风排瓦斯的可燃极限及阻火问题研究

摘要

风排瓦斯减排近年来逐步受到重视，为保障减排系统安全运行、消除安全隐患，需要对甲烷-氧气-氮气-二氧化碳的混合气体进行可燃极限研究，以及对混合气体被点燃后的阻火进行研究。因此，本文主要针对这两方面展开相关工作，为工业安全及阻火器设计提供参考。
　　对于可燃极限方面，本文首先采用数值计算方法进行可燃极限预测，然后根据预测结果设计实验测量特定配比下的可燃极限。
　　基于化学平衡方法，采用ChemKin软件求解不同配比下混合物的绝热燃烧温度。选取临界温度1450K作为混合气体是否可燃的判别标准，研究了氮气、二氧化碳掺入对可燃极限的影响，并对甲烷与二氧化碳按特定比例混合的情况进行了可燃极限预测。
　　在7L爆炸容器中，用光电传感器检测距离点火源100mm处是否有火焰信号，如果3次重复实验均未记录到火焰信号则认为混合物不可燃，否则认为是可燃的。据此对瓦斯突出后与空气混合的情况进行了可燃极限测量，并根据实验情况进行修正，得到了甲烷与二氧化碳按不同比例混合时在空气中的可燃极限。
　　风排瓦斯减排系统中点火发生后，为阻止火焰在管道内传播，需要安装合适的阻火器。常用的波纹板型阻火器，其狭缝为三角形截面。不同截面形状的狭缝之间有对应的换算关系。本文通过对矩形截面狭缝内火焰传播淬熄的实验研究以及不同截面形状狭缝内火焰淬熄的数值模拟，为阻火器的选择及设计提供参考。
　　在矩形截面激波管内，安装分布有不同宽度狭缝的装置，火焰经过加速段后进入狭缝。火焰进入狭缝时的速度通过改变预混气体中甲烷的含量进行调节。本文采用高速摄影记录下火焰在狭缝内的传播和淬熄过程，最终得到不同入口火焰速度下的淬熄长度-狭缝宽度关系，并给出了相应的经验公式。
　　采用Fluent对火焰在狭缝内的传播和淬熄进行模拟，以1000K代表火焰阵面，作为火焰熄灭的临界温度，定性分析了不同入口火焰速度、不同狭缝宽度、不同截面形状对淬熄长度的影响。
　　本文研究所得的瓦斯突出在空气中的可燃极限范围为工业安全提供了参考依据;得到的火焰在狭缝内的淬熄长度与火焰速度、狭缝宽度的关系，可以指导阻火器选择和设计，具有重要的应用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容

第2章 阻火器介绍及相关理论

2．1 阻火器介绍

2．2 燃烧极限

2．2．1 基本概念

2．2．2 计算燃烧极限的经验公式

2．3 火焰传播及淬熄

2．3．1 基本概念

2．3．2 淬熄原理

2．3．3 淬熄计算

第3章 混合气体的燃烧极限计算

3．1 引言

3．2 ChemKin介绍

3．3 绝热火焰温度的计算

3．4 临界温度确定

3．5 氮气和二氧化碳对燃烧极限的影响

3．5．1 氮气的影响

3．5．2 二氧化碳的影响

3．5．3 氮气和二氧化碳同时作用

3．5．4 碳烟生成对燃烧极限的影响

3．6 对典型瓦斯突出混合气体燃烧极限的预测

3．7 本章小结

第4章 瓦斯突出混合气体燃烧极限的测量

4．1 引言

4．2 实验测量系统

4．3 实验设计

4．4 配气方法及修正

4．4．1 E1配气及修正方法

4．4．2 E2配气及修正方法

4．5 实验结果

4．6 讨论

4．7 本章小结

第5章 火焰在狭缝中的传播与淬熄

5．1 引言

5．2 实验测试系统

5．3 实验设计

5．4 实验结果及分析

5．4．1 铜狭缝

5．4．2 不锈钢狭缝

5．5 阻火器设计

5．6 本章小结

第6章 Fluent模拟狭缝中火焰传播

6．1 引言

6．2 控制方程及数值方法

6．2．1 控制方程

6．2．2 离散方法

6．2．3 模型及参数

6．3 网格无关性分析及临界温度选取

6．4 火焰速度、狭缝宽度、截面形状对火焰的影响

6．4．1 火焰速度的影响

6．4．2 狭缝宽度的影响

6．4．3 截面形状的影响

6．5 本章小结

第7章 全文总结

7．1 主要工作及结论

7．2 不足之处及展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果