氧氣是燃燒與爆炸的三要素之一，如果能控制可燃性氣體混合物中的氧含量，使其處于臨界氧濃度氧體積百分數(shù)以外，就可以防止發(fā)生爆炸。許多工業(yè)生產(chǎn)場合都將可燃性氣體氧含量作為重要的安全技術(shù)指標。而隨著目前煤礦瓦斯爆炸事故的頻繁發(fā)生，對煤礦瓦斯爆炸條件也有著廣泛而深入地研究。目前許多關于氣體燃燒與爆炸的文獻中對氣體中氧的含量有一些論述，但是對于可燃性氣體臨界氧濃度的研究不是很多，對于混合氣體氧濃度數(shù)據(jù)國內(nèi)外還未見到文獻報道。因此本文就煤礦瓦斯的主要成分甲烷及甲烷混氣進行了氧濃度的實驗研究，得出的數(shù)據(jù)和結(jié)論對礦井瓦斯災害的肪治和治理提供了一些理論基礎。
1 實驗裝置及原理
1.1 實驗裝置系統(tǒng)
主要由4個部分組成：高壓爆炸反應器、配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)和測量系統(tǒng)(實驗裝置圖略)。設備情況見文獻。
1.2 實驗原理
理論分析可知在可燃性混合氣體中，當加入惰性氣體，如二氧化碳、氮氣，可燃性混合氣體中的氧濃度會相應減小，同時會有效縮小可燃性混合氣體的爆炸極限范圍，使爆炸下限上升，而爆炸上限下降，爆炸范圍最終聚為一點，超過此點混合氣體即退出爆炸范圍，此點則為可燃性混合氣體的爆炸極限臨界點，此點對應的氧濃度即為爆炸極限臨界氧濃度。如果加入的惰性氣體能使可燃性混合氣體中的氧濃度在臨界值以下，無論可燃性氣體與惰性氣體含量發(fā)生任何變化，均不會發(fā)生爆炸。
1.3 實驗條件
本實驗選用純甲烷、甲烷與氫氣比例為10：1的混氣、甲烷與乙烯比例為10：1的混氣這三種氣體，通過充入不同比例的二氧化碳或氮氣對這三種氣體的爆炸極限及氧濃度進行實驗測定，得出這三種氣體的爆炸極限及氧濃度變化圖。實驗使用配氣裝置，將實驗所需氣體(采用分壓比的方法進行配氣)經(jīng)過配氣系統(tǒng)充入爆炸室充分混合，進行點火爆炸實驗。
2 實驗結(jié)果與分析
2.1 甲烷、甲烷＋氫氣、甲烷＋乙烯爆炸極限及氧濃度的對比分析
從圖1中看出隨著二氧化碳氣量的增加，氧氣體積分數(shù)逐漸下降，甲烷混氣爆炸極限范圍逐漸縮小。其中，爆炸下限隨著二氧化碳充入量的增加而升高，爆炸下限變化比較緩慢；爆炸上限隨著二氧化碳充入量的增加而減少，爆炸上限變化較快。隨著充入二氧化碳體積分數(shù)的增加，氧氣體積分數(shù)變化比較平緩，爆炸上限和爆炸下限對應的氧濃度都是平滑的下降，而爆炸上限值的變化相對于上限氧濃度的變化較快，爆炸下限值的變化與下限氧濃度變化相比，差別不大。所以充入二氧化碳后，氧濃度對爆炸上限的影響比對爆炸下限的影響大。可見增加混氣中二氧化碳的體積分數(shù)除了減小了混合氣體中的氧濃度外，同時還體現(xiàn)了二氧化碳的惰化作用，使爆炸極限發(fā)生變化。
圖1 甲烷及甲烷混氣在空氣中充入二氧化碳爆炸極限及氧濃度圖
