑制作用體現(xiàn)在對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的阻止上。甲烷的爆炸燃燒過(guò)程是以鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行的,其鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程分為:鏈的引發(fā)、鏈的傳遞、鏈的終止。

    其鏈的引發(fā)認(rèn)為如式(1)所示。

    RH+O2—→H·+2O··+R (1)

    式(1)產(chǎn)生了游離自由基H·、O··,這些游離的自由基和中間產(chǎn)物會(huì)作為活化中心參與到下一步的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中去[16]。

    鏈的傳遞如式(2)、式(3)所示。

    H·+ O··—→OH·(2)

    2OH·—→H2O+O··(3)

    燃燒反應(yīng)中,步驟(3)是主要的放熱過(guò)程,2個(gè)OH·結(jié)合放熱同時(shí)再次生成了O··參與到鏈的傳遞過(guò)程中,促進(jìn)火焰的繼續(xù)傳播以致形成爆轟。倘若要對(duì)碳?xì)浠衔锏娜紵M(jìn)行削弱,需要消耗步驟(1)、(2)中新的O··、H·、OH·產(chǎn)生。R134a作為一種鹵素的衍生物,在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)分解出自由基F·,優(yōu)先與碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生的自由基結(jié)合,抑制氧化反應(yīng)鏈的加速,如式(4)、式(5)。

    MF—→M·+F·(4)

    H·+ F·—→HF (5)

    式(4)中M·是R134a分子中的碳?xì)浞肿訄F(tuán)。反應(yīng)式(5)表明鹵素自由基F·會(huì)優(yōu)先與反應(yīng)式(1)產(chǎn)生的氫自由基H·結(jié)合,從而阻斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)式(2)。自由基F·與碳?xì)浠衔锇l(fā)生反應(yīng)生成HF還可以表示為 式(6)。

    RH+ F·—→HF+R·(6)

    朱新生等[17]認(rèn)為鹵化氫還可以通過(guò)影響鏈的分支達(dá)到抑制火焰,如式(7)。

    OH·+HF—→H2O+F·(7)

    反應(yīng)式(7)中自由基OH·的被消耗可以阻斷爆炸反應(yīng)式(3)。而且反應(yīng)式(7)中產(chǎn)生的F·,再經(jīng)過(guò)式(5)、式(6)來(lái)繼續(xù)參加下一次的鏈反應(yīng)從而阻斷燃燒爆炸反應(yīng)式(2)的O··、H·、OH·正常鏈?zhǔn)椒磻?yīng),抑制燃燒爆炸反應(yīng)的進(jìn)行。

    從以上的反應(yīng)機(jī)理也可以看出,R134a主要對(duì)碳?xì)淙剂袭a(chǎn)生的自由基進(jìn)行抑制、阻斷,而對(duì)氧氣產(chǎn)生的自由基沒(méi)什么影響。因此R134a主要對(duì)燃料自由基反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用,這也是R134a比CO2、N2等惰性氣體抑爆能力更強(qiáng)的原因。

    從以上的研究可以發(fā)現(xiàn)R134a具有很強(qiáng)的抑制爆炸的能力。在充分混合的情況下,體積分?jǐn)?shù)為4%的R134a就能很好地抑制爆炸的發(fā)生,而且R134a是潔凈氣體,無(wú)毒,不會(huì)造成環(huán)境污染、設(shè)備損壞和人員傷害。因此R134a相對(duì)于細(xì)水霧、干粉、CO2等傳統(tǒng)滅火材料具有更好的優(yōu)勢(shì),為電氣、精密貴重儀器、珍貴資料等的火災(zāi)撲救提供了新的選擇,也為煤礦瓦斯抽采、巷道防爆以及天然氣液化氣輸送、儲(chǔ)存、使用等領(lǐng)域的防爆提供了新的方法和 依據(jù)。

    4 結(jié)論

    (1)R134a對(duì)抑制爆炸超壓、升壓速率以及超壓峰值到達(dá)時(shí)刻有著明顯作用。在甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.0%、9.5%和10.0%條件下,加入體積分?jǐn)?shù)2.67%的R134a后,超壓峰值分別從16.58kPa、18.60kPa、19.33kPa降低為12.38kPa、7.11kPa、11.84kPa,降低了25.34%、61.78%、38.73%;峰值到達(dá)時(shí)刻也從57.2ms、55.33ms、65.80ms延長(zhǎng)至72.93ms、78.73ms、76.67ms,是未加R134a條件下的1.28倍、1.423倍、1.17倍。

    (2)甲烷濃度一定時(shí),隨著R134a體積分?jǐn)?shù)的增大,管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u降低。但當(dāng)甲烷濃度接近當(dāng)量比時(shí),R134a對(duì)管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懽冃?。比較特殊的是,在甲烷體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí),加入少量R134a,反而導(dǎo)致傳播速度有所加快,直至R134a的加入量增至3.34%時(shí),火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆俳档汀?/p>

    (3)本文實(shí)驗(yàn)中,最大僅需要4%的R134a就能有效抑制各濃度的甲烷/空氣預(yù)混氣體的爆炸,體現(xiàn)出比N2、CO2等惰性氣體更強(qiáng)的抑制火災(zāi)爆炸的性能。

    (4)R134a除了具有惰性氣體的隔氧、稀釋優(yōu)點(diǎn)外,還具有降溫、化學(xué)抑制作用。R134a分解出的鹵素自由基F·會(huì)優(yōu)先于氧自由基O··,跟燃料產(chǎn)生的自由基結(jié)合,從而阻斷正常的氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。因此能抑制爆炸火焰的傳播,進(jìn)而降低爆炸反應(yīng)強(qiáng)度。

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    Experimental study on the effects of R134a on the characteristics of methane/air explosion

    LU Chang1,2,LIU Yang1,2,YU Zikai1,2,PAN Rongkun1,2,LIU Lei1,2,TENG Fei1,2

    (1State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,Henan,China;2Henan Province Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,Henan,China)

    explosion;safety;methane;inhibition;tetrafluoroethane(CH2FCF3)

    X932

    A

    1000-6613(2017)10-3596-08

    10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0351

    2017-03-07;

    2017-05-26。

    國(guó)家自然科學(xué)基金(51674103,51304070,50906023)及河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃(2011GGJS-051)項(xiàng)目。

    路長(zhǎng)(1975—),男,副教授,主要從事消防工程、安全工程領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。E-mail:luch@hpu.edu.cn。

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