轉爐煤氣最小點火能的實驗測定

匡 政

（安徽華電六安電廠有限公司，安徽六安237010）

轉爐煤氣最小點火能的實驗測定

匡 政

（安徽華電六安電廠有限公司，安徽六安237010）

通過最小點火能測定實驗臺測出常溫下五種轉爐煤氣的最小點火能，實驗結果表明：隨著CO當量比的增加最小點火能先減小后增大，最小值出現在CO當量比為1.5左右，且隨著五種轉爐煤氣中CO體積分數的增加，最小點火能逐漸減小。利用實驗值修正最小點火能理論計算公式，運用理論公式計算高溫下（T=1273 K）轉爐煤氣的最小點火能，得到高溫下5種轉爐煤氣的最小點火能分別為2.39×10-4mJ、2.04×10-4mJ、1.86×10-4mJ、1.76×10-4mJ、1.62×10-4mJ。

轉爐煤氣；最小點火能；CO當量比

1 前言

轉爐煤氣的顯熱及化學能占煉鋼總過程放出能量的80%，而國內轉爐煤氣的回收量低，廢煙氣顯熱在鋼鐵企業余熱中占37%，但煙氣顯熱的回收率僅為14.92%[1]，因此，為降低我國轉爐煉鋼的能耗，回收利用轉爐煤氣的余熱尤為重要。由于轉爐煤氣中含有CO和O2，在余熱回收過程中的爆炸隱患是制約其發展的最主要原因。可燃氣體爆炸的主要特征參數有絕熱火焰溫度、火焰傳播速度、爆炸壓力、最小點火能和爆炸極限等。對最小點火能進行研究就顯得尤為必要。

2 最小點火能理論

當足夠多的能量加入到可燃氣體中，使和穩定傳播的層流火焰一樣厚的一層氣體的溫度升高到絕熱火焰溫度，則稱此時可燃氣體被點燃所加入的能量就叫做最小點火能[2]。但是目前國內外研究轉爐煤氣最小點火能量及相關爆炸參數變化規律的實驗結果尚未見到，主要是針對烷烴類氣體的最小點火能的實驗和數值模擬展開研究[3-5]。F.A.WILLAMS根據能量守恒定律，通過判斷著火的內在依據，近似地推導出最小點火能的理論計算公式為[6]：

式中，λav——平均導熱系數，w/m·k；

Sav——平均層流火焰傳播速度，m/s。

對于某些氣體，式（1）已被Shigeo Kondo等人驗證[7]。

但是利用式（1）直接計算轉爐煤氣的最小點火能，可能存在較大的誤差，一般通過添加修正系數的方法進行修正，即：

其中，α——修正系數，一般通過實驗確定。T∞及Sav均使用CHEMKIN軟件計算。

3 轉爐煤氣最小點火能實驗測定

3.1 最小點火能測定實驗系統

本實驗利用自行設置的最小點火能測定系統測量轉爐煙氣的最小點火能。具體實驗裝置如圖1。本實驗系統主要由進氣系統、反應容器、電點火系統三大部分構成。

圖1 最小點火能測定系統圖

（1）進氣系統

進氣系統主要包括CO、H2、CO2、N2、O2儲氣瓶和真空泵，其中真空泵采用的是2XZ旋片式真空泵，本實驗采用分壓法配氣，為解決配氣不準確、波動大等諸多問題，本實驗系統采用針閥調節進氣速率，待氣體配置完成之后，靜止5 min，使氣體混合均勻。

（2）反應容器

反應容器用有機玻璃制成，容積為0.3 L，在其兩側裝入電極，其上部裝有安全閥。

反應容器主要包括的設備有：

（a）電極，電極采用不銹鋼制作，電極間隙為3 mm，曲率半徑為0.5 mm；

（b）安全閥，當反應容器內的壓力超過140 kPa時即可泄壓。

（3）電點火系統

電火花發生器是電點火系統的核心部件，其功能是產生不同能量的靜電火花。

3.2 實驗流程

每次實驗之前，都需要測定實驗裝置的氣密性，具體步驟為：打開真空泵，將整個系統抽成真空，使真空度達到-0.1 MPa，靜放20 min，觀察壓力變化，當壓力變化小于0.1 kPa/min時，則反應裝置的氣密性良好。

實驗測試過程主要包括以下步驟：

（1）利用真空泵將反應容器抽為真空狀態。

（2）根據分壓法，分別將H2、N2、CO2、O2、CO通過進氣閥充入到反應容器中，通入的各氣體由預先設置的預混氣體濃度確定。

（3）待氣體充入完畢，靜止5 min，使氣體充分混合均勻，且保證混合氣體在點火時，處于靜止狀態。

（4）對點火能量實驗臺進行充電，等待充電完成之后，對預混氣體進行點火，采用觀察法，判定預混氣體是否點燃。

（5）利用N2清洗反應容器內的廢氣，并用真空泵將反應容器及管路內的N2抽完，進行下一組點火實驗。

3.3 實驗工況

本實驗選用五種轉爐煤氣，按轉爐煤氣和空氣來配比實驗氣體，如表1所示。

表1 測定轉爐煤氣點火能實驗工況

3.4 數據處理和計算

根據國標GB/T14288—93，采用升降法實驗，得到50%點火能（E50）的計算公式為：

式中：V50——點燃率為50%時所對應的點燃電壓，V；

C——充電電容，pF。

3.5 結果分析

本文采用觀察法判斷氣體是否點著，圖2是采用拍攝的實驗氣體點燃的圖像，其中（a）是氣體未點燃的圖像，（b）是氣體被點燃的圖像。

苑春苗、李剛等研究得出少量氫氣對轉爐煤氣的爆炸特性沒有影響，所以本實驗在此基礎上所配的轉爐煤氣主要可燃成分為一氧化碳，定義CO當量比φ為：

式中，VCO——一氧化碳的體積分數，%；

圖2 實驗氣體點燃圖像

VO2——氧氣的體積分數，%。

圖3～圖7是5#～9#轉爐煤氣的實驗測定的點火能與CO當量比的關系。從圖中可以看出，同一種轉爐煤氣的最小點火能都隨著φCO的增加呈現出先下降后上升的趨勢，且其最小點火能均出現在化學當量比為1.5左右。這主要是因為轉爐煤氣種含有大量的N2和CO2，而這兩種氣體對轉爐煤氣的燃燒起到抑制作用，使轉爐煤氣的最小點火能出現的位置整體向后移動。

圖8表示的是五種轉爐煤氣的最小點火能實驗值與煤氣中CO的體積分數的關系。從圖中可以看出五種轉爐煤氣的最小點火能隨著煤氣中CO體積分數的增加而減少，這是由于煤氣中可燃成分相對于惰性成分的比例在增加，煤氣更容易點著，使得煤氣的最小點火能逐漸減小。

圖3 5#轉爐煤氣最小點火能實驗值

圖4 6#轉爐煤氣最小點火能實驗值

圖5 7#轉爐煤氣最小點火能實驗值

圖6 8#轉爐煤氣最小點火能實驗值

圖7 9#轉爐煤氣最小點火能實驗值

圖8 五種轉爐煤氣最小點火能實驗值

圖9表示的是在不考慮修正系數的前提下，分別通過式（3）計算表1中的轉爐煤氣的理論計算值，從圖中可以看出每種轉爐煤氣的最小點火能都隨著當量比的增加，先減小后增大，通過理論值與實驗值的比對，進行數據擬合，得到修正系數α為0.909。

圖10～圖14表示經過修正之后使用理論公式計算得到的五種轉爐煤氣最小點火能與實驗測定值的比對曲線，從圖中可以看出，五種轉爐煤氣最小點火能的實驗值與理論修正值吻合得很好，相對誤差小于10%，在工業允許誤差范圍之內。

圖15表示的是五種轉爐煤氣的最小點火能實驗值和理論修正值與煤氣中CO的體積分數的關系。從圖中可以看出五種轉爐煤氣的最小點火能的理論修正值都隨著煤氣中CO體積分數的增加而減少，這與實驗測定的變化趨勢是一樣的。

圖9 五種轉爐煤氣最小點火能理論值

圖10 轉爐煤氣理論修正值與實驗值對比

圖11 轉爐煤氣理論修正值與實驗值對比

圖12 轉爐煤氣理論修正值與實驗值對比

圖13 轉爐煤氣理論修正值與實驗值對比

圖14 轉爐煤氣理論修正值與實驗值對比

圖15 轉爐煤氣理論修正值與實驗值對比

圖16 T=1073 K、T=1273 K五種轉爐煤氣最小點火能理論值

綜上所述，得到轉爐煤氣最小點火能的理論計算式為：

4 高溫下轉爐煤氣最小點火能計算

圖16表示的是高溫條件下（T=1073 K，T=1273 K）五種轉爐煤氣的最小點火能理論計算值與煤氣中CO的體積分數的關系。從圖中可以看出五種轉爐煤氣的最小點火能為：當溫度為1073 K時，轉爐煤氣最小點火能分別為5.88×10-4mJ、5.76×10-4mJ、4.8×10-4mJ、4.68×10-4mJ、4.61×10-4mJ。當溫度為1273 K時，分別為2.39×10-4mJ、2.04× 10-4mJ、1.86×10-4mJ、1.76×10-4mJ、1.62×10-4mJ。

5 結論

通過實驗測量常溫下五種轉爐煤氣的最小點火能修正理論公式計算得到高溫條件下五種轉爐煤氣的最小點火能理論：當溫度為1073 K時，轉爐煤氣最小點火能分別為5.88×10-4mJ、5.76×10-4mJ、4.8×10-4mJ、4.68×10-4mJ、4.61×10-4mJ。當溫度為1273 K時，分別為2.39×10-4mJ、2.04×10-4mJ、1.86×10-4mJ、1.76×10-4mJ、1.62×10-4mJ。

[1]王毅，張早校.過程裝備控制技術及應用[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2]F.A.Willams(著)，莊逢辰，楊本濂（譯）.燃燒理論[M].北京：科學出版社，1985.

[3]Shigeo Kondo,Akifumi Takahashi,Kazuaki Tokuhashi.Calculation of minimum ignition energy of premixed gases[J].Journal of Hazardous Materials,2003,11(23)：11-23.

[4]R.K.Eckhoff,M.Ngo,W.Olsen.On the minimum ignition energy (MIE)for propane/air[J],Journal of Hazardous Materials,2010, (175)：293-297.

[5]Jilin Han,Hiroshi Yamashita,Naoki Hayashi.Numerical study on the spark ignition haracteristics of a methane-air mixture using detailed chemical kinetics Effect of equivalence ratio,electrode gap distance,and electrode radius on MIE,quenching distance, and ignition delay[J]，Combustion and Flame，2010,157：1414-1421.

Experimental Determination of the Minimum Ignition Energy of Converter Gas

KUANG Zheng
(Anhui Huadian Luan Power Plant Co.,Ltd.,Luan,Anhui 237010,China)

The minimum ignition energy(MIE)for five types of converter gas at room temperature was determined through MIE experiment.Experiment results showed that with increase of CO equivalence ratio the MIE at first decreases and then increases,with the minimum appeared at around 1.5 of CO equivalence ratio,and the MIE gradually decreased with the increase of CO volume fraction in the five kinds of converter gas.The MIE theoretical formula was modified according to the experiment results and used to calculate the MIE for five kinds of converter gas under high temperature(1273 K),which were 2.39×10-4mJ, 2.04×10-4mJ,1.86×10-4mJ,1.76×10-4mJ and 1.62×10-4mJ,respectively.

converter gas；MIE；CO equivalence ratio

X756

B

1006-6764(2015)05-0010-04

2015－01－20

匡政（1988－），男，2012年畢業于安徽工業大學熱能與動力工程專業，本科學歷，現從事于火電集控運行工作。