三元可燃混合气体爆炸极限实验及预测方法

为了控制并预防原油的储存及输运过程中挥发气体造成的安全风险，在20 L球形爆炸容器内开展了由原油中挥发轻烃CH₄、C₃H₈和C₂H₄构成的三元可燃混合气体的爆炸极限实验，提出并验证了基于Le Chatelier定律及Chemkin模拟的一维层流预混火焰模型预测三元可燃混合气体爆炸极限的方法。结果表明，三元可燃混合气体爆炸极限始终位于3种纯组分的爆炸极限内，随着某一纯组分增加呈现出接近其爆炸极限的趋势。3种纯组分对爆炸上限的影响要强于对爆炸下限的影响，其中C₂H₄对三元可燃混合气体爆炸上限影响尤为显著。两种预测方法的预测结果均与实验规律性一致。Le Chatelier定律预测混合气体爆炸下限较准确，但对爆炸上限的预测随着C₂H₄的增加偏差增大，修正后偏差明显减小；Chemkin预测爆炸下限虽存在一定偏差，但在实验偏差的允许范围内，可作为一种预测三元可燃混合气体爆炸下限的新方法。     

页岩储层纳微米孔隙CO2/CH4吸附及驱替特性研究进展

利用CO₂开采页岩气不仅能够提高页岩气采收率, 还能够节省水资源并且对CO₂进行地质封存, 有助于实现页岩气开采过程的碳中和. 富有机质页岩储层纳微米孔隙中气体运移机制不同于常规储层, CO₂在储层中具有超临界特性, 致使开采机理复杂, 无法得到CO₂开采页岩气微观机理的准确认识, 所以研究CH₄, CO₂及其二元混合物在页岩储层纳微米孔隙中的吸附及驱替特性对准确评估和高效开采页岩气至关重要. 本文从实验、理论以及模拟方面对页岩储层纳微米孔隙中CH₄的吸附特性、CO₂/CH₄二元混合物竞争吸附特性以及驱替特性进行了综合分析, 对气体在纳微米孔隙中吸附及驱替特性的基础研究及关键问题进行讨论分析并提出了展望. 研究表明CH₄在页岩储层中表现为物理吸附, 有机质特征(丰度、成熟度、类型)、孔隙结构、无机矿物组成、温度和压力、含水率对页岩的CH₄吸附能力均有一定程度的影响. 在相同条件下, CO₂比CH₄更易被页岩储层吸附, 在页岩储层中注入CO₂可以促进CH₄的解吸, 并有利于CO₂的地质埋存. 开采方案的部署可采用井网形式的注采方式, 可以通过调整注入井的位置、数量以及CO₂注入速率对开采方案进行优化.      

惰性气体N2/CO2抑制瓦斯爆炸实验研究

为探究惰性气体(N₂和CO₂)对瓦斯气体爆炸影响,采用中型尺寸瓦斯爆炸实验装置,在N₂及CO₂体积分数为0%、9%、14%工况下开展了瓦斯爆炸实验研究,获取了N₂和CO₂对矿井瓦斯抑爆特性的影响规律,并针对瓦斯爆炸过程中惰性气体N₂和CO₂对爆炸超压变化的影响及爆炸抑制效果进行了对比分析。结果表明:随着初始混合气体中惰性气体N₂或CO₂含量的升高,瓦斯爆炸超压均明显降低,CO₂的抑爆效果优于N₂;N₂和CO₂对较高浓度瓦斯气的抑爆效果更为显著。     

开放空间H2/CH4/空气爆炸实验与数值模拟研究

近年来氢的使用范围逐渐发展到各个领域, 含氢多元混合物气体在工业生产及生活燃料中被普遍使用. 为了保障含氢气体在生产、运输、使用等各个环节的安全性, 构建了开放空间混合气体爆炸测试实验系统, 研究了H₂/CH₄/空气混合气体爆炸压力及火焰传播特性, 给出了不同氢摩尔分数(100%, 75%, 66.67%, 50%, 33.33%)、混合气体当量比(0.8, 1.0, 1.1, 1.2, 1.4)、可燃云团尺寸(1 m3, 4 m3, 8 m3)及障碍物约束等因素对混合气体爆炸压力及火焰的影响规律. 基于经典TNT当量法, 建立了考虑混合气体组分比及可燃云团尺寸的最大爆炸超压预测模型, 修正了爆炸火焰传播半径理论模型. 结合高精度数值模拟技术揭示了加气站内建筑结构对混合气体爆炸的影响. 研究表明, 氢气的加入能够明显增强气体爆炸强度, 最大爆炸超压、火焰传播速度均随氢摩尔分数的增加而增大, 随当量比的增大先增大后减小, 当量比为1.1~1.2时最大; 通过对大尺度混合气体爆炸数值仿真与分析发现, 加气站内不同建构筑物条件下爆炸火焰传播距离、传播速度、最大爆炸超压等关键参数明显不同, 顶部和背部同时约束时, 爆炸伤害范围及事故后果最严重, 因此在划定加气站安全距离时, 应充分考虑不同建筑结构的影响.      

CH4/O2/CO2预混体系爆炸动力学研究

为探究甲烷在富氧条件下的火焰动力学规律,以CH₄/O₂/CO₂预混体系为研究对象,在小尺度方形透明管道中进行了一系列爆炸实验,探讨了初始环境温度波动对爆炸参数的影响,并对预混体系的燃烧机理进行分析。结果表明:在273 K的环境温度下,化学当量比φ=0.8~1.0且氧气相对比γ<0.30和φ=1.2且γ<0.35的预混体系不能被点燃,而其他预混体系均可被点燃,最终产生郁金香与非郁金香两种火焰类型,并且根据郁金香火焰独特的演变特征,又划分为T形郁金香火焰和不对称郁金香火焰;随着γ的增大,无量纲火焰传播速度v/(S_Lσ)的变化趋势由“两升两降”转变为“一升一降”。初始环境温度的升高并未对火焰传播速度和爆炸超压的变化趋势产生影响,但是会导致最大爆炸超压p_max和最大火焰传播速度降低。值得注意的是,初始环境温度对爆炸强度的影响随化学当量比的减小而增强。另外,与最大爆炸超压相比,最大火焰传播速度与层流燃烧速度之间的关系更紧密。从敏感性分析中可知:层流燃烧速度对自由基链式反应R38(即H+O₂=O+OH)表现出最大的正敏感度,对R52(即H+CH₃(+M)=CH₄(+M))表现出最大的负敏感度,并且对自由基OH的生成速率最敏感,当初始环境温度升高至303 K时,层流燃烧速度对R38(正)和R52(负)的敏感度降低;H、O和OH自由基总摩尔分数的增大会削弱热扩散的不稳定性,增强流体力学的不稳定性。     

惰性气体对C3H8可燃下极限的影响

为探究CO₂、N₂和Ar对C₃H₈可燃下极限的影响,在5 L爆炸容器中测定了C₃H₈在O₂/CO₂、O₂/Ar、O₂/N₂三种气氛下的可燃下极限。首先分析了稀释气浓度、稀释气种类和氧气浓度对C₃H₈的可燃下极限的影响。结果表明,在O₂/CO₂气氛下,稀释气浓度变化对C₃H₈的可燃下极限影响最大,对O₂/Ar的影响次之,对O₂/N₂的影响最小。在相同稀释气浓度条件下,CO₂对C₃H₈可燃下极限的影响最大,N₂的影响次之,Ar的影响最小。随着O₂浓度的上升,O₂/CO₂气氛的可燃下极限出现较为明显的下降,O₂/N₂和O₂/Ar的氛围的可燃下极限平缓上升。通过建立能量平衡方程分析了稀释气的比热和辐射效应对可燃下极限的影响。结果表明,混合气比热的改变是C₃H₈可燃下极限改变的主要原因,辐射热损失是影响可燃下极限的重要因素。     

无约束条件下甲烷/空气预混气体燃爆特性研究

为研究无约束条件下甲烷(CH₄)/空气(air)预混气体的燃爆特性，以乳胶气球为反应容器开展了甲烷爆炸实验，结合Chemkin模拟和改进的比色测温技术，研究了不同当量比下甲烷/空气预混气体的火焰传播速度、爆炸超压及温度场分布等特征以及静置时间对预混气体燃爆特性的影响。实验结果表明：甲烷/空气预混气体的爆炸火焰传播速度呈振荡分布，当量比为0.83、1.06、1.30和1.55时的平均火焰传播速度分别为1.554m·s^-1、2.122m·s^-1、1.892m·s^-1和1.428m·s^-1;峰值超压随当量比的增加呈先增大后减小的趋势，当量比为1.06时基元反应CH₃·+O₂?O·+CH₃O·的敏感性系数最大，从而加速了生成二氧化碳(CO₂)的链反应，使得燃烧化学反应最彻底，峰值超压值最大；静置时间对火焰传播速度和爆炸峰值压力影响显著，最佳静置时间为6min;随着当量比的增大，爆炸火焰的平均温度呈现...     

温度、压力对甲烷-空气混合物爆炸极限耦合影响的实验研究

为了研究不同初始条件对甲烷-空气混合物爆炸极限的影响,利用容积为20 L的爆炸罐,在不同初始温度(25~200 ℃)和初始压力(0.1~1.0 MPa)条件下测定了甲烷-空气混合物的爆炸极限。实验结果表明,随着初始温度和初始压力的升高,爆炸上限升高,爆炸下限降低,爆炸极限范围扩大。在实验温度和压力范围内,常压/常温条件下,爆炸上限和下限与初始温度/初始压力呈线性相关。爆炸上限与初始温度的相关性受初始压力的影响,其与初始压力的相关性也与初始温度有关。然而,初始压力/初始温度对爆炸下限的影响与初始温度/初始压力的相关性并不显著。初始温度和初始压力对爆炸极限的耦合影响比单一因素对其的影响大,且相较而言,其对爆炸上限的影响更为显著。本文中绘制了影响曲面来描述初始温度和初始压力如何影响甲烷-空气混合物的爆炸极限。     

KH2PO4/SiO2复合粉体抑制铝粉爆燃效果及机理分析

为研究KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂对铝粉爆燃的抑制作用,采用球磨机将KH₂PO₄和SiO₂混合研磨制备出新型的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂。在哈特曼管实验装置上,开展爆燃火焰传播抑制实验,结果表明:随着KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂含量的增加,爆燃火焰传播长度和速度逐渐减小,当添加质量比10∶6的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂时,可实现铝粉爆燃火焰传播的抑制。在20 L球形爆炸装置上,开展复合粉体抑爆剂抑制铝粉爆炸压力测试实验,结果表明:随着KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂含量的增加,铝粉爆炸最大爆炸压力p_max和最大爆炸压力上升速率(dp/dt)_max逐渐减小,当添加质量比10∶9的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂时,可实现铝粉爆燃的完全抑制。通过KH₂PO₄粉体、SiO₂粉体与复合粉体抑爆剂对比可知,复合粉体抑爆剂对铝粉火焰传播和爆炸压力的抑制效果都优于单体粉体抑爆剂。通过对铝粉在空气中燃烧的热分析研究,从化学和物理两个方面分析了KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂对铝粉爆燃的抑制机理。     

CF3I和CO2抑制甲烷-空气爆炸实验研究

为了探究三氟碘甲烷CF₃I和二氧化碳CO₂复合使用对甲烷爆炸的抑制效果,采用容积为20 L的球形爆炸实验装置,研究了单独和复合使用三氟碘甲烷和二氧化碳对甲烷爆炸压力特性的影响。研究结果表明:添加三氟碘甲烷和二氧化碳后,甲烷爆炸极限范围逐渐缩小,且三氟碘甲烷对甲烷爆炸极限的影响更显著,当三氟碘甲烷和二氧化碳的体积分数分别达到5.5%和32.0%时,甲烷爆炸上下限重合,临界氧的体积分数分别为17.85%和12.50%。可见三氟碘甲烷对甲烷爆炸极限的影响机制与二氧化碳不同,并不是通过降氧为主而发挥抑制作用的。三氟碘甲烷对甲烷爆炸的抑制效果明显优于二氧化碳,对比体积分数为9.5%的甲烷爆炸最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率下降的比率,5.0%三氟碘甲烷的抑爆效果约是等量二氧化碳的6倍和5倍。二氧化碳掺混少量三氟碘甲烷后,抑爆效果大幅提升,掺混比例越,高效果越明显,且对抑制甲烷爆炸压力作用的提升更显著。三氟碘甲烷掺混体积分数大于等于1.0%时,二氧化碳单位增量导致甲烷最大爆炸压力下降的幅度有所增加。这说明三氟碘甲烷的加入具有改善抑爆效果和增强抑爆效率的双重作用。     

Flammability limits of refrigerant mixtures with 1,1,2,2-tetrafluoroethane

Extensive measurements have been made on the flammability limits of two binary mixtures of propane/1,1,2,2-tetrafluoroethane and 1,1-difluoroethane/1,1,2,2-tetrafluoroethane as per the Chinese National Standard GB/T 12474-90. Experimental data for the 1,1,2,2-tetrafluoroethane mixtures were obtained with estimated uncertainties of 0.09 mol% for lower flammability limits and 0.14 mol% for upper flammability limits. All measurements were carried out at atmospheric pressure and room temperatures around 20 °C. It has been found that molar fractions of propane and 1,1-difluoroethane in lower limit mixture decrease when 1,1,2,2-tetrafluoroethane, being itself nonflammable, is added to the mixture. Modification was made to the extended Le Chatelier’s formula for interpreting the dilution effect of 1,1,2,2-tetrafluoroethane. It has been found that the extended Le Chatelier’s formula using an individual set of parameters can fit the experimental results for flammability limits of propane and 1,1-difluoroethane diluted with 1,1,2,2-tetrafluoroethane well.     

二甲醚/空气/氩气混合物的爆炸特性

在20 L球形爆炸容器中对二甲醚/空气(DME/air)、二甲醚/空气/氩气(DME/air/Ar)混合物在不同初始状态下的爆炸特性进行实验研究,分析了不同初始压力、不同氩气(Ar)稀释浓度对爆炸极限、最大爆炸压力以及最大爆炸压力上升速率的影响。结果表明:DME/air混合物的最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率与DME在混合物中的浓度呈圆顶形关系,最大值出现在DME在混合物中的浓度为6.5%(即最佳当量比, φ=1)附近;初始压力的下降明显降低了DME/air混合物的爆炸上限,但对于其爆炸下限影响不显著;Ar的稀释对富燃DME/air混合物的最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率有显著的惰化作用,但对于贫燃DME/air混合物,最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率在一定的Ar稀释浓度范围内出现上升趋势,当Ar的稀释浓度大于20%,这2个爆炸参数值逐渐下降。     

初始温度对CO2抑爆作用的影响

将CO₂充入的液化石油气中并进行点火,研究不同初始温度下CO₂对多元混合气液化石油气爆炸的抑制作用。实验显示:初始温度15℃时CO₂体积分数达到36%时,混合气体退出可爆范围,临界氧浓度为12.8%;初始温度50℃时CO₂体积分数达到39%时,混合气体退出可爆范围,临界氧浓度为12.2%。结果表明:CO₂对液化石油气爆炸的抑制效果在一定程度上要受环境温度的影响。     

N2与CO2对合成气爆炸特性影响的实验研究

为了研究惰性气体（氮气及二氧化碳）对合成气爆炸特性的影响，利用20 L球形爆炸仪器，开展不同体积分数氮气与二氧化碳作用下不同当量比合成气的爆炸实验，从爆炸峰值压力、爆炸压力到达峰值时间、爆炸指数方面分析惰性气体对合成气爆炸特性的影响。研究结果表明:惰性气体体积分数的增加会降低合成气的爆炸压力和爆炸指数，推迟爆炸压力到达峰值的时间；在相同体积分数下，CO₂比N₂能更有效地降低合成气的爆炸峰值压力和爆炸指数，减小爆炸反应的剧烈程度，CO₂在抑制合成气爆炸方面比N₂的效果明显。     

点火准则和稀释气体对乙烯点火延时的影响

利用矩形截面激波管研究点火准则和稀释气体对乙烯点火延时的影响。采用压电传感器记录测点压力时间历程，采用光谱仪和光电倍增管记录自发光强时间历程，以压力、总自发光强与·OH和·CH自由基特定能级发射光强等信号判定是否发生自点火，给出自点火过程的时间起始点和终止点，得到了不同点火准则和稀释气体对应的乙烯/氧气/氮气和乙烯/氧气/氩气点火延时。结果表明:相同工况的乙烯点火延时测量数据相对误差约为15%，数据验证了本文实验和测量方法可靠性。针对当量比为1.0、压力为0.2 MPa，得到了温度范围为905～1 489 K，稀释气体的摩尔分数为75%氮气和75%氩气时的乙烯点火延时，给出点火延时和温度拟合的Arrhenius型表达式。不同点火准则会影响所测点火延时数据，但多次测量结果确定的点火延时和温度变化规律近似相同。不同稀释气体对激波管自点火流场的影响表现为和流场均匀性以及混合物比热相关。相同工况的乙烯/氧气/氮气点火延时大于乙烯/氧气/氩气点火延时。高温区和低温区的乙烯/氧气/氩气点火延时与温度的拟合关系不同，转折温度约为1 121 K。     

Measurement of propagation speeds in adiabatic cellular premixed flames of CH4 + O2 + CO2

Experimental measurements of the propagation speed of adiabatic flames of methane + oxygen + carbon dioxide are presented. The oxygen content O₂/(O₂ + CO₂) in the artificial air was 31.55% and 35%. Non-stretched flames were stabilized on a perforated plate burner at atmospheric pressure. A heat flux method was used to determine propagation speeds under conditions when the net heat loss of the flame is zero. Under specific experimental conditions the flames become cellular; this leads to significant modification of the flame propagation speed. The onset of cellularity was observed throughout the stoichiometric range of the mixtures studied. Measurements in cellular flames are presented and compared with those for laminar flat flames. Cellularity disappeared when the flames became only slightly sub-adiabatic. Visual and photographic observations of the flames were performed to quantify their cellular structure. Increasing the oxygen content in the artificial air and increasing the temperature of the burner plate led to increase of the number of cells observed.     

气相爆轰波近失效状态的传播模式

选用五种碳氢混合气体,采用高压电火花起爆的方法,利用光纤探针测量爆轰波在管道内的传播速度,研究临近失效状态时爆轰波在管道内的传播模式。实验是在自行研制的爆轰管道中进行的,其包括驱动段及内径分别为1.5、3.2、12.7 mm三种规格的测试段。实验结果再次验证了爆轰波在管道内传播时可以有六种不同的传播模式:稳态爆轰、快速波动爆轰、结巴式爆轰、驰振爆轰、低速爆轰和爆轰失效。其中C₂H₂+2.5O₂+70% Ar、C₂H₂+2.5O₂+85% Ar两种组分混合气体（具有较低活化能）,在爆轰波传播过程中只有稳态、快速波动和失效三种模式;而C₃H₈+5O₂、C₂H₂+5N₂O和CH₄+2O₂三种组分混合气体（具有较高活化能）在传播过程中出现六种不同模式。上述结果表明,除气体组分、初始压力等因素外,混合气体的活化能可能对爆轰波在管道内的传播状态也有影响。     

超临界CO2磨料射流流场影响因素的模拟分析

为了揭示超临界CO₂磨料射流流场特性,利用计算流体动力学模拟软件,对超临界CO₂磨料射流结构及不同因素对射流流场的影响规律进行了研究。结果表明:超临界CO₂磨料射流轴向速度和冲击力随着喷距的增大,先增大后减小,即存在最优喷距,喷射压差为10~30 MPa时最优喷距为3~6倍喷嘴直径;喷射压差一定时,围压由10 MPa增至30 MPa对射流速度场及液相冲击力会造成较小的负面影响。通过超临界CO₂射流破岩实验对上述2因素进行了辅助对比验证;流体温度由333 K增至413 K,固液两相轴向速度增大,而流体密度降低,导致液相冲击力减弱;磨料浓度由3.0%连续增至11.0%,射流固液两相轴向速度逐渐降低,降幅逐渐减小。