氮气浓度对扰动条件下甲烷爆炸特性的影响.pdf
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1、第30卷第3期2023年 5月Vo l.30 No.3Ma y 2023妥全与环境工程Sa f et y a nd Env iro nment a l Enginee ring引用格式:王培龙,江丙友,苏明清,等.氮气浓度对扰动条件下甲燒爆炸特性的影响J.妥全与环境工程,2023,30(3):61-6&Wa ng P L,Jia ng B Y,Su M Q,et a l.Ef f ec t o f nit ro gen c o nc ent ra t io n o n met h a ne explo s io n c h a ra c t eris t ic s under t urbule
2、nc e c o ndit io ns J.Safety and EnvironmentaI Engineering,2023,30(3):61-68.氮气浓度对扰动条件下甲烷爆炸特性的影响王培龙,江丙友苏明清3*,王保1,2,杨烦挥1,2,洪汉1,2(1.安徽理工大学工业粉尘防控与职业安全健康教育部重点实验室,安徽淮南232001;2.安徽理工大学安全科学与工程学院,安徽淮南232001;3.中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京100038)摘 要:为探究不同氮气浓度对扰动条件下甲烷爆炸特性的影响,采用20 L球形爆炸试验装置开展了不同浓度(体积分数)甲烷爆炸的抑制试验,试验的扰
3、动条件由空气射流产生,扰动强度通过粉尘仓的初始压力控制,并采用 CHEMKIN软件对甲烷爆炸的反应机理进行了敏感性分析。结果表明:无论是均匀静置状态还是扰动条件下,甲 烷的爆炸强度均随氮气浓度的增加逐渐减弱,且氮气对高浓度甲烷爆炸的抑制作用更显著,在11.2%甲烷浓度和 1.5 MPa扰动强度下甲烷的最大爆炸压力下降值最大,其值为0.663 5 MPa;相比均匀静置状态,扰动条件在一定 程度上削弱了氮气对甲烷爆炸的抑制作用,增加了甲烷的爆炸强度,导致甲烷的爆炸压力峰值时刻延长,且不同扰 动强度之间甲烷的最大爆炸压力值均相近;氮气不会直接参与甲烷爆炸过程中的基元反应,而是通过稀释反应系 统中的氧
4、气浓度来影响基元反应的进行。该研究结果可为有效防治瓦斯爆炸提供理论参考。关键词:甲烷爆炸;抑爆试验;氮气;扰动;敏感性分析;CHEMKIN软件中图分类号:X932 文章编号:1671-1556(2023)03-0061-08 收稿日期:2022-07-17DOI;10.13578/ki.issn.1671-1556.20220981 开放科学(资源服务)标识码(OSID):Effect o f Nitro gen Co ncentratio n o n Meth ane Explo sio n Ch aracteristics under Turbulence Co nditio nsWANG
5、 Peilo ng12 JIANG Binyo u12,SU Mingqing3*,WANG Ba o12,YANG Bingh ui12,HONG Ha n12(1.Ke y L abo rato ry o f Ind ustrial Dust Prev entio n and Co ntro l&Oc c upatio nal Health and Saf e ty,Ministry o f Ed uc atio n Anh ui University o f Sc ie nc e&Tec h no lo g y,Huainan 232001,Ch ina;2.Sc h o o l o f
6、 Saf e ty Sc ie nc e and Eng inee ring Anh ui University o f Sc ienc e&Tec h no lo g y,Huainan 232001,Ch ina;3 Sc h o o l o f Emerg e nc y Manag ement and Saf e ty Eng inee ring,Ch ina University o f Mining and Tec h no lo g y CBeijing 9Be ijing 100038 CAzna)Abst r ac t:Th e ef f ec t o f nit ro gen
7、 v o lume f ra c t io n o n t h e explo s io n c h a ra c t eris t ic s o f CH4/N2/a ir mixt ures a t dif f erent met h a ne v o lume f ra c t io n under dif f erent t urbulenc e c o ndit io ns wa s experiment a lly s t udied by us ing a 20 L s ph ere explo s io n experiment a l equipment.Th e t urb
8、ulenc e c o ndit io n o f t h e experiment wa s genera t ed by t h e a ir je t,a nd it s int ens it y is c o nt ro lled by c h a nging t h e init ia l pres s ure o f t h e po wder s t o ra ge t a nk Th en t h e s ens it iv it y a na lys is o f t h e rea c t io n mec h a nis m o f met h a ne explo s
9、io n wa s c o nduc t ed by us ing CHEMKIN s o f t wa re.Th e res ult s s h o w t h a t wh et h er it is under t h e s t a nding c o ndit io n o r t urbulenc e c o ndi-t io n,t h e explo s io n int ens it y o f met h a ne gra dua lly dec rea s es wit h t h e inc rea s e o f nit ro gen c o nc e nt ra
10、t io n,a nd nit ro ge n h a s a mo re s ignif ic a nt s uppres s io n ef f ec t o n h igh-c o nc ent ra t io n met h a ne,a nd t h e ma ximum explos io n pres s ure dro p h a s a ma ximum v a lue o f 0.663 5 MPa wh en t h e met h a ne c o nc ent ra t io n is 11.2%a nd t h e t urbulenc e int ens it y
11、 is 1.5 MPa.Co mpa red t o a s t a nding c o ndit io n,t h e t urbulenc e wea k ens t h e explo s io n 基金项目:国家自然科学基金项目(51874009)作者简介:王培龙(1996),男,硕士研究生,主要研究方向为气体粉尘爆炸防治。E-ma il:1512901842qq.c o m 通讯作者:苏明清(1995),男,博士研究生,主要研究方向为气体粉尘爆炸防治。E-ma il:mqs u_ c a uc 163.c o m62安冬与琢境工裡 ht t p:/水t aq.c bpt.c 第30卷
12、inh ibit o ry ef f e c t o f nit ro gen t o a c ert a in ext e nt,inc rea s es t h e explo s io n int ens it y o f met h a ne,a nd pro lo ngs t h e explo s io n pres s ure pea k t ime.Bes ides,t h e ma ximum explo s io n pres s ure o f met h a ne is s imila r bet ween dif f erent t urbule nc e int e
13、ns it ies.Nit ro gen do es no t direc t ly pa rt ic ipa t e in t h e element a ry rea c t io n in t h e met h a ne explo s io n pro c e s s,but a f f ec t s t h e pro gres s o f t h e element a ry rea c t io ns by dilut ing t h e o xygen c o nc ent ra t io n in t h e rea c t io n s ys t em.Th e res
14、e a rc h res ult s c a n pro v ide t h eo ret ic a l ref erenc e f o r ef f ec t iv e prev ent io n a nd c o nt ro l o ga s explo s io n.Key wo r ds:met h a ne explo s io n;explo s io n s uppres s io n experiment;nit ro ge n;t urbulenc e;s ens it iv it y a na lys is;CHEMKIN s o f t wa re瓦斯(主要成分是甲烷)爆
15、炸是严重威胁煤矿安 全生产的重要因素为了预防和控制瓦斯爆炸,国 内外学者对瓦斯爆炸特性进行了大量的研究,但取 得的研究成果多是基于宏观静止状态下的瓦斯气体 爆炸塚。而在实际爆炸场景中,因为机械通风或者 障碍物作用,瓦斯气体往往会发生不规则运动,即瓦 斯气体处于流动状态3。目前已有的研究发现,流 动状态下的甲烷爆炸强度更高,危险性更大。如:谢 溢月等页通过试验研究了甲烷的动态爆炸极限,发 现在动态条件下甲烷的爆炸下限值比静态时的爆炸 下限值高,动态条件下甲烷的爆炸上限值比静态时 的爆炸上限值低;Sun等卩如从燃烧速度的角度对 密闭空间内湍流对甲烷/氢气/空气爆炸的演化过程 进行了研究,发现湍流强
16、度和氢气含量对爆炸超压 的作用相反。因此,有必要对扰动条件下甲烷爆炸 的抑制方法和抑制机理进行研究。国内外学者对甲烷爆炸的抑制方法主要是使用 粉体2、惰性气体切、细水雾“阁等抑爆剂。其中,惰性气体作为抑爆剂,因其具有清洁、高效、安 全等特性而被广泛使用口旳,尤其是氮气,不仅价格 低廉,而且抑爆效果明显,已经被用来开展大量的甲 烷抑爆试验研究。如:时国庆等旳、周西华等回、Ch e ng等旳研究了惰性气体对甲烷爆炸界限的影 响,发现随着氮气浓度的增加,甲烷爆炸界限范围逐 渐缩小,爆炸危险性降低;Lia ng等關研究了甲烷-氮气-空气混合气体在定容燃烧中的火焰特性,发现 当混合气体中氮气浓度超过20
17、%时,火焰会不稳 定、容易熄灭;王颖如、张迎新等旳研究了氮气对甲 烷-空气混合气体爆炸的抑制作用,发现当甲烷浓度 一定时,随着氮气浓度的增加,不同甲烷浓度下的最 大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率均减小,且对 较高浓度甲烷的抑爆效果更为显著;杨春丽等口门采 用化学动力学软件研究了不同浓度氮气和水蒸气条 件下甲烷爆炸的压力、温度和达到最大压力的时间,发现氮气和水蒸气的加入能有效抑制甲烷爆炸基元 反应的速率。综上研究可知,目前氮气对甲烷爆炸的抑制研 究主要集中在宏观静止状态,而扰动条件下氮气对 甲烷爆炸的抑制研究较少。鉴于此,本文利用20 L 爆炸球试验装置系统,通过空气射流形成扰动环境,测试氮气浓
18、度对不同扰动强度下甲烷爆炸特性的影 响,为有效防治瓦斯爆炸提供一定的理论依据。1试验装置与方法1.1试验装置本试验采用20 L爆炸球试验装置,该试验装置 系统主要由配气装置、20 L球形腔体、粉尘仓、点火 装置、数据采集装置和排气装置等构成,如图1所 Zjs O图1 20 L爆炸球试验装置系统示意图Fig.1 Schematic diag ram of 20 L explosion ball experimental equipment本试验所用的20 L爆炸球腔体,进气量由电磁 阀控制,精度为0.1%,静态预混时间设置为300 s;粉尘仓用于储存压缩空气,容积为0.6 L;点火为电 火花点火
19、,点火电极位于球形腔体中心,点火能量为 10 J;排气装置包括泄压阀和大功率吸尘器。甲烷 气体(纯度大于99.98%)和理想空气(组成为 20.98%氧气和79.02%氮气)由合肥恒隆电气有限 公司提供。试验过程由计算机系统自动控制,试验结束后第3期王培龙等:氮气浓度对扰动条件下甲烷爆炸特性的影响63通过数据采集系统接收数据到计算机中。试验时在 电磁阀控制下,在球形腔体中充入甲烷、氮气和空 气,然后由点火电极点火引爆该混合气体,同时预设 数据采集时间为1.5 s,并将采集的数据保存于计算 机中。1.2试验方法与条件试验过程主要包括抽真空、配气、空气配平、粉 尘仓充压(将高压空气充入粉尘仓)、点
20、火、数据采集 和排气等。试验前,向粉尘仓内充入一定压力的高 压空气,启动试验后,由电磁阀控制喷嘴向球形腔体 内喷入空气,在经历预设的延迟时间(300 ms)后,由 点火电极点火引爆甲烷-氮气-空气混合气体,数据 采集系统同步采集甲烷爆炸压力信号。喷入的空气 射流改变了气体的混合状态,形成了扰动环境,并在 点火前将球形腔体内压力补充到常压状态。试验选用7.8%、9.5%和11.2%三个甲烷浓度(体积分数),分别对应富氧、当量比和贫氧状态下的 甲烷爆炸。球形腔体内甲烷、氮气和空气的混合比 例通过分压法控制,在测试试验中考虑了不同比例 的气体混合物,各组试验的气体浓度(体积分数)见 表1。每组试验设
21、置了 5种环境条件:即通过粉尘 仓产生的初始扰动强度(勺)分别为勿(大气压,其 值为0.101 3 MPa,即储粉罐内无高压空气填充,混 合气体爆炸前处于均匀静置状态)、0.5,1.0,1.5和 2.0 MPa;5个氮气浓度为0%、5%、10%、15%和 20%。表1试验混合气体的初始条件Table 1 Initial conditions o the test g as mixtures初始扰动强度(勿)/MPa-混合气体各组分初始浓度/%甲烷氮气空气092.2587.27.81082.21577.22072.2090.5585.50.101 3(仇)、0.5、1.0、1.5、2.09.51
22、080.51575.52070.508&8583.811.2107&81573.8206&8根据美国标准材料试验协会(ASTM)所确定的试验判据旳,若1次试验中爆炸压力升高7%以上,则说明发生了爆炸。每一工况至少进行3次试验,只要发生了 1次爆炸,则视为发生爆炸;若3次试验 均没有发生爆炸,则视为不爆炸。爆炸压力参数和 相应的时间指标是每种工况下3次平行试验的平均 值。2试验结果与分析通过大量试验,分析甲烷-氮气-空气混合气体 爆炸过程中压力、时间等参数的变化,得到添加氮气 对扰动条件下甲烷-空气混合气体爆炸的最大爆炸 压力力町、爆炸压力进程、爆炸压力峰值时刻s最 大爆炸压力上升速率(dp/d
23、t)*和爆炸指数Kg的 影响规律。2.1添加氮气对不同浓度甲烷-空气混合气体最大 爆炸压力的影响最大爆炸压力久込是爆炸过程中压力所达到的 最大值,能够反映甲烷爆炸的严重程度。由于试验 装置并非标准的20 L爆炸球,导致实际最大爆炸压 力与标准20 L爆炸球试验结果存在合理的偏差。图2为不同甲烷浓度时,氮气浓度对不同扰动强度 条件下甲烷-空气混合气体最大爆炸压力的影响。由图2可知:不同浓度甲烷时,甲烷-空气混合 气体的最大爆炸压力随着氮气浓度的增加整体均呈 下降趋势;相比于均匀静置(力=勿)条件,扰动条件 下甲烷-空气混合气体的最大爆炸压力明显增加,但 同一氮气浓度时不同扰动强度条件下甲烷-空气
24、混 合气体的最大爆炸压力差别不明显;当氮气浓度增 加到20%时,均匀静置状态、0.5,1.0,1.5和2.0 MPa扰动强度条件下甲烷-空气混合气体的最大爆 炸压力在甲烷浓度为7.8%时分别下降了 0.068 5、0.095.0.049.0.046.0.028 MPa,在甲烷浓度为 9.5%时分别下降了 0.529,0.647.0.593,0.633、0.635 MPa,在甲烷浓度为11.2%时分别下降了 0.402 5、0.65、0.65,0.663 5,0.654 MPa,这说明无 论是均匀静置状态还是扰动条件下,添加氮气均能 够抑制甲烷的爆炸强度,且氮气对高浓度甲烷爆炸 的抑制作用更显著
25、;当氮气浓度一定时,相对于均匀 静置条件,扰动条件能够促进甲烷的爆炸。这是因 为一方面同一扰动强度条件下,由于氮气具有良好 的热效应,会增加混合气体与爆炸球腔体器壁之间 的热传递,导致系统散热量逐渐增加,从而降低反应 的温度,影响甲烷爆炸压力峰值的变化皿,且添加 氮气会使氧气浓度降低,但添加氮气对低浓度甲烷64安冬与琢境工裡 ht t p:/水t aq.c bpt.c 第30卷8 7-.o.o.o.aao.o.a Edw z田畏醱431 5009.5%甲/9.5%甲彳9.5%甲彳9.5%甲 3 9.5%甲;I汁0%蜃 汁5%靈 汁 10%?汁 15%汁 20%;3(b)扰动强度为0.5 MPa
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