激波管中水对瓦斯爆炸反应动力学特性的影响

为揭示水对激波诱导瓦斯爆炸反应动力学特性的影响规律,运用化学反应动力学数值分析方法,建立了描述激波诱导瓦斯爆炸反应动力学特性的数学模型,就激波诱导瓦斯爆炸过程中水对爆炸温度、冲击波速度、反应物摩尔分数、自由基摩尔分数及主要致灾性气体摩尔分数变化趋势的影响进行了数值模拟研究与对比分析。研究结果表明:在一定范围内,随着初始混合气体中水含量的升高,激波诱导瓦斯爆炸后,爆炸温度、冲击波速度,以及O自由基、H自由基、CO、NO和NO2等的摩尔分数均依次降低,而CO2的摩尔分数则依次升高。这说明在一定范围内混合气体中含水量的增加,会降低瓦斯爆炸强度,促进CO2的生成,抑制CO,NO及NO2等有毒有害气体的生成,尤其对H自由基和O自由基的抑制作用最为显著。     

封闭空间水及CO_2对瓦斯爆炸反应动力学特性的影响分析

运用化学反应动力学理论,采用详细的瓦斯爆炸反应机理,分析了封闭空间内水及CO2对瓦斯爆炸反应动力学特性的影响。在4种工况条件下,通过数值模拟的手段,分析对比了水及CO2对瓦斯爆炸过程中温度、压力、反应物浓度、自由基浓度以及爆炸过程中生成的部分致灾性气体浓度等变化趋势的影响,找出了水及CO2对瓦斯爆炸反应动力学特性影响的异同。结果表明:CO2在降低瓦斯爆炸的强度方面比水的效果好。     

半封闭空间瓦斯由燃烧转为爆炸过程的动力学分析

以瓦斯爆炸初期火焰传播速度与化学反应速率的关系为基础,实验研究半封闭空间瓦斯爆炸初期的火焰传播动力学过程。分析得出：瓦斯爆炸初期反应速率常数与爆炸传播速度的平方成正比;瓦斯从开始反应到爆炸的动力学过程主要受化学反应速率的影响。瓦斯爆炸初期火焰前沿位置和速度随时间变化曲线分别近似呈指数型增长,瓦斯传播速度为初始速度en 倍时认为瓦斯爆炸。瓦斯爆炸感应期由瓦斯燃烧感应期和由燃烧转为爆炸响应时间组成,瓦斯燃烧感应期为从瓦斯开始反应到瓦斯反应出现火焰的时间,由燃烧转为爆炸响应时间为基准时间t的n倍。     

煤矿巷道内N2及CO2抑制瓦斯爆炸的机理特性

为探求煤矿巷道内惰性气体（氮气及二氧化碳）对瓦斯预混合爆炸的影响,采用详细反应机理(包括53种组分、325个反应),运用化学动力学计算软件CHEMKIN 3.7中PREMIX程序包,建立巷道内瓦斯爆炸过程的数学模型。通过数值计算,对比了N2及CO2对瓦斯爆炸过程中反应物、自由基、爆炸后产生的主要致灾性气体的浓度以及甲烷总消耗速率等变化的影响,分析N2及CO2对瓦斯爆炸反应过程影响的异同。计算结果表明,在相同体积分数下,CO2比N2更能有效地降低体系中的活化中心浓度和爆炸中所生成致灾性气体CO,NO的浓度,因此CO2在抑制瓦斯爆炸作用方面比N2的效果更为明显。     

供风量对褐煤自燃特性参数影响的实验研究

为研究煤自燃时期生成气体对诱发瓦斯爆炸的影响,选取瑞安煤业4^#煤层褐煤为实验煤样,通过管式炉程序升温和色谱分析仪研究供风量为40、120、200 mL/min时对煤自燃时期生成气体的影响,得到不同温度条件下管式炉出口O2、CO、CO2气体摩尔浓度,并计算了褐煤低温氧化阶段耗氧速率、气体生成速率和放热强度与煤样温度之间的关系。结果表明:随着温度升高,煤样的耗氧速率、CO生成速率、CO2生成速率、放热强度与温度之间均呈指数关系变化;煤样的耗氧速率与放热强度呈线性递增关系,相同耗氧速率下,当供风量为120 mL/min时放热强度最大,当供风量为200 mL/min时放热强度最小。     

浓度和流量对瓦斯加热氧化净化率的影响

传统的瓦斯爆炸防治方法虽然具有一定的效果,但却存在着很大的局限性,为了从根本上解决瓦斯爆炸的危害,对绝热氧化法进行了实验研究,在实验条件下通过绝热氧化使瓦斯气体中的CH4在爆炸浓度以下（体积浓度1％－5％）,流量在25－90L／min时氧化成无毒,无爆炸危险的CO2和H2O,净化了瓦斯气体,通过系统试验,研究了浓度和流量对瓦斯气体加热氧化净化率的影响,为消除煤矿瓦斯积聚提供了实验基础和进一步研究的新途径。     

瓦斯爆炸火焰波与冲击波伴生关系的实验研究

在煤矿瓦斯爆炸过程中,爆炸火焰和冲击波是决定事故危害程度的2个主要因素。作者设计了氢氧引爆甲烷-空气爆炸的实验方案,对高速瓦斯爆炸参数的变化特征进行了研究。通过实验测试瓦斯爆炸传播阶段的火焰和压力状态,研究瓦斯爆燃火焰波与冲击波的形成过程及其特性。研究表明,在瓦斯爆炸火焰传播过程中,湍流效应是加速火焰传播和伴生冲击波的重要因素;爆炸火焰的传播速度直接影响着爆炸冲击波的生成和加强程度。依据实验研究结果,提出了一些防治煤矿瓦斯爆炸的建议。     

O2氧化含氮焦炭释放CO和NO的量子化学研究

选用简化的含氮焦炭模型,在分子水平上对O₂氧化含氮焦炭释放出CO和NO的异相反应机理进行研究。采用B3LYP/6-31G(d)密度泛函理论方法优化了反应路径上的反应物、产物、中间体和过渡态的几何构型,得到各结构的相对能量,进而得到整个反应的势能面。研究表明,O₂氧化含氮焦炭的第1步为在焦炭表面的吸附,吸附反应释放出414.5 kJ/mol的热量。CO和NO从O₂吸附产物中释放所需克服的最大能垒分别为397.4 kJ/mol和197.0 kJ/mol。CO从O₂吸附产物释放后生成的产物可经吸热反应释放出NO、经放热反应转化为五元含氮杂环或六元含氮杂环。NO从O₂吸附产物释放后生成的产物可经吸热反应进一步释放出CO、转化为五元环酮结构或六元环吡喃结构。     

受限空间内CO影响瓦斯爆炸的数值模拟

为探求受限空间中CO对瓦斯爆炸的影响,建立了受限空间中瓦斯爆炸反应的计算模型,其化学反应采用了详细反应机理(包括53种组分、325个反应)。结果表明:向瓦斯空气混合气体中充入CO,CO作为瓦斯爆炸的中间产物参与CH4的氧化链式反应,一方面瓦斯爆炸的时间延迟,另一方面爆炸后混合气体中CO2体积升高,CO、NO、NO2体积下降。随着瓦斯混合气体中CO体积分数的升高,瓦斯爆炸产生的温度和压力先升高后降低。     

煤尘云对瓦斯爆炸6种中间产物相对辐射强度的影响

煤矿井下瓦斯煤尘共存爆炸是典型的气固两相化学反应。为了突出了解含煤尘瓦斯爆炸过程中反应中间产物的发展规律，采用瞬态火焰传播实验系统从微观火焰光谱探测角度进行含煤尘瓦斯爆炸现象研究，揭示煤尘云加入后对瓦斯爆炸中间产物光谱特性的影响。体积分数为7%、8%、9%、10%、11%瓦斯分别与130 g/m³煤尘质量浓度的长焰煤、焦煤、无烟煤煤尘云形成混合体系，分析混合体系爆炸过程中关键中间产物的相对辐射强度。实验结果表明，130 g/m³煤尘质量浓度的长焰煤/焦煤/无烟煤煤尘云与不同体积分数瓦斯形成的混合体系爆炸，与瓦斯中间产物辐射强度峰值相比，中间产物辐射强度增强，下部光纤峰值增强幅值比上部光纤的峰值增幅幅度大，6种反应中间产物相对辐射强度峰值由大到小排序为C₂·>O·>CH₂O>CH·>O₂>CHO·。煤种变质程度对中间产物相对辐射强度峰值影响幅度从大到小排序为：长焰煤>焦煤>无烟煤煤尘云。煤尘云参与瓦斯爆炸，增强了瓦斯爆炸体系6种中间产物的...     

基于非稳态渗流传递的煤炭地下气化数值模拟

为了解煤炭地下气化的发展过程及影响因素,以平面二维地下气化区为模拟对象,研究了水平煤层地下气化过程中渗流传热传质与燃烧气化反应耦合过程的特征,建立多孔介质非稳态渗流传递与化学反应相互作用的二维数学模型。研究了煤焦在不同供氧条件下,火焰工作面移动速度、燃烧区与气化区温度场、产物浓度分布规律及瞬态变化趋势。模拟结果表明,煤燃烧气化反应主要发生在沿渗流气化通道的热渗透作用区域,随着气化过程的进行,气化工作面不断向气化区出口方向推移;在摩尔分数为0.15,0.20,0.33供氧量、富氧-水蒸气工艺条件下,火焰工作面的移动速度分别为0.125,0.174,0.274 m/h;氧化区、还原区在二维温度场中存在清晰的热分界线,随时间的推移,其面积比从0.5增大到2.5,最后还原区的范围逐步扩展到出口;提高供气中氧气浓度,热渗透作用区域内的温度相应升高,煤粒燃烧气化反应期缩短,煤气中H2和CO含量增加;模型计算结果与模型实验数据具有较好的一致性。     

胜利褐煤外热式气流床温和气化建模研究:模型的建立

以胜利褐煤为原料,在80 mm×3 000 mm下行气流床中进行了800℃/900℃气化实验,研究了炉内气固相流动特点、炉内反应分区、主要反应的动力学,进而建立了气化炉模型。结果发现,气相流动存在射流区、回流区、平流区,其中平流区占95%;实验条件下炉内依次发生热解、燃烧、气化反应;结合实验条件,利用缩合模型推导了H_2O-O_2协同作用影响下半焦氧化和气化反应的速率方程,发现它们分别受气膜扩散、化学反应控制,而且受协同作用影响,气化反应速率在添加氧气前后差异较大,故建模时采用推导的速率方程更切合实验条件和煤种特性;考虑H_2,CO,CH_4燃烧、半焦-CO_2/H_2气化,CO变换、CO-H_2甲烷化反应,忽略速率较小的焦油燃烧、半焦-H_2O甲烷化,CO_2-H_2甲烷化等反应;由于半焦微观结构的差异,不同温度和气氛下单位反应体积内气固相有效接触(碰撞)面积差异较大,建模时应分别考虑;通过以上研究建立了气化模型,模型预测值误差较小,92%预测值误差小于20%,75%预测值误差小于10%。     

基于CHEMKIN-PRO的多元混合气体瓦斯燃烧模拟研究

针对多种不同性质气体对瓦斯燃烧过程的影响问题,采用CHEMKIN-PRO软件,构建USC Mech 2.0动力学模型对不同组分C_2H_4/CO_2瓦斯混合气体燃烧过程进行了深入研究,模拟分析了不同组分C_2H_4/CO_2瓦斯层流燃烧速率及H,O自由基体积分数的变化趋势,并利用SENKIN程序对其进行了敏感性分析。计算结果表明:随着CO_2体积分数的增大,层流燃烧速率降低,在φ1和φ1.25时分别降低了约13 cm/s和149 cm/s,H,O自由基体积分数降低,其协同抑制瓦斯燃烧;随着C_2H_4体积分数的增大,层流燃烧速率略微增加,在φ1和φ1.4时分别升高了约3和46 cm/s,H,O自由基体积分数升高,其协同促进瓦斯燃烧;在φ≤1条件下,随着当量比的增加,促进CH_4生成的关键反应步的敏感性系数升高幅度较大,其抑制瓦斯燃烧。     

湿式钙法烟气脱硫数学模型的建立

在分析石灰石浆液吸收SO₂化学反应过程的基础上,根据SO₂,CO^2-₃及其水解成分在不同pH值下的组成图,得到了在实际烟气脱硫过程中液膜中只发生2个反应,即SO₂+HCO^-₃←→HSO^-₃+CO₂,SO₂+SO^2-₃+H₂O←→2HSO^-₃.并在此基础上根据双膜理论把液膜分成2个反应区,建立了石灰石浆液吸收SO₂的物理化学模型.根据Fick第二扩散定律,分别建立了各个反应区的数学模型,确立了模型参数的求解方法.通过求解该吸收模型可以得到各反应区中各组分的浓度分布以及气液界面上SO₂的吸收速率.     

CO对CH_4爆炸及自由基发射光谱特性的影响

为深入研究CO对CH_4爆炸特性的影响并分析其作用机制,采用可燃气体爆炸极限测定装置测定了CO作用下的CH_4爆炸极限参数;结合自主设计、改进的密闭球形爆炸实验测试系统与光谱测量系统获取了CO-CH_4-空气爆炸压力参数,并同步采集爆炸过程3种自由基(H~*,OH~*,CH_2O~*)的瞬态发射光谱参数,通过对比分析CO-CH_4-空气爆炸压力参数与火焰发射光谱强度参数,以宏观-微观相结合的方式评估了CO对CH_4爆炸特性的影响规律。结果表明:少量CO会增大CH_4爆炸危险性,减小其临界氧体积分数,并显著增加惰化混合体系所需的惰性气体量。CO对CH_4爆炸压力的影响主要取决于体系中的氧含量和其自身化学性质,在富氧状态下,CO会加剧预混体系的爆炸强度,随着体系中氧的减少促进作用逐渐减弱,在贫氧条件下则体现出阻尼效应。CO对CH_4爆炸压力参数和3种自由基发射光谱参数的影响规律具有良好的一致性,最大爆炸压力时间光谱强度极值时间的变化规律相互吻合,而自由基开始大量积累的时间与预混体系中可燃气体含量及爆炸强度存在相关性。爆炸强度越大则越早开始积累且积累速度越快,中间产物大量且快速的积累是造成体系爆炸加剧的原因之一。相关数据可加深对多元混合体系爆炸机制的理解,为优选化学抑爆介质、提升相关抑爆效能提供理论基础。即,进一步深入开展以气体燃爆过程中的关键自由基团为直接作用目标的化学抑制剂改性相关研究,通过提高其阻断链式反应进程水平的方式加强其抑爆效能。     

水蒸气/CO2/O2与无烟煤共气化过程研究

为综合利用固体氧化物燃料电池（SOFCs）产生的高温水蒸气及CO2尾气,采用流化床气化装置对水蒸气、O2、CO2气化晋城无烟煤过程进行了研究。结果表明：当气化温度为900 ℃时,增加水蒸气/CO2摩尔比,促进了煤的水蒸气气化反应和水汽变换反应的发生,使气化制得的合成气中H2含量增加,CO含量先增加然后基本保持不变;随着气化剂中O2流量的增加,合成气中CO体积分数先增加后减小,当气化剂中水蒸气、CO2与O2的摩尔比为14∶56∶30时,合成气中有效成分（CO+H2）体积分数达到最大（44.9%）;此外,优化得出赤泥的最佳添加量为8%,其含有的氧化铁等催化成分可以显著提高合成气中有效成分。     

改性麦饭石固定化颗粒处理AMD的特性试验

针对硫酸盐还原菌(SRB)处理多组分煤矿酸性废水(AMD)易受低p H值和高浓度重金属离子抑制等问题,采用PVC-硼酸,添加30%SRB污泥、5%玉米芯、5%铁屑和15%改性和未改性麦饭石分别包埋制作1号和2号固定化颗粒,并对1号和2号颗粒进行动力学、吸附容量及1号颗粒在不同SO_4~(2-),Mn~(2+),H+初始浓度下对SO_4~(2-),Mn~(2+)处理过程实验。结果表明,1号和2号颗粒对SO_4~(2-)的还原过程符合一级动力学,1号颗粒的最大还原速率(88.2 mg/(L·h))大于2号颗粒(82.4 mg/(L·h)),拟二级动力学模型能够很好地描述1号和2号颗粒Mn~(2+)吸附机理,1号和2号颗粒对Mn~(2+)等温吸附模型更好地符合Freundlich方程,可见,改性麦饭石固定化颗粒异化还原SO_4~(2-)活性更好,阳离子间竞争吸附影响较小。且初始SO_4~(2-)浓度通过改变体系中COD/SO_4~(2-)和颗粒内外的浓度差影响固定化颗粒的代谢过程,颗粒代谢性能受Mn~(2+)浓度影响较小,有较好调节p H能力。     

膨润土-钢渣复合颗粒对Zn~(2+)的去除机理

为了探索酸性矿山废水中重金属离子的高效协同处理方法和开发新型多功能处理材料,采用自行研制的膨润土-钢渣复合颗粒对含Zn~(2+)酸性矿山废水的去除效果和实验现象进行对比实验研究,并利用SEM和XRD进行微观分析,结果表明:该复合颗粒不仅可以释放碱度中和酸,而且对Zn~(2+)的吸附、化学沉淀作用发生于整个反应过程,对Zn~(2+)的平衡去除量可达8.01 mg/g;SEM表面微观分析揭示了复合颗粒表面吸附Zn~(2+)并形成沉淀后还会继续吸附Zn~(2+)并发生聚沉作用,即发生了吸附-聚沉协同作用;XRD微观分析进一步揭示了Zn~(2+)在复合颗粒表面的赋存状态主要以Zn-SiO相结合的矿物相以及Zn_(12)(CO_3)_3SO_4(OH)_(16)聚合沉淀存在。膨润土-钢渣复合颗粒可发挥吸附-聚沉协同作用,是处理含重金属离子酸性矿山废水的优良多功能矿物环保材料。     

管内低浓度抽采瓦斯爆燃控制方法研究

水雾、CO2惰性气体和干粉对瓦斯爆燃有很强的抑制作用。随着喷雾量的增大,混入CO2浓度或者喷入干粉质量的增大,火焰传播速度和峰值超压都减少。水雾,惰性气体CO2以及干粉对爆燃的抑制作用在于由于水雾、惰性气体CO2以及干粉的加入,降低了链式反应中H、O和OH等高活性自由基的浓度。