【摘要】：礦井火災(zāi)救災(zāi)過程中,惰性氣體滅火是常用的救災(zāi)措施之一。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于惰性氣體滅火劑在礦井防滅火中的研究,主要基于煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn),研究其抑制煤自燃的效果,而關(guān)于其抑制煤明火燃燒的實(shí)驗(yàn)研究較少。另外,關(guān)于氫氟烴類氣體(化學(xué)氣體滅火劑)抑制煤明火燃燒的研究也較少。由于固體燃燒實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性差、條件控制困難,為了研究氣體滅火劑的滅火機(jī)理和特性,研究學(xué)者大多數(shù)以油池火和可燃?xì)怏w燃燒代替固體燃燒進(jìn)行滅火實(shí)驗(yàn)。但是,礦井火災(zāi)與目前常規(guī)的氣體滅火劑滅火模擬場景存在三點(diǎn)不同:①礦井火災(zāi)為固體燃燒,其燃燒和熄滅過程比液體和氣體燃燒更為復(fù)雜,燃燒過程容易受到外界環(huán)境因素影響;②礦井火災(zāi)屬于受限空間的燃燒,受限空間內(nèi)煤燃燒過程中的特征參數(shù)(氣體濃度和溫度等)與開放空間的燃燒特征參數(shù)變化規(guī)律存在很大不同;③礦井火災(zāi)屬于明火燃燒,其燃燒過程中的煤明火燃燒階段和煤自燃氧化階段存在很大不同。因此,為了更加深入的認(rèn)識惰性氣體和氫氟烴類氣體滅火劑在抑制煤明火燃燒過程中的滅火特性和滅火效率,需要進(jìn)行不同種類氣體滅火劑抑制受限空間煤明火燃燒機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究,以期為礦井火災(zāi)救災(zāi)提供新的氣體滅火材料選擇。本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)煤燃燒基本特征參數(shù)的優(yōu)選及實(shí)驗(yàn)平臺的搭建首先通過煤自燃機(jī)理(熱平衡和鏈?zhǔn)嚼碚?、燃燒蔓延理論和滅火機(jī)理的研究,確定了可以有效評價煤燃燒過程的三個基本特征參數(shù):①火焰表面積,該值反映了燃燒過程中熱反饋的大小,定量分析火焰表面積變化趨勢有助于我們進(jìn)行煤燃燒狀態(tài)的判斷以及蔓延狀況的分析。根據(jù)Orloff“圓柱體法”原理論證了火焰表面積與火焰圖像面積成?倍關(guān)系,因此可以使用火焰圖像面積值代替火焰表面積值研究其變化趨勢;②標(biāo)志性氣體濃度,通過標(biāo)志性氣體(O2、CO、CO2和CH4)濃度的變化趨勢分析可以進(jìn)行燃燒狀態(tài)判斷及評價燃燒氧化反應(yīng)程度;③溫度,火焰溫度及煤體溫度是反映燃燒劇烈程度及火焰蔓延特性的重要參數(shù)�；谝陨先齻�煤燃燒特征參數(shù)和耗氧法原理搭建了受限空間煤燃燒實(shí)驗(yàn)平臺,該平臺利用數(shù)碼攝像儀、在線式連續(xù)分析儀和熱電偶對整個煤燃燒過程中的火焰圖像面積、標(biāo)志性氣體濃度和受限空間內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測分析,從而能夠比較全面的分析氣體滅火劑抑制煤明火燃燒過程的特性。(2)火焰圖像面積變化的提取分析基于數(shù)字圖像處理識別技術(shù)獲取火焰圖像面積。由于實(shí)驗(yàn)過程中的煙氣、水蒸氣及觀察窗玻璃污點(diǎn)等多種外界因素影響,會導(dǎo)致數(shù)碼攝像儀記錄的火焰圖像存在大量噪音,圖像質(zhì)量比較差。因此,本文首先借助matlab軟件對火焰圖像進(jìn)行對比度增強(qiáng)預(yù)處理,將其rgb直方圖處理成具有雙峰特征,以便消除火焰圖像中的背景噪聲,有效凸顯火焰圖像目標(biāo)邊緣信息;其次,基于閾值法原理,使用ipp軟件對預(yù)處理過的火焰圖像進(jìn)行目標(biāo)分割與計算,為煤燃燒實(shí)驗(yàn)過程中的火焰表面積變化趨勢分析奠定基礎(chǔ)。由于煤明火燃燒過程中火焰形態(tài)波動較大,通過數(shù)字圖像處理識別技術(shù)獲取的火焰圖像面積變化曲線也呈現(xiàn)出較大波動。因此,為了更清晰地研究火焰圖像面積的變化趨勢及主要波動信息,使用小波變換理論對火焰圖像面積變化曲線進(jìn)行消噪處理。(3)煤燃燒全過程特征及燃燒判定指標(biāo)的研究通過自行設(shè)計搭建的煤明火燃燒實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行煤自由燃燒熄滅實(shí)驗(yàn),對煤明火燃燒和陰燃熄滅過程的火焰表面積、標(biāo)志性氣體濃度、溫度變化趨勢進(jìn)行監(jiān)測。通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出:①在煤自燃階段,co、co2濃度隨著煤溫的逐漸增大而增大,在煤明火燃燒末期和陰燃熄滅初期,由于不完全氧化反應(yīng)的增加會出現(xiàn)co2生成速率和耗氧量同時減小、co生成速率增加現(xiàn)象,該階段依然具有很強(qiáng)的燃燒復(fù)燃跡象。因此,進(jìn)行火區(qū)燃燒狀態(tài)的判斷時,只有在co和co2濃度同時下降時才能初步判斷燃燒具有熄滅趨勢;②煤明火燃燒階段的熱釋放速率最大,煤燃燒的熱釋放速率與火焰尺寸成正比例變化關(guān)系,及時采取滅火措施熄滅明火燃燒對于遏制火勢的擴(kuò)大非常重要;③受限空間內(nèi)熱輻射是傳遞熱量最主要的方式,受限空間內(nèi)的溫度變化與火焰變化成正比例變化關(guān)系。通過受限空間煤自由燃燒熄滅實(shí)驗(yàn)中的氣體濃度變化對常用的9個燃燒狀態(tài)判定指標(biāo):特里克特比率(tr)、耗氧量(△o2)、燃燒比co/(co+co2)、二氧化碳指數(shù)(ico2)、氧化碳比率(co/co2)、貝斯特龍系數(shù)(f)、自燃?xì)獗确?rc和rn)、格雷哈姆系數(shù)(ico)、氣樣組分比率(rt)進(jìn)行驗(yàn)證研究。驗(yàn)證結(jié)果表明進(jìn)行礦井火災(zāi)救災(zāi)時,如果僅使用前人對這9個判定指標(biāo)總結(jié)的臨界值進(jìn)行分析容易出現(xiàn)判斷失誤,而使用其變化趨勢對燃燒狀態(tài)的分析較好。因此,在礦井火災(zāi)救災(zāi)過程中,需要重點(diǎn)使用燃燒判定指標(biāo)的變化趨勢,同時結(jié)合標(biāo)志性氣體濃度變化趨勢對火區(qū)燃燒狀態(tài)進(jìn)行綜合分析。(4)惰性氣體和氫氟烴類氣體抑制甲烷燃燒的機(jī)理研究利用氣相化學(xué)動力學(xué)軟件(chemkin)模擬計算不同濃度的n2/co2/chf3對當(dāng)量比為1的ch4/air層流預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)的影響。通過對火焰軸向距離上的主要中間產(chǎn)物濃度分布、火焰面中心位置變化、反應(yīng)物與燃燒產(chǎn)物濃度分布三個角度進(jìn)行n2/co2/chf3抑制碳?xì)浠衔镉醒嫒紵^程的機(jī)理分析。通過CHEMKIN的模擬計算分析可知:①N2主要是通過稀釋作用進(jìn)行滅火,隨著N2濃度的逐漸增加其滅火效果逐漸增強(qiáng);②CO2作為惰性氣體滅火劑的滅火作用強(qiáng)于N2,這主要是因?yàn)镃O2除了作為稀釋劑外還可以作為燃燒產(chǎn)物抑制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的正向反應(yīng)進(jìn)程,減小自由基的生成速度,從而能夠更有效地抑制燃燒;③以三氟甲烷為代表的氫氟烴類氣體主要通過參與燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)爭奪可燃物燃燒所需要的自由基(OH、H和O等)進(jìn)行滅火,因此其滅火效率比惰性氣體高,但是氫氟烴類氣體在滅火過程中會大量生成CO和具有腐蝕作用的有毒氣體HF。因此,在使用氫氟烴類氣體進(jìn)行滅火時需要控制氫氟烴類氣體的用量和滅火時間以便減小HF的生成量,減弱HF危害。(5)單一氣體(N2/CO2/C3H2F6)抑制煤明火實(shí)驗(yàn)研究開展不同流量惰性氣體(N2/CO2)、氫氟烴氣體(C3H2F6)滅火劑抑制煤明火燃燒實(shí)驗(yàn)。重點(diǎn)對實(shí)驗(yàn)過程中火焰表面積變化規(guī)律進(jìn)行分析,同時結(jié)合標(biāo)志性氣體濃度變化、溫度場變化以及CHEMKIN數(shù)值模擬計算結(jié)果,揭示了N2/CO2/C3H2F6氣體的抑制煤明火燃燒特性和效率。首先,N2/CO2/C3H2F6氣體對煤明火實(shí)驗(yàn)過程中的火焰抑制效果不同:N2對火焰表面積的影響是線性減小,CO2是指數(shù)式減小,C3H2F6是先增加然后迅速波動下降,其中C3H2F6在滅火初期對燃燒火焰的拉伸現(xiàn)象明顯;其次,綜合多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知C3H2F6滅火時間最少,CO2居中,N2耗時最多;最后,綜合分析標(biāo)志氣體濃度與溫度場變化可知,N2滅火過程中會稀釋所有反應(yīng)氣體濃度,CO2滅火過程中會增加CO的生成量,而C3H2F6滅火劑滅火時會生成大量的CO且會導(dǎo)致燃燒空間溫度場的升高。(6)混合氣體(N2/CO2與C3H2F6)抑制煤明火實(shí)驗(yàn)研究為了克服N2/CO2/C3H2F6氣體單獨(dú)滅火時存在的缺陷和問題,進(jìn)行不同濃度配比的混合氣體(N2和C3H2F6、CO2和C3H2F6)熄滅煤明火燃燒實(shí)驗(yàn),從而為混合氣體滅火劑用于礦井火災(zāi)救災(zāi)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。當(dāng)C3H2F6在N2中的混合比例小于5%時會有效提升N2降低煤燃燒火焰的表面積下降速度,而當(dāng)C3H2F6所占比例大于5%時,C3H2F6的化學(xué)滅火作用開始顯現(xiàn),火焰表面積在下降過程中出現(xiàn)閃滅現(xiàn)象,在陰燃熄滅階段的CO生成量大幅增加,同時該階段煤熱解CH4的抑制作用增強(qiáng);當(dāng)C3H2F6與CO2混合后會有效增加CO2的滅火效率,即使在C3H2F6混合比例很小時也會出現(xiàn)火焰閃滅現(xiàn)象,同時抑制了單獨(dú)使用C3H2F6時對火焰的拉伸現(xiàn)象,當(dāng)C3H2F6在混合氣體中的配比大于6.23%,六氟丙烷抑制煤熱分解CH4的特性才出現(xiàn)。
【圖文】：

技術(shù)路線圖

第二章 煤明火燃燒熄滅理論及特征參數(shù)研究衡理論，煤的自燃過程為產(chǎn)熱速率gq 和散熱速率lq率gq 遠(yuǎn)大于散熱速率lq 增加幅度致使。通過對產(chǎn)熱速變化關(guān)系分析，可以分析得出系統(tǒng)能否燃燒的臨界為橫坐標(biāo)和熱量q為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)軸上繪制gq 、lq 隨產(chǎn)熱速率與溫度成指數(shù)型變化，而散熱速率與溫度成內(nèi)壓力（或濃度）時，，可得一組產(chǎn)熱曲線g 1 g3q q，到一組平行于初始散熱曲線的曲線，即l 1 l2q q；同得到一組斜率不同的散熱曲線，即l 1 l1q q 。本文僅 進(jìn)行分析。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TD753.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2626847