环境因素对甲烷极限浓度及爆炸特性的影响研究

摘要

当前国家产能调整以及煤矿安全生产形势使得做为高效洁净能源的煤层气资源的合理、有效开发利用变得十分紧迫。甲烷浓度在30%以下的低浓度煤层气数量占全国的60%以上，利用深冷技术可以将低浓度含氧煤层气中的甲烷提纯至98%以上。但在深冷液化工艺流程中，甲烷浓度穿越爆炸范围，且环境温度压力湿度都在变化；低浓度煤层气中甲烷浓度较低，容易处于爆炸范围之内，是困扰煤层气大规模利用的主要因素。目前，国内外对特殊环境条件下甲烷爆炸特性的研究远远不够，特别是在不同环境温度、环境压力、环境湿度以及点火能量的情况下对甲烷爆炸特性规律的研究缺乏系统性。因此，研究煤层气利用各工艺过程中不同工况条件下的爆炸危险性，是非常必要的。
　　本文首先对甲烷的爆炸机理进行了理论分析。在此基础上，对甲烷爆炸极限的计算方法及影响因素进行了阐述，尤其对煤层气利用中影响较大的环境温度及环境压力对甲烷爆炸特性的影响进行了系统的论述。
　　通过特殊环境条件20L爆炸特性测试系统对不同环境温度、环境压力、环境湿度以及点火能量下甲烷爆炸极限进行了实验研究。研究发现，随着环境温度、环境压力及点火能量的增大，甲烷爆炸上限浓度上升，甲烷爆炸下限浓度下降，环境湿度对甲烷爆炸极限影响很小。在论文实验研究范围内，环境条件变化对甲烷爆炸上限的影响要比对爆炸下限的影响效果明显；对甲烷爆炸上限的影响最为明显的是环境压力，其次为环境温度，点火能量对爆炸上限的影响相对较小。爆炸危险度随着环境温度、环境压力以及点火能量的增大而升高，随环境湿度的增大而减小。环境压力从0.2MPa上升到2.0MPa，爆炸危险度上升率为26.42%；环境温度从25℃上升到200℃，爆炸危险度上升率为18.43%；点火能量从10J上升到800J，爆炸危险度上升率为11.24%；爆炸危险度上升率由高到低分别是环境压力、环境温度、点火能量。环境湿度对爆炸危险度的影响很小。
　　运用特殊环境20L爆炸特性测试系统，研究了环境温度、压力耦合对甲烷爆炸极限、最大爆炸压力的影响。研究发现，甲烷爆炸上限随环境温度、环境压力的增大呈逐渐上升的趋势，对应的甲烷爆炸下限随环境温度、环境压力的增大呈逐渐下降的趋势。温度压力耦合对甲烷爆炸极限的影响大于单因素对甲烷爆炸极限的影响。随着环境温度的升高和环境压力的增大，甲烷爆炸极限变化速率逐渐变慢。在环境温度和压力耦合作用条件下，甲烷爆炸产生的最大爆炸压力随环境温度的升高呈现下降趋势，随环境压力的增大而呈现上升趋势，而最大压力上升速率不受环境变化的影响。
　　运用CFD数值模拟软件对温度压力耦合条件下甲烷的爆炸过程进行了数值模拟仿真计算，建立了湍流燃烧爆炸理论分析模型。通过模拟得出：环境温度越高，化学反应速率越快；环境压力越大，化学反应速率越快。火焰锋面到达前，各测点的温度均缓慢上升，当火焰锋面到达后，测点温度迅速上升，之后温度曲线出现拐点，温度继续缓慢上升，最后趋于稳定。火焰锋面随着环境温度、环境压力的增大而提前到达。在不同的环境温度、压力下，火焰锋面稳定温度基本相同，并未呈现线性增长。在产生化学反应前，各测点的甲烷组分均缓慢下降，距离点火点越远，持续时间越长，当产生化学反应后，甲烷组分迅速下降，直至趋近于零。爆炸压力随着反应的进行逐渐上升，直到最大值。最大爆炸压力随环境压力的增加而升高，随环境温度的升高而下降。最大压力上升速率随环境压力的增加而升高，但其随环境温度的升高的变化不明显。初始状态下，各点的气体密度是均匀的，点火后，随着火焰锋面逐渐往外推移，壁面处气体密度逐渐升高。火焰锋面到达处气体密度急剧下降趋近于零，随着火焰锋面继续往外推移，已燃区气体密度逐渐升高，当火焰锋面到达壁面处时，壁面处气体密度急剧下降至初始状态，整个罐体内气体密度恢复到均匀平衡状态。
　　通过本论文研究得到的大量的实验数据及其规律性的结论对低浓度含氧煤层气利用工艺的研究具有重要的指导意义。

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摘 要

1 绪 论

1.1 研究的目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 煤层气发展现状

1.2.2 可燃气体爆炸特性理论研究现状

1.2.3 可燃气体爆炸特性实验研究现状

1.2.4 甲烷爆炸特性数值模拟研究现状

1.2.5 目前研究存在的问题

1.3 研究的内容和技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

2 甲烷爆炸理论研究

2.1 甲烷爆炸机理

2.1.1 热爆炸理论

2.1.2 链式反应理论

2.2 甲烷爆炸极限及影响因素

2.2.1 链式反应理论

2.2.2 爆炸极限的影响因素

2.3 环境温度对甲烷爆炸特性的影响理论分析

2.3.1 环境温度对化学反应速率的影响

2.3.2 环境温度对基元化学反应的影响

2.3.3 环境温度对爆炸压力的影响

2.4 环境压力对甲烷爆炸特性的影响理论分析

2.4.1 环境压力对化学反应速率的影响

2.4.2 环境压力对基元化学反应的影响

2.4.3 环境压力对爆炸压力的影响

2.5 本章小结

3 甲烷爆炸极限单因素影响实验研究

3.1 实验系统及实验条件

3.1.1 实验系统

3.1.2 实验内容及步骤

3.1.3 爆炸实验判据

3.2 环境条件对甲烷爆炸极限影响的实验研究

3.2.1 工况条件爆炸危险性

3.2.2 环境温度影响研究

3.2.3 环境压力影响研究

3.2.4 环境湿度影响研究

3.2.5 点火能量影响研究

3.2.6 甲烷爆炸极限单因素影响对比分析

3.3 爆炸危险度分析

3.4 本章小结

4 温度压力耦合对甲烷爆炸特性影响的实验研究

4.1 实验内容及方法

4.1.1 实验内容

4.1.2 实验方法

4.2 温度压力耦合对爆炸极限的影响

4.2.1 实验结果

4.2.2 结果分析

环境温度/℃

R2

Y0

X0

A1

T1

50

0.9982

3.61415

-0.05064

1.64711

1.32711

100

0.99716

3.73543

0.02067

1.31495

1.01059

150

0.9994

3.66394

0.00666

1.27057

0.99391

200

0.99803

3.55102

-0.0395

1.30047

1.07644

4.2.3 甲烷爆炸极限理论值与实验值对比分析

4.2.4 温度和压力耦合对甲烷爆炸上限上升速率的影响分析

4.2.5 温度和压力耦合对甲烷爆炸下限下降速率的影响分析

4.3 温度压力耦合对爆炸危险度的影响

4.4 最佳浓度的确定

4.5 温度压力耦合对爆炸压力的影响

4.5.1 最大爆炸压力变化规律

4.5.2 甲烷爆炸压力特性包络面

4.5.3 温度压力耦合对最大爆炸压力的影响

4.6 本章小结

5 温度压力耦合对甲烷爆炸特性影响的数值模拟研究

5.1 理论模型的建立

5.1.1 物理模型的建立

5.1.2 模型假设

5.1.3 湍流模型的建立

5.1.4 燃烧模型的建立

5.2 建模与网格划分

5.2.1 网格划分

5.2.2 边界条件设置

5.2.3 材料设置

5.3 模型适用性验证

5.4 温度压力耦合爆炸特性模拟分析

5.4.1 温度压力耦合对化学反应速率的影响

5.4.2 温度压力耦合对爆炸温度的影响

5.4.3 温度压力耦合对甲烷组分的影响

5.4.4 温度压力耦合对爆炸压力的影响

5.4.5 温度压力耦合对气体密度的影响

5.5 本章小结

6 主要结论与展望

6.1 主要结论

6.2 主要创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

作者从事科学研究和学习经历简介

攻读学位期间取得的学术成果和获奖情况