氮气浓度对扰动条件下甲烷爆炸特性的影响.pdf

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 urbulenc 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 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 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 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 urbulenc 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 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 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 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 ens 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 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%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