罗振敏等：CH6、CH4、C0与H2对甲烷爆炸压力及动力学特性影响 ·341· 力可达4MPa,可在室温至473K、0.01~1MPa(绝 差小于2K.在加热到指定温度时系统自动将气体 压)条件下进行试验测试.加热系统由循环泵、加 充入球形爆炸罐内，循环搅拌300s以保证气体 热器和水（油）箱等组成，并连接到20L球形容器 的均匀性.试验装置在之前的工作1中也有详细 通过填充并循环加热硅油控制内部温度，温度误 描述 Circulating oil View port Thermal insulating chamber Explosion chamber Ignitor electrode Pressure transducer Temperature transducer D=110 mm Computer Inner wall Powder cylinder Out wall Gas release valve Vacuum meter Powder release valve Circulating pump 图120L球形气体爆炸试验系统示意图 Fig.I Schematic of the 20 Lspherical gas explosion experimental setup 1.2试验气体及工况 爆炸机理及其影响因素提供了一种有效的方法 所有试验均在环境压力(0.1MPa)下进行，湿 在研究CH4、C2H6、H2和CO等气体化学动力学 度为52%~73%RH(相对湿度).该球形罐的初始 机制方面，GRI-Mech3.0的可靠性得到了一些学者 气体温度设置为298、313、333、353和373K.点火 的证实7,20-2]，其详细机理也得到了广泛的认可 能量设定为1J,电极间距为3mm.为了分析以CO 所以模拟选用CHENKIN内置闭式均相反应器 为主要成分的混合物对甲烷在空气中的爆炸特性 (Closed homogeneous batch reactor).作为定容反应 的影响，限于试验系统的配气精度，恒力公司提供 器模型.采用GRI-Mech3.0(53种组分，325个基 了体积分数比为1：1：5：1的C2H6,C2H4,CO和H2 元反应)研究甲烷爆炸的化学动力学特性.问题 的预混气体.结合矿井可燃气体实际情况，分别取 类型为定容、绝热条件下求解能量方程，没有热 体积分数为0.4%、0.8%、1.2%、1.6%和2.0%的预混 量损失.模拟所需气体为CH4、O2、N2、CO、 气体进行试验.试验中甲烷体积分数为7%与11%. C2H6、C2H4和H2,初始温度为1300K,初始压力 1.3模拟计算条件 为1个标准大气压，反应时间为0.02s,具体工况 化学动力学计算CHEMKIN软件为研究瓦斯 见表1. 表1初始模拟计算条件 Table 1 Initial conditions for simulation Volume fraction/ Sample CHa 02 C2H6:C2H4:CO:H2=1:1:5:1 C2H6 C2Ha CO H, 19.53 73.47 0 0 0 0 2 19.45 73.15 0.05 0.05 0.25 0.05 19.36 72.84 0.1 0.1 0.5 0.1 7 4 19.28 72.52 0.15 0.15 0.75 0.15 19.19 72.21 0.2 0.2 1 0.2 6 19.11 71.89 0.25 0.25 1.25 0.25 > 18.69 70.31 0 0 0 0 18.61 69.99 0.05 0.05 0.25 0.05 9 11 18.52 69.68 0.1 0.1 0.5 0.1 10 18.44 69.36 0.15 0.15 0.75 0.15 2 18.35 69.05 0.2 0.2 1 0.2 12 18.27 68.73 0.25 0.25 1.25 0.25力可达 4 MPa，可在室温至 473 K、0.01～1 MPa（绝 压）条件下进行试验测试. 加热系统由循环泵、加 热器和水（油）箱等组成，并连接到 20 L 球形容器. 通过填充并循环加热硅油控制内部温度，温度误 差小于 2 K. 在加热到指定温度时系统自动将气体 充入球形爆炸罐内，循环搅拌 300 s 以保证气体 的均匀性. 试验装置在之前的工作[15] 中也有详细 描述. Pressure transducer D=110 mm Circulating oil Gas release valve Powder release valve Powder cylinder Vacuum meter View port Thermal insulating chamber Out wall Inner wall Explosion chamber Ignitor electrode Temperature transducer Computer Circulating pump 图 1    20 L 球形气体爆炸试验系统示意图 Fig.1    Schematic of the 20 L spherical gas explosion experimental setup 1.2    试验气体及工况 所有试验均在环境压力（0.1 MPa）下进行，湿 度为 52%～73% RH（相对湿度）. 该球形罐的初始 气体温度设置为 298、313、333、353 和 373 K. 点火 能量设定为 1 J，电极间距为 3 mm. 为了分析以 CO 为主要成分的混合物对甲烷在空气中的爆炸特性 的影响，限于试验系统的配气精度，恒力公司提供 了体积分数比为 1∶1∶5∶1 的 C2H6，C2H4，CO 和 H2 的预混气体. 结合矿井可燃气体实际情况，分别取 体积分数为 0.4%、0.8%、1.2%、1.6% 和 2.0% 的预混 气体进行试验. 试验中甲烷体积分数为 7% 与 11%. 1.3    模拟计算条件 化学动力学计算 CHEMKIN 软件为研究瓦斯 爆炸机理及其影响因素提供了一种有效的方法. 在研究 CH4、C2H6、H2 和 CO 等气体化学动力学 机制方面，GRI-Mech 3.0 的可靠性得到了一些学者 的证实[17, 20−25] ，其详细机理也得到了广泛的认可[26] . 所以模拟选用 CHENKIN 内置闭式均相反应器 （Closed homogeneous batch reactor）作为定容反应 器模型. 采用 GRI-Mech 3.0（53 种组分，325 个基 元反应）研究甲烷爆炸的化学动力学特性. 问题 类型为定容、绝热条件下求解能量方程，没有热 量 损 失 . 模 拟 所 需 气 体 为  CH4、 O2、 N2、 CO、 C2H6 、C2H4 和 H2，初始温度为 1300 K，初始压力 为 1 个标准大气压，反应时间为 0.02 s，具体工况 见表 1. 表 1 初始模拟计算条件 Table 1   Initial conditions for simulation Sample CH4 O2 N2 Volume fraction/% C2H6∶C2H4∶CO∶H2=1∶1∶5∶1 C2H6 C2H4 CO H2 1 7 19.53 73.47 0 0 0 0 2 19.45 73.15 0.05 0.05 0.25 0.05 3 19.36 72.84 0.1 0.1 0.5 0.1 4 19.28 72.52 0.15 0.15 0.75 0.15 5 19.19 72.21 0.2 0.2 1 0.2 6 19.11 71.89 0.25 0.25 1.25 0.25 7 11 18.69 70.31 0 0 0 0 8 18.61 69.99 0.05 0.05 0.25 0.05 9 18.52 69.68 0.1 0.1 0.5 0.1 10 18.44 69.36 0.15 0.15 0.75 0.15 11 18.35 69.05 0.2 0.2 1 0.2 12 18.27 68.73 0.25 0.25 1.25 0.25 罗振敏等： C2H6、C2H4、CO 与 H2 对甲烷爆炸压力及动力学特性影响 · 341 ·