外加磁場對乙炔氣體爆炸反應影響研究*

高建村，楊喜港，胡守濤，洪子金，王 樂，李如霞，夏藝萌，孫 谞

（1. 北京石油化工學院安全工程學院，北京 102617；2. 北京市安全生產工程技術研究院，北京 102617；3. 北京旭陽科技有限公司，北京 100067）

燃燒和爆炸基元的化學反應過程主要是自由基反應過程，自由基是磁性物質，磁場能對自由基產生作用，從而對燃燒產生一定的影響。很多學者認為磁場能促進甲烷、丙烷、LPG 的燃燒。Kumar 等和Agarwal 等使用圓光柵 Talbot 干涉儀發現梯度向上減小的磁場能促進燃燒，梯度向上增加的磁場則抑制燃燒，均勻磁場對火焰的影響可忽略不計。針對磁場影響燃燒的理論和動力學研究，Itoh 等、Kajimoto 等、Shinoda 等和Yamada 等通過PLIF 測量和數值模擬，研究了磁場對甲烷燃燒火焰中·OH 自由基的分布，發現磁場對·OH 自由基的作用力最大并使·OH 自由基聚集。高建村等研究發現，磁性金屬阻隔防爆材料比非磁性金屬阻隔防爆材料對丙烷爆炸具有更明顯的抑制效果，還發現在相同填充密度下，非磁性金屬阻隔防爆材料對乙炔爆炸具有促進作用，與對烷烴氣體爆炸的影響效果相反。

乙炔作為最簡單的炔烴分子，含有 C ≡C 叁鍵，有很高的化學反應活性，在當量濃度下最小點火能量可低至0.02 mJ，安全間隙也比烷烴氣體小。乙炔爆炸是自由基反應，·O+CH是乙炔氧化的第一步，會生成H、HCCO、CH和CO 等。Bastin 等用分子束質譜儀測量了乙炔爆炸產物，也會生成CH、CH、CH、CH、CH、CH、CHO 和CHO。CH、CH、CH、CH等物質產生自由基的第一步都是脫去一個·H，生成·CH、·CH、·CH、·CH。CH產生自由基的第一步也是脫去一個·H，生成CH，CH+e=·CH+·H 是劇烈反應，這已被Winter 等用實驗和理論證實。·CH 是乙炔爆炸反應的重要中間體，發生光解時會產生大量的·CH。McKee 等和Smith 等實驗研究了OH + CH的反應速率并理論計算了此基元反應的壓力、溫度、焓變等熱力學和動力學數據，證明此基元反應很容易被激發。Hiraoka 等用熱解質譜和紅外光譜研究低溫下H 原子和固態C碳氫化合物的反應，發現固態C碳氫化合物與H 原子反應速率由高到低的順序為：CH、CH、CH。

Yang 等發現磁場對丙烷爆炸具有一定的抑制效應。為了進一步研究磁場影響氣體爆炸的特征，本文中將實驗測量當量濃度乙炔爆炸火焰的傳播速度和爆炸瞬態壓力，并通過數值模擬研究磁場對乙炔爆炸反應自由基鏈式反應過程的影響，探究磁場影響乙炔爆炸的機理。

1 實驗系統

實驗系統由實驗管道、磁場裝置、爆速測量系統、瞬態壓力采集裝置、氣體分配系統和點火裝置組成，系統的示意圖如圖1 所示。

圖1 電磁場下預混氣體爆炸實驗裝置示意圖Fig. 1 Schematic of gas explosion experiment device under electromagnetic field

該實驗管道由自主設計加工，管道長1 000 mm、內徑100 mm、厚6 mm，由非金屬耐壓材料制成，配有爆破片等安全附件。磁場裝置由3 對并聯磁極和電壓調節器組成，可通過調節電壓控制磁場強度。磁場為直流電磁場，低電壓下形成的較低磁場強度為0.03 T，高電壓下形成的較高磁場強度為0.33 T。

爆速測量系統由高精度爆速儀、光纖傳感器和固定調節器組成。光纖傳感器為感光全反射元件。固定調節器為固定和調節光纖傳感器位置的元件。實驗管道上有3 個光纖傳感器，爆速儀通過2 個光纖傳感器接受光信號的時間差得到爆炸火焰傳播速度，可以測量兩段距離的爆炸火焰傳播速度。瞬態壓力采集裝置由Kistler-211B3 傳感器、采集裝置和電腦組成。管道上有3 個壓力傳感器，位置和光纖傳感器上下相對。第1 個傳感器距離管道左端水平距離為300 mm，相鄰傳感器距離均為300 mm。氣體分配系統包括氣瓶、閥門、真空泵和循環泵。點火裝置包括點火頭和點火儀，點火能量為500 mJ。

具體步驟如下：利用真空泵使管道呈負壓狀態，壓力表顯示壓力在5 min 內沒有變化，表明管道氣密性完好；利用負壓注入計算當量體積的乙炔，補足空氣至常壓；利用循環泵循環管道內的氣體，再靜置使其充分混合均勻；設置爆速儀和壓力采集器至待測量狀態；打開電壓調節器，添加磁場；打開點火器待爆炸結束后，收集爆炸火焰傳播速度和壓力數據，將尾氣進行無害化處理。

2 結果分析

2.1 實驗結果與分析

2.1.1 壓力分析

為了保證實驗的可重復性，每組爆炸實驗重復3 次，實驗誤差不超過1%。不同條件下乙炔/空氣爆炸壓力曲線如圖2 所示，爆炸壓力上升速率和最大壓力峰值如圖3 所示。

圖2 不同磁場強度下乙炔/空氣的爆炸壓力Fig. 2 Explosion pressures of C2H2/air under different magnetic fields strengths

圖3 平均壓力上升速率和最大壓力對比圖Fig. 3 Average pressure rise rate and maximum explosion pressure

由圖2 可知，最大爆炸壓力是評價爆炸強度的重要參數，壓力傳感器1～2 所測得的壓力峰值比壓力傳感器3 測得的要小得多，因此，選擇壓力傳感器3 的壓力數據進行分析。與無磁場相比，磁場強度為0.03 T 時，最大爆炸壓力降低了8.63%，磁場強度為0.33 T 時，最大爆炸壓力降低了16.55%。由圖3 可知，磁場強度能減緩乙炔爆炸壓力上升速率，在0.03 T 磁場強度下，爆炸壓力上升速率降低了0.13 MPa/s，在磁場強度為0.33 T 時，爆炸壓力上升速率降低了0.76 MPa/s。不同磁場強度對乙炔爆炸抑制效果不同，隨著磁場強度從0.03 T 增加到0.33 T，對爆炸壓力和爆炸壓力上升速率的抑制作用也逐漸增大。

2.1.2 爆炸火焰傳播速度分析

把光纖傳感器1～2 之間的管段定義為第1 段，光纖傳感器2～3 之間的管段定義為第2 段。瞬態壓力和爆炸火焰傳播速度是同時測量的，實驗重復3 次，爆速儀測得不同條件下乙炔/空氣爆炸火焰傳播速度和火焰平均傳播速度如表1～3 所示。

表1 無磁場時乙炔/空氣的爆炸火焰傳播速度Table 1 Flame propagation velocity of C2H2/air explosion without a magnetic field

表2 較低磁場強度下乙炔/空氣的爆炸火焰傳播速度Table 2 Flame propagation velocity of C2H2/air explosion under lower magnetic field strength

取爆速儀測得的3 組實驗數據的平均值分析，如圖4 所示。

從圖4 可知，加入磁場后，第1 段火焰傳播速度提高，第2 段火焰傳播速度降低，隨著磁場強度的增大，第1 段火焰傳播速度不斷提高，第2 段火焰傳播速度不斷降低。與無磁場情況相比，在0.03 T 磁場強度下，第1 段火焰傳播速度提高了6.94 m/s，第2 段火焰傳播速度降低了74.71 m/s。在0.33 T 磁場強度下，第1 段火焰傳播速度提高了32.42 m/s，第2 段火焰傳播速度降低了119.07 m/s。隨著磁場強度的增加，整體火焰平均傳播速度逐漸降低。在0.03 T 磁場強度下，火焰平均傳播速度降低了38.94%，在0.33 T磁場強度下，火焰平均傳播速度降低了49.62%。沿著火焰傳播方向，磁場對乙炔/空氣爆炸火焰傳播速度先促進后抑制，抑制效果遠大于促進效果，磁場對爆炸火焰整體呈現抑制作用。

表3 較高磁場強度下乙炔/空氣的爆炸火焰傳播速度Table 3 Flame propagation velocity of C2H2/air explosion under higher magnetic field strength

圖4 乙炔/空氣爆炸火焰傳播速度和平均傳播速度Fig. 4 Flame propagation velocity and average propagation velocityof C2H2/air explosion

2.2 數值模擬研究與分析

為了開展更深入的研究，通過數值模擬研究乙炔爆炸自由基基元反應過程，解釋磁場影響乙炔爆炸更深層的原因。模擬采用Chemkin-Pro 軟件中的封閉式0-D 均質間歇反應模型，并設置恒定體積反應器。

模擬參數設置見表4。

表4 起始參數Table 4 Initial parameters

基元反應的正負值表示CH的生成或消耗。基元反應前面的數字代表Chemkin-Pro 中每一個基元反應的代號，反應速率最快的5 個基元反應如圖5 所示。

從圖5 中可以看出，CH與·O 的主要反應為R155 反應，同時也是消耗乙炔最快的基元反應，生成·HCCO 和·H；CH與·O 的次要反應為R156 反應，生成·CH和CO。O和CH可以快速生成·O、·H、·OH、·HCCO、·HCO、·CH、·CH等自由基。R156 消耗乙炔的速率僅次于R155，CH和·OH 反應生成·CH 和HO。R165 在剛開始反應階段消耗乙炔生成·CH和·H，隨著反應的進行，溫度不斷升高，逆向反應速率遠大于正向反應。R259 是生成乙炔最快的基元反應，·CH和·OH 反應生成·HCO 和CH。R159 反應消耗乙炔生成·CH，R165 消耗·CH，且乙炔都是直接參與反應，兩者可以構成一個鏈式反應，更快地消耗乙炔。乙炔的消耗速率與生成速率之比為98∶2。

圖5 C2H2 的生成速率分析Fig. 5 Rate of product analysis of C2H2

2.2.3 敏感性分析

敏感性分析方程為：

通過敏感性分析，選出對CH敏感性影響最大的6 個基元反應，敏感性系數的絕對值越大代表此基元反應對CH敏感性影響越大，敏感性系數為正代表利于CH生成，敏感性系數為負代表利于消耗CH，如圖6 所示。

圖6 C2H2 的敏感性分析Fig. 6 Sensitivity analysis of C2H2

由圖6 可以看出，對CH敏感性影響最大的基元反應有R1、R50、R51、R145、R147 和R155。某些基元反應并不能直接影響CH的敏感性，而是通過鏈式反應間接影響。R1、R50、R147、R155 都是促進CH的消耗，R51、R145 是促進CH的生成。R1 敏感性系數的絕對值最大，表明基元反應中的·O、·OH 可以快速消耗CH，此基元反應對CH濃度變化的影響最大。R50、R51、R145、R147 都是生成CO 的基元反應，說明CO 對CH的濃度影響很大。

3 討 論

由式（6）可知，不同的自由基孤對電子數不同，磁矩也不同。存在外加磁場時，磁矩方向沿磁場方向排列，受到磁場的作用力。由式（7）可知，自由基孤對電子數和摩爾質量不同，磁化率和磁化強度也不同，摩爾質量越大，磁化率越小。由式（8）可知，磁化強度與磁化率和磁場強度呈正相關。磁場強度越大，磁化強度也越大。在相同磁場強度下，梯度磁場力和洛倫茲力對這些·H、·O、·OH、·CH小分子量自由基比對·HCCO、·HCO、·CH 大分子量自由基作用更顯著。磁場改變了這些自由基的運動軌跡，這些自由基參與的基元反應速率也會改變。磁場使·OH 發生聚集，運動軌跡和速度發生改變，這一現象被實驗測量和理論計算所證實。磁場可能使其他同種小分子量自由基聚集，自由基碰撞面積減少，減少了不同種關鍵自由基之間的碰撞，參與的基元反應速率降低。小分子量的自由基也可能更容易被吸引到管壁，產生器壁效應。CH爆炸生成很多產物，CO和HO 是最主要的產物，根據敏感性分析，CH對CO 生成影響很大，根據反應機理分析，CO主要是由CO+·OH→·H+ CO、CO+·O→CO生成。因此，分析CO 產物更具有代表性。磁場下CH生成CO 和HO 反應路徑變化如圖7～8 所示，線段的粗細代表基元反應速率快慢，線段越粗，基元反應速率越快。

從圖7～8 可以看出，·H、·O、·OH、·CH、·CH等這些小分子量自由基受到磁場力作用，所參與的基元反應速率降低。·CH→·CH、·CH→·CH、·HCCO→·CH 這些不需要·H、·O、·OH 參與的自分解反應不受磁場影響，·CH→CO、·CH→HCO、HCO→CO 和 HO、·CH→CO 和HO、·CH→CO 和 HO、·HCCO→CO 和HO 的基元反應中有·H、·O、·OH 參與，基元反應速率降低。·CH 的數量沒有·H、·O、·OH 等自由基的數量多，一部分·CH 在磁場中發生聚集，一部分·CH 產生器壁效應，·CH 參與的基元反應速率降低，且·CH 數量減少，甚至不能繼續參與鏈式反應。對于整個爆炸反應，磁場使整體的鏈反應速率降低，導致壓力和爆炸火焰傳播速度降低。

圖7 有無磁場時C2H2 生成CO 的反應路徑變化Fig. 7 Changes in reaction pathto produce CO from C2H2 due to magnetic field

圖8 有無磁場時C2H2 生成H2O 的反應路徑變化Fig. 8 Changes inreaction path to produce H2O from C2H2 due to magnetic field

4 結 論

（1）外加磁場對氣體爆炸自由基反應具有明顯的影響，磁場能降低乙炔氣體爆炸壓力和爆炸壓力上升速率，對乙炔氣體爆炸呈現抑制作用。在較低磁場強度下，最大爆炸壓力降低了8.63%，爆炸壓力上升速率減小了0.13 MPa/s；在較高磁場強度下，最大爆炸壓力降低了16.55%，爆炸壓力上升速率減小了0.76 MPa/s，實驗證明，磁場強度越大，抑制效果越明顯。

（2）沿火焰傳播方向，磁場對氣體爆炸火焰傳播速度是先促進后抑制的效果，抑制效果大于促進效果。在較低磁場強度下，火焰平均傳播速度降低了38.94%；在較高磁場強度下，火焰平均傳播速度降低了49.62%。

（3）磁場會改變乙炔爆炸反應的路徑。不同自由基受到的磁場作用力因磁化強度不同而不同，磁化強度與分子量成反比，分子量越大，受到的磁場作用力越小；不同分子量的自由基在磁場作用力的影響下，運動軌跡會發生變化，同種自由基相互聚集，不同種類自由基相互脫離，自由基碰撞幾率減小，關鍵自由基參與的基元反應速率降低，最終影響氣體爆炸特征。這種效應還需要進一步實驗驗證。