火药燃烧有毒有害气体产物分析.pdf

第2 7 卷第3 期 2 0 1 0 年9 月 爆破 B L A S T D i G V 0 1 ．2 7N o ．3 S e p ．2 0 1 0 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 0 ．0 3 ．0 2 6 火药燃烧有毒有害气体产物分析 傅仁军1 , 2 ，罗运柏1 1 ．武汉大学化学与分子科学学院，武汉4 3 0 0 7 2 ；2 ．甘肃省化工研究院，兰州7 3 0 0 2 0 摘要在密闭容器中用S J 、G T 火药模拟高能气体压裂不同燃烧压力下燃烧过程。通过红外光谱测定燃 烧产物中有毒有害气体C O 、N O 的含量。结果表明在高能气体压裂的压力范围内，s J 、G T 火药C O 的含量 基本不受压力的影响，N O 的含量随压力降低而增加；G T 火药的燃烧产物中C O 的含量低于S J ，N O 的含量高 于S J o 关键词高能气体压裂；火药；有毒有害气体；分析 中图分类号T Q 5 6 0 ．7 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 0 0 3 - 0 0 9 1 - 0 3 A n a l y s i so fP o i s o n o u sG a s e sP r o d u c tb yP r o p e l l a n tC o m b u s t i o n F UR e n - j u n l - ，L U OY u n ．b a i l 1 ．C o l l e g eo fC h e m i s t r ya n dM o l e c u l a rS c i e n c e s ，W u h a nU n i v e r s i t y ，W u h a n4 3 0 0 7 2 ，C h i n a ； 2 ．G a n s uR e s e r c hI n s t i t u t e o fC h e m i s t r yI n d u s t r i a l ，L a n z h o u7 3 0 0 2 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec o n t e n to fp o i s o n o u sg a s e sC Oa n dN Oi nc o m b u s t i o ng a s e sp r o d u c e db ys Ja n dG Tp r o p e l l a n t u s e di ns i m u l a t i n gt h ec o m b u s t i o np r o c e s so fh i g he n e r g yg a sf r a c t u r i n gu n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r e sw a sm e a s u r e db yi n - f r a r e ds p e c t n m ni nc l o s e dc o n t a i n e r ．T h eI t s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t e n to fC Oi sl e s ss t r o n g l yr e l a t e dt oc o m b u s t i o n p r e s s u r e ，t h ec o n t e n to fN Oi n c r e a s e sw i t hc o m b u s t i o np r e s s u r ed e c r e a s i n g ；t h ec o n t e n to fC O 0 fG Ti sl o w e rt h a nS J ， b u tt h ec o n t e n to fN Oi sh i g h e rt h a nS J ． K e yw o r d s h i S he n e r g yg a sf r a c t u r i n g ；p r o p e l l a n t ；p o i s o n o u sg a s ；a n a l y s i s 0 引言 高能气体压裂过程中火药燃烧是高温、高压、高 速反应，其燃烧产物的组成首先取决于火药配方；其 次是燃烧产物本身和相互之间发生的解离、水煤气 等化学平衡反应，受温度、压力影响⋯。目前油田 广泛应用的高能气体压裂、复合增效射孔等技术所 使用的能量火药大多是发射药或推进剂，燃烧产物 主要是C O 、C O 、H 0 、H 、N 2 、N O 等，高温高压气体 对地层作用后，可能会有部分气体沿井筒上移，从井 收稿日期2 0 1 0 0 4 3 0 作者简介傅仁军 1 9 6 9 一 ，男，甘肃省化工研究院高级工程师，武 汉大学“西部之光”访问学者，从事爆破技术和爆破工程 研究，E m a i l 幻5 1 9 1 6 3 ．e o m 。 1 3 溢出，而C O 、N O 是有毒有害气体，会造成人身伤 害[ 2 1 ；因油层状况 深度、温度、破裂压力、套管耐压 等 不同，施工装药量、峰值压力、温度也不同，燃烧 产物组成会有所差异。因而确定不同井况条件下高 能气体压裂火药燃烧气体产物中C O 、N O 的含量， 对选择火药品种和现场施工防范有毒有害气体中毒 都具有重要的指导意义。 对于火药燃烧气体的测试国外已开展相关工 作，但由于国防技术的保密，无法得到具体信息；国 内有少数科研机构通过气相色谱、气体分析仪、红外 光谱等对火药燃烧产生的气体进行检测研究“ ’4 1 ； 近年来，傅立叶变换红外分析仪在气体分析中发挥 了十分重要的作用【5 1 。S J 、G T 火药是高能气体压裂 普遍采用的能量火药，本研究利用傅立叶变换红外 万方数据 爆破2 0 1 0 年9 月 分析仪测定不同燃烧压力下S J 、G T 火药燃烧气体 产物中C O 、N O 的含量，从而为建立一种适合于高 能气体压裂燃烧气体中有毒有害气体的检测方法提 供思路。 1 实验部分 1 ．1 实验仪器与试剂 密闭容器 自制 ，容积26 0 0m l ，耐压1 2 0M P a ； N E X U S 8 7 0 型傅里叶变换红外光谱仪；全自动分析 天平；真空泵；压力传感器；干燥器 无水C a C I ；U 型管压力计；流量计；铝箔集气袋。C O 标准气体，浓 度4 0 0u L - L 一；N O 标准气体，浓度10 0 0u L L ～； S J 、G T 火药粉末。 1 ．2 气体产生和采集 在设定压力下，计算并准确称取一定量的火药 粉末，置于密闭容器的燃烧匙内，上紧容器盖；系统 抽真空至4 ．0k P a ，关闭密闭容器阀门；起爆器通电 点火，压力传感器记录最大压力；待燃烧气体冷却 1 5m i n 后，开启密闭爆发器阀门，将生成的气体用导 管装入铝箔集气袋。 1 ．3 红外光谱分析 1 ．3 ．1 红外光谱法分析气体原理 红外光穿过气体时，特征频率谱线的光被气体 吸收，在该特征红外吸收频率处产生吸收，每种气体 都有其特征红外吸收频率，气体对红外光的吸收与 气体的浓度和光线在气体中透过的路程成正比，气 体定量分析基本原理是朗伯特一比尔定律。 1 ．3 。2 红外光谱测试条件 火药燃烧气体的检测在N E X U S 8 7 0 型傅里叶变 换红外光谱仪上进行。测试条件测定范围，4 0 0 ～ 40 0 0c m ～；扫描3 2 次；分辨率，4c m ～；气体池规 格咖3 5m m X1 0 0m m ，气体池窗片为溴化钾晶体； 测试环境温度，2 0 l ℃；试样量，3 0m l ；气体压力， 0 ．1M P a 。 进样分析前用真空泵将红外气体池的空气排 空，试样气体用针管定量注入气体池。采用已知浓 度的标准气体的特征峰吸光度与试样特征峰吸光度 比较，获得试样气体的浓度即可保证测试的准确度。 1 ．3 ．3 特征吸收峰的选择 各种气体组分的红外特征吸收峰互相干扰，因 此正确选择它们的光谱分析峰尤为重要。C O 特征 红外吸收波长取21 6 5 21 8 1c m ～．N O 取18 9 9 一 l9 0 5c m 一，可以避免红外特征吸收峰互相干扰。 2 结果与讨论 表l 为S J 、G T 火药样品在不同燃烧压力下燃烧 气体产物中C O 、N O 含量的测试结果。结果表明． 在高能气体压裂的压力范围内，S J 、G T 两种类型的 火药燃烧气体产物中均有C O 、N O ，C O 的含量基本 不受压力的影响，N O 的含量随压力降低而增加；G T 火药的C O 的含量低于S J ，N O 的含量高于S J 。 表1C O 、N O 含量测试结果 G T 火药的氧平衡水平高于S J ，G T 火药燃烧气 体中C O 的含量低于S J ，实验结果符合火药氧平衡 原理。常见火药中有效氧含量不足以彻底氧化所有 可燃物，处于负氧平衡状态。燃烧反应中氧先将C 氧化成C O ，剩下的氧均匀地分配于C O 和H 之间， 将其进一步氧化生成C O 和H O 。因此，火药燃烧 气体中的C O 含量与火药药配方的氧平衡水平密切 相关，即氧平衡水平高，燃气中C O 浓度降低；氧平 衡水平低，燃气中C O 浓度增大。 火药燃烧最大压强发生变化时，C O 浓度没有明 显变化，可以用水煤气反应机理来解释。火药燃气组 成的控制反应是水煤气反应，其平衡反应方程式为 C 0 2 H 2 掣C O H 2 0 水煤气反应为等摩尔数平衡可逆反应，因此，压 力的变化对化学平衡没有影响。 火药燃烧气体中N O 含量主要受以下平衡反应 影响 2 H 2 0 N 2 立H 2 N O 从反应方程式中可以看出，当压力降低时，平衡 反应向N O 增加的方向移动；O F 且G T 火药的含氮量 高于S J ，也促使平衡反应向N O 增加的方向移动。 因实验条件的限制，温度对火药燃烧气体中 C O 、N O 含量的影响未作研究。但现场试验测试结 果表明，高能气体压裂过程中的最高温度不超过 30 0 0K ，因此燃烧产物本身和相互之间发生的解离 反应可不考虑。 万方数据 第2 7 卷第3 期傅仁军，罗运柏火药燃烧有毒有害气体产物分析 9 3 高能气体压裂施工中有毒有害气体能否溢出，身伤害。 溢出量的多少与地层条件、井况和装药等条件有关， 应加强现场监测。 参考文献 3结论 1 火药的氧平衡水平是其燃烧气体中的C O 含 量高低的决定因素。燃烧压力对燃烧气体中的C O 含量基本没有影响。 2 燃烧压力降低，火药燃烧气体中的N O 含量升 高；火药含氮量高低也影响燃烧气体中的N O 含量。 3 S J 、G T 两种类型的火药燃烧气体产物中均有 C O 、N O 。C O 为有毒气体，N O 在空气中极易氧化成 为N O ，N O 也为有毒气体。因此在高能气体压裂 施工中应密切监测有毒有害气体含量，防止发生人 周起槐，任务正．火药物理化学性能[ M ] ．北京国防 工业出版社，1 9 8 3 ． 周敏，浦春生，王香增，等．高能气体压裂弹燃气组 分安全性试验评价研究[ J ] ．石油天然气学报，2 0 0 9 ， 3 1 2 1 2 6 - 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【2 ] [ 3 ] d e rf o rc o m b u s t i b l e ＆e x p e n d a b l ec h a r g et u b ei n o i la n d g a sw e l l s [ C ] ／／W A N GX u ．g u a n g ．N e wD e v e l o p m e n tO n E n g i n e e r i n gB l a s t i n g [ M ] ．B e i n g M e t a l l u r g i c a li n d u s t r y p r e s s ，2 0 0 9 4 2 5 - 4 2 9 ． 李森茂，孔凡鹏，杨新锋．全通径射孔弹架专用粘结剂 的研究[ J ] ．爆破，2 0 0 4 ，2 1 3 8 5 - 8 7 ． 毕谦，程培基．材料力学[ M ] ．重庆重庆大学出版 社，1 9 9 4 4 2 - 4 6 ． 1 J ，J 1 J 1 J ，J l ． 心 口 H 瞪 万方数据