轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)火能的實(shí)驗(yàn)測定

匡 政

（安徽華電六安電廠有限公司，安徽六安237010）

轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)火能的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)火能測定實(shí)驗(yàn)臺(tái)測出常溫下五種轉(zhuǎn)爐煤氣的最小點(diǎn)火能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著CO當(dāng)量比的增加最小點(diǎn)火能先減小后增大，最小值出現(xiàn)在CO當(dāng)量比為1.5左右，且隨著五種轉(zhuǎn)爐煤氣中CO體積分?jǐn)?shù)的增加，最小點(diǎn)火能逐漸減小。利用實(shí)驗(yàn)值修正最小點(diǎn)火能理論計(jì)算公式，運(yùn)用理論公式計(jì)算高溫下（T=1273 K）轉(zhuǎn)爐煤氣的最小點(diǎn)火能，得到高溫下5種轉(zhuǎn)爐煤氣的最小點(diǎn)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(zhuǎn)爐煤氣；最小點(diǎn)火能；CO當(dāng)量比

1 前言

轉(zhuǎn)爐煤氣的顯熱及化學(xué)能占煉鋼總過程放出能量的80%，而國內(nèi)轉(zhuǎn)爐煤氣的回收量低，廢煙氣顯熱在鋼鐵企業(yè)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(zhuǎn)爐煉鋼的能耗，回收利用轉(zhuǎn)爐煤氣的余熱尤為重要。由于轉(zhuǎn)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(fā)展的最主要原因。可燃?xì)怏w爆炸的主要特征參數(shù)有絕熱火焰溫度、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸壓力、最小點(diǎn)火能和爆炸極限等。對(duì)最小點(diǎn)火能進(jìn)行研究就顯得尤為必要。

2 最小點(diǎn)火能理論

當(dāng)足夠多的能量加入到可燃?xì)怏w中，使和穩(wěn)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(shí)可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃所加入的能量就叫做最小點(diǎn)火能[2]。但是目前國內(nèi)外研究轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)火能量及相關(guān)爆炸參數(shù)變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)結(jié)果尚未見到，主要是針對(duì)烷烴類氣體的最小點(diǎn)火能的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬展開研究[3-5]。F.A.WILLAMS根據(jù)能量守恒定律，通過判斷著火的內(nèi)在依據(jù)，近似地推導(dǎo)出最小點(diǎn)火能的理論計(jì)算公式為[6]：

式中，λav——平均導(dǎo)熱系數(shù)，w/m·k；

Sav——平均層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，m/s。

對(duì)于某些氣體，式（1）已被Shigeo Kondo等人驗(yàn)證[7]。

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

其中，α——修正系數(shù)，一般通過實(shí)驗(yàn)確定。T∞及Sav均使用CHEMKIN軟件計(jì)算。

3 轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)測定

3.1 最小點(diǎn)火能測定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)利用自行設(shè)置的最小點(diǎn)火能測定系統(tǒng)測量轉(zhuǎn)爐煙氣的最小點(diǎn)火能。具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由進(jìn)氣系統(tǒng)、反應(yīng)容器、電點(diǎn)火系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。

圖1 最小點(diǎn)火能測定系統(tǒng)圖

（1）進(jìn)氣系統(tǒng)

進(jìn)氣系統(tǒng)主要包括CO、H2、CO2、N2、O2儲(chǔ)氣瓶和真空泵，其中真空泵采用的是2XZ旋片式真空泵，本實(shí)驗(yàn)采用分壓法配氣，為解決配氣不準(zhǔn)確、波動(dòng)大等諸多問題，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用針閥調(diào)節(jié)進(jìn)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(yīng)容器

反應(yīng)容器用有機(jī)玻璃制成，容積為0.3 L，在其兩側(cè)裝入電極，其上部裝有安全閥。

反應(yīng)容器主要包括的設(shè)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(dāng)反應(yīng)容器內(nèi)的壓力超過140 kPa時(shí)即可泄壓。

（3）電點(diǎn)火系統(tǒng)

電火花發(fā)生器是電點(diǎn)火系統(tǒng)的核心部件，其功能是產(chǎn)生不同能量的靜電火花。

3.2 實(shí)驗(yàn)流程

每次實(shí)驗(yàn)之前，都需要測定實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性，具體步驟為：打開真空泵，將整個(gè)系統(tǒng)抽成真空，使真空度達(dá)到-0.1 MPa，靜放20 min，觀察壓力變化，當(dāng)壓力變化小于0.1 kPa/min時(shí)，則反應(yīng)裝置的氣密性良好。

實(shí)驗(yàn)測試過程主要包括以下步驟：

（1）利用真空泵將反應(yīng)容器抽為真空狀態(tài)。

（2）根據(jù)分壓法，分別將H2、N2、CO2、O2、CO通過進(jìn)氣閥充入到反應(yīng)容器中，通入的各氣體由預(yù)先設(shè)置的預(yù)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(diǎn)火時(shí)，處于靜止?fàn)顟B(tài)。

（4）對(duì)點(diǎn)火能量實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行充電，等待充電完成之后，對(duì)預(yù)混氣體進(jìn)行點(diǎn)火，采用觀察法，判定預(yù)混氣體是否點(diǎn)燃。

（5）利用N2清洗反應(yīng)容器內(nèi)的廢氣，并用真空泵將反應(yīng)容器及管路內(nèi)的N2抽完，進(jìn)行下一組點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)工況

本實(shí)驗(yàn)選用五種轉(zhuǎn)爐煤氣，按轉(zhuǎn)爐煤氣和空氣來配比實(shí)驗(yàn)氣體，如表1所示。

表1 測定轉(zhuǎn)爐煤氣點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)工況

3.4 數(shù)據(jù)處理和計(jì)算

根據(jù)國標(biāo)GB/T14288—93，采用升降法實(shí)驗(yàn)，得到50%點(diǎn)火能（E50）的計(jì)算公式為：

式中：V50——點(diǎn)燃率為50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)燃電壓，V；

C——充電電容，pF。

3.5 結(jié)果分析

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

苑春苗、李剛等研究得出少量氫氣對(duì)轉(zhuǎn)爐煤氣的爆炸特性沒有影響，所以本實(shí)驗(yàn)在此基礎(chǔ)上所配的轉(zhuǎn)爐煤氣主要可燃成分為一氧化碳，定義CO當(dāng)量比φ為：

式中，VCO——一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)，%；

圖2 實(shí)驗(yàn)氣體點(diǎn)燃圖像

VO2——氧氣的體積分?jǐn)?shù)，%。

圖3～圖7是5#～9#轉(zhuǎn)爐煤氣的實(shí)驗(yàn)測定的點(diǎn)火能與CO當(dāng)量比的關(guān)系。從圖中可以看出，同一種轉(zhuǎn)爐煤氣的最小點(diǎn)火能都隨著φCO的增加呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，且其最小點(diǎn)火能均出現(xiàn)在化學(xué)當(dāng)量比為1.5左右。這主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)爐煤氣種含有大量的N2和CO2，而這兩種氣體對(duì)轉(zhuǎn)爐煤氣的燃燒起到抑制作用，使轉(zhuǎn)爐煤氣的最小點(diǎn)火能出現(xiàn)的位置整體向后移動(dòng)。

圖8表示的是五種轉(zhuǎn)爐煤氣的最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)值與煤氣中CO的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。從圖中可以看出五種轉(zhuǎn)爐煤氣的最小點(diǎn)火能隨著煤氣中CO體積分?jǐn)?shù)的增加而減少，這是由于煤氣中可燃成分相對(duì)于惰性成分的比例在增加，煤氣更容易點(diǎn)著，使得煤氣的最小點(diǎn)火能逐漸減小。

圖3 5#轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)值

圖4 6#轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)值

圖5 7#轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)值

圖6 8#轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)值

圖7 9#轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)值

圖8 五種轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)值

圖9表示的是在不考慮修正系數(shù)的前提下，分別通過式（3）計(jì)算表1中的轉(zhuǎn)爐煤氣的理論計(jì)算值，從圖中可以看出每種轉(zhuǎn)爐煤氣的最小點(diǎn)火能都隨著當(dāng)量比的增加，先減小后增大，通過理論值與實(shí)驗(yàn)值的比對(duì)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到修正系數(shù)α為0.909。

圖10～圖14表示經(jīng)過修正之后使用理論公式計(jì)算得到的五種轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)火能與實(shí)驗(yàn)測定值的比對(duì)曲線，從圖中可以看出，五種轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)火能的實(shí)驗(yàn)值與理論修正值吻合得很好，相對(duì)誤差小于10%，在工業(yè)允許誤差范圍之內(nèi)。

圖15表示的是五種轉(zhuǎn)爐煤氣的最小點(diǎn)火能實(shí)驗(yàn)值和理論修正值與煤氣中CO的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。從圖中可以看出五種轉(zhuǎn)爐煤氣的最小點(diǎn)火能的理論修正值都隨著煤氣中CO體積分?jǐn)?shù)的增加而減少，這與實(shí)驗(yàn)測定的變化趨勢(shì)是一樣的。

圖9 五種轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)火能理論值

圖10 轉(zhuǎn)爐煤氣理論修正值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

圖11 轉(zhuǎn)爐煤氣理論修正值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

圖12 轉(zhuǎn)爐煤氣理論修正值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

圖13 轉(zhuǎn)爐煤氣理論修正值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

圖14 轉(zhuǎn)爐煤氣理論修正值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

圖15 轉(zhuǎn)爐煤氣理論修正值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

圖16 T=1073 K、T=1273 K五種轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)火能理論值

綜上所述，得到轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)火能的理論計(jì)算式為：

4 高溫下轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)火能計(jì)算

圖16表示的是高溫條件下（T=1073 K，T=1273 K）五種轉(zhuǎn)爐煤氣的最小點(diǎn)火能理論計(jì)算值與煤氣中CO的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。從圖中可以看出五種轉(zhuǎn)爐煤氣的最小點(diǎn)火能為：當(dāng)溫度為1073 K時(shí)，轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)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(dāng)溫度為1273 K時(shí)，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(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)測量常溫下五種轉(zhuǎn)爐煤氣的最小點(diǎn)火能修正理論公式計(jì)算得到高溫條件下五種轉(zhuǎn)爐煤氣的最小點(diǎn)火能理論：當(dāng)溫度為1073 K時(shí)，轉(zhuǎn)爐煤氣最小點(diǎn)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(dāng)溫度為1273 K時(shí)，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?jiān)缧?過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)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(xué)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(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，本科學(xué)歷，現(xiàn)從事于火電集控運(yùn)行工作。