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甲烷/煤尘复合火焰传播特性及机理的研究

陈东梁  
【摘要】: 煤炭将在较长的一段时期内是我国能源的重要来源,虽然国家加大了对煤矿井下安全生产的监管力度和技术投入,但煤矿瓦斯、煤尘爆炸事故仍然时有发生,给国家和人民带来了巨大的伤害和损失。而煤矿井下的爆炸事故往往是瓦斯和煤尘共同参与的,对瓦斯和煤尘共同参与的复合体系的火焰传播特性和机理进行研究,可以为煤矿井下爆炸灾害的预防和控制提供理论基础。本文利用燃烧管道对甲烷/空气预混气体和甲烷/煤尘复合火焰进行了实验研究,对甲烷/空气预混火焰的传播特性进行了分析,对甲烷/煤尘复合火焰的传播特性和机理及其影响因素进行了深入的研究。 利用高速纹影仪等技术对闭口管道内甲烷/空气预混气体火焰的传播过程进行了研究,对火焰的传播过程和特征进行了分析。当甲烷含量接近当量值时,预混气体火焰传播中会发生火焰阵面由向未燃区弯曲到向已燃区弯曲的转折过程,逐渐由层流燃烧向湍流燃烧转变并形成Tulip火焰这种特殊的火焰结构。Tulip火焰结构形成于火焰传播速度迅速降低的区间里,且只有当减速阶段的最大加速度绝对值大于某一特定值时(本实验条件下约为156.8m/s~2),Tulip火焰结构才能够形成。Tulip火焰结构是预混火焰由层流燃烧向湍流燃烧转变的一个中间过程。 研究了燃料组分构成λ(λ=复合体系中甲烷的理论耗氧气量/复合体系中煤尘的理论耗氧气量)、煤尘粒径和煤尘种类对复合火焰传播特性的影响,得到了不同实验条件下的火焰形态、火焰温度和火焰传播速度等表征火焰传播特性的参数,分析了燃料组分构成λ、煤尘粒径和煤尘种类变化时复合火焰传播特性的变化规律。 在实验研究的基础上,分析了甲烷/煤尘复合体系燃烧反应特性,提出了甲烷/煤尘复合火焰结构。对燃料组分构成、煤尘粒径和煤尘种类对复合体系燃烧反应特性和火焰结构的影响进行了深入的研究,揭示了复合体系燃烧反应特性和火焰结构的影响因素及其影响规律。 甲烷/煤尘复合火焰的传播机理可以描述为:预热区(Z_0)受到火焰前沿的热对流和热辐射而升温;气相火焰区(Z_1)主要为甲烷气体的燃烧,它的燃烧放热一部分传递给未燃区,同时使得煤尘粒子的温度升高;多相燃烧反应区(Z_2)主要为煤尘粒子燃烧构成,在这个区域中,煤尘粒子迅速的热解,挥发分迅速燃烧,形成的焦炭也逐步的开始燃烧;在上一燃烧过程中形成的焦炭在火焰区Z_3中持续的燃烧直至燃烧完毕。 复合火焰中甲烷的燃烧决定了温度的上升时刻,而煤尘的燃烧决定了复合火焰温度的最大值。对于甲烷/煤尘复合火焰,和单一的甲烷火焰或者煤尘火焰相比,由于甲烷的参与,使得复合火焰比单一的煤尘火焰具有更高的传播速度;由于煤尘的参与,使得复合火焰比单一的甲烷火焰持续更长的时间,燃烧火焰在更大的区域中存在。


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