水蒸氣和壁面溫度對富氧狀態(tài)下甲烷-空氣爆燃特性的影響

胡 強，溫小萍，郭志東

（1.河南理工大學，河南 焦作 454000；2.重慶大學 煤礦災(zāi)害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044）

石油天然氣工業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)的重要組成部分，其時刻受到爆炸和火災(zāi)的威脅[1]。對于可燃氣體相關(guān)的加工工業(yè)中，可燃氣體爆燃危害廣泛存在且往往造成巨大的損失和嚴重的損害。另一方面，日常使用的甲烷氣體難免會含有水蒸氣或者外部環(huán)境的改變，所以水蒸氣和壁面溫度對于甲烷-空氣燃燒的影響值得研究。

國內(nèi)外關(guān)于預(yù)混氣體爆炸特性的研究較多。例如，LI等[2]利用固定床反應(yīng)器探究了水蒸氣對燃燒的影響，結(jié)果表明，水蒸氣對甲烷轉(zhuǎn)化有促進作用。HI ROYUKI等[3]研究了水蒸氣對CH4-Air的滅火特性，發(fā)現(xiàn)了壁面溫度為150 K時，水滴形成的水蒸氣滅火效果最好。單天翔等[4]利用數(shù)值模擬研究水蒸氣對甲烷燃燒的影響，結(jié)果表明，隨著水蒸氣摩爾分數(shù)的增加，甲烷燃燒火焰溫度降低，水蒸氣的加入強化了CH3→CH（2s）→CH2→CH→CH2O過程，同時強化了CH3→CH3O→CH2O過程，改變了甲烷燃燒的鏈式反應(yīng)。張力等[5]研究了溫度對微通道CH4/O2/H2O自熱重整暫態(tài)特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)壁面溫度越增加，擴散系數(shù)越大，甲烷的轉(zhuǎn)化率越大，進而加速了反應(yīng)的進程。

上述文獻均研究了水蒸氣和壁面溫度對預(yù)混氣體爆炸的影響，但研究主要集中在飽和水蒸氣對甲烷燃燒基元反應(yīng)進程的影響以及壁面溫度對甲烷反應(yīng)速率的影響。所以，本研究利用不銹鋼管實驗平臺，通過研究不同濃度的水蒸氣和壁面溫度對水的冷凝-蒸發(fā)過程和液膜的形成過程，進而探究其對甲烷燃燒反應(yīng)的影響。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，由密閉管道、點火系統(tǒng)、氣體分配系統(tǒng)、水蒸氣生成系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)和加熱裝置組成。密閉管道的內(nèi)徑為60 mm，長為1 200 mm，體積為3.4 L。壓力采集系統(tǒng)包括采集卡、電源和高頻壓力傳感器。將壓力傳感器安置在管道的右側(cè)端面進行采集爆炸的壓力。點火系統(tǒng)由點火源、點火頭和點火開關(guān)組成。點火點位于密閉管道的右側(cè)，點火源為壓電陶瓷，通過對壓電陶瓷施加壓力放電來提供點火能量。放電時間很短，屬于單次放電，對高頻壓力傳感器的干擾很小。配氣系統(tǒng)包括甲烷氣瓶、氧氣氣瓶、氮氣氣瓶、混合器、連接管道以及3個高靈敏度的D08-1F型質(zhì)量流量控制器。水蒸氣生成系統(tǒng)由蒸汽發(fā)生器、注射器和溫度控制系統(tǒng)組成。加熱裝置由溫控儀和加熱件組成，如圖2所示。

圖1 實驗裝置

圖2 加熱裝置

1.2 實驗工況及方法

本次實驗為了更好地研究水蒸氣和壁面溫度對甲烷-空氣爆燃的影響，采用富氧系數(shù)為E=0.3，水蒸氣的通氣時長為0、10、30、60和180 s，壁面溫度為300 K（27℃）、323 K（50℃）、373 K（100℃）和423 K（150℃）。實驗的過程中先將加熱裝置設(shè)定一定的溫度進行加熱處理，加熱完畢后通過5倍體積法計算出各個氣體的流量，采用連接管道將氣體通入氣體預(yù)混器中進行初次預(yù)混，再由連接管通入密閉管道中進行30 s的預(yù)混，點火前密閉管道內(nèi)部為常壓。另一方面，水蒸氣生成裝置連接2個帶有控制閥的管道，通過對控制閥的作用來調(diào)節(jié)通入水蒸氣的時長。為了保證實驗的準確性，每一次實驗結(jié)束后都進行管道的干燥處理，同時每個實驗至少重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 壁面溫度對超壓的影響

不同的壁面溫度對超壓的影響如圖3所示。圖中的橫坐標是火焰壓力在整個密閉管道中燃燒所有混合物所需要的時間T。壁面溫度的變化從300~423 K。

圖3 不同壁面溫度下超壓與時間的關(guān)系

這個過程可以將爆炸壓力分為4個階段：（1）火焰沖擊波階段；（2）升壓階段；（3）降壓階段；（4）余波階段。在點火后，火焰開始蔓延，因為火焰燃燒中未燃氣體與已燃氣體發(fā)生激烈的碰撞同時產(chǎn)生大量的熱量，氣體的體積發(fā)生劇烈的膨脹，進而產(chǎn)生強烈的沖擊波，火焰的超壓在很短的時間內(nèi)上升，火焰超壓進入第一階段。隨后壓力開始表現(xiàn)無規(guī)則的上升，進入升壓階段并達到峰值，也產(chǎn)生了振蕩的行為。到達峰值以后火焰壓力開始表現(xiàn)為降壓階段，由于燃料的消耗和反應(yīng)過程中的熱損失影響，火焰的超壓開始慢慢地消散，然后開始轉(zhuǎn)變?yōu)橛嗖A段。

如圖3所示，在壁面溫度為300、323和373 K時，火焰壓力曲線整體趨勢相同，其中壁面溫度為300 K與323 K的曲線重合度最高。在環(huán)境溫度（300 K）下，壓力達到的最大峰值（T=113.9 ms；P=5.5 bar）；隨著壁溫升高，壁溫為323 K，最大峰值為（T=115 ms；P=4.3 bar）；壁溫為373 K，最大峰值為（T=105 ms；P=3.2 bar）；壁溫為423 K，最大峰值為（T=341.61 ms；P=2.39 bar）?？梢?，在壁面溫度大于或等于373 K時壁溫對管道的內(nèi)部的壓力有很大的抑制作用。歸因于不同壁面溫度抑制燃燒產(chǎn)生的水蒸氣在容器壁上冷凝-蒸發(fā)的過程，從而使壁面的液膜越來越難形成直至不生成液膜。在這種情況下水的冷凝-蒸發(fā)過程減弱或消失，管道內(nèi)部的超壓峰值降低，到達超壓的時間縮短。

不同壁面溫度下超壓峰值和最大壓力上升速率的關(guān)系如圖4所示。最大壓力上升速率的值分別是50.75 bar/s、37.39 bar/s、30.49 bar/s、7 bar/s?？梢?，兩條曲線的基本走勢一致，壓力上升速率和超壓峰值與壁面溫度成反比例函數(shù)。結(jié)合圖3可以發(fā)現(xiàn)壁溫度的上升會抑制壁面液膜的產(chǎn)生，使管道內(nèi)部產(chǎn)生更多的飽和水蒸氣，進而影響密閉管道內(nèi)部的超壓變化。

圖4 不同壁面溫度下超壓峰值和最大壓力上升速率的關(guān)系

2.2 水蒸氣時長對超壓的影響

通過水蒸氣生成裝置向密閉管道注入水蒸氣時，研究水蒸氣的濃度變化對探究燃燒的特性有重要作用。研究不同水蒸氣的時長對超壓的影響，水蒸氣時長為0 s時，最大峰值為（T=32.6 ms；P=3.6 bar）；水蒸氣時長為10 s時，最大峰值為（T=62.6 ms；P=5.59 bar）；水蒸氣時長為30 s時，最大峰值為（T=27 ms；P=2.91 bar）；水蒸氣時長為60 s時，最大峰值為（T=175 ms；P=1.53 bar）；水蒸氣時長為180 s時，最大峰值為（T=501.2 ms；P=1.97 bar）。綜上所知，添加少量的水蒸氣對CH4預(yù)混氣體爆燃的發(fā)生有明顯的促進作用，但是隨著水蒸氣濃度的增加，對于水蒸氣的冷凝-蒸發(fā)過程被抑制，導(dǎo)致管道內(nèi)部的爆燃壓力減小和速度降低，進而發(fā)生抑制現(xiàn)象。

由圖5可知，當水蒸氣的時長為10 s時，超壓峰值增大，水蒸氣起著促進作用。由于燃燒反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量被水蒸氣迅速吸收，加速了水的冷凝-蒸發(fā)，致使壓力增加。另一方面，隨著水蒸氣濃度增加，不僅迅速帶走大量的熱，也稀釋甲烷和氧分子的百分比，進而減少甲烷和氧分子之間的接觸反應(yīng)。壁面的溫度為常溫，水蒸氣的濃度越大，致使管道的壁面與氣體中懸浮部分小水珠，進而破壞了鏈式連鎖反應(yīng)，從而增強了抑制的效果。另一方面，隨著水蒸氣濃度的增加，對于水蒸氣的冷凝-蒸發(fā)過程被抑制，導(dǎo)致管道內(nèi)部的爆燃壓力減小和速度降低。隨著水蒸氣濃度增加，燃燒速率降低，體積膨脹比減小，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷瑢?dǎo)致火焰壓力上升速率降低。

圖5 壁面溫度為300K時，不同水蒸氣時長下超壓與時間的關(guān)系

不同水蒸氣時長下超壓峰值和最大壓力上升速率的關(guān)系如圖6所示。最大壓力上升速率的值分別是110.43 bar/s、89.3 bar/s、107.78 bar/s、3.93 bar/s?？梢?，在水蒸氣時長為10 s時，超壓峰值最大，最大升壓速率低于水蒸氣時長為0 s和30 s的速率。這種現(xiàn)象也側(cè)面地驗證了少量的水蒸氣對爆炸壓力有促進的作用，少量的水蒸氣濃度，增加了水的冷凝-蒸發(fā)過程，推遲了壓力峰值的到達時間，使壓力峰值增大。水蒸氣時長60 s時，超壓峰值和最大壓力上升速率迅速下降，最大壓力上升速率相比較水蒸氣30 s的速率下降了53%，可見60 s時的水蒸氣濃度是一個零界點，對甲烷爆炸的抑制效果好。

圖6 不同水蒸氣時長下超壓峰值和最大壓力上升速率的關(guān)系

2.3 水蒸氣時長和壁面溫度對超壓的影響

前面分析了水蒸氣時長或壁面溫度對超壓的影響。圖7展示了不同的水蒸氣時長和壁面溫度為373 K時對超壓的影響。由圖可知在壁面溫度為373 K時，水蒸氣時長為0 s時，最大峰值為（T=105 ms；P=3.2 bar）；水蒸氣時長為10 s時，最大峰值為（T=330.6 ms；P=2.93 bar）；水蒸氣時長為30 s時，最大峰值為（T=510.99 ms；P=1.98 bar）；水蒸氣時長為60 s時，最大峰值為（T=151.66 ms；P=0.85 bar）；水蒸氣時長為180s時，最大峰值為（T=95 ms；P=0.41 bar）。通過對壁面溫度為27℃時的不同水蒸氣的超壓時長對比可知，超壓峰值整體依次降低了11.11%、47.58%、35.39%、45.86%和79.19%。在不通入水蒸氣時超壓峰值下降了11.11%，在通入水霧之后超壓峰值下降了47.58%，可見壁面溫度對火焰爆炸壓力的抑制作用低于水蒸氣的抑制作用。在水蒸氣時長為180 s時超壓峰值下降了79.19%，相比較60 s的水蒸氣時長，水蒸氣的時長增加了3倍，也對爆炸壓力產(chǎn)生了極大的抑制作用。主要因為在甲烷的燃燒過程中其主線是從OH、O、H自由基撞擊甲烷分子產(chǎn)生甲基自由基開始的[6]，水蒸氣的增加改變了密閉管道中OH、O、H自由基的濃度，進而影響了整個燃燒的過程。

另一方面，由反應(yīng)的時間可知，隨著水蒸氣時長的增加，到達波峰的時間依次為：105 ms、330.6 ms、510.99 ms、151.66 ms和95 ms?？梢姷竭_波峰的時間與水蒸氣的時長呈現(xiàn)出拋物線的形式，先增后減。由圖7可知水蒸氣時長為60 s和180 s時火焰的壓力基本上沒有明顯的波峰產(chǎn)生，水蒸氣時長為0 s時，壓力出現(xiàn)了多個波峰；水蒸氣時長為10 s時，壓力出現(xiàn)了一個波峰，波峰的夾角在45°左右；水蒸氣時長為30 s時，壓力出現(xiàn)了一個波峰，波峰的夾角在90°左右?？梢娝魵獾臅r長越大相對應(yīng)的OH、O、H自由基的濃度越增加，進而抑制了助燃劑氧氣的燃燒反應(yīng)，導(dǎo)致甲烷的爆炸反應(yīng)沒有達到真正的波峰便開始下降。

不同水蒸氣時長下超壓峰值和最大壓力上升速率的關(guān)系如圖8所示。最大壓力上升速率的值分別是30.5 bar/s；8.87 bar/s；3.88 bar/s；5.6 bar/s和4.3 bar/s?？梢娫诒诿鏈囟葹?73 K通入水蒸氣之后，最大壓力上升速率迅速下降，在水蒸氣時長為60 s時，超壓峰值和最大壓力上升速率基本保持一致。結(jié)合圖7可知，在無水蒸氣時，管道的超壓在峰值附近出現(xiàn)了振蕩的反應(yīng)，但是在通入水蒸氣之后，密閉管道的壓力曲線沒有出現(xiàn)振蕩的現(xiàn)象。由于火焰與壁面碰撞會發(fā)生觸壁反應(yīng)，進而產(chǎn)生壓縮波，預(yù)混火焰的已燃氣體與未燃氣體的碰撞會產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致管道內(nèi)部的氣體體積膨脹，進而產(chǎn)生膨脹波；另一方面，因為聲波的耦合作用會在密閉管道的壁面和端面產(chǎn)生反射波，3種波的相互作用會導(dǎo)致壓力發(fā)生振蕩的行為。然而在通入水蒸氣之后，密閉的壓力振蕩的現(xiàn)象消失，可見水蒸氣也會阻礙管道內(nèi)部3種波的傳播。

圖7 壁面溫度為373 K時，不同水蒸氣時長下超壓與時間的關(guān)系

圖8 不同水蒸氣時長下超壓峰值和最大壓力上升速率的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）壁面溫度是影響甲烷爆燃的重要因素。隨著壁面溫度的增加，導(dǎo)致甲烷爆燃產(chǎn)生的水蒸氣不易或無法在管道上形成液膜，阻礙了水的冷凝-蒸發(fā)過程，進而抑制了反應(yīng)的進行。

（2）水蒸氣的濃度對密閉管道中甲烷-空氣的爆燃有很大的影響。水蒸氣時長為0 s時，最大峰值為（T=32.6 ms；P=3.6 bar）；水蒸氣時長為10 s時，最大峰值為（T=62.6 ms；P=5.59 bar）；水蒸氣時長為30 s時，最大峰值為（T=27 ms；P=2.91 bar）；水蒸氣時長為60 s時，最大峰值為（T=175 ms；P=1.53 bar）；水蒸氣時長為180 s時，最大峰值為（T=501.2 ms；P=1.97 bar）由此可知，低濃度的水蒸氣有促進作用，高濃度的水蒸氣有抑制作用。

（3）壁面溫度和水蒸氣的增加會抑制壓力的振蕩行為發(fā)生。無水蒸氣時，壁面溫度從300~423 K的增加，超壓發(fā)生了振蕩的現(xiàn)象。壁面溫度為300 K時，在水蒸氣的時長從0 s增加到180 s的過程中，0 s、10 s和30 s的壓力曲線發(fā)生了振蕩現(xiàn)象，壁面溫度為373 K時，在水蒸氣的時長從0 s增加到180 s的過程中，通入水蒸氣后壓力曲線無振蕩的現(xiàn)象?？梢姡魵鈺璧K管道內(nèi)部3種波的傳播，進而抑制壓力的振蕩行為產(chǎn)生。