低浓度瓦斯着火温度与火焰传播特性的实验研究

摘要

瓦斯是煤矿开采过程中的伴生气体，主要的可燃成分是甲烷，空气中瓦斯的爆炸极限是5％~15%。煤矿安全规程规定：瓦斯的利用浓度必须高于30%，而低于30%的低浓度瓦斯气体只能排放到空气中。甲烷是温室效应气体，甲烷的温室效应是CO2的21倍，所以低浓度瓦斯的排空不仅造成了资源的浪费，也造成了环境的污染。若是将低浓度瓦斯用于发电，其经济效益、社会效益以及环境效益都是十分显著的。为了将低浓度瓦斯直接应用于煤粉锅炉进行发电，有必要对低浓度瓦斯和低浓度瓦斯与煤粉的耦合体系的着火温度以及火焰传播特性进行研究。
　　本文基于气体燃烧理论，自行设计并搭建了着火温度与火焰传播速度的实验系统，研究了甲烷浓度、氧气浓度、初始温度等因素对低浓度瓦斯着火温度与火焰传播特性的影响规律。在此基础上，分析了煤粉浓度、煤粉粒径、挥发分等因素对低浓度瓦斯与煤粉耦合后的着火温度以及火焰传播特性的影响规律。
　　研究结果表明：当甲烷浓度增加时，低浓度瓦斯的着火温度先降低后升高。在甲烷浓度为6%时，着火温度最低，为764℃；当甲烷浓度低于6%时，氧气浓度的增加会使混合气体的着火温度降低；当甲烷浓度高于6%时，氧气浓度的变化对混合气体的着火温度几乎没有影响。当混合气体的初始温度从20℃预热到180℃时，混合气的着火温度降低了10℃。空气中，低浓度瓦斯的可燃极限为5.5%~15%；随着甲烷浓度的增加，混合气体的火焰传播速度先增加后减小，当甲烷浓度为9.5%时，混合气体的火焰传播速度最大，管道出口处的速度可达181m/s，且离点火端的距离越远，火焰传播速度越大。
　　与低浓度瓦斯相比，低浓度瓦斯与煤粉耦合后的着火温度降低，当甲烷浓度增加时，耦合体系的着火温度增加，若甲烷浓度不变，随着煤粉浓度的增加，耦合体系的着火温度先降低后上升，存在最佳煤粉浓度，使得耦合体系的着火温度最低；随着煤粉粒径的减小，低浓度瓦斯与煤粉耦合体系的着火温度降低；随着煤粉挥发分的增加，低浓度瓦斯与煤粉耦合体系的着火温度降低。与低浓度瓦斯相比，低浓度瓦斯与煤粉耦合体系的可燃上限和下限均有所降低，当煤粉中挥发分含量为8.99%且煤粉浓度为100g/m3时，耦合体系的可燃下限为3.5%，可燃上限为14.5%。耦合体系的火焰传播速度随着煤粉浓度的增加先增加后减小，存在最佳煤粉浓度，使得耦合体系的火焰传播速度最大；随着煤粉粒径的减小，低浓度瓦斯与煤粉耦合体系的火焰传播速度增加；随着煤粉挥发分的增加，低浓度瓦斯与煤粉耦合体系的火焰传播速度增加。

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第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 研究现状

1.3 本文主要研究内容

1.4 本章小结

第二章 实验系统设计

2.1 低浓度瓦斯着火温度实验系统的设计

2.2 低浓度瓦斯与煤粉耦合体系着火温度实验系统

2.3 低浓度瓦斯与煤粉耦合体系火焰传播速度实验系统

2.4 本章小结

第三章 低浓度瓦斯着火温度与火焰传播的实验

3.1 着火温度实验

3.2 混合气体的可燃极限

3.3 低浓度瓦斯火焰传播速度的实验

3.4 本章小结

第四章 耦合体系着火温度与火焰传播速度的实验

4.1 耦合体系着火温度的实验

4.2 耦合体系火焰传播速度的实验

4.3 本章小结

第五章 结论及展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文