初期ガス濃度がメタンに及ぼす影響

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13519 (2023) この記事を引用

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ガス爆発、特にメタンと空気の混合物による爆発は、炭鉱などの閉鎖空間では重大な危険をもたらします。 効果的な安全対策を考案するには、爆発の特性と初期ガス濃度との相関関係を理解することが不可欠です。 この研究では、特注の 20 L 球形爆発実験装置を使用して、メタンと空気の予混合ガス爆発における初期ガス濃度が爆発温度、過圧力、および火炎発生に及ぼす影響を調べます。 爆発温度は振動パターンを示し、初期ガス濃度 6.5%、9.5%、12% で最大値に達し、対応する温度は 995 K、932 K、1153 K になります。最大過圧は初期の上昇と下降の傾向を示します。指数関数によってモデル化されます。 特に、9.5% 濃度付近では、圧力波が火炎波の逆伝播を促進し、二次的な温度上昇を引き起こします。 炎センサーを使用して炎の存在、不在、持続時間を調査したところ、初期ガス濃度が上昇すると炎の持続時間が長くなり、被害が増大することが実証されました。 初期ガス濃度 9.5% では、爆発中に永続的な炎が瞬時に生成されます。 さらに、この研究では温度と過圧の相互作用を分析し、トンネル壁や閉鎖空間付近での高温火傷を軽減する重要性を強調しています。 これらの発見は、ガス爆発のダイナミクスの理解を促進し、炭鉱における安全対策に大きな意味を持ちます。

メタンガスの爆発は炭鉱における重大な危険であり、石炭企業の経済的損失、人的被害、環境破壊、石炭産業の生産の深刻な妨害などの重大な結果をもたらします1,2。 ガス爆発は瞬間的に膨大なエネルギーを放出し、高温環境が発生します。 地下炭鉱では通常、爆発は掘削トンネルや切羽で発生しますが、環境要因により爆発エネルギーの容易な消散が妨げられ、トンネル内で高温が持続し、人員や設備に重大なリスクをもたらします3、4、5、6、7。 初期のメタン濃度は、爆発のピーク温度と持続時間に影響します。 初期メタン濃度の変化が爆発プロセス中の温度特性に及ぼす影響を調査することは、炭鉱のメタン爆発における温度特性を理解するための重要な理論的基礎を提供し、ガス爆発によってもたらされるリスクを防止するのに役立ちます8、9、10、11。

1967 年、オルセン 12 は理論的研究を通じて初めて爆発温度の式を導き出しました。 現在、世界中の学者は、FLACS13、14、FLUENT15、16、AutoReaGas17、18、CHEMKIN19 などの数値シミュレーション ソフトウェアを使用して、メタン爆発温度を研究したり、特定の数理物理方程式を確立して、固定体積またはパイプライン伝播条件下での温度変動規則を調査しています20。 一部の研究者は、密閉空間でのメタン爆発の温度変動ルールをシミュレートし、メタン爆発の温度研究の基礎を築きました21。 しかし、ほとんどのシミュレーションは等温または断熱条件下で実行されるため、実際の実験データとの不一致が生じ、実際のメタン爆発中の温度変化の正確なシミュレーションが妨げられます。

実験条件下で、Wang 氏と He22 氏は電圧信号を使用して温度を表し、メタン爆発がパイプラインを伝播する際の温度変化の傾向を明らかにしました。 その後の研究者は、パイプラインの伝播中のさまざまな位置での温度変化を研究し、パイプラインの上部の火炎温度が下部よりも高いことを発見しました23,24。 Cui et al.25 は、R タイプのマイクロ熱電対を使用して、小規模なパイプラインのメタン爆発の温度変化を調べました。 Li ら 26 は、爆発伝播中の温度変化を調査するために C2-7-K および C2-1-K 熱電対を使用し、記録された最高温度は 1292.27 K に達しました。Liu ら 27 は、火炎伝播とパイプライン中の温度の関係を分析しました。爆発を起こし、温度の上昇が火炎伝播を促進することを発見しました。 Nie ら 28 は、二次元温度場放射法を使用して爆発火炎周囲の温度変化を研究し、火炎面の温度が最初に急激に上昇し、その後減速し、ピークに達した後に最終的に低下することを発見しました。