메탄에 대한 초기 가스 농도의 영향

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13519(2023) 이 기사 인용

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가스 폭발, 특히 메탄-공기 혼합물과 관련된 가스 폭발은 탄광과 같은 밀폐된 공간에서 상당한 위험을 초래합니다. 폭발 특성과 초기 가스 농도와의 상관 관계를 이해하는 것은 효과적인 안전 조치를 고안하는 데 필수적입니다. 본 연구에서는 맞춤형 20L 구형 폭발 실험 장치를 활용하여 메탄-공기 예혼합 가스 폭발에서 초기 가스 농도가 폭발 온도, 과압 및 화염 진화에 미치는 영향을 조사합니다. 폭발 온도는 진동 패턴을 표시하여 6.5%, 9.5% 및 12% 초기 가스 농도에서 최대값에 도달하며 해당 온도는 995K, 932K 및 1153K입니다. 최대 과압은 초기 상승 및 하강 추세를 나타냅니다. 지수 함수로 모델링되었습니다. 특히 9.5% 농도에 가까울수록 압력파는 화염파의 역전파를 촉진하여 2차 온도 상승을 초래합니다. 화염 센서를 사용하여 화염의 존재, 부재 및 지속 시간을 조사했으며, 초기 가스 농도가 높을수록 화염 지속 시간이 길어지고 피해가 증가한다는 사실이 입증되었습니다. 초기 가스 농도 9.5%에서는 폭발하는 동안 지속성 화염이 순간적으로 생성됩니다. 또한, 이 연구는 온도와 과압 사이의 상호 작용을 분석하여 터널 벽과 밀폐된 공간 근처의 고온 화상을 완화하는 것의 중요성을 강조합니다. 이러한 발견은 가스 폭발 역학에 대한 이해를 향상시키고 탄광의 안전 조치에 대한 실질적인 의미를 갖습니다.

메탄가스 폭발은 석탄 광산의 주요 위험 요소로, 석탄 기업의 경제적 손실, 인명 피해, 환경 피해를 비롯해 석탄 산업의 생산을 심각하게 방해하는 등 심각한 결과를 초래합니다1,2. 가스 폭발은 순간적으로 엄청난 양의 에너지를 방출하여 고온 환경을 초래합니다. 지하 탄광에서 폭발은 일반적으로 굴착 터널과 광산 표면에서 발생하는데, 환경 요인으로 인해 폭발 에너지가 쉽게 소산되지 않아 터널 내 온도가 지속적으로 높아지며 인력과 장비에 상당한 위험을 초래합니다3,4,5,6,7. 초기 메탄 농도는 최고 온도와 폭발 기간에 영향을 미칩니다. 폭발 과정 중 온도 특성에 대한 다양한 초기 메탄 농도의 영향을 조사하는 것은 탄광 메탄 폭발의 온도 특성을 이해하는 데 중요한 이론적 기초를 제공하여 가스 폭발로 인한 위험을 예방하는 데 도움이 될 수 있습니다8,9,10,11.

1967년 Olsen12은 이론적 연구를 통해 처음으로 폭발 온도에 대한 표현을 도출했습니다. 전 세계 학자들은 이제 FLACS13,14, FLUENT15,16, AutoReaGas17,18 및 CHEMKIN19와 같은 수치 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 메탄 폭발 온도를 연구하거나 특정 수학 물리학 방정식을 설정하여 고정 부피 또는 파이프라인 전파 조건에서 온도 변화 규칙을 탐색합니다20. 일부 연구자들은 또한 제한된 공간에서 메탄 폭발에 대한 온도 변화 규칙을 시뮬레이션하여 메탄 폭발 온도 연구를 위한 토대를 마련했습니다21. 그러나 대부분의 시뮬레이션은 등온 또는 단열 조건에서 수행되므로 실제 실험 데이터와 불일치가 발생하고 실제 메탄 폭발 중 온도 변화를 정확하게 시뮬레이션할 수 없습니다.

실험 조건에서 Wang과 He22는 온도를 나타내기 위해 전압 신호를 사용하여 파이프라인을 통해 전파되는 메탄 폭발의 온도 변화 경향을 밝혔습니다. 후속 연구자들은 파이프라인이 전파되는 동안 다양한 위치에서 온도 변화를 연구하여 파이프라인 상부의 화염 온도가 하부 부분보다 높다는 것을 발견했습니다23,24. Cui 등25은 소규모 파이프라인 메탄 폭발의 온도 변화를 조사하기 위해 R형 마이크로 열전대를 사용했습니다. Li 등26은 C2-7-K 및 C2-1-K 열전대를 사용하여 폭발 전파 중 온도 변화를 조사했으며 최고 기록 온도는 1292.27K에 도달했습니다. Liu 등27은 파이프라인 중 화염 전파와 온도 사이의 관계를 분석했습니다. 폭발, 온도 상승이 화염 전파를 촉진한다는 사실을 발견했습니다. Nie et al.28은 폭발 화염 주변의 온도 변화를 연구하기 위해 2차원 온도장 복사 방법을 사용하여 화염 전면의 온도가 처음에는 급격하게 상승한 다음 느려지고, 최고점에 도달한 후 최종적으로 감소한다는 것을 발견했습니다.