甲烷预混气体爆炸极限及火焰淬熄机理研究

发布时间：2017-08-24 04:19

  本文关键词：甲烷预混气体爆炸极限及火焰淬熄机理研究

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【摘要】：随着我国国民经济与社会的持续发展,能源的需求量日益增多。煤炭作为当今主要的能源之一,其开采量和开采深度在不断增加。随之而来的就是瓦斯排放量也在逐年增加。煤矿抽采的甲烷在我国有些煤矿企业用作发电,但由于排放甲烷浓度较低,利用难度大,一般通过燃烧后排入空气。但在排放的过程中会发生回火的问题,给煤矿生产带来一系列的安全问题。基于此,本课题组与澳大利亚CSIRO合作,针对煤矿井下瓦斯排放带来的火焰燃烧的阻燃问题开展了研究工作。本文的主要工作为：针对与实际相符的瓦斯成分,研究其爆炸极限及火焰的熄灭机理和条件,为设计能够工业应用的阻火器提供技术支持。在混合气体爆炸极限方面的研究是以化学平衡和吉布斯自由能为基础,采用ChemKin数值模拟软件并选取临界温度1450K作为混合气体是否可燃的判别标准,预测了混合气体爆炸极限。并以此预测结果为基础设计了一套实验装置,测定特定当量比下的混合气体的爆炸极限。同时研究了N2、C02等惰性气体对混合气体爆炸极限的影响。在7L爆炸容器内,用距点火源100mm处的光电传感器来捕捉火焰信号,以3次重复实验均未记录到火焰信号来判断混合物是否被点燃。据此对瓦斯和空气的混合气体的爆炸极限进行测量,得到了甲烷与二氧化碳按不同比例混合时在空气中的爆炸极限。在阻火方面,主要研究可燃气体在管道传输过程中意外点燃时火焰在管道内传播经过阻火器后火焰熄灭的机理及效率,研究了矩形截面管道中不同宽度狭缝装置对火焰燃烧的影响。通过改变预混气体中甲烷的含量来调整火焰进入狭缝时的速度,采用数值模拟方法和高速摄影测试方法,得出了狭缝宽度与火焰速度和淬熄长度的指数关系,为阻火器的设计与选择提供了主要的参考依据。采用Fluent软件数值模拟了火焰在狭缝内的传播和淬熄,并以1000K为火焰熄灭的临界温度,定性分析了不同火焰速度、不同狭缝宽度、不同截面形状对淬熄长度的影响程度。本文首次把定性仿真技术应用到预混气体火焰淬熄方面研究中,并用实验测试数据进行验证。验证结果比较满意,为研究预混气体火焰传播规律又提供了一种方法。本文研究的瓦斯(甲烷)和空气预混气体的爆炸极限对指导工业安全具有一定的参考价值；研究得到的火焰在狭缝内的淬熄长度与火焰速度、狭缝宽度的关系,对工业上指导阻火器选择和设计也具有应用价值。
【关键词】：爆炸极限 绝热燃烧温度 狭缝 淬熄长度 阻火器
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD712.7
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 1 绪论17-26
• 1.1 选题的背景及研究的意义17-19
• 1.2 国内外研究现状19-24
• 1.2.1 预混火焰在管道中传播的实验研究19-21
• 1.2.2 预混火焰在管道中传播的数值研究21-22
• 1.2.3 甲烷爆炸极限的研究22-23
• 1.2.4 淬熄的研究23-24
• 1.3 论文的研究内容和技术路线24-26
• 1.3.1 研究内容24-25
• 1.3.2 技术路线25-26
• 2 预混气体火焰在管道中传播和淬熄的理论分析26-58
• 2.1 可燃气体燃烧爆炸过程概述26-34
• 2.1.1 火焰在管道中传播的基本理论27-30
• 2.1.1.1 层流火焰传播理论27-28
• 2.1.1.2 湍流火焰传播理论28-30
• 2.1.2 气体爆炸的基本形式30-31
• 2.1.3 不同管道结构下火焰的传播31-33
• 2.1.4 可燃气体爆炸特性参数33-34
• 2.2 影响预混气体火焰在管道中传播的因素34-36
• 2.2.1 可燃气体的性质34
• 2.2.2 可燃气体的当量比34-35
• 2.2.3 点火能量35
• 2.2.4 其他因素的影响35-36
• 2.3 火焰淬熄的理论分析36-46
• 2.3.1 综述36
• 2.3.2 典型的淬熄理论36-38
• 2.3.3 火焰在管道中淬熄的研究38-46
• 2.4 爆炸极限46-52
• 2.4.1 预混气体爆炸极限的理论分析46-49
• 2.4.2 爆炸极限的影响因素49-50
• 2.4.3 爆炸极限的理论计算50-52
• 2.5 阻火器52-57
• 2.5.1 阻火器的分类52-53
• 2.5.2 阻火器阻火参数的理论研究53-54
• 2.5.3 阻火器的结构与材料54-57
• 2.6 本章小结57-58
• 3 实验装置的建立58-71
• 3.1 实验系统简介58-65
• 3.1.1 实验管道及爆炸罐58-61
• 3.1.2 实验管道配气系统61-62
• 3.1.3 点火系统62-63
• 3.1.4 高速摄影系统63-64
• 3.1.5 数据采集系统64-65
• 3.2 实验的研究方法和步骤65-70
• 3.2.1 实验的研究方法65
• 3.2.2 实验的内容65-70
• 3.2.2.1 火焰传播及淬熄实验过程及步骤65-66
• 3.2.2.2 爆炸极限实验过程及步骤66-70
• 3.3 本章小结70-71
• 4 混合气体爆炸极限的计算及实验研究71-92
• 4.1 混合气体的爆炸极限计算71-74
• 4.1.1 Chemkin介绍71-72
• 4.1.2 绝热火焰温度的计算72-74
• 4.2 临界温度的计算74-75
• 4.3 惰性气体对爆炸极限的影响75-79
• 4.3.1 二氧化碳对爆炸极限的影响75-77
• 4.3.2 氮气对爆炸极限的影响77-78
• 4.3.3 二氧化碳和氮气共同对爆炸极限的影响78-79
• 4.4 预混气体爆炸极限的实验研究79-91
• 4.4.1 引言79-82
• 4.4.2 甲烷/空气爆炸极限的测定82-84
• 4.4.3 甲烷/二氧化碳/空气爆炸极限的测定84-88
• 4.4.4 甲烷/氮气/空气爆炸极限的测定88-89
• 4.4.5 甲烷/氮气/二氧化碳/空气爆炸极限的测定89-91
• 4.5 本章小结91-92
• 5 火焰在狭缝中传播和淬熄理论及实验研究92-112
• 引言92
• 5.1 实验前的准备工作92-93
• 5.2 铜狭缝板实验的结果及分析93-100
• 5.2.1 实验中的不同测试结果94-95
• 5.2.2 不同火焰速度下的狭缝宽度和淬熄长度的关系95-100
• 5.3 狭缝宽度D和淬熄长度L关系的理论分析100-104
• 5.4 不锈钢狭缝实验的结果及分析104-107
• 5.5 狭缝宽度、火焰速度、截面形状对火焰的影响107-110
• 5.5.1 狭缝宽度的影响107-108
• 5.5.2 入口火焰速度的影响108-109
• 5.5.3 截面形状的影响109-110
• 5.6 本章小结110-112
• 6 Kuipers的定性仿真方法112-125
• 6.1 Kuipers的定性仿真理论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 定性仿真状态转换114-115
• 6.1.5 定性描绘图115
• 6.1.6 定性仿真过程115-116
• 6.2 定性仿真的应用116-124
• 6.2.1 基于QSIM的预混气体爆轰胞格结构建模117-118
• 6.2.2 胞格结构的实验研究118-120
• 6.2.3 不同初始条件下定性仿真分析结果和实验结果的对比120-124
• 6.2.3.1 爆轰胞格结构与气体当量比的关系120-121
• 6.2.3.2 爆轰胞格尺寸与初始压力的关系121-122
• 6.2.3.3 爆轰胞格尺寸与惰性气体浓度的关系122-124
• 6.3 本章小结124-125
• 7 结论与展望125-128
• 7.1 结论125-126
• 7.2 创新点126
• 7.3 本文的不足及展望126-128
• 参考文献128-138
• 致谢138-139
• 作者简介及读研期间主要科研成果139-140
• 附录1 主要符号对照表140-143
• 附录2 甲烷/氧气/惰性气体预混气体绝热燃烧温度云图143-146
• 附录3 甲烷/空气预混气体爆轰胞格结构实验图146

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