惰性氣體對氫氣/空氣爆轟傳播的抑制作用

雷明川，喻健良，閆興清，呂先舒，侯玉潔，詹瀟兵

（大連理工大學化工學院，遼寧 大連 116024）

引 言

為實現(xiàn)碳達峰目標，新型清潔能源替代傳統(tǒng)化石能源逐漸成為工業(yè)熱點問題[1]。氫氣（H2）因其熱效率高，在空氣中具有較寬的爆炸極限范圍（4%～75%）[2]，且燃燒過程無溫室氣體放出，是傳統(tǒng)化石燃料的優(yōu)良替代能源[3-4]。然而因H2同樣有著低點火能，易發(fā)生意外爆炸等風險，使得H2的安全使用受到廣泛關注。在降低事故風險上，引入抑制劑是有效規(guī)避事故風險的方法之一[5-7]。

截至目前，常用的抑制劑有惰性氣體[8-9]、細水霧[10-11]、惰性粉塵[12-13]和氣溶膠[14]等。其中惰性氣體的研究按照燃燒特性劃分為爆燃和爆轟兩種類別。對于爆燃模式，Zhang 等[15-16]從實驗角度探討了N2和CO2對預混火焰?zhèn)鞑サ囊种铺匦?，并從熱力學角度進行了分析，結果表明CO2的稀釋對于火焰的抑制作用更強。Khan等[17]通過數(shù)值模擬研究了N2和CO2對CH4∕O2混合物的爆炸影響，并研究了惰性氣體對火焰溫度和熱輸運性能的作用。Shen等[18]從爆炸機理上發(fā)現(xiàn)N2可以通過增強三分子反應，以抑制N2O的分解，降低爆炸傳播能力。三分子反應即通過第三反應物組分M 攜帶走在形成穩(wěn)定組分時釋放出來的能量，在碰撞后，新形成的分子的內能傳遞給第三體M，成為M的動能[19]。

在有關高速爆轟火焰的研究中，Wang 等[20]在光滑管道中實驗研究了Ar和N2對H2∕O2混合物的爆轟傳播影響，并確定了惰性氣體稀釋下爆轟的極限壓力，以及惰性氣體對爆轟胞格尺寸的影響。管清韋[21]引入惰性氣體段，比較了CO2與主動式抑制氣體C3F7H 對于C2H2爆轟傳播的抑制作用。結果表明C3F7H 抑制效果更佳，且C3F7H 受熱分解并參與到基元反應中進行抑制。Teodorczyk 等[22]實驗研究了爆轟波與通道內惰性氣體段的相互作用過程。研究結果表明，低壓惰性氣體作用下，爆轟速度只發(fā)生輕微的下降。在較高的通入壓力下，爆轟可以被完全抑制。在跨過氣體分界面的激波變化上，Thomas等[23]實驗發(fā)現(xiàn)當激波弱化為0.6 倍CJ 理論爆轟強度，可以降低反應氣體的爆燃轉爆轟能力，突變的濃度梯度可使激波與反應區(qū)隔離，從而導致爆轟失效。

調研發(fā)現(xiàn)以惰性氣體抑制爆燃為背景的研究相對較充分，而以惰性氣體抑制爆轟為背景的研究多集中于常規(guī)均勻混合工況，然而對于可燃氣體變量影響因素的關注仍具現(xiàn)實意義，惰性氣體抑制貧燃和富燃條件下的爆轟研究需要進一步關注?；诖?，本文利用內徑52 mm管道爆轟實驗裝置，通過改變惰性氣體種類（CO2、N2、Ar）和當量比（0.6、0.8、1.0、1.2、1.4），開展了惰性氣體對H2∕air 爆轟傳播的抑制實驗研究，為氫氣爆轟在抑制劑作用下的應用提供參考依據(jù)。

1 實驗裝置與方法

實驗裝置如圖1所示，由爆轟管路系統(tǒng)、充配氣系統(tǒng)、控制與采集系統(tǒng)、點火系統(tǒng)四部分組成。爆轟管路系統(tǒng)采用內徑52 mm 不銹鋼管，管道總長7800 mm，壁厚3.5 mm。管路包括點火驅動段和惰性氣體段。點火驅動段長2600 mm，通過在管內加入Shchelkin 螺旋管加速爆燃向爆轟轉變。充配氣系統(tǒng)由預混氣罐、配氣管道、真空泵和高精度壓力表等組成?？刂婆c采集系統(tǒng)由高頻數(shù)據(jù)采集卡、光電轉換的電路模塊、PLC 程序控制模塊、光敏傳感器和壓力傳感器等組成。其中，通過光敏傳感器捕捉火焰信號并經過光電轉換系統(tǒng)獲得平均速度。點火系統(tǒng)由10 kV 雙極輸出點火高壓包和點火電極組成。本文采用NAC 公司生產的MEMRECAM HX-5E 高速攝像機記錄火焰?zhèn)鞑サ膭討B(tài)。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental apparatus

實驗采用聚乙烯薄膜將H2∕air 預混氣與惰性氣體隔開，本文所涉及的實驗均在常溫常壓條件下進行。配氣過程采用道爾頓分壓法將H2∕air 按比例提前在預混氣罐中混合，靜置24 h 以上。實驗開始前將管道抽至真空狀態(tài)（-101 kPa），并控制惰性氣體段與點火驅動段同時充入惰性氣體和預混氣體以保證薄膜兩側壓差在10 kPa 以內，每組配制完成后靜置5 min。惰性氣體采用CO2、Ar、N2三種氣體。為研究不同當量比下H2∕air 經過惰性氣體段對爆轟傳播衰減的影響，設置當量比為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4。

圖2 為常壓且當量比為1.0 條件下H2∕air 爆轟火焰信號數(shù)據(jù)采集圖，其中所標注速度為相鄰檢測點的平均值。在到達聚乙烯膜位置（2600 mm）時火焰速度達到爆轟狀態(tài)，爆轟速度與CEA 程序[24]計算得到的CJ 理論速度（VCJ）相吻合。此外考慮到薄膜擾動對爆轟傳播的影響，如圖3 所示，加入薄膜后爆轟火焰速度虧損后最大至0.68VCJ(3100 mm 位置處)，繼續(xù)傳播700 mm 后恢復至爆轟狀態(tài)。

圖2 火焰信號數(shù)據(jù)采集Fig.2 Flame signal data acquisition

圖3 膜擾動對H2∕air爆轟傳播的影響Fig.3 Effect of membrane perturbation on hydrogen∕air detonation propagation

實驗設計方案遵循正交化實驗。同一工況設置至少3 組平行實驗，以保證數(shù)據(jù)的重復性與準確性。

2 實驗結果與討論

2.1 惰性氣體對爆轟速度抑制特性的影響

圖4為常壓條件下，CO2、Ar、N2三種惰性氣體對H2∕air 爆轟抑制影響的速度變化規(guī)律。橫坐標為爆轟破膜后在管道內的傳播距離，縱坐標為相鄰兩個火焰?zhèn)鞲衅鳒y點間的速度平均值。火焰經點火驅動加速后，在到達膜前位置時火焰鋒面與前導激波完成耦合并達到穩(wěn)定爆轟狀態(tài)，激波壓縮前方未燃氣體并快速穿破薄膜進入惰性氣體段。由圖4 可知，三種惰性氣體對H2∕air 爆轟的傳播均產生有效抑制。爆轟傳播過程根據(jù)火焰速度下降幅度及特性可劃分為快速下降段、波動緩慢衰減段以及火焰消失段。

圖4 火焰?zhèn)魅肴N惰性氣體段速度變化Fig.4 Velocity variation of flame propagation into three inert gas zones

在第一階段中，火焰速度迅速下降，該階段在曲線CO2和Ar 中位于0～900 mm 范圍內，在曲線N2段位于0～1300 mm 區(qū)間內。在此階段中，維持爆轟耦合的火焰鋒面與激波鋒面發(fā)生解耦?；鹧嫠俣仍贑O2和Ar 惰性氣體段內衰減大于N2段，且在膜后傳播300 mm 位置時火焰速度均低于0.5VCJ，表明此時爆轟已退化至爆燃狀態(tài)。該階段維持火焰?zhèn)鞑サ幕瘜W反應區(qū)因缺少可燃氣體與氧化劑的供應導致總化學能減少，火焰受到較大程度動量損失。在第二階段，隨著火焰的傳播，火焰速度振蕩呈緩慢衰減趨勢，這是由于火焰周圍存在分布不均且具有局部濃度梯度的稀疏可燃氣，導致局部傳播過程受到擾動。第三階段，火焰速度進一步下降直至火焰熄滅。此階段下可燃氣已消耗完全，溫度下降，CO2和Ar 惰性氣體段內火焰熄滅時傳播距離相近且均低于N2段。表1 給出了在三種惰性氣體抑制下，火焰?zhèn)鞑ブ料缣幍淖畲髠鞑r間和最遠測點消失距離。

表1 爆轟在惰性氣體段內傳播情況Table 1 Detonation propagation into inert gas zone

結合三種惰性氣體的吸熱能力，三種惰性氣體的比熱容關系式采用式(1)。

式中，Cp為比定壓熱容，J∕(K·mol)；R為氣體常數(shù)；T為溫度，K；a1～a7為溫度系數(shù)，采用文獻[25]中的系數(shù)。比較三種惰性氣體，其中比定壓熱容：CO2＞N2＞Ar，而氣體分子量：CO2＞Ar＞N2?？紤]到爆轟在傳播過程中受到惰性氣體引起的動量阻礙和熱量傳遞，結合惰性氣體抑制下的速度變化曲線與N2和Ar 的比熱容差別度，發(fā)現(xiàn)比熱容差別對爆轟衰減作用有限，且主導程度弱于由于惰性氣體分子量差異造成的動量損失。綜合比較CO2抑制效果最為明顯，其次為Ar、N2。

圖5 為常壓下H2∕air 爆轟進入CO2段（80～375 mm、1080～1480 mm）的火焰?zhèn)鞑討B(tài)特性，其中圖5(a)、(b)所對應的拍攝幀率分別為8000 幀∕秒和4000幀∕秒。由圖5(a)知，爆轟破膜進入惰性氣體區(qū)域后，t=0.125～0.625 ms 火焰鋒面整體呈褶皺狀且火焰明亮，這是由于激波在破膜后受到擾動影響，作用在火焰鋒面上的惰性氣體和反應區(qū)的可燃氣體濃度不均形成湍流效應，傳播在該范圍內的燃燒仍然劇烈。

在1080～1480 mm 位置區(qū)間內時，由圖5（b）知，隨著火焰?zhèn)鞑?，火焰形態(tài)分布不均，這是由于殘存可燃氣濃度進一步降低，火焰結構連續(xù)性變差，在惰性氣體稀釋作用下不穩(wěn)定性加劇。在t=0.750 ms后，壁面邊界條件對火焰?zhèn)鞑ビ绊懜鼮槊黠@，此時傳播過程中靠近壁面處熱量和動量損失引起的熱邊界層加寬，在靠近管壁處形成淬熄層，僅有少量自由基能穿透淬熄層與壁面碰撞，導致火焰呈現(xiàn)束狀結構。該范圍內火焰雖然連續(xù)，但火焰亮度和火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@變弱。

圖5 傳入CO2段不同位置時火焰?zhèn)鞑討B(tài)Fig.5 Flame propagation dynamics when passing through different positions of CO2gas zone

2.2 惰性氣體對不同當量比下H2/air 爆轟火焰速度抑制特性

貧燃和富燃的工況下惰性氣體對H2∕air 爆轟傳播的影響如圖6 所示。在當量比為0.6[圖6（a）]時，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诘谝浑A段（0～700 mm）快速下降至亞聲速狀態(tài)，與當量比為1.0 相比較，三種惰性氣中CO2抑制效果最為明顯。火焰在進入第二階段衰減過程中速度出現(xiàn)較長距離的亞音速平緩波動階段（700～1900 mm）。在三種惰性氣體抑制中，由于湍流擾動因素，加劇火焰不穩(wěn)定傳播，進而導致火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)明顯振蕩。此外發(fā)現(xiàn)在貧燃工況下，隨著當量比（0.6～0.8）的增加，第一階段快速下降段所對應的傳播距離得到延長，這是由于在當量比為0.8時反應更加劇烈，燃燒持續(xù)產生化學能的時間更長。這與在富燃工況下當量比（1.2～1.4）減少，傳播距離得到延長相類似。這表明對于接近化學計量比的H2∕air所形成爆轟的抑制難度相對較大。

圖6 貧燃、富燃條件下爆轟火焰?zhèn)魅肴N惰性氣體段速度變化Fig.6 Velocity variation of detonation flame propagation into three inert gas zones under fuel-lean and fuel-rich conditions

在四種當量比下，通過比較不同惰性氣體對爆轟傳播的抑制效果發(fā)現(xiàn)，CO2抑制效果仍最為明顯，其次為Ar、N2。

圖7 給出了不同當量比下H2∕air 爆轟火焰?zhèn)鞑ブ罜O2惰性氣體段內的速度衰減情況。在到達薄膜前，爆轟火焰速度隨著當量比（0.6～1.4）升高而遞增。當火焰穿過薄膜后，CO2抑制能力表現(xiàn)為在當量比為1.0 下最弱。隨著在貧燃中當量比提高或在富燃中當量比降低，惰性氣體對于爆轟火焰的抑制效果均有所增強。通過比較第一階段火焰速度的衰減以及到達熄滅位置的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，富燃條件下相較于同一梯度下貧燃條件加劇了爆轟火焰在惰性介質中的速度衰減。膜前不同當量比下爆轟火焰速度的遞增順序對抑制結果影響較小。

圖7 不同當量比下爆轟火焰?zhèn)魅隒O2段速度變化Fig.7 Velocity variation of detonation flame propagation into CO2 zone under different equivalent ratios

2.3 惰性氣體對爆轟火焰抑制機制

以當量比為1.0，CO2抑制爆轟火焰?zhèn)鞑ミ^程為例，如圖8所示。爆轟波破膜后，火焰鋒面與激波鋒面解耦。在前導激波的壓縮帶動下，惰性氣體與可燃氣體的實際分界面會短距離滯后于初始薄膜所在分界面。隨著傳播的進行，反應區(qū)活性自由基周圍擴散大量惰性氣體分子，對放熱反應起到稀釋降溫的作用。在高速火焰?zhèn)鞑サ穆窂街校瑹徇吔鐚蛹訉挘吔鐚觾染哂懈叩拿芏?，靠近管壁處惰性氣體濃度更高，濃度不均的惰性氣體對火焰?zhèn)鞑バ纬赏牧鲾_動，對局部火焰速度造成波動。此外有研究顯示，惰性氣體中CO2可以參與到基元反應中的三分子反應[26]。

圖8 火焰?zhèn)鞑r微觀運動圖Fig.8 Microscopic motion diagram of flame propagation

H2燃燒過程中鏈分支和鏈終止涉及的關鍵反應如下[27]。

H2的燃燒過程符合鏈式反應機理[28-31]，鏈式反應持續(xù)進行是由于鏈的分支速率f大于鏈的終止速率g。常壓下，反應燃燒速率與f-g呈近似指數(shù)關系，在高速爆燃狀態(tài)下f-g遠大于0。惰性氣體的抑制作用體現(xiàn)為提高g進而平衡燃燒速率。富燃工況富含H 活性自由基，而貧燃工況富含O 和OH 自由基[32]。富燃工況因相對缺少活性較高OH 自由基生成，伴隨參與反應的活性自由基（·O）的損失，燃燒傳播得到延緩。貧燃工況下因相對缺少H 自由基，在非低壓下第三體M 參與到反應(7)碰撞致使H 原子損耗的可能性得到提高[30]，并且在抑制中后期因缺乏足夠能量致使生成的H2O2將通過反應(11)產生活性自由基·OH[32]。惰性介質加入可在一定溫度范圍內實現(xiàn)鏈分支反應(8)的支化速率降低[27]，而這將導致因歧化作用鏈式反應趨向于終止鏈分支反應(9)和反應(10)。

在傳播過程進入波動緩慢衰減階段，可燃氣體中·H、·O、·OH等主要活性自由基的濃度降低，進一步降低了火焰光強。而抑制劑的存在，目前沒有明顯證據(jù)顯示Ar 參與抑制的基元反應，N2和CO2可以參與如反應(7)等三分子反應的碰撞中，促進反應正向進行。N2雖然參與反應，但反應程度較弱，可近似忽略。

3 結 論

（1）當爆轟穿過氣體分界面進入惰性氣體區(qū)域后，爆轟結構迅速解耦。在惰性氣體的抑制下火焰速度經過快速下降、波動緩慢衰減、火焰消失三個階段。常壓下H2∕air 爆轟傳播在CO2和Ar 抑制下最先到達熄滅傳播距離2200 mm，在N2中傳播距離為2700 mm。

（2）H2∕air 爆轟經過惰性氣體抑制，在CO2衰減程度相較最高，其次為Ar和N2，相較比熱差異影響，Ar和N2的分子量差異在爆轟抑制中起的作用更強。在CO2抑制下，破膜后的爆轟火焰呈褶皺狀，隨著傳播持續(xù)，火焰鋒面結構變弱，熱邊界層加寬，呈現(xiàn)束狀結構。

（3）相較當量比為1.0 工況，惰性氣體在貧燃和富燃條件下對爆轟的抑制效果均有所增強，且富燃條件下爆轟在惰性介質中更易衰減。