本发明涉及一种高温条件下可燃气体燃爆特性测试方法。
背景技术：
化工生产过程中经常会涉及易燃易爆的气体混合物，极易发生火灾、爆炸等事故造成严重后果。工艺设计和生产操作中必须明确可燃气体的燃爆特性参数如爆炸极限、极限氧含量、自燃点和最小点火能等，这些参数是进行工程设计、设置报警联锁值、制定安全控制方案所必须的。因此，在工艺安全研究中要采取合适方法准确获得可燃气体的燃爆特性参数。
国外标准如astme681-04、ec440-2008等，以及国内标准gb/t21844-2008(空气中可燃气体爆炸极限测定方法)和gb/t12474-2008(化合物(蒸汽和气体)易燃性浓度限值的标准试验方法)给出了常压和200℃以下可燃气体爆炸极限的测试方法，基于上述标准，一些研究者开发了不同的爆炸极限测试装置及方法(cn101912754a、cn102937603b、cn102937606a、cn102937604a、cn205210005u、cn202614707u)，这些装置的原理类似，大都在上述标准的基础上通过优化操作流程、控制方法、密封方式和电子元件等使之适用于不同的工况条件。这些装置主要包括反应系统、配气和进样系统、点火系统、加热系统、搅拌系统、泄放系统和温度、压力采集系统等，其中反应器主要分为管式、球式和釜式。
现有爆炸极限测试装置和方法用于高温高压工况时，存在可燃气与氧气接触后发生氧化反应、分解或自燃等状况，可能不会出现明显的温度、压力跃升，点火后也不会出现燃爆现象，采用肉眼或一般摄像机不能捕捉到这一变化，传统测试方法不能有效判断可燃气与氧气是否已经发生了反应，造成测试结果不准确。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是现有技术中不能有效判断可燃气与氧气是否发生了氧化或分解反应，以及不能准确判断是否发生了燃烧爆炸现象的问题，提供一种新的高温条件下可燃气体燃爆特性测试方法。该方法具有能有效判断可燃气与氧气是否发生了氧化或分解反应，并能准确判断是否发生了燃烧爆炸现象的优点。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：一种高温条件下可燃气体燃爆特性测试方法，用于管式、釜式或球式反应器爆炸极限测试装置，包括如下步骤：(1)首先根据测试体系的温度和压力，对反应器进行加热升至目标温度；(2)采用真空泵对反应器进行抽真空，直至所连真空表读数稳定；(3)向反应系统进样，或根据所测气体组成采用分压法通过配气系统向反应器内通入气体，先通入氧气，再通入惰性气体，最后通入可燃气体；(4)对反应器内的混合气体搅拌2-5min，使之充分混合均匀；(5)对混合气进行色谱-质谱分析，判断点火前混合气是否已经发生反应；(6)对混合气体进行点火，采集、记录温度和压力数据，采用图像和光强采集卡对点火过程进行实时记录，判断是否发生燃爆现象；(7)对点火后的气体进行取样分析，根据反应产物可推测反应机理或历程；(8)上述测试流程中，如果对高温下混合气体取样分析表明有氧化或分解产物生成，说明此温度下该混合气中氧气和可燃气已经被消耗，点火后有可能不发生燃爆，即使有燃爆现象发生所测爆炸极限值也不准确，应降低初始温度重复上述步骤；如果高温下混合气体取样分析表明组成未发生变化，需点火后判断是否发生燃爆，然后改变气体组成重复上述实验步骤。
上述技术方案中，优选地，反应器采用加热瓦、加热带或坩埚进行加热。
上述技术方案中，优选地，反应器上装有爆破片或安全阀。
上述技术方案中，优选地，在反应器上通过侧线连接在线色谱-质谱分析仪，或根据测试过程对气体成分进行取样分析，
上述技术方案中，优选地，在反应器管体或釜体安装火焰传感器、图像和光强采集卡，对火焰燃烧状况进行实时捕捉。
上述技术方案中，优选地，所述高温指温度区间为200-600℃。
上述技术方案中，优选地，采用电火花或电阻丝方式对混合气体进行点火。
现有可燃气体燃爆特性测试方法中，无法准确获得高于200℃高温条件下可燃气体燃爆特性参数，无法判断可燃气体是否发生了氧化或分解等反应。采用本发明提出的高温条件下可燃气体燃爆特性测试方法，可以迅速判断测试过程中是否发生了燃烧、爆炸或分解、氧化反应，能够准确获得可燃气体的爆炸极限、爆炸温度和压力、以及自燃点等关键参数。采用本发明所述燃爆特性测试方法，可定性得出气体混合物在一定温度下发生了自燃、分解或燃烧爆炸反应；可以精确给出气体爆炸极限数据，并给出混合气的自燃点范围；在此基础上通过缩小温度范围多次测试或采用自燃点测试仪可进一步得出自燃点精确数据；根据色谱/质谱分析结果可判断反应类型，推测反应历程。本方法得出的可燃气燃爆特性结果与传统方法相比更为准确可靠，取得了较好的技术效果。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程示意图。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。
具体实施方式
结合常压、高温条件下正丁烷-氧气-氮气混合气体燃爆特性实验具体阐明本方法：
【实施例1】
一种高温条件下可燃气体燃爆特性测试方法，如图1所示，用于管式、釜式或球式反应器爆炸极限测试装置，包括如下步骤：(1)首先根据测试体系的温度和压力，对反应器进行加热升至目标温度；(2)采用真空泵对反应器进行抽真空，直至所连真空表读数稳定；(3)向反应系统进样，或根据所测气体组成采用分压法通过配气系统向反应器内通入气体，先通入氧气，再通入惰性气体，最后通入可燃气体；(4)对反应器内的混合气体搅拌2-5min，使之充分混合均匀；(5)对混合气进行色谱-质谱分析，判断点火前混合气是否已经发生反应；(6)对混合气体进行点火，采集、记录温度和压力数据，采用图像和光强采集卡对点火过程进行实时记录，判断是否发生燃爆现象；(7)对点火后的气体进行取样分析，根据反应产物可推测反应机理或历程；(8)上述测试流程中，如果对高温下混合气体取样分析表明有氧化或分解产物生成，说明此温度下该混合气中氧气和可燃气已经被消耗，点火后有可能不发生燃爆，即使有燃爆现象发生所测爆炸极限值也不准确，应降低初始温度重复上述步骤；如果高温下混合气体取样分析表明组成未发生变化，需点火后判断是否发生燃爆，然后改变气体组成重复上述实验步骤。
本实验测试中反应系统采用管式反应器，采用加热瓦对管体进行加热，采用气质联用仪进行组成分析，采用图像和光强采集卡对火焰进行实时记录，采用温度、压力传感器采集温度、压力数据。实验测试方法与步骤如下：
首先对整个测试系统进行空气吹扫并气密性检查，确认不漏气后对反应管体进行加热至220℃；
对反应系统抽真空，直至真空表读数为-99.6kpa且不再变化，先向反应管内通入一定氧气至真空表读数为-67.4kpa，再通入一定量氮气至真空表读数为-10.0kpa，最后通入正丁烷气体至真空表读数为0；
对混合气体搅拌2分钟使之混合均匀，随后对混合气体取样分析，发现并没有其他气体生成；
采用电火花放电的方式对混合气体进行点火，通过图像和光强采集卡采集反应管内光强变化，发现有明显火焰传播，同时温度压力记录显示有迅速升高，说明点火后管内发生了燃烧传播现象；
排出管内气体并用空气吹扫，改变气体初始组成重复上述步骤，直至获得220℃下该混合气体的爆炸极限等燃爆特性参数。
【实施例2】
按照实施例1所述的条件和步骤，本实验测试中反应系统采用管式反应器，采用加热瓦对管体进行加热，采用气质联用仪进行组成分析，采用图像和光强采集卡对火焰进行实时记录，采用温度、压力传感器采集温度、压力数据。实验测试方法与步骤如下：
首先对整个测试系统进行空气吹扫并气密性检查，确认不漏气后对反应管体进行加热至400℃；
对反应系统抽真空，直至真空表读数为-99.4kpa且不再变化，先向反应管内通入一定氧气至真空表读数为-81.5kpa，再通入一定量氮气至真空表读数为-8.6kpa，最后通入正丁烷气体至真空表读数为0；
对混合气体搅拌2分钟使之混合均匀，随后对混合气体取样分析，发现气体组成中有二氧化碳、水以及丙烯等成分，说明气体在400℃条件下已经发生了氧化和裂解反应，此时无法获得该条件下的爆炸极限数据，需降低实验温度重新测试。
采用本发明所述燃爆特性测试方法，可定性得出气体混合物在一定温度下发生了自燃、分解或燃烧爆炸反应；可以精确给出气体爆炸极限数据，并给出混合气的自燃点范围；在此基础上通过缩小温度范围多次测试或采用自燃点测试仪可进一步得出自燃点精确数据；根据色谱/质谱分析结果可判断反应类型，推测反应历程，与传统方法相比，测试结果更为准确可靠，取得了较好的技术效果。
【比较例1】
传统方法测试300℃下正丁烷-氧气-氮气体系爆炸极限，其步骤和结果如下：
测试中反应系统采用管式反应器，采用加热带对管体进行加热，不采用搅拌方式混合，不对气体进行组成分析，采用肉眼观察或摄像机记录点火过程。实验测试方法与步骤如下：
首先对整个测试系统进行空气吹扫并气密性检查，确认不漏气后对反应管体进行加热至300℃；
对反应系统抽真空，直至真空表读数为-99.5kpa且不再变化，先向反应管内通入一定氧气至真空表读数为-80.7kpa，再通入一定量氮气至真空表读数为-2.5kpa，最后通入正丁烷气体至真空表读数为0；
采用电火花放电的方式对混合气体进行点火，通过摄像机记录管内火焰、光强变化，没有发现明显火焰传播，同时温度压力显示无显著变化。通过上述现象判断该浓度条件气体不会发生燃烧爆炸，改变气体初始组成重复上述步骤。
采用本方法同样测试上述条件下正丁烷-氧气-氮气体系爆炸极限，其步骤和结果如下：
首先对整个测试系统进行空气吹扫并气密性检查，确认不漏气后对反应管体进行加热至300℃；
对反应系统抽真空，直至真空表读数为-99.5kpa且不再变化，先向反应管内通入一定氧气至真空表读数为-80.7kpa，再通入一定量氮气至真空表读数为-2.5kpa，最后通入正丁烷气体至真空表读数为0；
对混合气体搅拌2分钟使之混合均匀，随后对混合气体取样分析，发现气体组成中有二氧化碳和水，说明气体在300℃条件下已经发生了氧化反应，同时定量分析发现丁烷体积分数已经低于1％处在爆炸下限以下，导致点火后不会发生燃爆。通过实验表明该条件下无法获得该条件下的爆炸极限数据，需降低实验温度重新测试，或测试该温度下的自燃点。
【比较例2】
传统方法测试200℃下正丁烷-氧气-氮气体系爆炸极限，其步骤和结果如下：
测试中反应系统采用管式反应器，采用加热带对管体进行加热，不采用搅拌方式混合，不对气体进行组成分析，采用肉眼观察或摄像机记录点火过程。实验测试方法与步骤如下：
首先对整个测试系统进行空气吹扫并气密性检查，确认不漏气后对反应管体进行加热至200℃；
对反应系统抽真空，直至真空表读数为-99.3kpa且不再变化，先向反应管内通入一定氧气至真空表读数为-82.1kpa，再通入一定量氮气至真空表读数为-1.7kpa，最后通入正丁烷气体至真空表读数为0；
采用电火花放电的方式对混合气体进行点火，通过摄像机记录管内火焰、光强变化，没有发现明显火焰传播，同时温度压力显示无显著变化。通过上述现象判断该浓度条件气体不会发生燃烧爆炸，改变气体初始组成重复上述步骤。
采用本方法同样测试上述条件下正丁烷-氧气-氮气体系爆炸极限，其步骤和结果如下：
首先对整个测试系统进行空气吹扫并气密性检查，确认不漏气后对反应管体进行加热至200℃；
对反应系统抽真空，直至真空表读数为-99.3kpa且不再变化，先向反应管内通入一定氧气至真空表读数为-82.1kpa，再通入一定量氮气至真空表读数为-1.7kpa，最后通入正丁烷气体至真空表读数为0；
对混合气体搅拌2分钟使之混合均匀，随后对混合气体取样分析，发现并没有其他气体生成；
采用电火花放电的方式对混合气体进行点火，通过图像和光强采集卡采集反应管内光强变化，发现有燃烧火焰，但温度压力显示没有显著变化，上述现象表明点火后管内发生了燃烧传播。
排出管内气体并用空气吹扫，改变气体初始组成重复上述步骤，直至获得200℃下该混合气体的爆炸极限等燃爆特性参数。