初始压力和富氧系数对CH_%284%29_O_%282%29_N_%282%29预混气体爆炸特性的影响.pdf

:./.初始压力和富氧系数对/预混气体爆炸特性的影响吉昌泉 贾 凡 李 斌 张 丹 解立峰南京理工大学化工学院(江苏南京)摘 要 为了探究甲烷 在富氧和非常压条件下的爆炸危险性确保 气体在不同工况下的安全使用借助 圆柱形爆炸装置研究了初始压力 和富氧系数 对/爆炸特性的影响 包括最大爆炸压力、最大压力上升速率(/)和最大压力到达时间 等衡量 爆炸安全性的指标 结果表明:当 为.、.和.时随 的增加始终线性上升而当 为.和.时随 的增加先缓慢线性上升、后快速线性上升(/)随 的增加分为线性上升和一阶指数快速上升 在 为.和.时随 的增加而线性增大因为在燃烧初始阶段 活化自由基的销毁速率增加降低了反应速率和燃速引起预混气体 的延长但随着 的增加氧气的促进作用与自由基销毁的抑制作用形成新的竞争效应使得 先增加、后下降关键词 初始压力富氧系数预混气体爆炸特性 圆柱形爆炸容器分类号./()/.(/).(/).引言 现如今资源节约和环境保护问题已经成为世界各国关注的焦点尤其在汽车行业研究人员几十年来一直在寻找减少汽车污染物排放的有效方法天然气()储量丰富且燃烧产生的污染物少现阶段被认为是传统汽车燃料良好的替代品研究表明:以作为燃料的发动机会出现局部火焰熄灭、燃烧不稳定和输出功率低等问题同时碳第 卷 第 期 爆 破 器 材 .年 月 .收稿日期:第一作者:吉昌泉()男硕士主要从事气体爆炸方面的研究:.通信作者:李斌()男博士副研究员主要从事多相爆轰相关研究:.氢化合物()、排放量较高不能满足日益严苛的排放要求 富氧燃烧可以有效提高可燃气体(或可燃蒸气)的燃烧温度增加传热减少排烟量降低可燃物的燃点并加快燃速从而提高 的利用率和发动机的输出功率缩短点火时间并显著降低、等污染物的排放但氮氧化物的排放量有所增加 富氧燃烧技术是一种燃烧高于空气中氧气含量的含氧空气的高效节能技术主要应用在燃料(甲烷、汽油、柴油等)发动机、电站锅炉、热能工程、玻璃、冶金、生物质合成气燃烧等领域国内外已经对/空气混合气体在不同初始条件下的燃爆特性和火焰传播特性进行了大量研究 等研究了初始压力和初始温度对/空气混合气体爆炸上限的影响结果表明高温下应用切线准则获得的预混气体的爆炸上限较小而高温、高压下应用最大最小准则确定的爆炸上限与实验结果更匹配 李传家等在水平激波管中研究了点火能量和初始压力对 爆炸强度和火焰传播速度的影响结果表明爆炸超压随着初始压力和点火能量的增大而变大适宜的初始条件可以加速 的燃烧转爆轰 蔺伟等利用长透明管道研究了 浓度对火焰传播特征的影响发现 浓度对火焰传播速度和最远传播距离都有显著影响 徐宗在.内径管道中研究了 浓度对/空气混合气体爆炸压力的影响结果表明随着 浓度的增大爆炸压力呈倒 形变化趋势浓度在当量比时混合气体爆炸压力最大 郑兴忠等借助小尺寸瓦斯爆炸实验平台通过高速摄像机记录 爆炸火焰的传播过程探讨了 浓度对燃烧火焰长度的影响 李润之将理论、实验和数值模拟方法结合系统研究了初始压力和点火能量对瓦斯爆炸特性的影响并得出相应的爆炸规律 仇锐来等在管道中研究了点火能量对/空气混合气体火焰传播速度和最大爆炸压力的影响而富氧条件下 燃爆特性和火焰传播行为的研究相对较少 等研究了不同富氧系数 和点火位置对/混合物爆炸特性的影响结果表明随着 的上升的超压振荡和燃烧引起的快速相变现象更强烈另外点火位置对最大压力上升速率的影响更加显著 王发辉等对 在富氧条件下火焰传播和泄爆特性进行大量研究结果表明随着 的增加火焰传播速度急速上升火焰振荡距离和振幅扩大另外泄爆可以大幅降低最大爆炸压力随着泄爆面积的增大最大压力到达时间略有缩短 等研究了不同 含量和 下 的燃爆行为实验和模拟结果表明可以有效降低 爆炸绝热火焰温度最后定量表示了 和 形成稳定火焰或熄灭火焰的二维平面图 学者们仅仅对常压下相关燃爆特性进行研究并未对负压和高、低压情况进行深入探讨 但在高海拔地区以及一些突发情况下会出现非常压环境为在富氧空气中安全使用 燃料需深入探究 在富氧空气中的燃爆特性/混合气体的最大爆炸压力、最大压力上升速率(/)和最大压力到达时间 等都是燃烧工艺设备的安全性设计和评估工艺危险性的重要参数本文中研究了富氧系数 和初始压力 对/预混气体爆炸参数的影响 为有效模拟 燃料在发动机做功腔室里的工作环境以及 意外泄漏在富氧密闭空间研究在 圆柱形爆炸罐中进行 实验系统和条件.实验系统可燃气体爆炸特性测试系统主要由 圆柱形爆炸容器、配气系统、点火系统、同步控制器与数据采集系统组成如图 所示 计算机 同步控制器 点火电源 压力传感器 点火电极 气体预混装置 爆炸容器 真空泵 数据采集器图 可燃气体爆炸特性测试系统.爆炸容器为一个直径 、高 、壁厚 的圆柱形爆炸罐设计耐压 容器上壁和侧壁多个开孔用于安装压电式压力传感器、点火电极以及进气、出气和抽真空管路等混合气体的配制 依据气体分压定律向预混储罐中充入、和 种气体形成/预混气体使预混储罐达到预定压力 装置 年 月 初始压力和富氧系数对/预混气体爆炸特性的影响 吉昌泉等 静置 待气体充分混合后将预混气体充入爆炸容器中再次静置 值得注意的是使用预混储罐可以大幅降低气体混合不均匀引起的偶然误差 实验中预混储罐和爆炸容器的压力均由高精度防振数显压力表测得量程 误差.爆炸容器内混合气体通过安装在爆炸容器中心的点火电极进行点火 两个电极深入容器中心根据 标准采用铬镍合金丝作为点火源 铬镍合金丝功率 电阻 连续加热 释放能量约 (大量实验证明点火 实验效果较好)铬镍合金丝放热能量()通过调节直流电源电压的大小可以控制点火能量 另外释放的能量中少量散发给预混气体引起压力略微上升而大部分作为预混气体点火能量 点火与同步控制器及动态压力数据记录同步进行 爆炸压力测试数据通过安装在爆炸容器上壁的两个压力传感器(美国 压电公司)获得压力传感器测量范围.灵敏度/(.)非线性误差可达到 测量范围以内 数据采集器(瑞士 公司)共有 个通道通道釆样频率 /、均由南京文达特种气体有限公司提供纯度均大于.实验条件可燃气体在当量比条件下爆炸威力最大研究初始压力 和富氧系数 对 体积分数.的预混气体爆炸参数的影响 ()式中:和 分别为预混气体中 和 的体积分数在富氧实际应用环境中包括负压(高海拔)和正压(工业应用)且初始压力较低 因此富氧系数 分别取.、.、.、.和.初始压力 选取、和 另外实验中的环境温度为 大气相对湿度在 之间 实验结果与分析.不确定性验证(预实验)图()为典型的可燃气体爆炸时程曲线 通常将点火和达到最大爆炸压力的时间间隔定义为 ()爆炸参数 ()压力参数图 爆炸参数和压力参数的变化.最大压力到达时间(燃烧时间)但由于点火源点燃可燃气体需要时间预热预热时间比爆炸时间大两个数量级为了更好地阐述不同条件下的最大压力到达时间的变化规律将爆炸压力上升超过初始压力 的时间 与最大爆炸压力时间 的间隔定义为最大压力到达时间 为了验证实验结果的可靠性在正式实验前进行预实验 对 体积分数分别为.、.和.的/预混气体每组进行 次重复实验结果如图()所示 个爆炸参数、(/)、取平均值最大误差均小于 说明满足可靠性要求.爆炸参数体积分数为.时增大 爆炸参数随的变化情况见图 图()中 .运用 软件进行线性拟合拟合表达式为 或()或 ()表给出了式()的相关拟合参数个爆炸 爆 破 器 材 第 卷第 期 ().().().图 不同 时 对爆炸参数的影响.表 式()拟合参数.()参数截距 斜率 拟合度.(/).参数在式()下的拟合度.说明 个爆炸参数与 存在较好的线性关系 此外拟合斜率均为正值意味着爆炸参数与 线性正相关 随着 从 增加到 预混气体的 和(/)分别增加了.和.而 增加了.这是因为在 燃烧初期火焰绝热温度低反应速率小燃速慢的增大引起了可燃气体三体碰撞速率加快活化自由基销毁速率显著提升造成爆炸体系中活化自由基浓度降低燃速减小从而使得燃烧初期燃烧时间延长 爆炸反应进行到中、后期火焰温度升高和反应速率增大此时 升高引起爆炸体系有效碰撞增多链式反应加快使得燃烧时间略有缩短 但整体上有所延长 图()中 .由图()可知和(/)随着 的增加而增大采用式()进行线性拟合:或()()表 给了式()相关拟合参数 拟合度 且斜率为正数说明 和(/)与 存在较好的线性正相关关系 随着 从 增加到 预混气体的 和(/)分别增加了.和.与 .时不同的是此时随着 的增加呈现先上升、后下降的变化规律且 时最大 相较于 .时取得最大 的 向左移如图()中虚线箭头所示 随着 的增加对预混气体燃速的促进作用与销毁速率增加引起的抑制作用形成新的竞争效应使燃烧时间呈先上升、后下降的变化趋势表 式()拟合参数.()参数截距 斜率 拟合度.(/).图()中.由图()可知随着的增加而增大而(/)随着 的增加呈一阶指数上升关系拟合关系式如式()所示()()表给出了相关拟合参数拟合度 表明(/)与存在较好的一阶指数上升关系随着从 增加到 预混气体的和(/)分别增加了.和.同时随着的增加先上升、后下降且取得最大的继续向左移动在.时取得最表 式()拟合参数.()参数拟合度(/).年 月 初始压力和富氧系数对/预混气体爆炸特性的影响 吉昌泉等 大 如图()中虚线箭头所示.最大爆炸压力 由图 可知 不同时的 均随着 的增加而变大 这是因为随着 的增加密闭空间内气体浓度增大气体分子之间的间距被压缩分子间的碰撞频率加快有效碰撞次数增多产生更多的活化分子整个体系的传热效率提高、化学反应速度加快相比热耗散混合体系热释放主导地位程度增强引起混合体系 随 的增加而变大 结合表 表 对 拟合结果从图 可以发现对于 为.、.和.的工况均随着 的增加线性上升而当 为.和.时可以将 对的影响分为线性缓慢上升阶段和线性快速上升阶段拐点分别为 和 如图 中虚线箭头所示 由此可以得出:在 为.、.和.时 对 的影响较弱当 为.和.时随着 增加到 范围内对 的影响逐渐显著 如在 为.和.条件下当 时分别为.和.相较于 时 大 幅 上 升 了.和.而 .、.和.条件下当 为 相较于 时仅仅增加了.、.和.增长趋势变缓 这表明 需增加到一定阈值时才会对 产生明显影响 常压下 增加到.时仅增加.而文献中增加了 这是因为文献是在管道中进行且点火方式和环境温度等实验条件不同造成差异较大 图 和 对 的影响.最大压力上升速率(/)图 为 和 对/预混气体最大爆炸压力上升速率(/)的影响 使用 软件对实验数据进行拟合根据不同 下(/)变化的特点可分为线性上升和一阶指数上升两种过程典型拟合方程见表 表 图 和 对(/)的影响.(/)由图 可知:当 为.时随着 的增加(/)线性上升同时在一定压力下的促进作用较小 例如当 为 和 时相较于 .下的(/)分别上升了.和.但当 为.时(/)与 为一阶指数上升关系即在 条件下相比于 .时.的(/)大幅增加了.表明 .时(/)受到 的强烈影响反应强度显著增加 这是由于在低富氧(.)条件下氧含量的上升一定程度上增加了可燃气体分子与氧气分子的碰撞概率使反应速率加快同时降低了氮气浓度导致氮气对体系的热量吸收减少从而使(/)增大 但在高富氧(.)条件下氧含量的增加诱发了混合体系燃爆绝热温度的升高从而引起燃烧诱导快速相变的发生造成此时(/)随的增加而呈一阶指数上升趋势从另一个角度也验证了高富氧系数(.和.)对 有促进作用 此外还发现相较于 对(/)的促进作用更加显著因此在 的实际富氧应用中需控制 在.范围内在提高燃烧效率的同时的(/)较小从而有效降低了 富氧应用中的爆炸危险性 另外由于国内外对于 不同和 下爆炸的研究极少 .时在 范围内预混气体的(/)呈一阶指数上升以及 大于 时预混气体(/)变化情况还需进一步探索和完善.最大压力到达时间 图 为 和 对/预混气体 的影响 在不同 条件下随着 增加呈现两种变化趋势:随着 的增加线性上升(.)和先增加、后下降(.)等指 爆 破 器 材 第 卷第 期 图 和 对 的影响.出与火焰传播速度密切相关即火焰传播速度越大越短 在低富氧(.和.)条件时随着 的增加/混合气体在燃烧初始阶段的分子间碰撞概率增加使得活化自由基的销毁概率提升显著引起燃烧初始阶段化学反应速率和绝热温度的降低造成火焰传播速度急剧减小而低富氧对混合体系反应燃速的促进作用有限从而 随着 的增加而延长 而 的增加引起活化自由基销毁速率增大从内部机理解释来说一方面是因为 的增大促进了基元反应步 和 正向进行而这两个基元反应步都消减了体系中促进 燃烧的自由基另一方面根据刘易斯等提出的火焰传播速度和 的关系可知当火焰传播速度小于 /时火焰传播速度随压力的升高而降低在燃烧初期较低的火焰温度对气体产生活化自由基的反应影响较小而 升高对自由基销毁速率的影响较为明显即反应的活化自由基随着 的增加而减小随着 继续增加(.)活化自由基的销毁速率和高富氧对混合气体的促进作用形成新的竞争效应此时氧气促进作用更加显著随着的增加呈现先增加、后下降的变化规律 并且随着 的持续增大达到最大 的 逐渐向左移动在低压下即可达到最大 如图 中虚线箭头所示 结论研究了初始压力 和富氧系数 对 体积分数为.的/预混气体的爆炸参数的影响 得到的结果如下:)总体上随着 和 的增加而上升 对于 为.、.和.的工况均随着 增加线性上升而当 为.和.时可以将 对 的影响分为两个阶段:线性缓慢上升阶段和线性快速上升阶段)不同 下(/)的变化可以分为两种上升过程:线性上升和一阶指数上升过程 当 .时(/)随着 的增加线性上升同时在一定压力下 的促进作用较小 但当 .时(/)与 为一阶指数上升关系)随着 的增加随着 的增加表现出两种变化趋势:线性上升(为.和.)和先增加、后下降(.)参 考 文 献 .:.():.():.:.():.杨勇 张义华 蔡律律 等.富氧燃烧的工业应用进展分析.能源与节能():.():././.:./.:.杜奎林.浅析富氧燃烧在冶金行业的应用.冶金与材料 ():.年 月 初始压力和富氧系数对/预混气体爆炸特性的影响 吉昌泉等 .():.():.郑楚光 赵永椿 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