多元可燃性气体爆炸压力与中间产物发射光谱特性的耦合研究

工业生产中爆炸事故往往是由多元可燃气体与空气混合后遇到明火而引起的，为研究乙烷（C₂H₆）、乙烯（C₂H₄）、一氧化碳（CO）、氢气（H₂）对甲烷爆炸特性的影响，选取多组分可燃气体甲烷爆炸压力特性和自由基发射光谱的影响进行研究，利用陕西省工业过程安全与应急救援工程技术研究中心重点实验室搭建的多功能球形气体/粉尘爆炸实验装置和单色仪进行爆炸实验测试，同步采集时间—压力曲线、中间产物（OH，CH₂O）的发射光谱信号，考察多组分可燃气体浓度对甲烷爆炸压力特性和中间产物的影响。结果表明:在富氧状态下，多组分可燃气体加剧了甲烷—空气混合体系的爆炸剧烈程度，随着体系中氧气含量的减少、由富氧状态变为贫氧状态、促进作用逐渐减弱转变为阻尼作用，爆炸压力特性与中间产物发射光谱参数的影响规律基本保持一致，均呈高度正相关；多元混合体系爆炸剧烈程度越大，自由基发射光谱达到峰值的速度越快，自由基更早、更快的积累是加剧爆炸程度的原因之一。     

CF3H熄灭CH4/O2火焰过程中产生HF的数值研究

三氟甲烷(CF3H,HFC - 23)是一种优良的哈龙替代物,在目前的气体灭火介质市场占据显著的位置.然而,在三氟甲烷和火焰作用的过程中产生的HF不仅对火灾现场设备具有严重的腐蚀,而且对灭火现场人员具有严重的伤害.首先采用k-ε涡黏湍流模型,对CF3H熄灭CH4/O2的二维稳态湍流非预混燃烧进行数值分析,讨论杯式燃烧器中CF3H熄灭CH4/O2火焰过程中HF组分变化规律,通过改变初始参数分析CF3H浓度、CH4/O2配比对HF生成量的影响;采用CHEMKIN 4.0程序模拟CF3H熄灭CH4/O2火焰中温度、反应物、主产物和自由基浓度随火焰高度的变化关系.结果表明,火焰上方20～25cm的区域为HF富集区;H、CF:O为生成HF的重要中间产物,可以通过降低中间产物浓度降低 HF.     

乙醇及自由基引导对甲烷预混火焰结构影响的数值模拟

本文使用了详细化学反应动力学机理计算模拟了混合有乙醇及典型自由基引导的甲烷预混火焰结构.该反应机理由Marinov研究组研究发表,包含有56个组分以及372个反应.本文的计算使用了CHEMKIN-3以及预混火焰代码,热力学及输运部分的计算基于Sandia国家实验室和Marinov研究室发布的数据库.火焰结构中主要产物的变化,关键中间产物和次要组分的计算结果显示加入乙醇和自由基都可以减少着火延迟.本文计算了三种不同条件下的火焰结构,分别为预混CH4/O2/N2火焰;预混甲烷/乙醇火焰;和加入引导自由基在甲烷/乙醇混合燃料中.此外还有含有自由基的甲烷火焰和加入乙醇的甲烷火焰比较.     

水蒸气抑制甲烷燃烧和爆炸实验研究与数值计算

在爆炸激波管中对水蒸气抑制甲烷燃烧和爆炸进行较系统的实验研究,并对其抑燃、抑爆化学动力学作用机理进行数值计算分析。结果表明:加入一定量的水蒸气后,可以有效降低CH4-O2混合气体的燃烧速度和爆炸强度;当水蒸气量达到某临界值时,CH4-O2混合气体将不能被点燃。化学动力学数值计算结果表明:在混合气体中加入水蒸气后,增大了甲烷的点火延迟时间,降低了燃烧温度和H,O和OH等高活性自由基的浓度。水蒸气能有效抑制甲烷燃烧和爆炸,其作用效果源于其物理抑制和化学阻化的综合效应。     

基于化学反应动力学机理的中等尺寸甲烷湍流扩散火焰的数值模拟

通过代码修改,在大涡模拟(LES)中嵌入气相化学反应速率、组分热力学性质和输运特性三大机理文件,严格意义上实现甲烷燃烧的四步简化机理与火灾动力学模拟软件(FDS)的成功对接。燃烧模型采用针对多组分燃料的涡耗散概念(EDC)模型,模拟0.3m直径的甲烷湍流扩散火焰,并分别与基于无限快反应速率的总包单步和两步化学反应预测结果对比。分析预测结果可知:四步机理能够很好的适应FDS框架,其模拟结果具有可靠性,时均温度、速度和主要反应物的预测结果高度一致;机理导入后可以预测CO2、H2O以及中间产物CO和H2的浓度,更合理地描述了火灾中气相产物的产生与输运过程。不同反应机制下主产物CO2和H2O浓度对比结果理想,在高温反应区内存在一定的差异,在高温反应区外呈现出高度的一致性。     

甲烷对合成气层流预混火焰传播特性的影响

为研究甲烷对合成气层流预混火焰化学动力学特征及合成气层流预混火焰传播特性的影响,选用GRI3.0-机理,模拟研究300 K条件下含0～70%甲烷的合成气层流预混火焰传播速度、火焰温度、反应敏感性及重要自由基浓度等。结果表明:合成气层流预混火焰传播速度、绝热火焰温度随甲烷比例的增加非线性下降,火焰传播速度峰值对应的当量比随甲烷增加显著向贫燃侧发展;富燃条件下,随着甲烷少量加入(≤30%),火焰中自由基H浓度显著下降,火焰传播速度受抑制作用显著;随着甲烷的继续增加,不足的自由基OH抑制自由基CH_3的生成,影响自由基H的消耗,削弱CH_4对层流预混火焰传播速度的抑制作用。     

PVC熔融盐气化制备低氯富氢可燃气试验

为了研究新型的医疗废物无害化与资源化利用方式,在立式管式炉反应器中研究NaOH熔融盐对医疗废物主要组分——PVC(聚氯乙烯)气化产物的影响.结果表明:PVC熔融盐气化最适温度为750℃;气化反应中添加O2能明显提高H2与CH4产气量,且加入O2流量为40 mL/min时产气量最高;熔融盐与PVC的相关反应发生较为迅速,所需时间较短,且反应时间对产物影响不显著;气化过程中加入NaOH熔融盐后,产出的有效气体以H2为主.750℃下,H2体积分数在有效气体组分中占38.3％,显著高于不添加熔融盐时的常规气化.加入熔融盐后,产出气体中HC1的质量浓度由1.17×105 mg/m3下降至46 mg/m3,降低效果显著.     

煤矿其他可燃气体对空气中甲烷爆炸极限的影响

为研究矿井火区中一氧化碳(CO),氢气(H2),乙烯(C2H4)和乙烷(C2H6)等可燃气体对空气中甲烷(CH4)爆炸极限和爆炸危险度(F值)的影响及双组份可燃气体爆炸界限和爆炸危险度的变化,采用空气中可燃气体爆炸极限测定方法完成一系列试验,测定加入不同体积分数其他可燃气体时CH4的爆炸极限。其他可燃气体的加入,均使空气中CH4和混合可燃气体的爆炸界限加宽;同时加大了CH4和混合可燃气体的爆炸危险度。试验结果表明:加入C2H4气体对CH4爆炸极限影响较大,使CH4及其双组份混合气体的爆炸危险度明显增大;加入量为2.0%时,CH4的F值增加了540%。而加入CO气体比加入C2H6,C2H4和H2等气体对CH4及混合气体的爆炸极限影响都小。     

甲烷爆炸中尿素粉体浓度对典型自由基影响研究

要有针对性地采取措施提高甲烷抑爆效果，深入分析尿素抑制甲烷爆炸的微观机理十分重要。采用光谱分析方法，利用试验获得的甲烷爆炸初期火焰发射光谱，分析了CHO、NO、HNO、C₂、OH、CN、CO、HNO₂和C₃含量随时间的变化、随尿素粉体质量浓度的变化以及存在时长的变化规律。结果表明，NO、HNO、C₂、CN、CO和C₃自由基含量随时间呈现先上升后下降的趋势，CHO、OH和HNO₂含量随时间基本保持在一定范围内波动。CHO、NO和HNO含量随加入尿素粉体质量浓度增大而增大，C₂、OH和CN含量随加入尿素粉体质量浓度增大而降低，CO含量随加入尿素粉体质量浓度增大呈现先增大后降低的趋势。加入尿素后，CHO、NO、OH、CN、CO和HNO₂自由基的存在时长会有明显的缩短，而尿素的加入对HNO、C₂和C₃自由基的存在时长基本没有影响。NO和HNO自由基是关键抑爆自由基，尿素在甲烷爆...     

多元可燃气体对CH_4爆炸及其自由基发射光谱影响试验

为探究矿井火区多元可燃气体对CH_4爆炸特性的影响,采用20 L多功能球形气体爆炸试验装置开展爆炸试验,采集爆炸压力参数;通过数字示波器得到CH_4爆炸关键自由基OH~*和CH_2O~*的发射光谱信息;从宏观、微观2方面分别分析多元可燃气体对CH_4爆炸特性的影响,并将两者进行关联对比。研究表明:多元可燃气体对CH_4爆炸的影响因氧气含量不同呈现不同特征,贫氧状态下多元可燃气体含量的增加对CH_4爆炸起到抑制作用,随着氧气含量的增加抑制作用逐渐减弱,最后达到富氧状态时变为促进作用;关键自由基发射光谱的相对强度与其对应的爆炸压力参数变化特征基本一致;不同自由基虽然在参与反应过程中整体变化趋势相同,但是受到氧气含量影响程度不同,相对于OH~*而言CH_2O~*在整个反应过程中更易受到氧气含量的影响。     

A product analysis-based study on the mechanism of inflammable gas explosion suppression

To study the mechanism of the suppressing effect of Expanded Aluminium (EA) on the premixed gas explosion, premixed methane-air and propane-air gases were undergone explosion reaction in the presence of EA in a self-designed closed pipeline with the overpressures and the compositions, rates and sensitivities of products analyzed. The results showed that the 9.5% methane-air and 5% propane-air explosions produced peak pressures decreased by 79.3% and 65.6%, and residual methane and propane contents increased by 270% and 560% respectively than without EA. In addition, the results revealed that the explosions of propane in the presence of EA produced less methane and carbon oxides contents, but more ethylene and propylene contents. The simulation showed that H, O, and OH are the key factors affecting the rate of products. The product compositions, together with other parameters, suggested that EA decreased temperature, inhibited chain initiation and propagation reaction, but facilitated chain termination reaction by advancing and accelerating the gas phase and wall destruction reaction of radicals, especially collisions and concentration of key free radicals. This new research method based on the analysis of explosion products can be used for in-depth research into gas explosion features and shed light on the suppressing mechanism of EA in flammable gas explosion.     

多元可燃气体爆炸极限理论预测模型研究*

为准确掌握和预测多元可燃气体的爆炸极限,开展2种多元可燃气体爆炸极限的理论预测模型研究。第1种模型针对“多种可燃气体+多种惰性气体”在空气中或氧气中混合,基于求解可燃气体绝热火焰温度的总比热特性方法以及化学平衡反应中的贫燃料(富氧)反应,提出该多元可燃气体的爆炸下限预测模型;第2种模型针对“可燃气体+惰性气体+氧气”混合,基于热平衡方程及混合气体的各组分浓度、淬灭电势及燃烧潜热,提出该多元可燃气体的爆炸极限预测模型。结果表明:在预测多元可燃气体的爆炸极限时,第1种模型具有较广泛的应用性,且表现出较高的准确度;第2种模型具有使用简单的特点,且扩展了LCR（勒夏特列原理）的应用范围。     

基于空位溶液与DA理论的多组分气体吸附方法及验证*

为准确预测煤层气中多组分气体的吸附性能,将空位溶液与Dubinbin-Astakhov（DA）理论相结合,提出1种适用于煤层气吸附系统的多组分混合吸附模型。在模型中,吸附体系被视为气体与假设的“空位溶质”的多元混合物,吸附体系视为气相和吸附相空位溶质之间的平衡。结果表明:根据单组分气体吸附等温线,采用D-A方程计算分析了生成二元（吸附质+空位）混合物中纯组分气体的活度系数,并优化吸附参数;模型能够根据在单一温度下收集的纯组分吸附数据预测不同温度下的多组分气体吸附;模型计算结果与实测结果吻合良好,误差在10%以内,充分说明模型是切实可靠的。     

煤与瓦斯突出气体逆流影响模式研究

为预防井下瓦斯气体逆流引起瓦斯爆炸等二次伤害,促进煤矿安全生产,建立瓦斯逆流运移扩散模型,采用相似试验研究不同风速和气体量影响下的气体逆流运移规律,根据试验系统的巷道模型,运用Fluent软件建立几何模型,模拟不同风速和涌出量对气体逆流的影响模式,观察同一测点或时间下2种因素对瓦斯浓度变化的影响,并以过往案例验证结论....     

表面活性剂在甲烷氧化菌降解煤体甲烷中的适用性研究

甲烷氧化菌液在进入煤储层后会产生较高的毛管压力,且随着甲烷氧化菌降解煤层瓦斯的进行,毛管压力逐渐增大,容易引起水锁伤害。采取向甲烷氧化菌菌液加入复配表面活性剂以期减缓菌液造成的水锁伤害,通过测试所选表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）与椰子油脂肪酸二乙醇酰胺（CDEA）对菌液表面张力的降低程度来了解表面活性剂与菌液的配伍比例,并对含复配表面活性剂的甲烷氧化菌对煤层甲烷的降解进行研究。研究结果表明:表面活性剂与菌液最佳配伍比例为SDBS∶CDEA为1∶4,最佳配伍浓度为0.5％,且表面活性剂在菌液中稳定性较好;菌液中添加复配表活剂20 mL,在混合气体压力为2 MPa、氧浓度为 1％、温度为 30 ℃时,添加复配表面活剂菌液的甲烷最终降解率为51.65％,比未添加复配表面活剂菌液高出11％左右。因此,向甲烷氧化菌菌液中添加复配表面活性剂具有很好的适用性。     

纳米粉体抑制矿井瓦斯爆炸的实验研究

针对目前粉体抑爆剂抑制矿井瓦斯爆炸的局限性,采用自主改进的20 L近球型瓦斯抑爆实验系统进行纳米粉体的抑爆实验。其结果表明:同微米级粉体相比,纳米粉体的抑爆效果更好,甲烷最大爆炸压力、压力上升平均速率分别下降了70.5%和90%以上,爆炸压力峰值时间延长了3倍多;依据纳米粉体表面效应理论,从对爆炸过程中自由基的抑制作用分析了纳米粉体特殊的阻燃抑爆作用,并对纳米粉体及相关技术抑爆进行了展望。     

Feasibility study of decomposing methane with hydroxyl radicals

Coal-mine gas disaster is one of the most serious coal-mine disasters in China. The main component of coal-mine gas, methane is chemically stable and very difficult to be degraded by conventional methods. Hydroxyl radical (OH), due to strong oxidizing ability and high electro-negativity, is the primary degradation source of atmospheric methane. In the present study, methane degradation using hydroxyl radicals generated by Fenton’s reagent, Fe²⁺/H₂O₂, has been carried out in the self-designed bubbling reactor. The effects of H₂O₂ concentration, dosage of FeSO₄·7H₂O and initial pH value on methane removal efficiency were investigated respectively. It has been found that the optimal reaction conditions were 100 mM of hydrogen peroxide, 2.00 mM of ferrous ion and initial pH value of 2.5. Under optimal conditions, the removal efficiency of methane reached 25% after 30 min. The preliminary experimental results unambiguously demonstrate that the degradation of methane using hydroxyl radicals generated by Fenton’s reagent is feasible.     

矿井反风时期网域系统瓦斯运移仿真

为了解矿井反风时期矿井系统网域中瓦斯运移及其体积分数分布的变动,以九里山矿井为实例,运用TF1M3D进行仿真分析。根据反风时采空区瓦斯分布换向变化和涌出处在最低值期的特征,指出反风后系统瓦斯涌出源主要来自采煤工作面。模拟得到反风时期工作面瓦斯体积分数的变化规律是,在实施全矿反风后,工作面回风道的瓦斯重新回流至工作面,与工作面内涌出的瓦斯重复叠加形成体积分数高峰瓦斯风流,致使反风后原来进风巷中回风流瓦斯体积分数增高;反风刚开始时瓦斯体积分数陡增,待峰值过后,瓦斯体积分数逐渐呈阶梯式降低。模拟结果反映出反风时采煤工作面中回流瓦斯与涌出瓦斯形成二次叠加的存在性,而所产生的瓦斯体积分数高峰值与矿井回风网络系统的结构有关。高峰瓦斯风流影响矿井反风过程的安全性,因此不但应连续检测工作面的瓦斯体积分数变化,更应提前做好应对措施和技术预案。     

Effects of premixed methane concentration on distribution of flame region and hazard effects in a tube and a tunnel gas explosion

Study of flame distribution laws and the hazard effects in a tunnel gas explosion accident is of great importance for safety issue. However, it has not yet been fully explored. The object of present work is mainly to study the effects of premixed gas concentration on the distribution law of the flame region and the hazard effects involving methane-air explosion in a tube and a tunnel based on experimental and numerical results. The experiments were conducted in a tube with one end closed and the other open. The tube was partially filled with premixed methane-air mixture with six different premixed methane concentrations. Major simulation works were performed in a full-scale tunnel with a length of 1000 m. The first 56 m of the tunnel were occupied by methane–air mixture. Results show that the flame region is always longer than the original gas region in any case. Concentration has significant effects on the flame region distribution and the explosion behaviors. In the tube, peak overpressures and maximum rates of overpressure rise (dp/dt)_max for mixtures with lower and higher concentrations are great lower than that for mixtures close to stoichiometric concentration. Due to the gas diffusion effect, not the stoichiometric mixture but the mixture with a slightly higher concentration of 11% gets the highest peak overpressure and the shock wave speed along the tube. In the full-scale tunnel, for fuel lean and stoichiometric mixture, the maximum peak combustion rates is achieved before arriving at the boundary of the original methane accumulation region, while for fuel rich mixture, the maximum value appears beyond the region. It is also found that the flame region for the case of stoichiometric mixture is the shortest as 72 m since the higher explosion intensity shortens the gas diffusion time. The case for concentration of 13% can reach up to a longest value of 128 m for longer diffusion time and the abundant fuel. The “serious injury and death” zone caused by shock wave may reach up to 3–8 times of the length of the original methane occupied region, which is the widest damage region.