C2H6、C2H4、CO與H2對(duì)甲烷爆炸壓力及動(dòng)力學(xué)特性影響

羅振敏，劉利濤，王 濤，張 江，程方明

1) 西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710054 2) 陜西省工業(yè)過程安全與應(yīng)急救援工程技術(shù)研究中心，西安 710054

3) 西安科技大學(xué)礦業(yè)工程博士后流動(dòng)站，西安 710054 4) 西安科技大學(xué)期刊中心，西安 710054

煤礦瓦斯（煤層氣）主要成分是甲烷，還有少量烴類氣體（乙烷、丙烷等）和非烴類氣體. 在煤礦井下，采用瓦斯體積分?jǐn)?shù)為 10%～30%的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電方式并加以利用，當(dāng)煤礦瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于10%時(shí)，因其難于利用、成本高等原因，大部分直接排入大氣中[1]. 近年來，隨著各種技術(shù)的發(fā)展，低濃度的瓦斯正在被廣泛地應(yīng)用在工程上. 在以煤礦瓦斯為原料開采、加工和使用的過程中，容器和儲(chǔ)罐中可能存在多種易燃?xì)怏w[2]，裸露的電氣設(shè)備可能會(huì)成為火源從而引起多元可燃?xì)怏w爆炸事故.

在與爆燃現(xiàn)象有關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域中，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及安全使用燃料的建議都需要燃料-空氣混合物爆燃特性的數(shù)據(jù)，尤其是在不同的初始?jí)毫Α囟?、氣體體積分?jǐn)?shù)、環(huán)境濕度、容器大小與形狀、點(diǎn)火能量等復(fù)雜工況下，確定可燃?xì)怏w的爆炸壓力特性參數(shù)顯得尤為重要. 迄今為止，已對(duì)甲烷、乙烯，丙烷和氫氣等的爆燃特性[3-9]和抑制技術(shù)[10-12]進(jìn)行了廣泛的研究，并且還考慮了汽油和乙醇或復(fù)合燃料的爆燃特性[13-17]. 例如，Razus等通過實(shí)驗(yàn)測量了在不同溫度（298～423 K）和壓力（0.03～0.12 MPa）下不同形狀的容器中（0.52 L球形容器和1.12 L圓柱形容器）丙烷體積分?jǐn)?shù)為2.50%～6.20%的丙烷-空氣混合物的爆燃特性參數(shù)[5]. 張良等通過實(shí)驗(yàn)研究了較高溫度下化學(xué)當(dāng)量比對(duì)一氧化碳和空氣混合物的爆燃特性的影響[7].Mitu與Brandes報(bào)道了在不同初始濃度、壓力、溫度和容器體積的初始條件下，密閉容器中乙醇/空氣混合物的爆炸參數(shù)[13]. Qi等測試了不同汽油濃度、溫度、濕度和氧氣濃度下汽油的爆燃特性參數(shù)，預(yù)測了汽油在空氣混合物中爆燃?jí)毫Φ墓絒14].Luo等通過實(shí)驗(yàn)測定了兩種及兩種以上的多元可燃?xì)怏w的爆炸極限、爆炸壓力等特性參數(shù)[15-18].

在動(dòng)力學(xué)特性方面，羅振敏等從微觀熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度采用密度泛函方法B3LYP/6-31G對(duì)瓦斯爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理進(jìn)行了定量分析，模擬了混合氣體對(duì)甲烷爆炸過程中中間產(chǎn)物濃度的影響情況，并進(jìn)行了敏感性分析[17,19]. 梁運(yùn)濤等運(yùn)用數(shù)值分析和數(shù)學(xué)物理方程的推導(dǎo)方法，以及物理化學(xué)研究方法，對(duì)定容燃燒反應(yīng)器中瓦斯爆炸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的計(jì)算模型進(jìn)行了推導(dǎo)、細(xì)化和求證，解釋和驗(yàn)證了定容定質(zhì)量絕熱反應(yīng)體系中瓦斯爆炸與激波誘導(dǎo)瓦斯爆炸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的計(jì)算模型[20-21].王連聰?shù)染图げㄕT導(dǎo)瓦斯爆炸過程中水對(duì)爆炸溫度、沖擊波速度、反應(yīng)物摩爾分?jǐn)?shù)、自由基摩爾分?jǐn)?shù)及主要致災(zāi)性氣體摩爾分?jǐn)?shù)變化趨勢的影響，進(jìn)行了數(shù)值模擬研究與對(duì)比分析[22]. 李祥春等利用定容反應(yīng)器模型，對(duì)不同瓦斯?jié)舛惹闆r下的瓦斯爆炸反應(yīng)進(jìn)行了模擬研究[23].

為了預(yù)防潛在爆炸事故發(fā)生，首先需要在復(fù)雜的初始條件下了解燃料-空氣混合物的爆炸壓力特性. 選取 CH4、CO、H2、C2H6、C2H4氣體為研究對(duì)象，通過在20 L球體容器中測試不同溫度下，不同體積分?jǐn)?shù)的預(yù)混氣體對(duì)甲烷-空氣混合物爆炸特性的影響. 同時(shí)利用CHEMKIN軟件分析多元可燃?xì)怏w對(duì)自由基 H·，O·和·OH 以及甲烷關(guān)鍵基元反應(yīng)變化的影響. 從化學(xué)動(dòng)力學(xué)方面揭示預(yù)混氣體在甲烷爆炸過程中的作用機(jī)理，有助于全面了解多元混合氣體的爆炸行為，以期為甲烷爆炸的預(yù)防與抑制提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)與數(shù)值模擬

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

氣體與粉塵爆炸試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括20 L球形爆炸罐、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制計(jì)算機(jī)，如圖1所示. 20 L球形爆炸罐開設(shè)了3個(gè)直徑為110 mm的觀測視窗. 工作壓力可達(dá) 4 MPa，可在室溫至 473 K、0.01～1 MPa（絕壓）條件下進(jìn)行試驗(yàn)測試. 加熱系統(tǒng)由循環(huán)泵、加熱器和水（油）箱等組成，并連接到20 L球形容器.通過填充并循環(huán)加熱硅油控制內(nèi)部溫度，溫度誤差小于2 K. 在加熱到指定溫度時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)將氣體充入球形爆炸罐內(nèi)，循環(huán)攪拌300 s以保證氣體的均勻性. 試驗(yàn)裝置在之前的工作[15]中也有詳細(xì)描述.

圖1 20 L球形氣體爆炸試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of the 20 L spherical gas explosion experimental setup

1.2 試驗(yàn)氣體及工況

所有試驗(yàn)均在環(huán)境壓力（0.1 MPa）下進(jìn)行，濕度為52%～73% RH（相對(duì)濕度）. 該球形罐的初始?xì)怏w溫度設(shè)置為298、313、333、353和373 K. 點(diǎn)火能量設(shè)定為1 J，電極間距為3 mm. 為了分析以CO為主要成分的混合物對(duì)甲烷在空氣中的爆炸特性的影響，限于試驗(yàn)系統(tǒng)的配氣精度，恒力公司提供了體積分?jǐn)?shù)比為1∶1∶5∶1的C2H6，C2H4，CO和H2的預(yù)混氣體. 結(jié)合礦井可燃?xì)怏w實(shí)際情況，分別取體積分?jǐn)?shù)為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%和2.0%的預(yù)混氣體進(jìn)行試驗(yàn). 試驗(yàn)中甲烷體積分?jǐn)?shù)為7%與11%.

1.3 模擬計(jì)算條件

化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算CHEMKIN軟件為研究瓦斯爆炸機(jī)理及其影響因素提供了一種有效的方法.在研究CH4、C2H6、H2和CO等氣體化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)制方面，GRI-Mech 3.0的可靠性得到了一些學(xué)者的證實(shí)[17,20-25]，其詳細(xì)機(jī)理也得到了廣泛的認(rèn)可[26].所以模擬選用CHENKIN內(nèi)置閉式均相反應(yīng)器（Closed homogeneous batch reactor）作為定容反應(yīng)器模型. 采用 GRI-Mech 3.0（53 種組分，325 個(gè)基元反應(yīng)）研究甲烷爆炸的化學(xué)動(dòng)力學(xué)特性. 問題類型為定容、絕熱條件下求解能量方程，沒有熱量損失. 模擬所需氣體為 CH4、O2、N2、CO、C2H6、C2H4和 H2，初始溫度為 1300 K，初始?jí)毫?1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，反應(yīng)時(shí)間為0.02 s，具體工況見表1.

表1 初始模擬計(jì)算條件Table 1 Initial conditions for simulation

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析方法

2.1 溫度對(duì)甲烷爆炸特性的影響

添加不同體積分?jǐn)?shù)的預(yù)混氣體后，對(duì)于甲烷體積分?jǐn)?shù)為7%的甲烷-空氣混合物，隨著初始溫度升高，最大爆炸壓力均呈下降趨勢，如圖2所示. 當(dāng)初始溫度上升至373 K時(shí)，未加預(yù)混氣體時(shí)，最大爆炸壓力降低了19.2%. 加入體積分?jǐn)?shù)為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%和2.0%的預(yù)混氣體后，最大爆炸壓力分別降低了 17.8%，20.2%，19.1%，17.5%和19.3%. 對(duì)于甲烷體積分?jǐn)?shù)為11%甲烷-空氣混合物，未加預(yù)混氣體時(shí)，初始溫度由298 K增大到373 K，甲烷-空氣混合物爆炸過程中壓力的峰值從 0.673 MPa下降到 0.487 MPa，下降了28.8%. 加入預(yù)混氣體后，甲烷的最大爆炸壓力隨著初始溫度的上升而顯著下降. 此外，在測量范圍內(nèi)，初始溫度與加入預(yù)混氣體的甲烷-空氣混合物的最大爆炸壓力呈線性相關(guān). 這意味著在恒定初始?jí)毫ο?，初始溫度升高，氣體熱導(dǎo)率增加以及燃料的密度降低，釋放出較低的熱量，從而降低了最大爆炸壓力. 值得注意的是，初始溫度的升高使預(yù)混氣體的最大爆炸壓力下降并不能作為判定爆炸危險(xiǎn)性的依據(jù)，應(yīng)綜合考慮其他爆炸特性參數(shù).

圖2 初始溫度對(duì)預(yù)混氣體最大爆炸壓力的影響. （a）甲烷體積分?jǐn)?shù)為7%；（b）甲烷體積分?jǐn)?shù)為11%Fig.2 Maximum explosion pressure of premixed gases versus the initial temperature: (a) volume fraction of CH4 is 7%; (b) volume fraction of CH4 is 11%

添加預(yù)混氣體后，初始溫度對(duì)甲烷最大爆炸壓力上升速率的影響如圖3所示. 對(duì)于貧燃料甲烷-空氣混合物，隨著初始溫度的變化，其最大爆炸壓力上升速率幾乎恒定. 可見初始溫度對(duì)最大爆炸壓力上升速率影響不大. 主要是反應(yīng)容器內(nèi)初始溫度上升，加快了化學(xué)反應(yīng)速率，而燃料質(zhì)量的下降也會(huì)降低爆炸過程中的化學(xué)反應(yīng)速率，從而使最大爆炸壓力上升速率下降. 對(duì)于富燃料甲烷-空氣混合物，由于爆炸時(shí)燃料質(zhì)量下降，引起化學(xué)反應(yīng)速率下降. 從而隨溫度升高最大爆炸壓力上升速率略微降低. 較低的壓力上升速率是由于球形壁處火焰前鋒的熱損失導(dǎo)致的.

圖3 初始溫度對(duì)預(yù)混氣體最大爆炸壓力上升速率的影響. （a）甲烷體積分?jǐn)?shù)為7%；（b）甲烷體積分?jǐn)?shù)為11%Fig.3 Maximum pressure rise rate of premixed gases versus the initial temperature: (a) volume fraction of CH4 is 7%; (b) volume fraction of CH4 is 11%

2.2 預(yù)混氣體體積分?jǐn)?shù)對(duì)甲烷爆炸特性的影響

在考察的初始溫度范圍內(nèi)，不同體積分?jǐn)?shù)的預(yù)混氣體對(duì)甲烷最大爆炸壓力的影響如圖4所示.添加預(yù)混氣體后，對(duì)于甲烷體積分?jǐn)?shù)為7%的甲烷-空氣混合物，其最大爆炸壓力與預(yù)混氣體的體積分?jǐn)?shù)呈非線性正相關(guān)，而甲烷體積分?jǐn)?shù)為11%的甲烷-空氣混合物的最大爆炸壓力與預(yù)混氣體的體積分?jǐn)?shù)呈非線性負(fù)相關(guān). 不同體積分?jǐn)?shù)的預(yù)混氣體對(duì)甲烷最大爆炸壓力上升速率的影響如圖5所示. 同一溫度下，對(duì)于甲烷體積分?jǐn)?shù)為7%的甲烷-空氣混合物，當(dāng)預(yù)混氣體體積分?jǐn)?shù)增大到2.0%時(shí)，最大爆炸壓力上升速率不同程度地增加. 對(duì)于甲烷體積分?jǐn)?shù)為11%的甲烷-空氣混合物，其最大爆炸壓力上升速率不同程度地下降. 由于燃料氣體的體積分?jǐn)?shù)決定了爆炸反應(yīng)中可能涉及多少反應(yīng)物和反應(yīng)速率，因此預(yù)混氣體的體積分?jǐn)?shù)在爆炸過程中起著相當(dāng)重要的作用. 對(duì)于甲烷體積分?jǐn)?shù)為7%的甲烷-空氣混合物，加入預(yù)混氣體后，在試驗(yàn)過程中與氧氣能形成較完全反應(yīng)，導(dǎo)致最大爆炸壓力與最大爆炸壓力上升速率增加. 對(duì)于甲烷體積分?jǐn)?shù)為11%的甲烷-空氣混合物，隨著混合氣體濃度的進(jìn)一步增加，提供了過量的燃料，加快了氧氣消耗，導(dǎo)致最大爆炸壓力與最大爆炸壓力上升速率降低.

圖4 不同體積分?jǐn)?shù)的預(yù)混氣體對(duì)甲烷最大爆炸壓力的影響. （a）甲烷體積分?jǐn)?shù)為7%；（b）甲烷體積分?jǐn)?shù)為11%Fig.4 Maximum explosion pressure of CH4-air mixture versus the volume fraction of the mixed gas: (a) volume fraction of CH4 is 7%; (b) volume fraction of CH4 is 11%

圖5 不同體積分?jǐn)?shù)的預(yù)混氣體對(duì)甲烷最大爆炸壓力上升速率的影響. （a）甲烷體積分?jǐn)?shù)為7%；（b）甲烷體積分?jǐn)?shù)為11%Fig.5 Maximum pressure rise rate of CH4-air mixture versus the volume fraction of the mixed gas: (a) volume fraction of CH4 is 7%; (b) volume fraction of CH4 is 11%

2.3 最大爆炸壓力的預(yù)測

根據(jù)之前的討論，假定甲烷-空氣混合物的最大爆炸壓力與初始溫度呈線性關(guān)系，和預(yù)混氣體的體積分?jǐn)?shù)呈非線性關(guān)系. 通過擬合經(jīng)驗(yàn)公式，在試驗(yàn)測量范圍內(nèi)，建立了如下多元非線性回歸模型：

其中，Pmax為最大爆炸壓力，MPa；T0為初始溫度，K；YM為預(yù)混氣體的體積分?jǐn)?shù)，%；Pref為參考?jí)毫?，MPa；Tref為參考溫度，K；Pref= 0.1 MPa，Tref=273 K. 在初始溫度以及預(yù)混氣體體積分?jǐn)?shù)不同的情況下，通過式（1）可以計(jì)算甲烷體積分?jǐn)?shù)為7%的甲烷-空氣混合物的最大爆炸壓力. 相關(guān)系數(shù)為0.945，均方根誤差為0.152. 通過式（2）可以計(jì)算甲烷體積分?jǐn)?shù)為11%的甲烷-空氣混合物的最大爆炸壓力，相關(guān)系數(shù)為0.947，均方根誤差0.147.圖6對(duì)比了不同初始條件下甲烷體積分?jǐn)?shù)為7%與11%的甲烷-空氣混合物的最大爆炸壓力的試驗(yàn)值和通過等式獲得的計(jì)算值，具有良好的一致性. 因此，由等式預(yù)測的最大爆炸壓力是合理的. 但是，不在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，該公式所得結(jié)果可能不準(zhǔn)確或不理想.

圖6 甲烷最大爆炸壓力試驗(yàn)值和計(jì)算值的比較. （a）甲烷體積分?jǐn)?shù)為7%；（b）甲烷體積分?jǐn)?shù)為11%Fig.6 Comparison between the predicted and experimental values：(a) volume fraction of CH4 is 7%; (b) volume fraction of CH4 is 11%

3 模擬結(jié)果分析

3.1 混合氣體組分對(duì)自由基摩爾分?jǐn)?shù)的影響

根據(jù)甲烷爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理，整個(gè)爆炸過程中生成大量的H·、O·和·OH等活性自由基，在反應(yīng)鏈中形成活化中心, 進(jìn)而促進(jìn)甲烷爆炸. 氣體爆炸過程中，維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的自由基濃度低，存留時(shí)間短. 在爆炸瞬間，自由基由于能量積聚，濃度急劇上升達(dá)到峰值，自由基發(fā)生碰撞后，其濃度迅速降低，隨后維持在穩(wěn)定值. 隨著預(yù)混氣體體積分?jǐn)?shù)的增加，生成H·、O·和·OH自由基的時(shí)間提前. 加入預(yù)混氣體會(huì)使反應(yīng)產(chǎn)生的高活性H·自由基增加，同時(shí)H·自由基與O·自由基能反應(yīng)生成·OH自由基，從而加速氧化反應(yīng)，所以H·自由基的增加能夠提高活化中心濃度，從而促進(jìn)甲烷爆炸. 當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為 7% 時(shí)，自由基摩爾分?jǐn)?shù)峰值隨預(yù)混氣體體積分?jǐn)?shù)的變化如圖7（a）所示. 隨著預(yù)混氣體體積分?jǐn)?shù)的增加，H·和·OH自由基摩爾分?jǐn)?shù)的峰值有所上升. 此外，對(duì)于貧燃富氧情況下，O·自由基在加入體積分?jǐn)?shù)為1.6%的可燃?xì)怏w時(shí)達(dá)到最大值，O·自由基摩爾分?jǐn)?shù)峰值多于 H·，而在加入體積分?jǐn)?shù)為2.0%的可燃?xì)怏w時(shí)H·自由基摩爾分?jǐn)?shù)峰值多于 O·. 當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為 11% 時(shí)，如圖 7（b）所示，隨著預(yù)混氣體體積分?jǐn)?shù)的增加，H·自由基摩爾分?jǐn)?shù)峰值有所上升. 值得注意的是，O·和·OH自由基摩爾分?jǐn)?shù)峰值有所下降. 這也說明了富燃料的甲烷-空氣混合物提供了過多的燃料，耗氧量增大，O·和·OH自由基濃度峰值相應(yīng)減少.

圖7 不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下各自由基最大摩爾分?jǐn)?shù)隨預(yù)混氣體體積分?jǐn)?shù)的變化曲線. （a）甲烷體積分?jǐn)?shù)為7%；（b）甲烷體積分?jǐn)?shù)為11%Fig.7 Variation in the maximum molar fractions of free radicals with other combustible gas volume fractions under different volume fractions of CH4：(a) volume fraction of CH4 is 7%; (b) volume fraction of CH4 is 11%

3.2 敏感性分析

加入預(yù)混氣體后，對(duì)爆炸過程中甲烷體積分?jǐn)?shù)為7%與11%的甲烷-空氣混合物的敏感性進(jìn)行分析，如圖8和圖9所示. 基元反應(yīng)的敏感性系數(shù)為正時(shí)，說明該抑制甲烷的消耗；反之則促進(jìn)甲烷的消耗. 對(duì)甲烷爆炸起重要作用的一些基元反應(yīng)的變化如表2所示，基元反應(yīng)R158、R53和R98抑制甲烷的消耗，其中R158是鏈斷裂的重要基元反應(yīng)，導(dǎo)致鏈載體銷毀，對(duì)甲烷的敏感性系數(shù)影響最大，M指反應(yīng)器壁或其他第三體分子，他只起傳遞能量的作用. R158消耗CH3·自由基生成乙烷，R53消耗H·自由基生成氫氣，促使鏈載體銷毀，從而抑制甲烷的消耗. 隨著預(yù)混氣體的加入，各關(guān)鍵反應(yīng)敏感性系數(shù)普遍減弱. 可見，隨著預(yù)混氣體的加入，這些關(guān)鍵反應(yīng)對(duì)甲烷的影響程度下降. 在加入體積分?jǐn)?shù)為1.2%混合氣體后，抑制甲烷消耗的反應(yīng)由 R158、R53和 R98轉(zhuǎn)變?yōu)?R158、R53和R38 . 加入體積分?jǐn)?shù)為1.6%的預(yù)混氣體后，R161、R98、R53和R11的敏感性系數(shù)為正，抑制甲烷的消耗. 加入體積分?jǐn)?shù)為2.0%預(yù)混氣體后，R98、R158、R53和R11的敏感性系數(shù)為正，抑制甲烷的消耗. 如圖9所示，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為 11% 時(shí)，對(duì)甲烷敏感性影響較大的基元反應(yīng)是R158、R53和R98，在不同條件下，影響甲烷反應(yīng)的關(guān)鍵基元反應(yīng)保持不變，且其敏感性系數(shù)隨混合氣體體積分?jǐn)?shù)的增加而減弱. 值得注意的是，當(dāng)預(yù)混氣體體積分?jǐn)?shù)添加至2.0%時(shí)，抑制甲烷消耗的部分基元反應(yīng)中，R38對(duì)甲烷敏感性影響更大. 通過基元反應(yīng)R38的鏈分支反應(yīng)，R38消耗一個(gè)H·，產(chǎn)生了一倍數(shù)量的O·和·OH，反應(yīng)物氧氣被消耗，產(chǎn)生了會(huì)提高活化中心濃度的O·和·OH自由基，促進(jìn)了整個(gè)爆炸氧化反應(yīng)的進(jìn)行.

圖8 加入不同體積分?jǐn)?shù)的預(yù)混氣體后，甲烷體積分?jǐn)?shù)為 7% 的甲烷-空氣混合物敏感性系數(shù)的變化趨勢. （a）0%; （b）0.4%； （c）0.8%； （d）1.2%；（e）1.6%； （f）2.0%Fig.8 Variation in trend of the sensitivity coefficient of the key step response when adding premixedgases with different volume fractions to 7% volume fraction of CH4: （a）0%; （b）0.4%； （c）0.8%； （d）1.2%； （e）1.6%； （f）2.0%

圖9 加入不同體積分?jǐn)?shù)的預(yù)混氣體后，甲烷體積分?jǐn)?shù)為 7% 的甲烷-空氣混合物敏感性系數(shù)的變化趨勢. （a）0%; （b）0.4%； （c）0.8%； （d）1.2%；（e）1.6%； （f）2.0%Fig.9 Variation in trend of the sensitivity coefficient of the key step response when adding premixedgases with different volume fractions to 11%volume fraction of CH4: （a）0%; （b）0.4%； （c）0.8%； （d）1.2%； （e）1.6%； （f）2.0%

表2 甲烷爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中部分關(guān)鍵基元反應(yīng)Table 2 Some key elementary reactions in the methane explosion chain reaction

4 結(jié)論

（1）同一預(yù)混氣體的體積分?jǐn)?shù)下，對(duì)于甲烷體積分?jǐn)?shù)為7%的甲烷-空氣混合物，初始溫度的升高使其最大爆炸壓力呈下降趨勢，最大爆炸壓力上升速率幾乎不受初始溫度的影響；當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為11%時(shí)，其最大爆炸壓力與最大爆炸壓力上升速率均呈下降趨勢.

（2）同一初始溫度，對(duì)于甲烷體積分?jǐn)?shù)為7%的甲烷-空氣混合物，隨著以CO為主要成分的預(yù)混氣體的體積分?jǐn)?shù)增大到2%，其最大爆炸壓力、最大壓力上升速率均呈增大的趨勢. 當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為11%時(shí)，其最大爆炸壓力與最大爆炸壓力上升速率均呈減小趨勢.

（3）甲烷-空氣混合物最大爆炸壓力與初始溫度升高呈線性相關(guān)，隨著預(yù)混氣體體積分?jǐn)?shù)增大呈非線性相關(guān). 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在一定誤差范圍內(nèi)，得到了多元非線性回歸公式. 在特定溫度下，加入特定體積分?jǐn)?shù)的預(yù)混氣體后，難以直接測量壓力參數(shù)時(shí)，該公式可定量預(yù)測甲烷-空氣混合物的最大爆炸壓力.

（4）通過模擬分析不同體積分?jǐn)?shù)的預(yù)混氣體H·、O·和·OH自由基摩爾分?jǐn)?shù)的變化趨勢以及對(duì)甲烷進(jìn)行敏感性分析可知，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為 7%時(shí)，隨著預(yù)混氣體體積分?jǐn)?shù)的增加，H·和·OH自由基摩爾分?jǐn)?shù)峰值有所上升. 此外，在加入體積分?jǐn)?shù)為1.6%的其他四種預(yù)混氣體后，O·自由基摩爾分?jǐn)?shù)的峰值達(dá)到最大值. 當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為 11%時(shí)，隨著預(yù)混氣體體積分?jǐn)?shù)的增加，H·自由基摩爾分?jǐn)?shù)峰值有所上升，O·和·OH自由基摩爾分?jǐn)?shù)峰值有所下降. 就敏感性而言，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為7%與11% 時(shí)，影響甲烷的關(guān)鍵基元反應(yīng)保持不變，促進(jìn)甲烷消耗的主要基本反應(yīng)是R158、R53和R98.值得注意的是，在不同條件下，甲烷敏感性系數(shù)隨預(yù)混氣體體積分?jǐn)?shù)的增加而減弱.