受限空间N2、CO2及H2O抑制瓦斯爆炸的数值模拟研究

摘要

瓦斯爆炸过程复杂并具有极大的破坏性,是煤矿安全生产亟待解决的重大问题。鉴于此,论文致力于氮气、水蒸气及二氧化碳参与瓦斯爆炸的反应机理研究,以期从瓦斯爆炸反应动力学的角度为预防和抑制瓦斯爆炸提供理论依据。
　　论文采用GRI-Mech 3.0甲烷燃烧机理(包括53种组分,325个反应),通过对CHEMKIN软件包中SENKIN子程序的编辑,建立了受限空间中瓦斯爆炸化学反应动力学模型,分别对氮气、二氧化碳、水蒸气三种气体在瓦斯爆炸过程中对定容体系内压力和温度变化、反应物浓度变化、反应中心自由基浓度变化以及爆炸后产生的主要致灾性气体浓度变化趋势进行了数值模拟和敏感性分析,得到了受限空间中瓦斯爆炸反应动力学特性曲线、相关数据及关键反应基元部。结果表明：瓦斯爆炸是一种瞬间高温高压现象；在瓦斯混合气中充注氮气、二氧化碳及水蒸气能够有效延迟瓦斯爆炸时间,降低瓦斯爆炸化学反应中心的浓度以及爆炸后部分致灾性气体的浓度,从而有效的降低了瓦斯爆炸的强度及其危害性。由此可见,氮气、二氧化碳、水蒸气对瓦斯爆炸具有一定的抑制作用,并且在降低瓦斯爆炸的强度方面,二氧化碳较氮气、水蒸气而言,其抑制效果更加显著；而在降低爆炸后致灾性气体的浓度方面,水蒸气较氮气、二氧化碳而言,其抑制效果最为突出。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 瓦斯爆炸的主要原因

1.3 瓦斯爆炸的主要危害

1.4 瓦斯爆炸反应动力学特性的相关研究进展

1.5 论文的主要内容及选题意义

1.6 论文的技术路线

1.7 本章小结

2 化学动力软件CHEMKIN及其应用方法介绍

2.1 CHEMKIN简介

2.2 SENKIN计算软件

2.3 本章小结

3 定容反应器中瓦斯爆炸反应动力学特性分析

3.1 反应机理

3.2 定容器模型

3.3 控制方程

3.4 敏感性分析方程

3.5 计算流程

3.6 本章小结

4 受限空间内N2对瓦斯爆炸反应的影响分析

4.1 N2对瓦斯爆炸过程中温度及压力变化趋势的影响

4.2 N2对瓦斯爆炸过程中反应物浓度变化趋势的影响

4.3 N2对瓦斯爆炸过程中自由基浓度变化趋势的影响

4.4 N2对瓦斯爆炸后致灾性气体CO、CO2浓度变化趋势的影响

4.5 N2对瓦斯爆炸后NO、NO2浓度变化的影响

4.6 N2对瓦斯爆炸关键反应步的影响分析

4.7 本章小结

5 受限空间内CO2对瓦斯爆炸反应的影响分析

5.1 CO2对瓦斯爆炸过程中温度、压力变化的影响

5.2 CO2对瓦斯爆炸过程中反应物浓度变化的影响

5.3 CO2对瓦斯爆炸过程中自由基浓度变化的影响

5.4 CO2对瓦斯爆炸后生成的CO、CO2浓度变化的影响

5.5 CO2对瓦斯爆炸后NO、NO2浓度变化的影响

5.6 CO2对瓦斯爆炸关键反应步的影响分析

5.7 本章小结

6 受限空间内H2O对瓦斯爆炸反应的影响分析

6.1 H2O对瓦斯爆炸过程中温度、压力变化的影响

6.2 H2O对瓦斯爆炸过程中反应物浓度变化的影响

6.3 H2O对瓦斯爆炸过程中自由基浓度变化的影响

6.4 H2O对瓦斯爆炸后CO、CO2浓度变化趋势的影响

6.5 H2O对瓦斯爆炸后NO、NO2浓度变化趋势的影响

6.6 H2O对瓦斯爆炸关键反应步的影响分析

6.7 本章小结

7 受限空间N2、H2O及CO2对瓦斯爆炸反应的影响分析

7.1 计算结果与分析

7.2 N2、H2O及CO2对瓦斯爆炸温度及压力变化的影响

7.3 N2、H2O及CO2对瓦斯爆炸中自由基浓度变化的影响

7.4 N2、H2O及CO2对瓦斯爆炸后致灾性气体浓度变化的影响

7.5 本章小结

8 结论与展望

8.1 结 论

8.2 展 望

参考文献

附录 瓦斯爆炸反应机理

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