可燃?xì)怏w燃燒和阻燃流場(chǎng)的光譜測(cè)量技術(shù)研究

張莉聰，胡 洋，史曉亮

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

可燃?xì)怏w燃燒和阻燃流場(chǎng)的光譜測(cè)量技術(shù)研究

張莉聰，胡 洋，史曉亮

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

在可燃預(yù)混氣體爆燃過程中,會(huì)產(chǎn)生大量的短鏈自由基，如CH、OH等，而自由基的變化更能代表化學(xué)反應(yīng)的過程，自由基自發(fā)光都有其對(duì)應(yīng)的譜線分布，特征譜線包含了豐富的參數(shù)信息，利用特征譜線可對(duì)燃燒流場(chǎng)某些參數(shù)進(jìn)行診斷和定量測(cè)量。本文設(shè)置了一套典型的自由基/自發(fā)光拍攝和阻爆測(cè)量系統(tǒng)，通過典型自由基熒光成像來研究可燃?xì)怏w爆炸微觀研究，依靠同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)阻燃劑的噴射從而實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)瓦斯爆炸的抑制作用。

可燃?xì)怏w；燃燒和阻燃流場(chǎng)；光譜測(cè)量

Abstract: The premixed combustible gas in explosion process, will produce large amounts of free radical for short chain, such as CH, OH etc, the change of free radical is more representative of the chemical reaction, free radical in shining is corresponding to a particular spectrum line,the characteristic lines contain abundant parameter information, some parameters in combustion, can be diagnosed and quantitative measured by the use of characteristic spectral lines. The article sets up a set measuring system of self shooting luminous and explosion of resistance for typical free radical, the microscopic study of explosion of combustible gas was studied by using typical free radical fluorescence imaging, the injection of flame retardant is realized by synchronous technique so as to control the gas explosion.

Keywords:combustible gas; flow field of Combustion and flame retardant; spectral measurement

0 引言

煤礦瓦斯突出和煤自燃造成了中毒、火災(zāi)和爆炸事故，石油和化工企業(yè)中，油氣和?；愤\(yùn)輸、儲(chǔ)存不當(dāng)都會(huì)引起泄露、燃燒或爆炸事故。分析可燃?xì)怏w燃燒爆炸事故原因可知，一般情況是由于可燃?xì)怏w達(dá)到爆炸濃度界限，遇到火源引起爆炸，然后迅速傳播，在傳播過程中對(duì)周圍設(shè)施和人員生命安全造成損害，爆炸傳播過程中火焰波的發(fā)展變化特性決定了爆炸事故破壞程度的大小，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過在激波管中布置壓力傳感器、溫度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯葋硌芯糠磻?yīng)過程中相應(yīng)參數(shù)的變化，由于實(shí)際管道結(jié)構(gòu)的激勵(lì)作用和火焰結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這些宏觀的數(shù)據(jù)無法滿足更精確要求，在可燃預(yù)混氣體爆燃過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的短鏈自由基，如CH、OH等，而自由基的變化更能代表化學(xué)反應(yīng)的過程[1-3]，自由基自發(fā)光都有其對(duì)應(yīng)的譜線分布，特征譜線包含了豐富的參數(shù)信息，利用特征譜線可對(duì)燃燒流場(chǎng)某些參數(shù)，如：如溫度、粒子數(shù)密度、壓力、速度等進(jìn)行診斷和定量測(cè)量。為此提出本論文的研究?jī)?nèi)容，設(shè)置一套典型的自由基/自發(fā)光拍攝和阻爆測(cè)量系統(tǒng)，通過典型自由基熒光成像來研究可燃?xì)怏w爆炸微觀研究，依靠同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)阻燃劑的準(zhǔn)確噴射從而實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)瓦斯爆炸的抑制作用。

1 總體設(shè)計(jì)

在煤礦井下，雖然任何地點(diǎn)都有瓦斯爆炸的可能性，但大部分爆炸事故多發(fā)生在采煤與掘進(jìn)工作面。一般情況下，采煤與掘進(jìn)工作面的巷道空間布置形式可以簡(jiǎn)化為一端封閉一端開口或兩端開口的管道空間模型，本實(shí)驗(yàn)即基于這種管道空間模型開展研究的[2,4]。

煤礦井下氣體燃燒爆炸和阻爆的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示：主要包括：點(diǎn)火控制器、甲烷爆炸實(shí)驗(yàn)管道、泄壓罐、壓力信號(hào)測(cè)量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、火焰信號(hào)測(cè)量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、爆炸流場(chǎng)光學(xué)顯示系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、激光器觸發(fā)延時(shí)系統(tǒng)等。

圖1 總體布置簡(jiǎn)圖

管體主要包括點(diǎn)火段(點(diǎn)火法蘭和點(diǎn)火段)、過渡段和實(shí)驗(yàn)段、真空艙(實(shí)驗(yàn)前抽真空)與管體通過膜片相連，以保證實(shí)驗(yàn)安全。氣路、數(shù)據(jù)采集電纜和電源線分別通過相互隔離的溝槽，并與充配氣系統(tǒng)集成在控制臺(tái)。實(shí)驗(yàn)段和過渡段均設(shè)置專用光學(xué)窗口，用于流場(chǎng)顯示和光譜測(cè)量(組分、溫度)。

2 光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)段是整個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)最為重要、也最為復(fù)雜的環(huán)節(jié)。

爆炸流場(chǎng)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)包括連續(xù)/脈沖激光紋影、陰影和高速攝影等，也可給出觀察窗流場(chǎng)沖擊波系和火焰區(qū)隨時(shí)間演化過程，燃燒區(qū)典型自由基(OH、CH等)發(fā)射光譜及其成像過程。圖2給出了流場(chǎng)光學(xué)顯示測(cè)量連接示意圖。

圖2 流場(chǎng)光學(xué)顯示測(cè)量示意圖1—He-Ne激光器；2—紅寶石激光器；3—光強(qiáng)調(diào)節(jié)器；4—半透鏡；5—光束調(diào)節(jié)器；6—擴(kuò)束鏡；7—平面反射鏡；8—壓電傳感器；9—實(shí)驗(yàn)段；10—觀察窗；11—凹面反射鏡；12—刀口；13—濾光片；14—聚焦物鏡；15—照相機(jī)；16—電荷放大器；17—延時(shí)器

要說明的是：瓦斯爆炸火焰速度為幾十到幾百毫秒，流場(chǎng)顯示采用的高速紋影或高速攝影CCD相機(jī)及其脈沖激光光源、自由基瞬態(tài)發(fā)射光譜測(cè)量系統(tǒng)的ICCD相機(jī)、點(diǎn)火系統(tǒng)均需進(jìn)行時(shí)間同步控制。根據(jù)不同測(cè)量對(duì)象選擇不同的控制信號(hào)，如壓力或火焰信號(hào)，才能保證得到的沖擊波或火焰區(qū)的流場(chǎng)圖像，因此，CCD或ICCD相機(jī)、脈沖激光光源、點(diǎn)火系統(tǒng)均需要進(jìn)行時(shí)間同步控制[5]。

2.1 光譜儀和ICCD對(duì)于OH自由基光譜的調(diào)試

在瓦斯預(yù)混氣爆燃過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的短鏈自由基，如CH、OH等。自由基自發(fā)光都有其對(duì)應(yīng)的譜線分布。自由基自發(fā)輻射的大部分能量集中在與特定能級(jí)對(duì)應(yīng)的單個(gè)或多個(gè)較窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，輻射光強(qiáng)(或能量)和波長(zhǎng)的對(duì)于曲線成為特征譜線。特征譜線包含了豐富的參數(shù)信息，如溫度、粒子數(shù)密度、壓力、速度等、利用特征譜線可對(duì)燃燒流場(chǎng)進(jìn)行診斷和定量測(cè)量某些參數(shù)。圖3給出了瞬態(tài)光譜的示意圖，主要就是利用光譜儀和ICCD相機(jī)進(jìn)行采集和分析。

圖3 瞬態(tài)光譜示意圖

光譜儀是光譜測(cè)量的基本設(shè)備。與掃描光譜測(cè)量方法不同，瞬態(tài)光譜測(cè)量系統(tǒng)可以一次性地記錄特征譜線，因此需要借助快速成像系統(tǒng)，例如ICCD相機(jī)。圖4給出了光譜測(cè)量系統(tǒng)裝置圖。光譜儀采用ANDOR公司的SR750，相機(jī)信號(hào)為T340。實(shí)驗(yàn)中，將汞燈放于光譜儀狹縫處，采用刻度為1200 g/mm光柵，拍攝CH、OH附近的瞬態(tài)光譜。ICCD相機(jī)曝光時(shí)間設(shè)置為0.02 s。

圖5給出了汞燈對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)光譜掃描圖，圖中給出的是接譜(多個(gè)單張掃譜連接)，可以得出，在438.3 nm處波峰較強(qiáng)，與標(biāo)準(zhǔn)汞燈特征譜線吻合，得到了實(shí)驗(yàn)效果。

圖4 光譜測(cè)量系統(tǒng)裝置圖

圖5 汞燈瞬態(tài)光譜掃描圖

圖6給出了蠟燭火焰的特征譜線，從圖中可以看出，波峰處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為347 nm處的光譜曲線，與308 nm的OH的特征譜線相差較大，分析可能是由于蠟燭火焰燃燒過程中產(chǎn)生了其他自由基或者是火焰整個(gè)結(jié)構(gòu)的問題。

2.2 阻燃實(shí)驗(yàn)段的設(shè)計(jì)

采用電磁閥控制噴氣或者噴液體的總量[8]，圖7給出了示意圖。

瓦斯阻燃實(shí)驗(yàn)過程就是在該實(shí)驗(yàn)段如下圖8上完成的。

該段主要由電磁閥和噴射段組成，圖9給出了噴射段的主要結(jié)構(gòu)圖片和電磁閥位置圖。

本實(shí)驗(yàn)采用從下往上噴的方式，由電磁閥(響應(yīng)度0.02 s)進(jìn)行控制。

圖10給出了噴射實(shí)驗(yàn)段內(nèi)部裝置圖，為了能夠保證管路中噴射的氣體或者液體更加的均勻，凹槽處設(shè)有100個(gè)1 mm噴射孔。

圖6 蠟燭火焰光譜圖

圖7 阻燃實(shí)驗(yàn)段示意圖

圖8 阻燃實(shí)驗(yàn)段裝置圖

圖9 噴射裝置圖

圖10 噴射實(shí)驗(yàn)段內(nèi)部裝置圖

3 結(jié)論

(1) 完成了光譜測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)試工作和阻燃實(shí)驗(yàn)段的設(shè)計(jì)。開展了指定中心波長(zhǎng)瞬態(tài)光譜的測(cè)量研究工作，與標(biāo)準(zhǔn)的特征曲線進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠，系統(tǒng)運(yùn)行正常。通過多次實(shí)驗(yàn)，確定了凹槽處設(shè)置噴射孔的數(shù)量和電磁閥響應(yīng)速度。

(2) 在實(shí)驗(yàn)過程中，經(jīng)常會(huì)有自發(fā)光的干擾現(xiàn)象，后來經(jīng)過嘗試，對(duì)于帶有自發(fā)光的燃燒流場(chǎng)，還需在光路中插入合適半帶寬的濾光片，才可以有效地消除流場(chǎng)自發(fā)光的影響。

實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)有時(shí)自由基譜線相差很大，分析可能由于蠟燭火焰燃燒過程中產(chǎn)生了其他自由基或者是火焰整個(gè)結(jié)構(gòu)的問題。

(3) 小尺度管道系統(tǒng)的幾何約束強(qiáng)、點(diǎn)火能量低、采用尼龍傳感器座子可有效隔離電磁干擾，但不能屏蔽較高能量的高壓放電點(diǎn)火系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁干擾，本次實(shí)驗(yàn)過程中采用絕緣的尼龍段，消除了電極和管壁之間的放電干擾，保證了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常工作，這也是和之前實(shí)驗(yàn)不同之處。

(4) 盡管搭建了阻燃劑噴射系統(tǒng)，但尚未開展阻燃問題的深入研究，下一步要繼續(xù)開展瞬態(tài)光譜用于瓦斯爆炸流場(chǎng)光譜測(cè)量研究和不同阻燃劑阻燃效果的深入研究。

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StudyonSpectralmeasurementsystemfortheFlameofcombustibleGasinretardantflowfield

ZHANG Li-cong, HU Yang, SHI Xiao-liang

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

TD712+.7

A

1672-7169(2017)03-0027-07

2017-06-05

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(3162016004);國(guó)家自然科學(xué)基金(51374108)

張莉聰(1977-)，女，河北石家莊人，碩士，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院副教授。E-mail：zlc1429@ncist.edu.cn