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。     

激波诱导瓦斯爆炸的动力学特性及影响因素

通过修改化学动力学计算软件CHEMKIN Ⅲ中的SHOCK 程序包,建立了激波管中激波诱导瓦 斯爆炸过程的计算模型,化学反应采用了详细反应机理(包括53种组分、325个反应)。对激波诱导瓦斯爆炸 过程中混合气温度、冲击波传播速度、反应物(甲烷、氧气)摩尔分数、活化中心(O、H)摩尔分数、部分致灾性 气体(CO、CO2、NO、NO2)摩尔分数的变化趋势进行了详细分析。同时,分析了瓦斯爆炸前混合气初始压力 及初始混合气组成对激波诱导瓦斯爆炸动力学特性的影响。结果表明:瓦斯爆炸后CO 的摩尔分数达到0. 07左右,CO2 的摩尔分数为0.02左右,NO 的摩尔分数为0.001左右,NO2 的摩尔分数则在10-6左右;随着 瓦斯爆炸前混合气初始压力的提高以及混合气中甲烷体积分数的降低,瓦斯引爆时间将缩短,爆炸后温度将 降低,但压力将升高,同时,爆炸后CO 的摩尔分数将降低,NO 的摩尔分数将提高。     

小尺寸管道内二氧化碳抑制甲烷爆炸效果的实验及数值模拟

为了有效防治矿井瓦斯爆炸事故, 以瓦斯的主要成分甲烷作为模拟气体, 运用自主设计改装的XKWB-S型小尺寸石英玻璃管道实验系统, 结合高速摄影仪, 并采用FLACS数值模拟软件, 研究惰性气体抑爆条件下甲烷燃烧爆炸特性, 进行体积分数为6%~27%的CO₂抑制体积分数为9%CH₄爆炸的实验及数值模拟, 结果表明:各组分混合气体在爆炸传播过程中, 爆炸压力、火焰锋面速度和气体运动速度均呈现一定程度的波动, 且压力和速度没有同时达到最大值; CO₂的加入有效抑制了甲烷/空气反应, 且添加CO₂体积分数越大, 抑爆效果越明显, 模拟结果与实验结果基本吻合。     

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。     

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。     

井喷失控气云爆炸的3维数值模拟

基于K- 模型和改进的EBU 模型,考虑甲烷-空气混合气云形成过程,建立了井喷失控甲烷喷射 流扩散及混合气云爆炸的理论模型,选用SIMPLE方法求解差分方程,模拟甲烷-空气混合气云形成过程,分 析了不同点火点对混合气云爆炸影响程度。结果表明,点火点方位及点火点所在气体体积分数对气云爆炸都 有明显的影响,点火点越靠近气云中心和所在甲烷体积分数越高爆炸效果越强,最后为井喷失控人工点火提 出了合适的点火方位。     

气态ClO2体积分数与爆炸压力的关系

采用20 L柱状爆炸罐研究了气态ClO2的爆炸特性,得出了气态ClO2分解爆炸的体积分数下限为9.5%,不存在上限。在实验条件下,气态ClO2的爆炸压力随体积分数的增加而增大,体积分数为90%时,最大爆炸超压达到0.64 MPa,且气态ClO2的爆炸压力与其体积分数梯度有关。最大爆炸超压出现的时间随气态ClO2体积分数的增加而缩短,体积分数为10%时,最大爆压在2 195 ms时出现,当体积分数达到70%时,最大爆压出现的时间在10 ms以内,体积分数继续增加,最大爆压出现的时间基本维持在8 ms。     

高瓦斯矿发火区封闭时对瓦斯爆炸界限因素的影响

针对高瓦斯矿发火区封闭时常发生瓦斯爆炸事故,对影响瓦斯爆炸界限的因素进行实验,探索温度、压力、可燃气体(CO)、惰性气体(N2和CO2)等条件对瓦斯爆炸界限的影响规律。得出常温常压下瓦斯爆炸的体积分数下限为5%,瓦斯爆炸上限为13.5%,以及CO2的惰化效果比N2更好的结论。根据实验数据绘制混合气体的爆炸三角形,并进行新的惰化分区划分,不仅为火区封闭时防治瓦斯爆炸提供新的技术途径,而且能计算出使火区惰化时,所需惰性气体量,可对这些因素进行合理控制,有效地降低瓦斯爆炸危险性。     

尿素抑制甲烷爆炸过程中爆炸压力与自由基变化耦合分析

为建立抑爆过程中，尿素对甲烷宏观抑爆效果与微观抑爆机理之间的联系，利用20 L球型爆炸测试装置开展实验，测量了尿素粉体抑制甲烷爆炸过程中爆炸压力，利用光栅光谱仪采集火焰发射光谱数据；采用光谱分析和数据同步分析方法，分析该抑爆过程中爆炸压力和NO、CN、CHO、HNO、OH等关键自由基或分子的变化，得出甲烷爆炸压力发展过程与相关自由基含量之间的耦合变化关系。研究表明，加入尿素能有效地降低甲烷的爆炸压力，延长甲烷的爆炸感应期；在尿素的作用条件，NO、HNO含量的升高和CN、CHO、OH含量的降低，可以抑制甲烷爆炸；NO、CN、CHO、HNO自由基分子与甲烷爆炸升压过程有较大联系；OH自由基一直存在于甲烷爆炸的整个过程中且含量较高；对以上自由基的干预，可以在相应阶段发挥抑爆作用。     

CH4/N2、CH4/CO2二元和CH4/N2/CO2三元混合气体爆炸极限的实验与估算

为了获取甲烷与不可燃组分组成的混合物的爆炸极限,采用一种基于绝热火焰温度的混合物爆炸极限估算方法,对CH₄/N₂和CH₄/CO₂这2种二元混合气体及3种不同阻燃剂体积分数的CH₄/N₂/CO₂三元混合气体的爆炸极限进行实验研究,并将实验结果与估算值进行比较。CH₄/N₂与CH₄/CO₂二元混合物实验值与估算值在爆炸上限处的平均绝对偏差为0.34%,在爆炸下限处的平均绝对偏差为0.15%。3种不同比例的三元混合物实验值与估算值在爆炸上限处的平均绝对偏差为0.43%,在爆炸下限处的平均绝对偏差为0.20%。结果表明,估算方法对甲烷与不可燃组分的二元混合物与三元混合物爆炸极限的估算均具有较高的准确度。     

甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限的变化规律

基于标准20 L球形爆炸装置,在相同测试条件下, 分别测量了石松子粉尘、甲烷和不同浓度配比的甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限,并将测试结果与Le Chatelier’s law、Bartknecht curve、Jiang method等混合体系爆炸下限预测结果进行了对比。结果表明:低于爆炸下限的甲烷和低于爆炸下限的石松子粉尘混合后仍具有爆炸危险性。石松子粉尘爆炸下限随混合体系中甲烷体积分数的增高而减小。Le Chatelier’s law、Bartknecht curve、Jiang method均不能准确预测甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限。Le Chatelier’s law对甲烷体积分数φ与甲烷爆炸下限φ_L之比φ/φ_L＜0.5的混合体系爆炸下限的预测值偏小,而对φ/φ_L＞0.5的混合体系预测值偏大;Bartknecht curve在预测φ/φ_L＞0.5的混合体系爆炸下限时适用性较好,而对于φ/φ_L＜0.5的混合体系预测值偏小;Jiang method不适用于预测甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限。     

磁场效应对甲烷爆炸影响的机理

为了揭示磁场对甲烷爆炸特征的影响机理,开展了磁场对甲烷爆炸影响实验,得出了磁场对甲烷爆炸压力、火焰传播速度、爆炸产物组分及体积分数的影响规律。利用Chemkin-Pro软件模拟甲烷爆炸链式反应过程,得到了甲烷爆炸过程中的关键自由基和基元反应。通过理论计算,对不同自由基在磁场作用下的受力进行分析,揭示了磁场对甲烷爆炸的影响机理。研究结果表明,磁场能够降低甲烷爆炸压力和火焰传播速度,降低CO和CO₂的生成量,增加甲烷的残余量;·H、·O、·OH、·CH₃、·CH₂O是甲烷爆炸的关键自由基,由于·O的磁化率较高,被吸引到磁感线密集的区域,·O与其他自由基的碰撞几率减少,从而降低·HCO→CO→CO₂的链式反应速率,导致CO和CO₂生成量降低,且甲烷爆炸强度降低。     

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。     

可爆性气体爆炸极限和爆燃转变成爆轰的研究

我们成功地研制了长为6.6m、内径为100mm的柱形爆炸激波管。利用此激波管我们研究了氢气和氧气混合物的爆炸特性。研究表明:氢气和氧气混合物的可爆性极限为25％H2至84％H2（体积比）;混合物起爆的临界初始压力P0c近似与混合物的浓度无关。我们还用石英传感器技术测量了混合物从爆燃转变为爆轰的过程（DDT）,确定了爆炸速度、爆炸压力与混合物初始压力P0的关系。爆燃波速度D和压力P快速增加,并且DG0（声速）时,爆燃波能转变成爆轰。爆燃波速度D和压力P衰减时,爆燃波将熄灭。氢氧混合物浓度接近上限时,爆燃向爆轰转变时的爆轰呈过激励状态,然后逐渐趋于正常爆轰。C-J理论可近似预估气体爆轰参数。