預防瓦斯爆炸的最新理論
作者：張海音
近年來，國內外相關學者主要集中研究瓦斯爆炸的抑制機理，魏春榮等利用自行設計的方形實驗管道，對多孔材料抑制瓦斯爆炸進行了實驗研究；王連聰等從反應機理角度詳細分析水對瓦斯爆炸的抑制作用；Maremonti等分析了管路直徑、點火位置對瓦斯爆炸過程中壓力、燃燒速率的影響。在瓦斯爆炸的促進機理方面，鄧軍等對可燃性氣體影響瓦斯爆炸過程進行了實驗研究，實驗結果證明：CH4中加入可燃性氣體，混合氣體的臨界爆炸極限降低，爆炸的需氧量減少，使爆炸更危險，但并未從反應機理角度分析可燃性氣體對瓦斯爆炸的影響機制。本文從瓦斯爆炸過程的化學反應動力學機理方面，首先分析C2 H6含量對瓦斯爆炸溫度、壓力的影響，同時對瓦斯爆炸過程中的關鍵反應步進行敏感性分析，得出的數據和結論將豐富瓦斯爆炸的相關理論，為下一步相關實驗研究提供一定的理論基礎。了解C2 H6對瓦斯爆炸的具體促進機制，才能在煤礦井下進行氣體濃度監(jiān)測監(jiān)控時，采取必要的措施降低C2 H6的濃度，為預防瓦斯爆炸提供理論指導。
1 計算模型
根據文獻[7]中已經建立的數學模型進行計算，即在Chemkin子程序Senkin軟件環(huán)境下進行數值計算。混合氣體在定容燃燒反應器中預混均勻，給予一定能量使之發(fā)生低溫反應，生成自由基，當自由基濃度達到一定程度后就會發(fā)生燃燒和爆炸。通過計算反應器中溫度、壓力等變化趨勢以及反應步敏感性系數變化就能詳細分析出瓦斯爆炸過程中的化學動力學特性。
2化學反應機理
瓦斯爆炸的化學反應式可以簡單表示如下：
CH4 +202→C02 +2H20 +882. 6kj/mol
上式只反映最終結果，不能反映出瓦斯爆炸過程中物理和化學的本質特征。根據化學動力學研究結果，瓦斯爆炸是一個復雜的鏈式連鎖反應過程。因此，本文計算采用的是一直被國際公認為目前最理想的甲烷燃燒機理，即美國氣體動力學研究所資助、國際大量知名燃燒研究小組共同構建完成的GRI Mech 3.0機理，該詳細化學反應機理包括53種組分和325個基元反應。
3 計算結果及分析
3.1 瓦斯爆炸壓力、溫度影響分析
煤自燃產生的可燃性氣體，其中大多數成分與CH4同為碳氫類氣體，比空氣輕，易擴散，所以極易與CH4混合成為更容易爆炸的混合氣，并且會使爆炸強度增加。在瓦斯爆炸極限范圍內(6%~16%)，向CH4/02/N2預混合氣體中依次充人0.5%，1%，1.5%，2%的C2H6，其中02和N2的體積分數按照空氣中的體積比21/79求得。同時采用提高混合氣體初始溫度來代替點火源。
1)不同C2H6濃度對瓦斯爆炸壓力的影響
通過對不同工況條件下數值計算結果，繪制出不同C2H6濃度對瓦斯爆炸壓力的影響，如圖1所示。從圖1中曲線可知，隨著CH4體積分數增加，瓦斯爆炸壓力先升高后降低。當混合氣體中不含C2H6時，在CH4體積分數為14%時達到最大壓力值0. 236MPa;隨著C2H6的加入，瓦斯爆炸壓力普遍升高，當C2H6濃度為0.5 010時，在CH4體積分數為13%時達到最大壓力值0. 237MPa;當C2H6濃度為1%時，在CH4體積分數為12%時達到最大壓力值0. 238MPa：當C2H6濃度為1.5%時，在CH4體積分數為12 010時達到最大壓力值0.240MPa;當C2H6濃度為2%時，在CH4體積分數為11%時達到最大壓力值0. 240MPa。純CH4爆炸時，CH4體積分數為14%時達到最大壓力值，這可能是由于CH4體積分數越高，在定容燃燒反應器中相當于體系初始壓力升高，爆炸后壓力也會升高。本文僅考慮加入C2H6后瓦斯爆炸最大壓力對應的甲烷濃度相對提前。
以上數據表明：混合氣體中加入少量C2H6，瓦斯爆炸壓力明顯增加，且C2H6體積分數增加使達到瓦斯爆炸最大壓力所對應的CH4體積分數提前，爆炸最大壓力增大了0. 004MPa。說明C2H6促進瓦斯爆炸，增強了瓦斯爆炸的危害性。
2)不同C2H6濃度對瓦斯爆炸溫度的影響
圖2給出了不同C2H6濃度對瓦斯爆炸溫度的影響。從圖中曲線可知，隨著CH4體積分數增加，瓦斯爆炸溫度先升高后降低。當混合氣體中不含C2H6時，在CH4體積分數為11%時達到最高溫度值2900K;當C2H6濃度為0.5%時，在CH4體積分數為10%時達到最高溫度值2900K;當C2H6濃度為1%時，在CH4體積分數為10%時達到最高溫度值2910K;當C2H6濃度為1.5%時，在CH4體積分數為9%時達到最高溫度值2920K;當C2H6濃度為2%時，在CH4體積分數為8%時達到最高溫度值2920K。體系中C2H6含量越高，溫度下降曲線越陡，這是由于混合氣體中C2H6含量越高，整個體系中02含量相對更低，氣體燃燒更加不充分，放出熱量隨之減少所致。
以上數據表明：混合氣體中加入少量C2H6，瓦斯爆炸溫度普遍升高，且C2H6體積分數增加使達到瓦斯爆炸最高溫度所對應的CH4體積分數提前，爆炸最高溫度升高了20K。這也說明C2H6促進瓦斯爆炸，增強了瓦斯爆炸的危害性。鄧軍等在研究CH4、CO、C2H4多元體系的爆炸實驗中發(fā)現：隨著C2H4含量的增加，混合氣體的爆炸危險度明顯增加；羅振敏等在研究C2H6、C2H4、CO、H2對瓦斯爆炸極限影響的實驗中發(fā)現：有機可燃氣體C2H6和C2H4對瓦斯爆炸下限的影響程度基本一致，不同程度的增加了瓦斯爆炸的危險性。以上實驗均說明煤自燃產生的可燃性氣體會使瓦斯爆炸強度增加，更加危險，間接驗證了本文的結論。
另外，溫度和壓力的變化趨勢都是先升高后降低，但是由于初始壓力以及氣體含量影響的不同，會導致瓦斯爆炸后溫度和壓力變化的拐點位置有所不同。
3.2敏感性分析
表1所列為定容燃燒反應器中瓦斯爆炸的3種初始工況，工況1為氣體混合物中不含有C2H6，工況2為混合物中含有0.5%的C2H6，工況3為混合物中含有1.0%的C2H6。
1)影響瓦斯爆炸的關鍵反應基元步分析
根據鏈式反應理論，可以看出，反應步R57、R158消耗自由基H、CH3，中斷瓦斯爆炸的鏈式反應，抑制了CH4的消耗，即對CH4生成起促進作用；相反，反應步R32、R38、R155生成自由基，使鏈式反應得以進行下去，即對CH4消耗起促進作用。
圖3顯示，加入C2H6后，各反應步的敏感性系數都降低，其中以R155和R158的變化最為明顯，但仔細觀察可知，R158下降幅度大于R155，即加入C2H6后，促進CH4生成反應步的敏感性系數下降幅度更為明顯，說明混合氣體中加入C2H6促進瓦斯爆炸。
2)影響CO生成的關鍵反應基元步分析
從鏈式反應角度分析，爆炸后反應步R98、R158促進CO生成；反應步R38、R119、R155促進CO消耗。圖4顯示，瓦斯爆炸前，工況1中，促進CO生成反應步的敏感性系數小于促進其消耗反應步的敏感性系數；工況3中（含1% C2H6），促進CO生成反應步的敏感性系數大于促進其消耗反應步的敏感性系數。說明加入C2H6，促進CO生成反應步的敏感性增強，促進了CO的生成，即混合氣體中加入C2H6促進瓦斯爆炸。
3)影響NO生成的關鍵反應基元步分析
同理，從鏈式反應角度分析，反應步R38、R155、R170促進NO生成；反應步R57、R158促進NO消耗。
圖5顯示，工況1中，促進NO生成反應步的敏感性系數小于促進其消耗反應步的敏感性系數；工況3中（含l% C2H6），促進NO生成反應步的敏感性系數大于促進其消耗反應步的敏感性系數。說明加入C2H6，促進NO生成反應步的敏感性增強，促進了NO的生成，即混合氣體中加入C2H6促進瓦斯爆炸。
4結論
1)混合氣體中依次充人0.5%、1010、1.5%、2%的C2H6，瓦斯爆炸壓力、溫度明顯增加，同時，與混合氣不含C2H6相比，加入2%的C2H6后，達到瓦斯爆炸最大壓力、最高溫度所對應的CH4體積分數都提前了3%，且爆炸最大壓力增大了0.004MPa，爆炸最高溫度升高了20K，因此，C2H6對瓦斯爆炸起促進作用。
2)促進CH4生成的關鍵反應步是R57:H+CH20( +M)<=>CH30(+M) ,Rl58:2CH3(+M)<=>C2H6(+M)；促進CH4消耗的關鍵反應步是R32:02 +CH20<=>H02+HCO,R38:H+ 02<=>O+ OH,Rl55:CH3+02<=>0+CH30。混合氣體中加入C2H6使促進CH4生成反應步的敏感性系數下降幅度更為明顯，即C2H6對瓦斯爆炸起促進作用。
3)促進CO生成的關鍵反應步是R38:H +O2<=>O+ OH,Rll9:H02+CH3<=>OH+CH30,
R155:CH3+02<=>O+CH30；促進NO生成的關鍵反應步是R38:H +O2<=>0+0H，R155:CH3+02<=>O+CH30,Rl70:CH30+02<=>H02+CH20�；旌蠚怏w中加入C2H6使上述反應步敏感性增強，促進了CO、NO的生成。
4摘要：
為了研究受限空間內C2H6對瓦斯爆炸的影響，采用GRI Mech 3.0甲烷燃燒反應機理對定容燃燒反應器內瓦斯爆炸過程中壓力、溫度變化趨勢進行詳細分析，同時，對瓦斯爆炸過程中關鍵反應步進行敏感性分析。結果表明：混合氣體中依次充人0.5%、1% .1. 50、2%的C2H6，瓦斯爆炸壓力、溫度明顯增加。其中，與混合氣不含C2 H6相比，加入2%的C2 H6后，達到瓦斯爆炸最大壓力、最高溫度所對應的CH4體積分數都提前了3%，且爆炸最大壓力增大了0.004MPa，爆炸最高溫度升高了20K;混合氣中加入C2 H6，促進CH4生成反應步的敏感性系數大幅度下降，促進CO、NO生成反應步的敏感性系數升高。C2 H6對瓦斯爆炸起促進作用，且隨著C2 H6含量的增加，瓦斯爆炸強度增大，同時，C2 H6促進致災性氣體CO、NO的生成：
