初始?jí)毫透谎跸禂?shù)對(duì)CH4/O2/N2預(yù)混氣體爆炸特性的影響

吉昌泉　賈凡　李斌　張丹　解立峰

[關(guān)鍵詞]初始?jí)毫Γ焊谎跸禂?shù)：預(yù)混氣體：爆炸特性：5L圓柱形爆炸容器

[分類號(hào)]TQ560.7；X932

0引言

現(xiàn)如今，資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題已經(jīng)成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。尤其在汽車(chē)行業(yè)，研究人員幾十年來(lái)一直在尋找減少汽車(chē)污染物排放的有效方法。天然氣（NG）儲(chǔ)量豐富，且燃燒產(chǎn)生的污染物少，現(xiàn)階段被認(rèn)為是傳統(tǒng)汽車(chē)燃料良好的替代品。研究表明：以NG作為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)局部火焰熄滅、燃燒不穩(wěn)定和輸出功率低等問(wèn)題；同時(shí)，碳?xì)浠衔铮℉C）、CO排放量較高，不能滿足日益嚴(yán)苛的排放要求。富氧燃燒可以有效提高可燃?xì)怏w（或可燃蒸氣）的燃燒溫度，增加傳熱，減少排煙量，降低可燃物的燃點(diǎn)并加快燃速，從而提高NG的利用率和發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，縮短點(diǎn)火時(shí)間并顯著降低CO、HC等污染物的排放，但氮氧化物的排放量有所增加。富氧燃燒技術(shù)是一種燃燒高于空氣中氧氣含量的含氧空氣的高效節(jié)能技術(shù)，主要應(yīng)用在燃料（甲烷CH₄、汽油、柴油等）發(fā)動(dòng)機(jī)、電站鍋爐、熱能工程、玻璃、冶金、生物質(zhì)合成氣燃燒等領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)CH₄/空氣混合氣體在不同初始條件下的燃爆特性和火焰?zhèn)鞑ヌ匦赃M(jìn)行了大量研究。Vanderstraeten等研究了初始?jí)毫统跏紲囟葘?duì)CH₄/空氣混合氣體爆炸上限的影響；結(jié)果表明，高溫下應(yīng)用切線準(zhǔn)則獲得的預(yù)混氣體的爆炸上限較小，而高溫、高壓下應(yīng)用最大最小準(zhǔn)則確定的爆炸上限與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更匹配。李傳家等在水平激波管中研究了點(diǎn)火能量和初始?jí)毫?duì)CH₄爆炸強(qiáng)度和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀唤Y(jié)果表明，爆炸超壓隨著初始?jí)毫忘c(diǎn)火能量的增大而變大，適宜的初始條件可以加速CH₄的燃燒轉(zhuǎn)爆轟。藺偉等利用長(zhǎng)透明管道研究了CH₄濃度對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ卣鞯挠绊懀话l(fā)現(xiàn)CH₄濃度對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣群妥钸h(yuǎn)傳播距離都有顯著影響。徐宗在12.3 mm內(nèi)徑管道中研究了CH₄濃度對(duì)CH₄／空氣混合氣體爆炸壓力的影響；結(jié)果表明，隨著CH₄濃度的增大，爆炸壓力呈倒V形變化趨勢(shì)，CH₄濃度在當(dāng)量比時(shí)，混合氣體爆炸壓力最大。鄭興忠等借助小尺寸瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)高速攝像機(jī)記錄CH4爆炸火焰的傳播過(guò)程，探討了CH₄濃度對(duì)燃燒火焰長(zhǎng)度的影響。李潤(rùn)之將理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法結(jié)合，系統(tǒng)研究了初始?jí)毫忘c(diǎn)火能量對(duì)瓦斯爆炸特性的影響，并得出相應(yīng)的爆炸規(guī)律。仇銳來(lái)等在管道中研究了點(diǎn)火能量對(duì)CH₄/空氣混合氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣群妥畲蟊▔毫Φ挠绊憽?/p>

而富氧條件下CH₄燃爆特性和火焰?zhèn)鞑バ袨榈难芯肯鄬?duì)較少。Wang等[19]研究了不同富氧系數(shù)E和點(diǎn)火位置對(duì)CH₄/O₂/N₂混合物爆炸特性的影響；結(jié)果表明，隨著E的上升，CH₄的超壓振蕩和燃燒引起的快速相變現(xiàn)象更強(qiáng)烈；另外，點(diǎn)火位置對(duì)最大壓力上升速率的影響更加顯著。王發(fā)輝等對(duì)CH4在富氧條件下火焰?zhèn)鞑ズ托贡匦赃M(jìn)行大量研究；結(jié)果表明，隨著E的增加，CH4火焰?zhèn)鞑ニ俣燃彼偕仙鹧嬲袷幘嚯x和振幅擴(kuò)大；另外，泄爆可以大幅降低最大爆炸壓力，隨著泄爆面積的增大，最大壓力到達(dá)時(shí)間略有縮短。Di Benedettoa等研究了不同CO₂含量和E下CH₄的燃爆行為；實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果表明，CO₂可以有效降低CH₄爆炸絕熱火焰溫度；最后，定量表示了CO，和E形成穩(wěn)定火焰或熄滅火焰的二維平面圖。學(xué)者們僅僅對(duì)常壓下相關(guān)燃爆特性進(jìn)行研究，并未對(duì)負(fù)壓和高、低壓情況進(jìn)行深入探討。但在高海拔地區(qū)以及一些突發(fā)情況下會(huì)出現(xiàn)非常壓環(huán)境。

為在富氧空氣中安全使用CH₄燃料，需深入探究CH₄在富氧空氣中的燃爆特性。CH₄/O₂/N₂混合氣體的最大爆炸壓力P_max最大壓力上升速率（dp/dt）_max和最大壓力到達(dá)時(shí)間t₀等都是燃燒工藝設(shè)備的安全性設(shè)計(jì)和評(píng)估工藝危險(xiǎn)性的重要參數(shù)。本文中，研究了富氧系數(shù)E和初始?jí)毫₀對(duì)CH₄/O₂/N₂預(yù)混氣體爆炸參數(shù)的影響。為有效模擬CH4燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)做功腔室里的工作環(huán)境以及CH₄意外泄漏在富氧密閉空間，研究在5L圓柱形爆炸罐中進(jìn)行。

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和條件

1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

可燃?xì)怏w爆炸特性測(cè)試系統(tǒng)主要由5L圓柱形爆炸容器、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、同步控制器與數(shù)握采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。

爆炸容器為一個(gè)直徑160 mm、高250 mm、壁厚20 mm的圓柱形爆炸罐，設(shè)計(jì)耐壓30 MPa。容器上壁和側(cè)壁多個(gè)開(kāi)孔用于安裝壓電式壓力傳感器、點(diǎn)火電極以及進(jìn)氣、出氣和抽真空管路等。

混合氣體的配制。依據(jù)氣體分壓定律向預(yù)混儲(chǔ)罐中充人0₂、N₄和CH₄3種氣體，形成CH₄/O₂/N₂預(yù)混氣體，使預(yù)混儲(chǔ)罐達(dá)到預(yù)定壓力400 kPa;裝置靜置10 min，待氣體充分混合后，將預(yù)混氣體充入爆炸容器中，再次靜置10 min。值得注意的是，使用預(yù)混儲(chǔ)罐可以大幅降低氣體混合不均勻引起的偶然誤差。實(shí)驗(yàn)中，預(yù)混儲(chǔ)罐和爆炸容器的壓力均由高精度防振數(shù)顯壓力表測(cè)得，量程0～400 kPa，誤差0.1%。爆炸容器內(nèi)，混合氣體通過(guò)安裝在爆炸容器中心的點(diǎn)火電極進(jìn)行點(diǎn)火。兩個(gè)電極深入容器中心，根據(jù)BSEN 1839—2012標(biāo)準(zhǔn)，采用鉻鎳合金絲作為點(diǎn)火源。鉻鎳合金絲功率600 W，電阻8Ω，連續(xù)加熱2s釋放能量約225J（大量實(shí)驗(yàn)證明，點(diǎn)火2s實(shí)驗(yàn)效果較好）。鉻鎳合金絲放熱能量