初始壓力和富氧系數對CH4/O2/N2預混氣體爆炸特性的影響

吉昌泉　賈凡　李斌　張丹　解立峰

[關鍵詞]初始壓力：富氧系數：預混氣體：爆炸特性：5L圓柱形爆炸容器

[分類號]TQ560.7；X932

0引言

現如今，資源節(jié)約和環(huán)境保護問題已經成為世界各國關注的焦點。尤其在汽車行業(yè)，研究人員幾十年來一直在尋找減少汽車污染物排放的有效方法。天然氣（NG）儲量豐富，且燃燒產生的污染物少，現階段被認為是傳統(tǒng)汽車燃料良好的替代品。研究表明：以NG作為燃料的發(fā)動機會出現局部火焰熄滅、燃燒不穩(wěn)定和輸出功率低等問題；同時，碳氫化合物（HC）、CO排放量較高，不能滿足日益嚴苛的排放要求。富氧燃燒可以有效提高可燃氣體（或可燃蒸氣）的燃燒溫度，增加傳熱，減少排煙量，降低可燃物的燃點并加快燃速，從而提高NG的利用率和發(fā)動機的輸出功率，縮短點火時間并顯著降低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，主要應用在燃料（甲烷CH₄、汽油、柴油等）發(fā)動機、電站鍋爐、熱能工程、玻璃、冶金、生物質合成氣燃燒等領域。

國內外已經對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行了大量研究。Vanderstraeten等研究了初始壓力和初始溫度對CH₄/空氣混合氣體爆炸上限的影響；結果表明，高溫下應用切線準則獲得的預混氣體的爆炸上限較小，而高溫、高壓下應用最大最小準則確定的爆炸上限與實驗結果更匹配。李傳家等在水平激波管中研究了點火能量和初始壓力對CH₄爆炸強度和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?；結果表明，爆炸超壓隨著初始壓力和點火能量的增大而變大，適宜的初始條件可以加速CH₄的燃燒轉爆轟。藺偉等利用長透明管道研究了CH₄濃度對火焰?zhèn)鞑ヌ卣鞯挠绊?；發(fā)現CH₄濃度對火焰?zhèn)鞑ニ俣群妥钸h傳播距離都有顯著影響。徐宗在12.3 mm內徑管道中研究了CH₄濃度對CH₄／空氣混合氣體爆炸壓力的影響；結果表明，隨著CH₄濃度的增大，爆炸壓力呈倒V形變化趨勢，CH₄濃度在當量比時，混合氣體爆炸壓力最大。鄭興忠等借助小尺寸瓦斯爆炸實驗平臺，通過高速攝像機記錄CH4爆炸火焰的傳播過程，探討了CH₄濃度對燃燒火焰長度的影響。李潤之將理論、實驗和數值模擬方法結合，系統(tǒng)研究了初始壓力和點火能量對瓦斯爆炸特性的影響，并得出相應的爆炸規(guī)律。仇銳來等在管道中研究了點火能量對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^少。Wang等[19]研究了不同富氧系數E和點火位置對CH₄/O₂/N₂混合物爆炸特性的影響；結果表明，隨著E的上升，CH₄的超壓振蕩和燃燒引起的快速相變現象更強烈；另外，點火位置對最大壓力上升速率的影響更加顯著。王發(fā)輝等對CH4在富氧條件下火焰?zhèn)鞑ズ托贡匦赃M行大量研究；結果表明，隨著E的增加，CH4火焰?zhèn)鞑ニ俣燃彼偕仙?，火焰振蕩距離和振幅擴大；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，最大壓力到達時間略有縮短。Di Benedettoa等研究了不同CO₂含量和E下CH₄的燃爆行為；實驗和模擬結果表明，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。學者們僅僅對常壓下相關燃爆特性進行研究，并未對負壓和高、低壓情況進行深入探討。但在高海拔地區(qū)以及一些突發(fā)情況下會出現非常壓環(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和最大壓力到達時間t₀等都是燃燒工藝設備的安全性設計和評估工藝危險性的重要參數。本文中，研究了富氧系數E和初始壓力P₀對CH₄/O₂/N₂預混氣體爆炸參數的影響。為有效模擬CH4燃料在發(fā)動機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圓柱形爆炸罐中進行。

1實驗系統(tǒng)和條件

1.1實驗系統(tǒng)

可燃氣體爆炸特性測試系統(tǒng)主要由5L圓柱形爆炸容器、配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、同步控制器與數握采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。

爆炸容器為一個直徑160 mm、高250 mm、壁厚20 mm的圓柱形爆炸罐，設計耐壓30 MPa。容器上壁和側壁多個開孔用于安裝壓電式壓力傳感器、點火電極以及進氣、出氣和抽真空管路等。

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