梁运涛，曾 文

1)煤炭科学研究总院沈阳研究院煤矿安全技术国家重点实验室，沈阳110016;2)沈阳航空航天大学动力与能源工程学院，沈阳110136

近年来，瓦斯爆炸的反应动力学研究已成为国内外关注的焦点［1-7］. 陆守香等［8］进行了水抑制瓦斯爆炸的简单机理研究;邱雁等［9］对充注惰性气体来抑制瓦斯爆炸的简单机理进行了研究. 但到目前为止，对瓦斯爆炸过程的动力学研究都是采用几步或十几步的简单机理，根本无法反映瓦斯爆炸过程的详细动力学特性［10-14］. 近年来，人们认识到隔爆水棚也能阻止瓦斯爆炸的传播，但对水抑制瓦斯爆炸的化学动力学机制还缺乏深入了解［15-16］. 本文对巷道内瓦斯爆炸过程中反应物体积分数及瓦斯爆炸后部分有毒气体体积分数的变化进行了研究，对水蒸汽抑制瓦斯爆炸及爆炸后致灾性气体生成的反应机理进行了分析，为在实际操作中采用水蒸汽来抑制瓦斯爆炸提供了理论依据.

1 化学反应机理

计算采用美国Lawrence Livermore 国家实验室的甲烷燃烧化学动力学详细机理，包括53 种组分，325 个反应［17］. 此机理得到了国内外大量研究者的验证，基本与实验结果吻合［18］.

2 计算结果与分析

忽略巷道内组分与能量的径向扩散，仅对瓦斯爆炸时沿轴向方向温度、各组分浓度的变化趋势进行数值计算，其主要控制方程可参见文献［19］. 预先假定巷道中的温度分布趋势，如图1 所示，从而在考虑炉壁散热的基础上不再需要求解能量方程.图中x 为距巷道入口距离. 本研究对巷道中瓦斯爆炸的3 种情况进行了计算，如表1 所示，其中一种情况为瓦斯-空气混合物不含有水蒸汽，另两种情况为空气含湿量分别为10%和20%. 空气含湿量是指空气中水蒸气体积占瓦斯混合气总体积的百分数. 3 种工况的质量流量均为4.63×10-3g/(cm2·s)巷道长度设为4 cm.

图1 巷道中温度变化趋势Fig.1 Variation of temperature in the roadway

表1 巷道初始计算条件Table 1 Initial computational conditions of the premixed gas explosion in roadway

2.1 空气含湿量对巷道内反应物体积分数变化趋势的影响

图2 显示了空气含湿量对瓦斯爆炸过程中反应物体积分数变化趋势的影响. 图中1、2、3 分别对应表1 中的3 种不同工况. 从图2 可见，在距离入口1.2 cm 处，甲烷与氧气的体积分数同时急剧下降，当达到距离巷道入口处2 cm 左右时，混合气中甲烷体积分数基本为零. 当空气含湿量为0 时，在该处氧气体积分数为7%左右;当空气含湿量为10%、20%时，在该处氧气体积分数分别为6.2%、5.6%左右. 同时，空气含湿量对瓦斯爆炸发生的时间影响较小.

图2 含湿量对瓦斯爆炸过程中反应物体积分数变化趋势的影响Fig.2 Effect of humidity ratio on the variation trend of reactant volume fraction during the gas explosion process

2.2 空气含湿量对CO 与CO2 体积分数变化趋势的影响

图3 显示了含湿量对瓦斯爆炸过程中CO 与CO2体积分数变化趋势的影响. 从图3 可见，在距离巷道入口1 cm 处，CO 体积分数急剧增加，在1.6 cm 处达峰值，然后急剧下降，当达到2.2 cm处时，CO 的体积分数基本为零. 同时，空气含湿量对CO 的生成影响较小. 在距离入口1 cm 处，CO2体积分数同时也急剧增加，当达到2.2 cm 处时，CO2的体积分数达到峰值，然后随着与入口距离加大，其值基本保持不变. 同时，空气含湿量对CO2体积分数的影响较大. 随着含湿量的增加，CO2的体积分数逐渐下降. 从图3 可见，在CO 体积分数达到峰值后开始快速下降，而此时CO2的体积分数却快速上升，当CO 的体积分数降至零后，CO2的体积分数达峰值，且随着与入口距离的加大基本保持不变.

图3 含湿量对瓦斯爆炸后CO 与CO2 体积分数变化趋势的影响Fig.3 Effect of humidity ratio on the variation trend of CO and CO2 volume fraction after the gas explosion

2.3 空气含湿量对NO 与NO2 体积分数变化趋势的影响

图4 显示了含湿量对瓦斯爆炸过程中NO 及NO2的体积分数变化趋势的影响. 从图4 可见，在距离入口1.5 cm 处时，NO 的体积分数开始急剧增加，当达到2.5 cm 时，NO 的体积分数达到峰值，然后随着与入口距离的加大，其体积分数基本保持不变. 同时，空气含湿量对NO 体积分数的影响较大，随着含湿量的增加，NO 的体积分数逐渐下降，且下降幅度较大.

随着与入口距离的加大，NO2的体积分数出现2 个峰值. 在距离入口1 cm 处，NO2的体积分数急剧增加，当达到距离入口1.5 cm 处时，NO2的体积分数达到第1 个峰值. 随着与入口距离的继续加大，NO2的体积分数先急剧下降后急剧上升，当达到2.1 cm 处时，NO2的体积分数达到第2 个峰值.随着与入口距离的继续加大，NO2的体积分数开始缓慢下降，当达到3 cm 后，其值基本保持不变.随着含湿量的增加，NO2体积分数的2 个峰值逐渐下降，但最终体积分数影响较小.

图4 含湿量对瓦斯爆炸后NO 与NO2 体积分数变化趋势的影响Fig.4 Effect of humidity ratio on the variation trend of NO and NO2 volume fraction after the gas explosion

2.4 影响瓦斯爆炸的关键反应步

图5 影响瓦斯爆炸的关键反应基元步Fig.5 Key reactions affecting gas explosion

图5 显示了影响瓦斯爆炸的关键反应步. 从图5 可见，甲烷主要通过反应步H + CH4＜==＞CH3+H2、OH+CH4＜==＞CH3+H2O 和O +CH4＜==＞OH +CH3消耗，通过反应步H +CH3(+M)＜==＞CH4(+M)生成.

对比图5(a)与(b)可见，与混合气中不含水蒸汽时相比，当空气含湿量为20%时，甲烷总的消耗速率得到很大程度的抑制，其中主要原因是含湿量对上述促进瓦斯爆炸的3 个主要反应步抑制作用较为明显，从而降低了总的消耗速率. 同时反应步H+CH3(+M)＜==＞CH4(+M)受含湿量的影响较小.

2.5 影响CO2 生成的关键反应步

图6 显示了影响CO2生成的关键反应步. 从图6(a)可见，CO2主要通过反应步CH2+O2＜==＞2H+CO2、OH+CO ＜==＞H+CO2和HO2+CO ＜==＞OH+CO2生成，主要通过反应步CH2(s)+ CO2＜==＞CO+CH2O 消耗. 对比图6(a)与(b)可见，与混合气中不含水蒸汽时相比，当空气含湿量为20%时，CO2总生成速率得到较大程度上的抑制.

图6 影响CO2 体积分数变化的关键反应基元步Fig.6 Key reactions affecting CO2 concentration

2.6 影响CO 生成的关键反应步

图7 影响CO 体积分数变化的关键反应基元步Fig.7 Key reactions affecting CO concentration

图7 显示了影响CO 生成的关键反应步. 从图7(a)可见，CO 主要通过反应O +CH3＜==＞H +H2+CO、HCO+O2＜==＞HO2+CO 与HCO +M ＜==＞H+CO+M 生成，主要通过反应步OH+CO ＜==＞H+CO2消耗. 对比图7(a)与(b)可见，与混合气中不含水蒸汽时相比，当空气含湿量为20% 时，CO 总的生成速率得到较大程度上的抑制.

2.7 影响NO 生成的关键反应步

图8 显示了影响NO 生成的关键反应步. 从图8(a)可见，NO 主要通过反应步NO2+H ＜==＞NO+OH 与NO2+O ＜==＞NO+O2生成，主要通过反应步HO2+NO ＜==＞NO2+OH 和NO +O +M ＜==＞NO2+M 消耗. 对比图8(a)与(b)可见，与混合气中不含水蒸汽时相比，当空气含湿量为20% 时，NO 总的生成速率都得到较大程度的抑制.

2.8 影响NO2 生成的关键反应步

图9 显示了影响NO2生成的关键反应步. 从图9 (a)可见，NO2主要通过反应步NO +O +M ＜==＞NO2+M 和HO2+NO ＜==＞NO2+OH 生成，主要通过反应步NO2+H ＜==＞NO+OH 和NO2+O ＜==＞NO+O2消耗. 对比图9(a)与(b)可见，与混合气中不含水蒸汽时相比，当空气含湿量为20% 时，NO2总生成速率得到较大程度的抑制.

图8 影响NO 体积分数变化的关键反应基元步Fig.8 Key reactions affecting NO concentration

图9 影响NO2 浓度变化的关键反应基元步Fig.9 Key reactions affecting NO2 concentration

结 语

综上研究可知:①瓦斯发生爆炸时，甲烷与氧气的体积分数同时急剧下降，当达到距离巷道入口处2 cm 左右时，混合气中甲烷体积分数基本为零. 同时，空气含湿量对瓦斯爆炸发生的时间影响较小. ②促进瓦斯爆炸的主要反应步为O + CH4＜==＞OH+CH3、H+CH4＜==＞CH3+H2与OH+CH4＜==＞CH3+H2O，当混合气中含有水蒸汽时，会一定程度上抑制瓦斯爆炸的发生. ③主要促进CO 生成的基元反应步为HCO +M ＜==＞H +CO +M、O +CH3＜==＞H +H2+CO 与HCO +O2＜==＞HO2+CO;CO2主要通过反应步OH+CO ＜==＞H+CO2、HO2+CO ＜==＞OH+CO2与CH2+O2＜==＞2H +CO2生成;NO 主要通过NO2+H ＜==＞NO+OH 与NO2+O ＜==＞NO+O2生成;NO2则主要通过HO2+NO ＜==＞NO2+OH 与NO +O +M ＜==＞NO2+M 生成. 同时，混合气中含有水蒸汽时，会一定程度上抑制CO、CO2、NO 与NO2的生成. 同时，随着空气含湿量的增加，这种抑制作用会得到增强.

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