罗振敏等：CO对CH4爆炸及自由基发射光谱特性的影响

作 者

罗振敏1,2,3,王　涛1, 　虎1,2,3,张　江4,程方明1,2,3,赵婧昱1,2,3,王秋红1,2,3,王亚超1,2,3,刘长春1,2,3

1. 西安科技大学 安全科学与工程学院；2. 陕西省工业过程安全与应急救援工程技术研究中心；3. 陕西省煤火灾害防治重点实验室；4. 西安科技大学 期刊中心

煤自燃引发的瓦斯爆炸具有环境温度高、参与爆炸的可燃性气体构成复杂(主要为CH4、煤低温氧化过程中产生的少量可燃性气体和煤高温热解阶段所的气体产物等)等特征,事故防控难度较大且容易发生破坏性很强的连续爆炸事故。CO是煤自燃和甲烷燃烧不充分的主要气体产物,它对火灾诱发的甲烷爆炸特性有显著影响。

通常情况下,其预混爆炸过程受到诸多因素的影响,如初始压力、初始温度、燃料种类、燃料化学计量比以及容器尺寸/形状、点火能大小、点火位置等。以往学者们主要研究了上述因素作用下甲烷、氢气、一氧化碳等单组份气体,或多元混合组份的爆炸特性,如爆炸极限、爆炸压力、火焰传播等的变化特征。

以往研究结果构建了多元混合气体爆炸灾害宏观特性与部分微观作用的理论体系,促进了对于其致灾机制的理解。然而由于早期实验测试技术的限制,对于多元体系爆炸过程中的宏观-微观同步测试分析与特性表征等的研究尚未充分展开。对这一问题展开探索可有助于深化对多元混合体系爆炸机制的理解,并为优选化学抑爆介质、提升相关抑爆效能提供理论基础。

摘 要

为深入研究CO对CH4爆炸特性的影响并分析其作用机制,采用可燃气体爆炸极限测定装置测定了CO作用下的CH4爆炸极限参数;结合自主设计、改进的密闭球形爆炸实验测试系统与光谱测量系统获取了CO-CH4-空气爆炸压力参数,并同步采集爆炸过程3种自由基(H?,OH?,CH2O?)的瞬态发射光谱参数,通过对比分析CO-CH4-空气爆炸压力参数与火焰发射光谱强度参数,以宏观-微观相结合的方式评估了CO对CH4爆炸特性的影响规律。

结果表明:少量CO会增大CH4爆炸危险性,减小其临界氧体积分数,并显著增加惰化混合体系所需的惰性气体量。CO对CH4爆炸压力的影响主要取决于体系中的氧含量和其自身化学性质,在富氧状态下,CO会加剧预混体系的爆炸强度,随着体系中氧的减少促进作用逐渐减弱,在贫氧条件下则体现出阻尼效应。

CO对CH4爆炸压力参数和3种自由基发射光谱参数的影响规律具有良好的一致性,最大爆炸压力时间光谱强度极值时间的变化规律相互吻合,而自由基开始大量积累的时间与预混体系中可燃气体含量及爆炸强度存在相关性。爆炸强度越大则越早开始积累且积累速度越快,中间产物大量且快速的积累是造成体系爆炸加剧的原因之一。

相关数据可加深对多元混合体系爆炸机制的理解,为优选化学抑爆介质、提升相关抑爆效能提供理论基础。即,进一步深入开展以气体燃爆过程中的关键自由基团为直接作用目标的化学抑制剂改性相关研究,通过提高其阻断链式反应进程水平的方式加强其抑爆效能。

罗振敏，女，1976年11月24日生，山东兖州人，教授，博士生导师，陕西省高校青年创新团队带头人，陕西省工业过程安全与应急救援工程技术研究中心副主任，西安科技大学安全科学与工程学院副院长，安全科学与工程博士后流动站站长。兼任中国职业安全健康 防火防爆专业委员会委员，全国高等学校消防工程专业教学指导委员会委员。获国家教学成果奖和省部级科技奖励20余项，发表学术论 100余篇。获“陕西省青年科技奖”，被授予“陕西省青年科技标兵”“陕西省青年科技新星”称号。

研究方向

气体与粉尘爆炸防控

主要成果

致力于煤矿安全与煤化工安全领域的气体与粉尘爆炸防控理论与技术的研究，取得多项创新性成果，发明了系列可燃气体粉尘爆炸、传播及抑爆特性测试装置，揭示了多组分可燃气体爆炸致灾机制，发现了多相复合抑爆材料控爆过程的阶段性协同效应，开发了矿井火区爆炸防隔控新技术，发展了瓦斯爆炸防控理论与技术，为矿井火区爆炸预测预警与主动防控提供了理论与技术保障。

实验装置系统

CO对CH4爆炸极限参数的影响

CO对CH4爆炸压力参数的影响

自由基光谱参数定义和CO对CH4爆炸自由基开始积累时刻的影响

CO对CH4爆炸中间产物发射光谱强度上升平均速率v的影响

CO对CH4爆炸中间产物发射光谱峰值的影响

CO-CH4爆炸压力峰值和自由基光谱强度峰值对比

CO-CH4最大升压速率和自由基光谱强度上升速率峰值对比

CO-CH4爆炸超压峰值时间和自由基光谱强度峰值时间对比

罗振敏,王涛, 虎,等. CO对CH4爆炸及自由基发射光谱特性的影响[J]. 煤炭学 ,2019,44(7):2167-2177.

LUO Zhenmin,WANG Tao,WEN Hu,et al. Explosion and flame emission spectra characteristics of CH4-Air mixtureswith CO addition[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(7):2167-2177.