本文關鍵詞：甲烷預混氣體爆炸極限及火焰淬熄機理研究

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【摘要】：隨著我國國民經(jīng)濟與社會的持續(xù)發(fā)展,能源的需求量日益增多。煤炭作為當今主要的能源之一,其開采量和開采深度在不斷增加。隨之而來的就是瓦斯排放量也在逐年增加。煤礦抽采的甲烷在我國有些煤礦企業(yè)用作發(fā)電,但由于排放甲烷濃度較低,利用難度大,一般通過燃燒后排入空氣。但在排放的過程中會發(fā)生回火的問題,給煤礦生產(chǎn)帶來一系列的安全問題�；诖�,本課題組與澳大利亞CSIRO合作,針對煤礦井下瓦斯排放帶來的火焰燃燒的阻燃問題開展了研究工作。本文的主要工作為：針對與實際相符的瓦斯成分,研究其爆炸極限及火焰的熄滅機理和條件,為設計能夠工業(yè)應用的阻火器提供技術支持。在混合氣體爆炸極限方面的研究是以化學平衡和吉布斯自由能為基礎,采用ChemKin數(shù)值模擬軟件并選取臨界溫度1450K作為混合氣體是否可燃的判別標準,預測了混合氣體爆炸極限。并以此預測結果為基礎設計了一套實驗裝置,測定特定當量比下的混合氣體的爆炸極限。同時研究了N2、C02等惰性氣體對混合氣體爆炸極限的影響。在7L爆炸容器內(nèi),用距點火源100mm處的光電傳感器來捕捉火焰信號,以3次重復實驗均未記錄到火焰信號來判斷混合物是否被點燃。據(jù)此對瓦斯和空氣的混合氣體的爆炸極限進行測量,得到了甲烷與二氧化碳按不同比例混合時在空氣中的爆炸極限。在阻火方面,主要研究可燃氣體在管道傳輸過程中意外點燃時火焰在管道內(nèi)傳播經(jīng)過阻火器后火焰熄滅的機理及效率,研究了矩形截面管道中不同寬度狹縫裝置對火焰燃燒的影響。通過改變預混氣體中甲烷的含量來調(diào)整火焰進入狹縫時的速度,采用數(shù)值模擬方法和高速攝影測試方法,得出了狹縫寬度與火焰速度和淬熄長度的指數(shù)關系,為阻火器的設計與選擇提供了主要的參考依據(jù)。采用Fluent軟件數(shù)值模擬了火焰在狹縫內(nèi)的傳播和淬熄,并以1000K為火焰熄滅的臨界溫度,定性分析了不同火焰速度、不同狹縫寬度、不同截面形狀對淬熄長度的影響程度。本文首次把定性仿真技術應用到預混氣體火焰淬熄方面研究中,并用實驗測試數(shù)據(jù)進行驗證。驗證結果比較滿意,為研究預混氣體火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律又提供了一種方法。本文研究的瓦斯(甲烷)和空氣預混氣體的爆炸極限對指導工業(yè)安全具有一定的參考價值；研究得到的火焰在狹縫內(nèi)的淬熄長度與火焰速度、狹縫寬度的關系,對工業(yè)上指導阻火器選擇和設計也具有應用價值。
【關鍵詞】：爆炸極限 絕熱燃燒溫度 狹縫 淬熄長度 阻火器
【學位授予單位】：安徽理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD712.7
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 1 緒論17-26
• 1.1 選題的背景及研究的意義17-19
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-24
• 1.2.1 預混火焰在管道中傳播的實驗研究19-21
• 1.2.2 預混火焰在管道中傳播的數(shù)值研究21-22
• 1.2.3 甲烷爆炸極限的研究22-23
• 1.2.4 淬熄的研究23-24
• 1.3 論文的研究內(nèi)容和技術路線24-26
• 1.3.1 研究內(nèi)容24-25
• 1.3.2 技術路線25-26
• 2 預混氣體火焰在管道中傳播和淬熄的理論分析26-58
• 2.1 可燃氣體燃燒爆炸過程概述26-34
• 2.1.1 火焰在管道中傳播的基本理論27-30
• 2.1.1.1 層流火焰?zhèn)鞑ダ碚?/span>27-28
• 2.1.1.2 湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚?/span>28-30
• 2.1.2 氣體爆炸的基本形式30-31
• 2.1.3 不同管道結構下火焰的傳播31-33
• 2.1.4 可燃氣體爆炸特性參數(shù)33-34
• 2.2 影響預混氣體火焰在管道中傳播的因素34-36
• 2.2.1 可燃氣體的性質34
• 2.2.2 可燃氣體的當量比34-35
• 2.2.3 點火能量35
• 2.2.4 其他因素的影響35-36
• 2.3 火焰淬熄的理論分析36-46
• 2.3.1 綜述36
• 2.3.2 典型的淬熄理論36-38
• 2.3.3 火焰在管道中淬熄的研究38-46
• 2.4 爆炸極限46-52
• 2.4.1 預混氣體爆炸極限的理論分析46-49
• 2.4.2 爆炸極限的影響因素49-50
• 2.4.3 爆炸極限的理論計算50-52
• 2.5 阻火器52-57
• 2.5.1 阻火器的分類52-53
• 2.5.2 阻火器阻火參數(shù)的理論研究53-54
• 2.5.3 阻火器的結構與材料54-57
• 2.6 本章小結57-58
• 3 實驗裝置的建立58-71
• 3.1 實驗系統(tǒng)簡介58-65
• 3.1.1 實驗管道及爆炸罐58-61
• 3.1.2 實驗管道配氣系統(tǒng)61-62
• 3.1.3 點火系統(tǒng)62-63
• 3.1.4 高速攝影系統(tǒng)63-64
• 3.1.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)64-65
• 3.2 實驗的研究方法和步驟65-70
• 3.2.1 實驗的研究方法65
• 3.2.2 實驗的內(nèi)容65-70
• 3.2.2.1 火焰?zhèn)鞑ゼ按阆▽嶒炦^程及步驟65-66
• 3.2.2.2 爆炸極限實驗過程及步驟66-70
• 3.3 本章小結70-71
• 4 混合氣體爆炸極限的計算及實驗研究71-92
• 4.1 混合氣體的爆炸極限計算71-74
• 4.1.1 Chemkin介紹71-72
• 4.1.2 絕熱火焰溫度的計算72-74
• 4.2 臨界溫度的計算74-75
• 4.3 惰性氣體對爆炸極限的影響75-79
• 4.3.1 二氧化碳對爆炸極限的影響75-77
• 4.3.2 氮氣對爆炸極限的影響77-78
• 4.3.3 二氧化碳和氮氣共同對爆炸極限的影響78-79
• 4.4 預混氣體爆炸極限的實驗研究79-91
• 4.4.1 引言79-82
• 4.4.2 甲烷/空氣爆炸極限的測定82-84
• 4.4.3 甲烷/二氧化碳/空氣爆炸極限的測定84-88
• 4.4.4 甲烷/氮氣/空氣爆炸極限的測定88-89
• 4.4.5 甲烷/氮氣/二氧化碳/空氣爆炸極限的測定89-91
• 4.5 本章小結91-92
• 5 火焰在狹縫中傳播和淬熄理論及實驗研究92-112
• 引言92
• 5.1 實驗前的準備工作92-93
• 5.2 銅狹縫板實驗的結果及分析93-100
• 5.2.1 實驗中的不同測試結果94-95
• 5.2.2 不同火焰速度下的狹縫寬度和淬熄長度的關系95-100
• 5.3 狹縫寬度D和淬熄長度L關系的理論分析100-104
• 5.4 不銹鋼狹縫實驗的結果及分析104-107
• 5.5 狹縫寬度、火焰速度、截面形狀對火焰的影響107-110
• 5.5.1 狹縫寬度的影響107-108
• 5.5.2 入口火焰速度的影響108-109
• 5.5.3 截面形狀的影響109-110
• 5.6 本章小結110-112
• 6 Kuipers的定性仿真方法112-125
• 6.1 Kuipers的定性仿真理論112-116
• 6.1.1 概述112
• 6.1.2 基本概念112-113
• 6.1.3 定性仿真模型113-114
• 6.1.4 定性仿真狀態(tài)轉換114-115
• 6.1.5 定性描繪圖115
• 6.1.6 定性仿真過程115-116
• 6.2 定性仿真的應用116-124
• 6.2.1 基于QSIM的預混氣體爆轟胞格結構建模117-118
• 6.2.2 胞格結構的實驗研究118-120
• 6.2.3 不同初始條件下定性仿真分析結果和實驗結果的對比120-124
• 6.2.3.1 爆轟胞格結構與氣體當量比的關系120-121
• 6.2.3.2 爆轟胞格尺寸與初始壓力的關系121-122
• 6.2.3.3 爆轟胞格尺寸與惰性氣體濃度的關系122-124
• 6.3 本章小結124-125
• 7 結論與展望125-128
• 7.1 結論125-126
• 7.2 創(chuàng)新點126
• 7.3 本文的不足及展望126-128
• 參考文獻128-138
• 致謝138-139
• 作者簡介及讀研期間主要科研成果139-140
• 附錄1 主要符號對照表140-143
• 附錄2 甲烷/氧氣/惰性氣體預混氣體絕熱燃燒溫度云圖143-146
• 附錄3 甲烷/空氣預混氣體爆轟胞格結構實驗圖146

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