Kinetic study on flammability limits of methane and battery vent gases

This research presents a detailed investigation into the flammability limits of methane and battery vent gases under varied conditions, with applications in fire safety engineering across industries such as oil, gas, and petrochemicals. With the increased use of lithium-ion batteries (LIBs), the risks associated with vent gases released during thermal runaway events have become more critical. This study addresses a significant gap in understanding the flammability characteristics of these vent gases and methane mixtures, especially under conditions encountered in industrial settings. Utilizing a rigorously verified theoretical model within the OpenSMOKE++ framework, this work calculates the lower and upper flammability limits (LFL and UFL) of methane-air and battery vent gas mixtures, with and without nitrogen dilution. Model verification, achieved through comparison with experimental data on laminar flame speeds, confirms the reliability of the model across various pressures, temperatures, and fuel compositions. Key findings reveal that nitrogen dilution effectively narrows the flammability range of methane, reducing ignition risk—a result with direct applications in enhancing safety in storage and process environments. The study further explores the impact of temperature and pressure on methane air flammability, demonstrating that both increased temperature and pressure expand the flammable range, particularly the UFL. This insight is crucial for managing risks in high-temperature, high-pressure environments where methane is processed. Additionally, the effects of alternative oxidizers, such as nitrous oxide (N₂O) and nitric oxide (NO), are investigated, showing a broadened flammability range due to increased oxygen content and emphasizing the importance of careful oxidizer selection in combustion management. Sensitivity analysis identifies the reactions most influencing flammability limits, providing a foundation for future model refinements. While the model accurately predicts flammability ranges under many conditions, limitations are observed at high pressures and with CO₂ or H₂O dilution due to radiation reabsorption effects. Future work could focus on enhancing the model’s ability to handle these effects, thus expanding its applicability. The insights generated by this study have significant implications for the safe handling, storage, and management of methane and battery vent gases, contributing valuable data for advancing fire safety engineering in high-risk industrial applications.

Questa ricerca presenta un'indagine dettagliata sui limiti di infiammabilità del metano e dei gas di sfiato delle batterie in varie condizioni, con applicazioni nell'ingegneria della sicurezza antincendio in settori quali petrolio, gas e petrolchimico. Con l'aumento dell'uso delle batterie agli ioni di litio (LIB), i rischi associati ai gas di sfiato rilasciati durante gli eventi di thermal runaway sono diventati più critici. Questo studio affronta una lacuna significativa nella comprensione delle caratteristiche di infiammabilità di questi gas di sfiato e delle miscele di metano, soprattutto nelle condizioni che si verificano in ambito industriale. Utilizzando un modello teorico rigorosamente verificato all'interno del framework OpenSMOKE++, questo lavoro calcola i limiti inferiori e superiori di infiammabilità (LFL e UFL) delle miscele di gas di sfiato metano-aria e batteria, con e senza diluizione di azoto. La verifica del modello, ottenuta attraverso il confronto con i dati sperimentali sulle velocità di fiamma laminare, conferma l'affidabilità del modello a varie pressioni, temperature e composizioni di combustibile. I risultati principali rivelano che la diluizione dell'azoto restringe efficacemente l'intervallo di infiammabilità del metano, riducendo il rischio di accensione: un risultato che trova applicazioni dirette nel miglioramento della sicurezza negli ambienti di stoccaggio e di processo. Lo studio esplora inoltre l'impatto della temperatura e della pressione sull'infiammabilità dell'aria e del metano, dimostrando che l'aumento della temperatura e della pressione amplia l'intervallo di infiammabilità, in particolare l'UFL. Questa conoscenza è fondamentale per la gestione dei rischi negli ambienti ad alta temperatura e ad alta pressione in cui si lavora il metano. Inoltre, sono stati studiati gli effetti di ossidanti alternativi, come il protossido di azoto (N₂O) e l'ossido di azoto (NO), mostrando un ampliamento dell'intervallo di infiammabilità dovuto all'aumento del contenuto di ossigeno e sottolineando l'importanza di un'attenta selezione degli ossidanti nella gestione della combustione. L'analisi di sensibilità identifica le reazioni che influenzano maggiormente i limiti di infiammabilità, fornendo una base per i futuri perfezionamenti del modello. Sebbene il modello preveda accuratamente gli intervalli di infiammabilità in molte condizioni, si osservano limitazioni ad alte pressioni e con la diluizione di CO₂ o H₂O a causa degli effetti di riassorbimento delle radiazioni. Il lavoro futuro potrebbe concentrarsi sul miglioramento della capacità del modello di gestire questi effetti, ampliando così la sua applicabilità. Le intuizioni generate da questo studio hanno implicazioni significative per la manipolazione, lo stoccaggio e la gestione sicura del metano e dei gas di sfiato delle batterie, contribuendo a fornire dati preziosi per il progresso dell'ingegneria della sicurezza antincendio nelle applicazioni industriali ad alto rischio.