【摘 要】
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采空区煤自燃可能生成乙烯等气体,严重影响瓦斯爆炸的浓度极限,容易诱发瓦斯爆炸事故,对煤矿安全生产造成重大威胁。为了预防和控制甲烷/乙烯混合气体爆炸事故,有必要从防爆抑爆安全角度出发,研究二氧化碳和氮气对甲烷/乙烯混合气爆炸特性的影响。本文采用理论分析、数值模拟和实验研究等方法,研究了不同比例和当量甲烷/乙烯混合气爆炸特性、惰性气体二氧化碳/氮气抑制不同比例和当量甲烷/乙烯混合气爆炸特性、惰性气体二
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采空区煤自燃可能生成乙烯等气体,严重影响瓦斯爆炸的浓度极限,容易诱发瓦斯爆炸事故,对煤矿安全生产造成重大威胁。为了预防和控制甲烷/乙烯混合气体爆炸事故,有必要从防爆抑爆安全角度出发,研究二氧化碳和氮气对甲烷/乙烯混合气爆炸特性的影响。本文采用理论分析、数值模拟和实验研究等方法,研究了不同比例和当量甲烷/乙烯混合气爆炸特性、惰性气体二氧化碳/氮气抑制不同比例和当量甲烷/乙烯混合气爆炸特性、惰性气体二氧化碳/氮气抑制不同比例和当量甲烷/乙烯混合气爆炸化学反应动力学过程,获得了气体燃烧过程关键基元反应和敏感性等动力学参数变化规律。主要内容和成果如下:首先在20L爆炸球实验系统内,开展了相关爆炸抑爆实验。研究表明,不管是贫燃料燃烧还是富燃料燃烧,随着乙烯比例的增大,爆炸时间三个参数总体呈下降趋势。对于不同的可燃混合气体,爆炸压力时间三个参数均在当量比为1.2时最小;对于所有测试的混合物,单位面积的热损失量随着乙烯体积比在每个当量比下的增加而减少。当量比为1时,R为0.1时,甲烷乙烯混合气爆炸热损失分数为40.5%,R为0.9时,甲烷乙烯混合气爆炸热损失分数仅为7.2%;热损失分数在每个当量比下随着乙烯体积比的增加而降低,可燃气体热损失分数最小的是当量比为1.2时,富乙烯甲烷燃烧对燃烧的使用更加高效;添加惰性气体氮气或者二氧化碳,均能有效降低甲烷/乙烯混合气体爆炸强度,同一当量比下,惰性气体的增加可以显著减缓爆炸过程中的快速燃烧时间和燃烧持续时间,添加等体积二氧化碳效果好于氮气。其次采用CHEMKIN-PRO软件,构建GRI 3.0动力学模型,对相同实验工况下甲烷/乙烯混合气体燃烧过程进行分析。研究表明,乙烯比例比从占0.1增加到0.9时,OH基的最大生成速率略微增加了5%,惰性气体CO2/N2体积分数增加,OH基生成速率大幅度减小,添加25%CO2时,OH基的最大生成速率下降了81.6%,添加25%N2时,OH基的最大生成速率下降了64.7%;氮气和二氧化碳均具有物理抑制效果,CO2分子还通过元素反应H+CO2=OH+CO参与链式反应。消耗大量的氢自由基,同时产生一氧化碳,导致甲烷不完全燃烧。极大的降低了H+O2=OH+O的反应速率,从化学反应的角度对爆炸起抑制作用;由敏感性分析可知对爆炸过程起促进作用的反应步有R38、R112、R119、R164、R285和R294,随着惰性气体CO2/N2体积分数的增加,起促进作用的基元反应敏感性系数均变小,添加同体积分数二氧化碳时起促进作用的敏感性系数比添加氮气时的更小。当量比为1时各反应敏感性系数最大,加入惰性气体后敏感性系数减小幅度也小于当量比为0.8和当量比为1.2时,表现为最难抑制燃烧;N2/CO2并不会改变关键基元反应,其通过降低关键基元反应速率达到惰化抑制效果。图[37]表[14]参[112]
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