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20L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。     

N2/CO2混合气体对甲烷爆炸的影响

将N2和CO2按一定比例混合,从极限氧体积分数、爆炸极限和抑爆效果3个方面研究了N2/CO2混合气体对甲烷爆炸的影响。结果表明:(1)随着惰性混合气中N2含量的增加,极限氧体积分数呈线性下降;(2)任何配比的惰性混合气对爆炸上、下限的影响都可以近似认为是线性变化的;(3)惰性混合气中CO2含量越高,抑爆效果越好。同时,得到的拟合公式能预测N2和CO2任何配比时甲烷的爆炸极限。实验结果能对甲烷实际生产时的惰化处理提供基础数据和依据。     

N2双流体细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验研究

为了在较低压力下获得较小粒径的细水雾,降低喷雾抑爆系统的运行成本,提高系统的适用性和抑爆效率,自行搭建了尺寸为120 mm×120 mm×840 mm的透明有机玻璃瓦斯爆炸管道实验平台。采用双流体喷嘴将N₂和细水雾送入试验管道,通过调节喷雾压力和喷雾时间开展了双流体细水雾抑制瓦斯爆炸实验研究,从火焰速度、瓦斯爆炸超压2个方面探讨双流体细水雾的抑爆有效性。实验结果表明:N₂双流体细水雾抑爆效果明显,可以减小瓦斯爆炸强度;随着喷雾时间的延长,爆炸火焰的速度峰值逐渐下降,爆炸超压峰值逐渐下降,平均升压速率逐渐降低;当N₂压力为0.4 MPa、喷雾时间为3 s时,速度峰值比不喷雾时下降60.39%,爆炸超压峰值下降37.76%。     

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。     

瓦斯爆炸压力与波前瞬态流速演化特征及其定量关系

为了建立爆炸波前的瞬态流速和超压的定量关系,采用数值模拟的方法分别研究了开口型方管内瓦斯爆炸超压和瞬态流速传播特征。研究结果表明:开口型方管内,波前瞬态流速和超压的波形曲线的峰值个数不一样,而且超压峰值总是早于波前瞬态流速峰值出现。大部分情况下,方管横截面边长越大,其超压峰值相对较小,并且超压峰值沿传播方向呈现降低趋势。波前瞬态流速峰值沿传播方向呈不断增长趋势,而且方管横截面边长越大,其峰值也相对较小。长径比(方管长度与横截面边长之比)小于125时,超压峰值与波前瞬态流速峰值的定量关系始终呈现线性反比关系;大于或等于125时,超压峰值和波前瞬态流速峰值的定量关系呈分段关系。研究结果可为爆炸冲击波扬尘的研究提供基础数据。     

开口阻塞比对粉体抑制甲烷爆炸的影响研究

为了研究开口阻塞比φ对粉体抑爆特性的影响,采用质量浓度C为0、80、160、240 g/m³的Al (OH)₃和NaHCO₃粉体,分别抑制具有不同φ（0、0.2、0.4、0.6、0.7、1.0）值的5 L管道内甲烷/空气预混气爆炸。实验结果表明：火焰的破碎度随粉体抑爆效率的增大而增大;最大超压峰值p_max、爆燃指数K_st由燃烧速率和泄爆速率共同决定。φ=0.7是每条爆炸特征参数曲线的拐点。随着φ值增加,超压峰值下降率δ先增大后减小,在0.4和0.6之间达到最大;总体上,Al (OH)₃和NaHCO₃两种粉体的抑爆效率相近。但在某些阻塞比下,阻塞比引起的低湍流影响着粉体颗粒的沉降行为,使得Al (OH)₃抑爆效率优于NaHCO₃。当粉体质量浓度从80 g/m³增加到240 g/m³时,热阻增加,火焰的热量不能扩散到粒子云的中心,不利于内部粒子的吸热分解,致使浓度效应越来越弱。

     

组合多孔介质与氮气幕协同抑制瓦斯爆炸实验研究

为探究组合多孔介质与氮气幕抑制瓦斯爆炸的协同作用,在自主设计的爆炸管道内开展了爆炸实验。氮气幕距离点火位置0.9 m。实验选择的组合多孔介质是由孔隙密度为10 ppi的泡沫铁镍与20、30、40 ppi的泡沫铁镍形成的组合体,以及10 ppi的泡沫铁镍与20、40 ppi的泡沫铜组成的组合体。研究表明：合理改变多孔介质的组合能提升与氮气幕共同抑制瓦斯爆炸的效果;第一层使用泡沫铁镍和第二层使用泡沫铜的组合显著削减火焰到达多孔介质时的强度,降低超压峰值,同时能够防止刚度低的泡沫铜形变而造成淬熄失败;抑爆效果最佳的组合为孔隙密度为10 ppi的泡沫铁镍与40 ppi的泡沫铜形成的组合多孔介质。     

干水材料对瓦斯爆燃抑制的实验研究

为了研制绿色环保高效的抑爆剂,以疏水型气相二氧化硅和去离子水为原料,采用机械搅拌法制备具有“固包液”结构的干水材料。利用20 L近球形爆炸装置测试干水材料对瓦斯爆燃的抑制效果。实验结果表明：当添加的干水材料较少（2 g和3 g）时,干水材料对瓦斯爆燃产生促进效果;当添加的干水材料大于4 g时,对瓦斯爆燃有抑制效果。通过研究不同粒径的干水材料对瓦斯爆燃的影响,发现干水材料的粒径对瓦斯爆燃最大压力的影响较小,但显著影响最大爆燃压力上升速率;对比不同类型改性干水材料对瓦斯爆燃的抑制效果,综合比较得出抑制效果由强到弱顺序为：尿素改性干水材料、磷酸二氢铵改性干水材料、聚磷酸铵改性干水材料、普通干水材料。

     

温度压力对瓦斯爆炸危险性影响的实验研究

为了研究瓦斯的爆炸危险性,选取对其影响较大的初始温度和初始压力进行实验研究。运用特殊环境20 L爆炸特性测试系统,对不同初始温度(25~200 ℃)和初始压力(0.1~1.0 MPa)条件下瓦斯的爆炸极限、最大爆炸压力和点火延迟时间进行实验研究。结果表明:高温高压条件使瓦斯的爆炸上限升高、下限降低,爆炸极限范围扩大;随着初始温度升高,瓦斯爆炸的最大爆炸压力逐渐减小;初始温度越高,点火延迟时间越短。通过对实验结果的分析,运用安全原理知识和危险度定义,给出初步评估瓦斯爆炸危险性的方法。     

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。     

Experimental investigation on micro-dynamic behavior of gas explosion suppression with SiO2 fine powders

To study the effect of inert dust on gas explosion suppression mechanism, SiO₂ fine powders were sprayed to suppress premixed CH₄-Air gas explosion in a 20 L spherical experimental system. In the experiment, high speed schlieren image system was adopted to record explosion flame propagation behaviors, meanwhile, pressure transducers and ion current probes were used to clearly record the explosion flame dynamic characteristics. The experimental results show that the SiO₂ fine powders suppressed evidently the gas explosion flame, and reduced the peak value of pressure and flame speed by more than 40 %. The ion current result shows that the SiO₂ super fine powders were easy to contact with and absorb free radicals near the combustion reaction region, which greatly reduced the combustion reaction intensity, and in turn influenced the flame propagation and pressure rising.     

Y型通风采煤工作面瓦斯爆炸传播规律模拟研究

针对Y型通风采煤工作面的瓦斯爆炸传播规律,利用Fluent模拟软件,结合余吾煤矿N2105工作面实际情况开展了数值模拟研究。结果表明：模拟结果与前人的实验结果之间的最大相对误差为11.3%,最小相对误差仅为1.7%,验证了数学模型的可靠性;确定了瓦斯爆炸数值模拟最合理的关键参数网格尺寸、迭代步长和点火温度分别为0.4 m、0.10 ms和1 800 K;进风顺槽、胶带顺槽、回风巷道和工作面的瓦斯爆炸超压峰值与爆源之间的距离符合指数函数关系,到达超压峰值所需时间与爆源之间的距离符合线性函数关系;距巷道分叉口7.5 m处,工作面超压衰减率为41.03%,胶带顺槽超压衰减率为25.99%,发生爆炸时胶带顺槽内更危险;工作面分叉处湍流区由右侧逐渐向左侧移动,且巷道分叉处超压峰值会增大;回风巷道火焰消散时间最短,胶带顺槽火焰消散时间次之,工作面火焰消散时间最长;胶带顺槽和回风巷道火焰消散方向与瓦斯爆炸初期火焰传播方向相反,工作面火焰消散方向与瓦斯爆炸初期火焰传播方向一致。

     

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。     

大型通道中主动式水雾抑爆现象的实验研究

采用自制的主动水雾抑爆器,对主动水雾抑爆过程中的激波、火焰抑制作用进行了实验研究。实验结果表明:采用主动水雾抑爆时,在水雾区及其后的一定距离内激波均表现出不同程度的衰减,激波衰减随水雾空间密度增加而明显;当水雾区长度为1.6m时,在48.75kg/m3附近存在一个水雾密度临界值,水雾密度低于此值时,激波穿过水雾区后会再次成长增强,不能发生完全抑爆;保持水雾空间密度32.5kg/m3不变时,水雾区越长,激波衰减作用越明显;在2.5～3.0m之间存在一个激波完全衰减成为压缩波的水雾区临界长度。可以预知,随水雾区密度和长度变化,存在一抑爆临界曲线,此曲线将整个试验范围划分为抑爆区和非抑爆区两部分。     

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。