《工程科学学报》：Csub2subHsub6sub、Csub2subHsub4sub、CO与Hsub2sub对甲烷爆炸压力及动力学特性影响（西安科技大学：罗振敏、刘利涛、王涛、张江、程方明）

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering C2。C2H4、C0与H2对甲烷爆炸压力及动力学特性影响 罗振敏刘利涛王涛张江程方明 Effect of CHCH COand H on the explosion pressure and kinetic characteristics of methane LUO Zhen-min,LIU Li-tao.WANG Tao,ZHANG Jiang.CHENG Fang-ming 引用本文： 罗振敏，刘利涛，王涛，张江，程方明.C2H。、C2H4、C0与H2对甲烷爆炸压力及动力学特性影响.工程科学学报，2022， 443:339-347.doi10.13374j.issn2095-9389.2020.10.22.002 LUO Zhen-min,LIU Li-tao,WANG Tao,ZHANG Jiang,CHENG Fang-ming.Effect of C2HC2H CO and H2 on the explosion pressure and kinetic characteristics of methane[J].Chinese Journal of Engineering,2022,44(3):339-347.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.10.22.002 在线阅读View online:htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.10.22.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in H,H,O气氛下FeC合金薄带气固脱碳反应动力学 Gassolid reaction kinetics of decarburization of FeC alloy strips in H2/H2O 工程科学学报.2021,43(6：816 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.04.17.003 基于改进差分进化算法的加热炉调度方法 Reheat furnace production scheduling based on the improved differential evolution algorithm 工程科学学报.2021,433：422 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.02.19.004 剧烈瓦斯爆炸隧道洞口致损机理 Damage mechanism of tunnel portal subjected to severe gas explosion 工程科学学报.2018.40(12：1476 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.005 CaCL,-LiBr(1.35:l)/H,0工质对的热物性及应用 Thermophysical properties and applications of CaCl-LiBr(1.35:1)/H,O as a working pair 工程科学学报.2018.40(2：167htps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.02.006 锂离子电芯用电极对温度与S0C的敏感性 Sensitivity of electrodes in a lithium ion cell to temperature and SOC 工程科学学报.2018,40(6)：729 https:1doi.org10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.011 C0,分压对N80油管钢在C0,驱注井环空环境中应力腐蚀行为的影响 Effect of CO,partial pressure on the stress corrosion cracking behavior of N80 tubing steel in the annulus environment of CO injection well 工程科学学报.2020,42(9)：1182 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.04.13.004

C2 H6、C2 H4、CO与H2对甲烷爆炸压力及动力学特性影响 罗振敏 刘利涛 王涛 张江 程方明 Effect of C2 H6 C2 H4 CO and H2 on the explosion pressure and kinetic characteristics of methane LUO Zhen-min, LIU Li-tao, WANG Tao, ZHANG Jiang, CHENG Fang-ming 引用本文: 罗振敏, 刘利涛, 王涛, 张江, 程方明. C2 H6、C2 H4、CO与H2对甲烷爆炸压力及动力学特性影响[J]. 工程科学学报, 2022, 44(3): 339-347. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.22.002 LUO Zhen-min, LIU Li-tao, WANG Tao, ZHANG Jiang, CHENG Fang-ming. Effect of C2 H6、C2 H4、CO and H2 on the explosion pressure and kinetic characteristics of methane[J]. Chinese Journal of Engineering, 2022, 44(3): 339-347. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.10.22.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.22.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in H2 /H2 O气氛下FeC合金薄带气固脱碳反应动力学 Gassolid reaction kinetics of decarburization of FeC alloy strips in H2 /H2 O 工程科学学报. 2021, 43(6): 816 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.17.003 基于改进差分进化算法的加热炉调度方法 Reheat furnace production scheduling based on the improved differential evolution algorithm 工程科学学报. 2021, 43(3): 422 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.19.004 剧烈瓦斯爆炸隧道洞口致损机理 Damage mechanism of tunnel portal subjected to severe gas explosion 工程科学学报. 2018, 40(12): 1476 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.005 CaCl2 -LiBr(1.35:1)/H2 O工质对的热物性及应用 Thermophysical properties and applications of CaCl2 -LiBr(1.35:1)/H2 O as a working pair 工程科学学报. 2018, 40(2): 167 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.02.006 锂离子电芯用电极对温度与SOC的敏感性 Sensitivity of electrodes in a lithium ion cell to temperature and SOC 工程科学学报. 2018, 40(6): 729 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.011 CO2分压对N80油管钢在CO2驱注井环空环境中应力腐蚀行为的影响 Effect of CO2 partial pressure on the stress corrosion cracking behavior of N80 tubing steel in the annulus environment of CO2 injection well 工程科学学报. 2020, 42(9): 1182 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.13.004

工程科学学报.第44卷，第3期：339-347.2022年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.3:339-347,March 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.22.002;http://cje.ustb.edu.cn C2H6、C2H4、CO与H2对甲烷爆炸压力及动力学特性影响 罗振敏2)区，刘利涛2，王涛引，张江，程方明2) 1)西安科技大学安全科学与工程学院，西安7100542)陕西省工业过程安全与应急救援工程技术研究中心.西安710054 3)西安科技大学矿业工程博士后流动站，西安7100544)西安科技大学期刊中心，西安710054 ☒通信作者，E-mail:zmluo@xust.edu.cn 摘要为量化可燃气体爆燃引起的潜在危险性提供相关的基础数据，设计出在气体燃料加工、储存和运输过程中能够承受 爆炸危险的容器.运用20L球形气体爆炸系统，在不同初始温度(298~373K)与不同的预混气体(CO、H2、C,H4、C,H,)体积 分数(0.4%~2.0%)条件下，获取了甲烷体积分数为7%与11%的甲烷-空气混合物的爆炸压力特性参数.此外，采用 CHEMKIN软件，模拟分析了不同体积分数的预混气体在爆炸过程中H·、O·和·OH自由基摩尔分数的变化趋势，并进行了敏 感性分析.结果表明，同一体积分数的预混气体，随初始温度的增加，最大爆炸压力呈线性降低，最大爆炸压力上升速率几乎 恒定或下降.同一初始温度，对于甲烷体积分数为7%的甲烷-空气混合物，随着预混气体的体积分数增大到2%，其最大爆炸 压力、最大爆炸压力上升速率均呈增大的趋势，而甲烷体积分数为11%的甲烷-空气混合物对应的最大爆炸压力与最大爆炸 压力上升速率均呈减小趋势.随着预混气体体积分数的增加，甲烷体积分数为7%的甲烷-空气混合物在爆炸过程中H、 O和·OH自由基摩尔分数峰值上升.O和OH自由基摩尔分数峰值在甲烷体积分数为11%的甲烷-空气混合物中呈下降趋 势，H自由基摩尔分数峰值有所上升.对于甲烷体积分数为7%与11%的甲烷-空气混合物，其影响甲烷的关键基元反应式 不变，敏感性系数随预混气体体积分数的增加而减弱 关键词甲烷爆炸：初始温度；爆炸压力特性；压力预测：敏感性分析 分类号TD712.7 Effect of C2H6 C2H4 CO and H2 on the explosion pressure and kinetic characteristics of methane LUO Zhen-min2 LIU Li-tao2,WANG Tao,ZHANG Jiang)CHENG Fang-ming2) 1)School of Safety Science and Engineering,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China 2)Shaanxi Engineering Research Center for Industrial Process Safety Emergency Rescue,Xi'an 710054,China 3)Postdoctoral Programme of Mineral Engineering,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China 4)Journal Publishing Center,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China Corresponding author,E-mail:zmluo@xust.edu.cn ABSTRACT The gas composition of spontaneous coal combustion in a high-temperature mine fire area is extremely complex.Due to the low-temperature oxidation or pyrolysis of coal,a variety of combustible and explosive gases are produced,such as CH.CO,H2, C2H,C2H4,C3Hg,and C2H2 The paper provided associated basic data to quantify potential hazards caused by flammable gases and design containers that can withstand explosion during gas fuel processing,storage,and transportation.Under different initial temperatures (298-373 K)and varying volume fractions of the premixed gases (CO,H,C2H4,and C2H:0.4%-2.0%),when volume fraction of methane is 7%and 11%,the explosion pressure characteristic parameters were obtained in a 20 L spherical gas explosion system.In addition,the change in trend of the mole fraction of H.,O.,and OH radicals of the gas mixture during the explosion process 收稿日期：2020-10-22 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51674193)：陕西省创新能力支撑计划资助项目(2020TD-021)

C2H6、C2H4、CO 与 H2 对甲烷爆炸压力及动力学特性影响 罗振敏1,2) 苣，刘利涛1,2)，王    涛3)，张    江1,4)，程方明1,2) 1) 西安科技大学安全科学与工程学院，西安 710054    2) 陕西省工业过程安全与应急救援工程技术研究中心，西安 710054     3) 西安科技大学矿业工程博士后流动站，西安 710054    4) 西安科技大学期刊中心，西安 710054 苣通信作者， E-mail: zmluo@xust.edu.cn 摘    要    为量化可燃气体爆燃引起的潜在危险性提供相关的基础数据，设计出在气体燃料加工、储存和运输过程中能够承受 爆炸危险的容器. 运用 20 L 球形气体爆炸系统，在不同初始温度（298～373 K）与不同的预混气体（CO、H2、C2H4、C2H6）体积 分数（0.4%～2.0%）条件下，获取了甲烷体积分数为 7% 与 11% 的甲烷−空气混合物的爆炸压力特性参数. 此外，采用 CHEMKIN 软件，模拟分析了不同体积分数的预混气体在爆炸过程中 H·、O· 和·OH 自由基摩尔分数的变化趋势，并进行了敏 感性分析. 结果表明，同一体积分数的预混气体，随初始温度的增加，最大爆炸压力呈线性降低，最大爆炸压力上升速率几乎 恒定或下降. 同一初始温度，对于甲烷体积分数为 7% 的甲烷−空气混合物，随着预混气体的体积分数增大到 2%，其最大爆炸 压力、最大爆炸压力上升速率均呈增大的趋势，而甲烷体积分数为 11% 的甲烷−空气混合物对应的最大爆炸压力与最大爆炸 压力上升速率均呈减小趋势. 随着预混气体体积分数的增加，甲烷体积分数为 7% 的甲烷−空气混合物在爆炸过程中 H·、 O·和·OH 自由基摩尔分数峰值上升. O·和·OH 自由基摩尔分数峰值在甲烷体积分数为 11% 的甲烷−空气混合物中呈下降趋 势，H·自由基摩尔分数峰值有所上升. 对于甲烷体积分数为 7% 与 11% 的甲烷−空气混合物，其影响甲烷的关键基元反应式 不变，敏感性系数随预混气体体积分数的增加而减弱. 关键词    甲烷爆炸；初始温度；爆炸压力特性；压力预测；敏感性分析 分类号    TD712.7 Effect of C2H6、C2H4、CO and H2 on the explosion pressure and kinetic characteristics of methane LUO Zhen-min1,2) 苣 ，LIU Li-tao1,2) ，WANG Tao3) ，ZHANG Jiang1,4) ，CHENG Fang-ming1,2) 1) School of Safety Science and Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China 2) Shaanxi Engineering Research Center for Industrial Process Safety & Emergency Rescue, Xi’an 710054, China 3) Postdoctoral Programme of Mineral Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China 4) Journal Publishing Center, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China 苣 Corresponding author, E-mail: zmluo@xust.edu.cn ABSTRACT    The gas composition of spontaneous coal combustion in a high-temperature mine fire area is extremely complex. Due to the low-temperature oxidation or pyrolysis of coal, a variety of combustible and explosive gases are produced, such as CH4 , CO, H2 , C2H6 , C2H4 , C3H8 , and C2H2. The paper provided associated basic data to quantify potential hazards caused by flammable gases and design  containers  that  can  withstand  explosion  during  gas  fuel  processing,  storage,  and  transportation.  Under  different  initial temperatures (298–373 K) and varying volume fractions of the premixed gases (CO, H2 , C2H4 , and C2H6 : 0.4%–2.0%), when volume fraction of methane is 7% and 11%, the explosion pressure characteristic parameters were obtained in a 20 L spherical gas explosion system. In addition, the change in trend of the mole fraction of H·, O·, and OH radicals of the gas mixture during the explosion process 收稿日期: 2020−10−22 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51674193）；陕西省创新能力支撑计划资助项目（2020TD-021） 工程科学学报，第 44 卷，第 3 期：339−347，2022 年 3 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. 3: 339−347, March 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.22.002; http://cje.ustb.edu.cn

340 工程科学学报，第44卷.第3期 was analyzed and simulated.Sensitivity analysis was performed using the CHEMKIN software.Results show that at the same volume fractions of the premixed gases,the maximum explosion pressure linearly decreases with increasing initial temperature and the maximum pressure rise rate is almost constant or slightly decreasing.At the same initial temperature,when volume fraction of methane is 7%,as the volume fractions of the premixed gases increases to 2%,the maximum explosion pressure and the maximum pressure rise rate show an increasing trend.However,a decreasing trend is observed with 11%methane-air mixture.When volume fraction of methane is 7%,with the increased gas mixture volume fraction,the maximum mole fraction of the free radicals,H.,O-,and-OH increases.When volume fraction of methane is 11%,the maximum mole fraction of O.and-OH radicals indicated a downward trend. whereas that of the H.radical increases with increase in volume fractions of the premixed gases.When volume fraction of methane is7% and 11%,chemical kinetics analysis revealed that the addition of premixed gases had little effect on the key elementary reactions. Moreover,the sensitivity coefficient of CHa decreases with increase in volume fractions of the premixed gases. KEY WORDS methane explosion;initial temperatures;explosion pressure characteristic;explosion pressure prediction;sensitivity analysis 煤矿瓦斯（煤层气）主要成分是甲烷，还有少 动力学角度采用密度泛函方法B3LYP/6-31G对瓦 量烃类气体（乙烷、丙烷等）和非烃类气体.在煤 斯爆炸链式反应机理进行了定量分析，模拟了混 矿井下，采用瓦斯体积分数为10%~30%的内燃机 合气体对甲烷爆炸过程中中间产物浓度的影响情 发电方式并加以利用，当煤矿瓦斯体积分数低于 况，并进行了敏感性分析，梁运涛等运用数值 10%时，因其难于利用、成本高等原因，大部分直 分析和数学物理方程的推导方法，以及物理化学研 接排入大气中四.近年来，随着各种技术的发展，低 究方法，对定容燃烧反应器中瓦斯爆炸反应动力学 浓度的瓦斯正在被广泛地应用在工程上.在以煤 机理的计算模型进行了推导、细化和求证，解释和 矿瓦斯为原料开采、加工和使用的过程中，容器和 验证了定容定质量绝热反应体系中瓦斯爆炸与激 储罐中可能存在多种易燃气体四，裸露的电气设备 波诱导瓦斯爆炸反应动力学机理的计算模型20-2 可能会成为火源从而引起多元可燃气体爆炸事故 王连聪等就激波诱导瓦斯爆炸过程中水对爆炸温 在与爆燃现象有关的各个领域中，通风系统 度、冲击波速度、反应物摩尔分数、自由基摩尔分 设计以及安全使用燃料的建议都需要燃料-空气 数及主要致灾性气体摩尔分数变化趋势的影响， 混合物爆燃特性的数据，尤其是在不同的初始压 进行了数值模拟研究与对比分析四李祥春等利 力、温度、气体体积分数、环境湿度、容器大小与 用定容反应器模型，对不同瓦斯浓度情况下的瓦 形状、点火能量等复杂工况下，确定可燃气体的爆 斯爆炸反应进行了模拟研究] 炸压力特性参数显得尤为重要.迄今为止，已对甲 为了预防潜在爆炸事故发生，首先需要在复 烷、乙烯，丙烷和氢气等的爆燃特性1和抑制技 杂的初始条件下了解燃料-空气混合物的爆炸压 术0-四进行了广泛的研究，并且还考虑了汽油和 力特性.选取CH4、CO、H2、C2H6、C2H4气体为研 乙醇或复合燃料的爆燃特性3-1刀例如，Razus等 究对象，通过在20L球体容器中测试不同温度下， 通过实验测量了在不同温度(298~423K)和压力 不同体积分数的预混气体对甲烷-空气混合物爆 (0.03~0.12MPa)下不同形状的容器中(0.52L球 炸特性的影响.同时利用CHEMKIN软件分析多 形容器和1.12L圆柱形容器)丙烷体积分数为 元可燃气体对自由基H,O和OH以及甲烷关键 2.50%~6.20%的丙烷-空气混合物的爆燃特性参 基元反应变化的影响.从化学动力学方面揭示预 数阿张良等通过实验研究了较高温度下化学当量 混气体在甲烷爆炸过程中的作用机理，有助于全 比对一氧化碳和空气混合物的爆燃特性的影响门 面了解多元混合气体的爆炸行为，以期为甲烷爆 Mitu与Brandes报道了在不同初始浓度、压力、温 炸的预防与抑制提供理论依据 度和容器体积的初始条件下，密闭容器中乙醇空 1试验与数值模拟 气混合物的爆炸参数]Qi等测试了不同汽油浓 度、温度、湿度和氧气浓度下汽油的爆燃特性参 1.1试验系统 数，预测了汽油在空气混合物中爆燃压力的公式4 气体与粉尘爆炸试验系统主要包括20L球形 Lu0等通过实验测定了两种及两种以上的多元可燃 爆炸罐、配气系统、点火系统、数据采集系统、加 气体的爆炸极限、爆炸压力等特性参数剧 热系统和控制计算机，如图1所示.20L球形爆炸 在动力学特性方面，罗振敏等从微观热力学和 罐开设了3个直径为110mm的观测视窗.工作压

was analyzed and simulated. Sensitivity analysis was performed using the CHEMKIN software. Results show that at the same volume fractions  of  the  premixed  gases,  the  maximum  explosion  pressure  linearly  decreases  with  increasing  initial  temperature  and  the maximum pressure rise rate is almost constant or slightly decreasing. At the same initial temperature, when volume fraction of methane is 7%, as the volume fractions of the premixed gases increases to 2%, the maximum explosion pressure and the maximum pressure rise rate  show  an  increasing  trend.  However,  a  decreasing  trend  is  observed  with  11% methane –air  mixture.  When  volume  fraction  of methane  is  7%,  with  the  increased  gas  mixture  volume  fraction,  the  maximum  mole  fraction  of  the  free  radicals,  H·,  O·,  and  ·OH increases. When volume fraction of methane is 11%, the maximum mole fraction of O· and ·OH radicals indicated a downward trend, whereas that of the H· radical increases with increase in volume fractions of the premixed gases. When volume fraction of methane is 7% and  11%,  chemical  kinetics  analysis  revealed  that  the  addition  of  premixed  gases  had  little  effect  on  the  key  elementary  reactions. Moreover, the sensitivity coefficient of CH4 decreases with increase in volume fractions of the premixed gases. KEY  WORDS    methane  explosion； initial  temperatures； explosion  pressure  characteristic； explosion  pressure  prediction； sensitivity analysis 煤矿瓦斯（煤层气）主要成分是甲烷，还有少 量烃类气体（乙烷、丙烷等）和非烃类气体. 在煤 矿井下，采用瓦斯体积分数为 10%～30% 的内燃机 发电方式并加以利用，当煤矿瓦斯体积分数低于 10% 时，因其难于利用、成本高等原因，大部分直 接排入大气中[1] . 近年来，随着各种技术的发展，低 浓度的瓦斯正在被广泛地应用在工程上. 在以煤 矿瓦斯为原料开采、加工和使用的过程中，容器和 储罐中可能存在多种易燃气体[2] ，裸露的电气设备 可能会成为火源从而引起多元可燃气体爆炸事故. 在与爆燃现象有关的各个领域中，通风系统 设计以及安全使用燃料的建议都需要燃料−空气 混合物爆燃特性的数据，尤其是在不同的初始压 力、温度、气体体积分数、环境湿度、容器大小与 形状、点火能量等复杂工况下，确定可燃气体的爆 炸压力特性参数显得尤为重要. 迄今为止，已对甲 烷、乙烯，丙烷和氢气等的爆燃特性[3−9] 和抑制技 术[10−12] 进行了广泛的研究，并且还考虑了汽油和 乙醇或复合燃料的爆燃特性[13−17] . 例如，Razus 等 通过实验测量了在不同温度（298～423 K）和压力 （0.03～0.12 MPa）下不同形状的容器中（0.52 L 球 形容器 和 1.12 L 圆柱形容器 ）丙烷体积分数 为 2.50%～6.20% 的丙烷−空气混合物的爆燃特性参 数[5] . 张良等通过实验研究了较高温度下化学当量 比对一氧化碳和空气混合物的爆燃特性的影响[7] . Mitu 与 Brandes 报道了在不同初始浓度、压力、温 度和容器体积的初始条件下，密闭容器中乙醇/空 气混合物的爆炸参数[13] . Qi 等测试了不同汽油浓 度、温度、湿度和氧气浓度下汽油的爆燃特性参 数，预测了汽油在空气混合物中爆燃压力的公式[14] . Luo 等通过实验测定了两种及两种以上的多元可燃 气体的爆炸极限、爆炸压力等特性参数[15−18] . 在动力学特性方面，罗振敏等从微观热力学和 动力学角度采用密度泛函方法 B3LYP/6-31G 对瓦 斯爆炸链式反应机理进行了定量分析，模拟了混 合气体对甲烷爆炸过程中中间产物浓度的影响情 况，并进行了敏感性分析[17,19] . 梁运涛等运用数值 分析和数学物理方程的推导方法，以及物理化学研 究方法，对定容燃烧反应器中瓦斯爆炸反应动力学 机理的计算模型进行了推导、细化和求证，解释和 验证了定容定质量绝热反应体系中瓦斯爆炸与激 波诱导瓦斯爆炸反应动力学机理的计算模型[20−21] . 王连聪等就激波诱导瓦斯爆炸过程中水对爆炸温 度、冲击波速度、反应物摩尔分数、自由基摩尔分 数及主要致灾性气体摩尔分数变化趋势的影响， 进行了数值模拟研究与对比分析[22] . 李祥春等利 用定容反应器模型，对不同瓦斯浓度情况下的瓦 斯爆炸反应进行了模拟研究[23] . 为了预防潜在爆炸事故发生，首先需要在复 杂的初始条件下了解燃料−空气混合物的爆炸压 力特性. 选取 CH4、CO、H2、C2H6、C2H4 气体为研 究对象，通过在 20 L 球体容器中测试不同温度下， 不同体积分数的预混气体对甲烷−空气混合物爆 炸特性的影响. 同时利用 CHEMKIN 软件分析多 元可燃气体对自由基 H·，O·和·OH 以及甲烷关键 基元反应变化的影响. 从化学动力学方面揭示预 混气体在甲烷爆炸过程中的作用机理，有助于全 面了解多元混合气体的爆炸行为，以期为甲烷爆 炸的预防与抑制提供理论依据. 1    试验与数值模拟 1.1    试验系统 气体与粉尘爆炸试验系统主要包括 20 L 球形 爆炸罐、配气系统、点火系统、数据采集系统、加 热系统和控制计算机，如图 1 所示. 20 L 球形爆炸 罐开设了 3 个直径为 110 mm 的观测视窗. 工作压 · 340 · 工程科学学报，第 44 卷，第 3 期

罗振敏等：CH6、CH4、C0与H2对甲烷爆炸压力及动力学特性影响 ·341· 力可达4MPa,可在室温至473K、0.01~1MPa(绝 差小于2K.在加热到指定温度时系统自动将气体 压)条件下进行试验测试.加热系统由循环泵、加 充入球形爆炸罐内，循环搅拌300s以保证气体 热器和水（油）箱等组成，并连接到20L球形容器 的均匀性.试验装置在之前的工作1中也有详细 通过填充并循环加热硅油控制内部温度，温度误 描述 Circulating oil View port Thermal insulating chamber Explosion chamber Ignitor electrode Pressure transducer Temperature transducer D=110 mm Computer Inner wall Powder cylinder Out wall Gas release valve Vacuum meter Powder release valve Circulating pump 图120L球形气体爆炸试验系统示意图 Fig.I Schematic of the 20 Lspherical gas explosion experimental setup 1.2试验气体及工况 爆炸机理及其影响因素提供了一种有效的方法 所有试验均在环境压力(0.1MPa)下进行，湿 在研究CH4、C2H6、H2和CO等气体化学动力学 度为52%~73%RH(相对湿度).该球形罐的初始 机制方面，GRI-Mech3.0的可靠性得到了一些学者 气体温度设置为298、313、333、353和373K.点火 的证实7,20-2]，其详细机理也得到了广泛的认可 能量设定为1J,电极间距为3mm.为了分析以CO 所以模拟选用CHENKIN内置闭式均相反应器 为主要成分的混合物对甲烷在空气中的爆炸特性 (Closed homogeneous batch reactor).作为定容反应 的影响，限于试验系统的配气精度，恒力公司提供 器模型.采用GRI-Mech3.0(53种组分，325个基 了体积分数比为1：1：5：1的C2H6,C2H4,CO和H2 元反应)研究甲烷爆炸的化学动力学特性.问题 的预混气体.结合矿井可燃气体实际情况，分别取 类型为定容、绝热条件下求解能量方程，没有热 体积分数为0.4%、0.8%、1.2%、1.6%和2.0%的预混 量损失.模拟所需气体为CH4、O2、N2、CO、 气体进行试验.试验中甲烷体积分数为7%与11%. C2H6、C2H4和H2,初始温度为1300K,初始压力 1.3模拟计算条件 为1个标准大气压，反应时间为0.02s,具体工况 化学动力学计算CHEMKIN软件为研究瓦斯 见表1. 表1初始模拟计算条件 Table 1 Initial conditions for simulation Volume fraction/ Sample CHa 02 C2H6:C2H4:CO:H2=1:1:5:1 C2H6 C2Ha CO H, 19.53 73.47 0 0 0 0 2 19.45 73.15 0.05 0.05 0.25 0.05 19.36 72.84 0.1 0.1 0.5 0.1 7 4 19.28 72.52 0.15 0.15 0.75 0.15 19.19 72.21 0.2 0.2 1 0.2 6 19.11 71.89 0.25 0.25 1.25 0.25 > 18.69 70.31 0 0 0 0 18.61 69.99 0.05 0.05 0.25 0.05 9 11 18.52 69.68 0.1 0.1 0.5 0.1 10 18.44 69.36 0.15 0.15 0.75 0.15 2 18.35 69.05 0.2 0.2 1 0.2 12 18.27 68.73 0.25 0.25 1.25 0.25

力可达 4 MPa，可在室温至 473 K、0.01～1 MPa（绝 压）条件下进行试验测试. 加热系统由循环泵、加 热器和水（油）箱等组成，并连接到 20 L 球形容器. 通过填充并循环加热硅油控制内部温度，温度误 差小于 2 K. 在加热到指定温度时系统自动将气体 充入球形爆炸罐内，循环搅拌 300 s 以保证气体 的均匀性. 试验装置在之前的工作[15] 中也有详细 描述. Pressure transducer D=110 mm Circulating oil Gas release valve Powder release valve Powder cylinder Vacuum meter View port Thermal insulating chamber Out wall Inner wall Explosion chamber Ignitor electrode Temperature transducer Computer Circulating pump 图 1    20 L 球形气体爆炸试验系统示意图 Fig.1    Schematic of the 20 L spherical gas explosion experimental setup 1.2    试验气体及工况 所有试验均在环境压力（0.1 MPa）下进行，湿 度为 52%～73% RH（相对湿度）. 该球形罐的初始 气体温度设置为 298、313、333、353 和 373 K. 点火 能量设定为 1 J，电极间距为 3 mm. 为了分析以 CO 为主要成分的混合物对甲烷在空气中的爆炸特性 的影响，限于试验系统的配气精度，恒力公司提供 了体积分数比为 1∶1∶5∶1 的 C2H6，C2H4，CO 和 H2 的预混气体. 结合矿井可燃气体实际情况，分别取 体积分数为 0.4%、0.8%、1.2%、1.6% 和 2.0% 的预混 气体进行试验. 试验中甲烷体积分数为 7% 与 11%. 1.3    模拟计算条件 化学动力学计算 CHEMKIN 软件为研究瓦斯 爆炸机理及其影响因素提供了一种有效的方法. 在研究 CH4、C2H6、H2 和 CO 等气体化学动力学 机制方面，GRI-Mech 3.0 的可靠性得到了一些学者 的证实[17, 20−25] ，其详细机理也得到了广泛的认可[26] . 所以模拟选用 CHENKIN 内置闭式均相反应器 （Closed homogeneous batch reactor）作为定容反应 器模型. 采用 GRI-Mech 3.0（53 种组分，325 个基 元反应）研究甲烷爆炸的化学动力学特性. 问题 类型为定容、绝热条件下求解能量方程，没有热 量 损 失 . 模 拟 所 需 气 体 为  CH4、 O2、 N2、 CO、 C2H6 、C2H4 和 H2，初始温度为 1300 K，初始压力 为 1 个标准大气压，反应时间为 0.02 s，具体工况 见表 1. 表 1 初始模拟计算条件 Table 1   Initial conditions for simulation Sample CH4 O2 N2 Volume fraction/% C2H6∶C2H4∶CO∶H2=1∶1∶5∶1 C2H6 C2H4 CO H2 1 7 19.53 73.47 0 0 0 0 2 19.45 73.15 0.05 0.05 0.25 0.05 3 19.36 72.84 0.1 0.1 0.5 0.1 4 19.28 72.52 0.15 0.15 0.75 0.15 5 19.19 72.21 0.2 0.2 1 0.2 6 19.11 71.89 0.25 0.25 1.25 0.25 7 11 18.69 70.31 0 0 0 0 8 18.61 69.99 0.05 0.05 0.25 0.05 9 18.52 69.68 0.1 0.1 0.5 0.1 10 18.44 69.36 0.15 0.15 0.75 0.15 11 18.35 69.05 0.2 0.2 1 0.2 12 18.27 68.73 0.25 0.25 1.25 0.25 罗振敏等： C2H6、C2H4、CO 与 H2 对甲烷爆炸压力及动力学特性影响 · 341 ·

342 工程科学学报，第44卷，第3期 2试验结果及分析方法 增大到373K,甲烷-空气混合物爆炸过程中压力 的峰值从0.673MPa下降到0.487MPa,下降了 2.1 温度对甲烷爆炸特性的影响 28.8%.加入预混气体后，甲烷的最大爆炸压力随 添加不同体积分数的预混气体后，对于甲烷 着初始温度的上升而显著下降.此外，在测量范 体积分数为7%的甲烷-空气混合物，随着初始温 围内，初始温度与加入预混气体的甲烷-空气混 度升高，最大爆炸压力均呈下降趋势，如图2所 合物的最大爆炸压力呈线性相关.这意味着在恒 示.当初始温度上升至373K时，未加预混气体 定初始压力下，初始温度升高，气体热导率增加以 时，最大爆炸压力降低了192%.加入体积分数为 及燃料的密度降低，释放出较低的热量，从而降 0.4%、0.8%、12%、1.6%和2.0%的预混气体后，最 低了最大爆炸压力. 值得注意的是，初始温度的升 大爆炸压力分别降低了17.8%，20.2%，19.1%， 高使预混气体的最大爆炸压力下降并不能作为判 17.5%和19.3%.对于甲烷体积分数为11%甲烷- 定爆炸危险性的依据，应综合考虑其他爆炸特性 空气混合物，未加预混气体时，初始温度由298K 参数 0.75 0.75 a Volume fractions of (b) Volume fractions of 0.70 premixed gases: 0.70 0.002x+1.494 premixed gases: =-0.0015x+1.089 -0% 0% 0.002+1.228 -0.0017x+1.163 ---0.4% --0.4% 0.65 …0.8% 0.65 …0.8% 1=0.0016r+1.146 -1.2% 0.002r+1.219 1.2% 0.60 1.6% 1.6% 20 ,207 0.55 0.55 0.50 0.002+1.191 0.50 =-0.0016r+1.007 1=-0002x+1.105 0.45 0.45 )=-0.002r+1.112 =-0.0017+1.127 0.40 0.490300310320330340350360370380390 290300310320330340350360370380390 Initial temperature/K Initial temperature/K 图2初始温度对预混气体最大爆炸压力的影响.()甲烷体积分数为7%：(b)甲烷体积分数为11% Fig.2 Maximum explosion pressure of premixed gases versus the initial temperature:(a)volume fraction of CH is 7%;(b)volume fraction of CHa is 11% 添加预混气体后，初始温度对甲烷最大爆炸 下降也会降低爆炸过程中的化学反应速率，从而 压力上升速率的影响如图3所示.对于贫燃料甲 使最大爆炸压力上升速率下降.对于富燃料甲烷- 烷一空气混合物，随着初始温度的变化，其最大爆 空气混合物，由于爆炸时燃料质量下降，引起化学 炸压力上升速率几乎恒定.可见初始温度对最大爆 反应速率下降.从而随温度升高最大爆炸压力上 炸压力上升速率影响不大，主要是反应容器内初 升速率略微降低.较低的压力上升速率是由于球 始温度上升，加快了化学反应速率，而燃料质量的 形壁处火焰前锋的热损失导致的， 20 18 (a) Volume fraction of premixed gases: (b) Volume fractions of premixed gases: ·0%-◆-0.4% 量一0% -年-0.4% 16 …▲0.8% 学1.2% …40.8% 一.1 ◆-1.6%一2.0% ,16 ◆-1.6% 4一2.0% 14 12 10 10 章。 6 6 300 320 340 360 380 300 320 340 360 380 Initial temperature/K Initial temperature/K 图3初始温度对预混气体最大爆炸压力上升速率的影响.()甲烷体积分数为7%：(b)甲烷体积分数为11% Fig.3 Maximum pressure rise rate of premixed gases versus the initial temperature:(a)volume fraction of CH is 7%;(b)volume fraction of CH is 11%

2    试验结果及分析方法 2.1    温度对甲烷爆炸特性的影响 添加不同体积分数的预混气体后，对于甲烷 体积分数为 7% 的甲烷−空气混合物，随着初始温 度升高，最大爆炸压力均呈下降趋势，如图 2 所 示. 当初始温度上升至 373 K 时，未加预混气体 时，最大爆炸压力降低了 19.2%. 加入体积分数为 0.4%、0.8%、1.2%、1.6% 和 2.0% 的预混气体后，最 大 爆 炸 压 力 分 别 降 低 了 17.8%， 20.2%， 19.1%， 17.5% 和 19.3%. 对于甲烷体积分数为 11% 甲烷− 空气混合物，未加预混气体时，初始温度由 298 K 增大到 373 K，甲烷−空气混合物爆炸过程中压力 的峰值 从 0.673  MPa 下 降 到 0.487  MPa，下降 了 28.8%. 加入预混气体后，甲烷的最大爆炸压力随 着初始温度的上升而显著下降. 此外，在测量范 围内，初始温度与加入预混气体的甲烷−空气混 合物的最大爆炸压力呈线性相关. 这意味着在恒 定初始压力下，初始温度升高，气体热导率增加以 及燃料的密度降低，释放出较低的热量，从而降 低了最大爆炸压力. 值得注意的是，初始温度的升 高使预混气体的最大爆炸压力下降并不能作为判 定爆炸危险性的依据，应综合考虑其他爆炸特性 参数. 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 (a) (b) y=−0.0015x+1.089 y=−0.0017x+1.163 y=−0.0017x+1.127 y=−0.0016x+1.146 y=−0.0016x+1.007 y=−0.0019x+1.16 Volume fractions of premixed gases: 0% 0.4% 0.8% 1.2% 1.6% 2.0% Maximum explosion pressure/MPa Initial temperature/K y=−0.002x+1.191 y=−0.002x+1.105 y=−0.002x+1.219 y=−0.002x+1.112 y=−0.002x+1.494 y=−0.002x+1.228 Volume fractions of premixed gases: 0% 0.4% 0.8% 1.2% 1.6% 2.0% 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 Maximum explosion pressure/MPa Initial temperature/K 图 2    初始温度对预混气体最大爆炸压力的影响. （a）甲烷体积分数为 7%；（b）甲烷体积分数为 11% Fig.2    Maximum explosion pressure of premixed gases versus the initial temperature: (a) volume fraction of CH4 is 7%; (b) volume fraction of CH4 is 11% 添加预混气体后，初始温度对甲烷最大爆炸 压力上升速率的影响如图 3 所示. 对于贫燃料甲 烷−空气混合物，随着初始温度的变化，其最大爆 炸压力上升速率几乎恒定. 可见初始温度对最大爆 炸压力上升速率影响不大. 主要是反应容器内初 始温度上升，加快了化学反应速率，而燃料质量的 下降也会降低爆炸过程中的化学反应速率，从而 使最大爆炸压力上升速率下降. 对于富燃料甲烷− 空气混合物，由于爆炸时燃料质量下降，引起化学 反应速率下降. 从而随温度升高最大爆炸压力上 升速率略微降低. 较低的压力上升速率是由于球 形壁处火焰前锋的热损失导致的. 300 320 340 360 380 4 6 8 10 12 14 16 18 Initial temperature/K Volume fraction of premixed gases: 0% 0.4% 0.8% 1.2% 1.6% 2.0% Maximum pressure rise rate/(MPa·s−1 ) (a) 300 320 340 360 380 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Initial temperature/K Volume fractions of premixed gases: 0% 0.4% 0.8% 1.2% 1.6% 2.0% Maximum pressure rise rate/(MPa·s−1 ) (b) 图 3    初始温度对预混气体最大爆炸压力上升速率的影响. （a）甲烷体积分数为 7%；（b）甲烷体积分数为 11% Fig.3    Maximum pressure rise rate of premixed gases versus the initial temperature: (a) volume fraction of CH4 is 7%; (b) volume fraction of CH4 is 11% · 342 · 工程科学学报，第 44 卷，第 3 期