无机盐粉对管内瓦斯爆燃火焰传播及泄放特性影响的研究

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随着现代化建设推进,能源结构转变持续进行,甲烷在生产生活中的应用日益广泛。但在其开采、运输、贮藏和使用过程中存在的许多安全隐患,对人们日常生产生活造成严重威胁。深入探究外加介质对甲烷爆燃火焰传播及泄放特性的影响,可以完善可燃气体及气粉两相体系爆炸相关理论,为爆炸泄放设计提供一定理论支撑。本文采用理论和实验相结合的方法,基于不锈钢火焰加速管道实验系统研究了Na Cl粉末和硝酸铵粉末对管内瓦斯火焰传播特性的影响,同时探究了甲烷-硝酸铵粉末气粉两相体系爆炸泄放特性的变化规律。所得主要结论如下:(1)两种盐粉的加入均显著提升了管内火焰的湍流程度,且火焰变化规律大致相同。随着粉体铺设面密度的增加,火焰形态由蓝色层流火焰转变为“火舌”状与“双火舌”状湍流火焰结构;随着铺设长度的增加,火焰依次转变为“曳尾状”局部湍流与“火舌”状火焰。(2)两种盐粉的加入均在一定程度上降低了火焰传播速度。随着粒径的增加,Na Cl试验组的火焰速度均有所增加,而硝酸铵试验组在低面密度条件下表现为增加,但在高面密度条件下表现为略微降低;随着两种盐粉铺设面密度的增加,观察窗段的火焰速度与加速管道段的火焰速度均表现为先减小后增大。此外,在低面密度条件下,硝酸铵组火焰速度低于Na Cl组,但随着面密度逐渐增加,硝酸铵组火焰速度提升幅度更大,火焰速度逐渐超过Na Cl组;随着两种盐粉铺设长度的增加,加速管道段的火焰速度均表现为逐渐增大;但观察窗段的火焰速度变化不同,Na Cl试验组表现为逐渐增加,而硝酸铵试验组表现为逐渐降低。(3)两种盐粉的加入宏观上都降低了瓦斯爆燃火焰泄爆压力,但作用机理不同。随着粉末铺设面密度的增加,两种盐粉试验组的泄爆压力第一峰值表现均为先减小后增大,第二峰值表现为先增大后减小;随着铺设长度的增加,第一峰值均表现为逐渐增加,第二峰值表现为逐渐降低。与Na Cl粉末不同,硝酸铵试验组第一峰值压力存在压力“维稳”现象,且“维稳”现象持续时间随着铺设面密度或铺设长度的增加而逐渐增大。随着粒径的增加,Na Cl试验组的第一峰值压力均有所增加,而硝酸铵试验组的第一峰值压力在低面密度低铺设长度条件下表现为增加,但在高面密度高铺设长度条件下表现为略微降低。低铺设面密度低铺设长度条件下,硝酸铵组的第一峰值压力低于Na Cl组;随着铺设面密度或铺设长度增加,硝酸铵组第一峰值压力提升幅度更大,最终压力值超过Na Cl组。(4)爆炸泄放实验中得出了预测泄爆装置静态动作压力的模型:Dv=120 mm,Pstat=2.97·n;Dv=80 mm,Pstat=4.88·n;Dv=40 mm,Pstat=8.04·n。基于此模型和泄放装置,利用火焰加速管道实验系统探究了对甲烷-硝酸铵气粉两相混合体系的泄爆特性变化规律。实验发现在密闭条件下,硝酸铵粉体的对甲烷爆燃的抑制效果随着温度压力的提升而提高,但硝酸铵粉体的加入也会提升管内气粉两相体系整体的爆燃压力。泄放条件下,随着泄放口径的减小或泄爆膜层数的增加,管内火焰平均传播速度均逐渐降低,且120 mm口径下管内传播速度表现为持续增加,而80 mm、40 mm口径下的传播速度表现为先增加后降低。泄爆火焰压力曲线在120 mm与80 mm口径下呈现出双峰结构,且随着泄放口径的减小或泄爆膜层数的增加,第一压力峰值逐渐增加且压力“维稳”时间也逐渐延长,第二压力峰值逐渐降低;而40 mm口径下,单双层膜工况下火焰压力失去双峰结构,表现为振荡上升,且随着膜层数增加至三层,振荡上升现象更为明显,泄爆压力也逐渐增大,压力曲线更接近密闭条件。泄爆火焰结构随着泄放口径的减小,由团簇状火焰转变为典型射流火焰,火焰亮度、最大火焰长度逐渐降低,火焰持续时间逐渐增加;随着泄爆膜层数的增加,火焰形状结构改变不明显,但火焰亮度、最大火焰长度逐渐降低,火焰持续时间逐渐增加。图[56]表[17]参[113]
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