微乳化柴油燃爆性能研究*

劉 健，李 斌，解立峰，姚 箭，王永旭

(南京理工大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

微乳化柴油(Micro-Emulsion Diesel簡(jiǎn)稱MED)是由水、柴油、表面活性劑以及助表面活性劑所做成的、透明的、能自發(fā)形成的熱力學(xué)穩(wěn)定體系[1]，與傳統(tǒng)柴油相比，不但能提高柴油的燃燒效率，降低尾氣中煙度排放，也能夠降低柴油在常溫常壓下的“燃燒或著火”的風(fēng)險(xiǎn)性，在一定程度上起了防爆抑爆的安全作用[2-4]。近年來有不少學(xué)者和企事業(yè)單位對(duì)微乳化柴油進(jìn)行了研究，但多數(shù)集中在柴油配方、工藝研究以及機(jī)械設(shè)備應(yīng)用上[5-7]。柴油作為1種易燃易爆燃料，其在運(yùn)輸、使用和儲(chǔ)存過程中任何不安全行為都可能造成嚴(yán)重的燃燒爆炸事故。對(duì)柴油進(jìn)行本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)，通過特定的生產(chǎn)工藝提高柴油的阻燃抑爆性能很有必要。

目前油品的防火抗爆技術(shù)主要通過填充各種阻隔防爆材料來實(shí)現(xiàn)[8-11]，但各類阻隔防爆材料在長(zhǎng)時(shí)間使用過程中會(huì)被腐蝕和破損并改變?nèi)剂系睦砘再|(zhì)。為研究微乳化柴油的燃爆特性，以4種生產(chǎn)工藝制備的微乳化柴油為研究對(duì)象，對(duì)比不同生產(chǎn)工藝制備的微乳化柴油與-10號(hào)軍柴的燃爆特性，并分析抑爆劑對(duì)微乳化柴油燃爆性能的影響，為進(jìn)一步提高微乳化柴油防火防爆性能及日后相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供相應(yīng)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與儀器

1)試驗(yàn)油桶：容積5 L，材質(zhì)為20號(hào)鋼，壁厚為2 mm。

2)油桶支架：800 mm高鐵架。

3)高速照相機(jī)：Fastcam nltima APX型，日本Photron公司，試驗(yàn)拍攝速率為1 000幀/s，每幀1 024像素×1 024像素。

4)紅外熱成像儀：Mikronscan 7200V 型，美國Mikron公司，系統(tǒng)利用320×240微熱輻射計(jì)UFPA探測(cè)器接收被測(cè)物體所輻射的紅外線能量，其溫度響應(yīng)時(shí)間為2 μs。

5)驗(yàn)證鋁板：尺寸為2 000 mm (w) × 2 000 mm(H) × 2 mm(T)，布氏硬度23，抗拉強(qiáng)度90 MPa。

6)高清攝像機(jī)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

1號(hào)油樣：-10號(hào)柴油。

2號(hào)油樣：磁力攪拌工藝制備，轉(zhuǎn)速為2 400 rpm，攪拌時(shí)間10 min，含水量為5%，其余為-10號(hào)柴油。

3號(hào)油樣：高速剪切工藝制備，轉(zhuǎn)速為10 000 rpm，剪切時(shí)間10 min，含水量為5%，其余為-10號(hào)柴油。

4號(hào)油樣：超聲處理工藝制備，輸入電壓80 V，超聲時(shí)間4 min，含水量為5%，其余為-10號(hào)柴油。

5號(hào)油樣：靜電噴霧工藝制備，外加電壓13 kV，噴霧流速0.1 mL/min，含水量為5%，其余為-10號(hào)柴油。

6號(hào)油樣：磁力攪拌工藝制備，轉(zhuǎn)速為2 400 rpm，攪拌時(shí)間10 min，含水量為5%，抑爆劑含量為0.4%，其余為-10號(hào)柴油。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)布置

分別將盛裝2.5 L的1～6號(hào)柴油油樣的油箱加熱至70 ℃后放置于金屬支架上，油箱四周的3面(除下風(fēng)面)距離其邊緣4 m處豎直放置驗(yàn)證板，并且使見證板中心與油箱中心同高。用8號(hào)電雷管和18 g海薩爾炸藥起爆，試驗(yàn)起爆位置選擇油箱內(nèi)油氣界面處。高速攝像機(jī)、普通攝像機(jī)和紅外熱成像儀置于距油箱中心30 m處。高速照相機(jī)用于記錄柴油油箱爆炸和拋撒過程，紅外熱成像儀用于采集燃燒火焰的表面溫度，實(shí)驗(yàn)布置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)布置示意Fig.1 Schematic of experimental

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 柴油的燃爆特性

以起爆瞬間為0時(shí)刻，圖2為高速照相機(jī)拍攝的微乳化柴油油箱在典型時(shí)刻的燃爆過程圖像，圖2(a)為-10號(hào)柴油拋撒情況；圖2(b)為4種不同工藝生產(chǎn)的微乳化柴油燃爆情況,由于燃爆特性差別不大，選擇經(jīng)過磁力攪拌工藝生產(chǎn)的2號(hào)微乳化柴油的燃爆過程為例進(jìn)行對(duì)比；圖2(c)為添加入高分子抑爆劑后微乳化柴油的燃爆過程。從高速圖像上看出-10號(hào)柴油正常起爆時(shí)油箱發(fā)生爆炸，形成火球持續(xù)燃燒，并形成大面積池火，火球持續(xù)時(shí)間為1 848 ms，池火持續(xù)時(shí)間為121 s。微乳化柴油油樣拋撒規(guī)模較小，池火自熄滅，其中磁力攪拌工藝生產(chǎn)的微乳化柴油其火球持續(xù)時(shí)間1 320 ms，池火持續(xù)時(shí)間1 100 ms，高速剪切工藝微乳化柴油其火球持續(xù)時(shí)間為1 240 ms，池火持續(xù)時(shí)間1 150 ms，超聲處理工藝微乳化柴油火球持續(xù)時(shí)間為1 420 ms，池火持續(xù)時(shí)間1 500 ms，靜電噴霧工藝微乳化柴油火球持續(xù)時(shí)間為1 380 ms，池火持續(xù)時(shí)間1 000 ms，加入0.5%抑爆劑的微乳化柴油火球持續(xù)時(shí)間為860 ms，全過程未出現(xiàn)池火。

從圖2柴油燃燒的照片直觀上看，0 ms起爆藥起爆瞬間，在油桶頂部迅速形成火球，顏色為亮白色；1～100 ms油桶頂部柴油蒸氣發(fā)生爆炸，火球迅速發(fā)展，并包圍整個(gè)油樣，油樣整體發(fā)生燃燒，顏色更為明亮火球迅速膨脹，其中-10號(hào)柴油爆炸火球尺寸最大，形成池火規(guī)模最大，加入抑爆劑的微乳化柴油橫向直徑最小，油樣拋撒不明顯。隨后火球由亮白色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘导t色，并形成烏黑色濃煙。試驗(yàn)表明，4種工藝生產(chǎn)的微乳化柴油在防火防爆性能上無太大差別，且在一定程度上優(yōu)于-10號(hào)柴油。因?yàn)槲⑷榛裼腕w系中的水份能夠通過氣化過程吸收大量熱量降低溫度[12-13]，稀釋油蒸氣溫度，隔絕油料和空氣，達(dá)到阻燃防火效果。而6號(hào)油料由于高分子聚合物抑爆劑的添加可使柴油黏度增大(實(shí)驗(yàn)中-10號(hào)柴油運(yùn)動(dòng)黏度為3.934 mm2/s，而添加抑爆劑后油料的運(yùn)動(dòng)黏度為20.850 mm2/s)，抗拋撒性能更強(qiáng)，限制了油蒸氣與空氣的充分混合，從而抑制油蒸氣的爆炸火球尺寸，降低油料靜爆過程的危險(xiǎn)性。

圖2 柴油燃爆過程典型照片F(xiàn)ig.2 Typical pictures of combustion and explosion process for diesel

2.2 燃爆火球溫度場(chǎng)分布

圖3是紅外熱成像系統(tǒng)拍攝的6組實(shí)驗(yàn)靜爆過程中溫度最高時(shí)刻紅外熱成像圖。運(yùn)用系統(tǒng)自帶軟件對(duì)所記錄的圖像進(jìn)行處理，得到爆炸火球最高溫度和尺寸，見表1。

圖3 油料最高溫度時(shí)刻紅外熱成像照片F(xiàn)ig.3 The infrared images of diesel at their highest temperature

柴油火球表面最高溫度θ/℃1000℃以上高溫持續(xù)時(shí)間t/ms最大火球直徑d/m最大火球高度h/m1號(hào)樣品13249904.216.282號(hào)樣品12137263.325.453號(hào)樣品12647923.135.734號(hào)樣品12418253.465.905號(hào)樣品12467263.185.876號(hào)樣品11001652.184.90

根據(jù)圖3和表1中可以看出，盛裝不同柴油的油箱靜爆過程發(fā)生不同規(guī)模的爆炸現(xiàn)象，4種工藝生產(chǎn)的微乳化柴油在抑制爆炸火球參數(shù)方面起了一定程度作用，但之間差距不明顯。加入抑爆劑后爆炸火球高溫持續(xù)時(shí)間、火球直徑和火球高度有了明顯衰減。與1號(hào)樣品相比，2～6號(hào)樣品其爆炸火球體積分別約降低了40.61%，37.91%，27.46%，34.01%和68.47%，添加高分子抑爆劑的6號(hào)樣品爆炸火球之所以降低如此明顯，可能因?yàn)樘砑右直瑒┑奈⑷榛裼椭幸直瑒┓肿渔溤陟o爆拋撒過程下會(huì)發(fā)生“鏈纏結(jié)”情況，相關(guān)學(xué)者研究說明[14-15]，高分子鏈可能處于高度纏結(jié)狀態(tài)，這種纏結(jié)類似于物理交聯(lián)，在內(nèi)部形成了擬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)?！版溊p結(jié)”可能包括自締合、互補(bǔ)締合、末尾締合等3種締合方式，具體如圖6所示，該結(jié)構(gòu)能使油料拋撒時(shí)流動(dòng)阻力增大，需要的能量更大，從而起到了良好的抑爆效果。

圖4 高分子鏈締合方式Fig.4 The association pattern of polymer chain

3 結(jié)論

1)將6種不同柴油樣品在無約束條件下的燃爆特性與-10號(hào)軍用柴油進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，微乳化柴油有較好的抑爆作用，爆炸火球溫度和尺寸明顯減?。灰直瑒┑奶砑幽軌蛴行Ы档捅ɑ鹎驕囟扰c尺寸，且無池火產(chǎn)生。

2)相同條件下，4種工藝制備的微乳化柴油的燃爆性能接近，燃爆火球溫度與尺寸接近。與-10號(hào)柴油相比，磁力攪拌微乳化柴油、高速剪切微乳化柴油、超聲處理微乳化柴油和靜電噴霧微乳化柴油其爆炸火球體積分別降低了40.61%，37.91%，27.46%和34.01%。就抑爆效果而言，磁力攪拌工藝制備的微乳化柴油效果最佳，略優(yōu)于其他工藝。

3)加入高分子聚合物抑爆劑的微乳化柴油，能有效起到抑爆效果，給油料本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)于推動(dòng)燃料安全技術(shù)發(fā)展有一定參考意義。

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