管道內(nèi)一氧化碳和空氣預(yù)熱混合物的爆燃特性*

張 良,魏小林,余立新,張 宇,李 騰,李 博

（中國科學(xué)院力學(xué)研究所等離子體與燃燒中心,北京 100190）

1 引 言

轉(zhuǎn)爐煤氣含有60%以上的CO,是一種回收價值很高的中熱值煤氣。轉(zhuǎn)爐煤氣的初溫可達(dá)1 450℃,通常先經(jīng)過汽化冷卻煙道將煤氣降溫至850℃,然后采用濕法回收法或干法回收法,即噴水或噴水霧將煤氣劇冷至低溫后回收。除化學(xué)熱外,轉(zhuǎn)爐煤氣中包含了大量余熱,相當(dāng)于8～10千克標(biāo)煤/噸鋼。全部回收轉(zhuǎn)爐煤氣余熱必然存在爆炸的危險,因為在煤氣余熱回收過程中爆炸的3要素都將會滿足:（1）轉(zhuǎn)爐的斷續(xù)生產(chǎn)使煤氣在煉鋼的開始和結(jié)束階段混入了一定量的空氣,很容易使混合氣體達(dá)到爆炸極限,特別在一些流動性不好的死角;（2）在回收余熱的余熱鍋爐內(nèi)煤氣會降溫至自燃點以下;（3）煤氣中的高溫?zé)焿m顆粒是引發(fā)爆炸的重要爆源。如何保證安全高效地回收轉(zhuǎn)爐煤氣的全部余熱并發(fā)電,是冶金行業(yè)節(jié)能減排工作的重要課題。管道內(nèi)的燃?xì)獗ū憩F(xiàn)出爆燃的特點,而研究CO-air爆燃機理是轉(zhuǎn)爐煤氣余熱回收首要解決的問題?？紤]到轉(zhuǎn)爐煤氣具有較高溫度以及在回收管道中含有大量的障礙物,因此,究其本質(zhì)是要研究在不同初始溫度和管道內(nèi)有障礙物的情況下,CO-air爆燃過程中壓力和火焰速度的特性。

已有大量相關(guān)研究的報道,C.Chan等[1]在實驗研究中使用CH4與空氣混合氣體,指出管道中障礙物的限制對火焰加速有正反饋作用;A.Teodorczyk等[2]和郭長銘等[3]的研究表明,襯有聲吸收材料的管壁對爆燃有明顯的抑制作用,如將氫氧混合物最終的火焰速度由1 000 m/s降至100 m/s,反映了壓力波對爆燃的作用。張建華[4]使用焦?fàn)t煤氣（58.5%H2、22.2%CH4、5.1%N2、2.1%CO、3.2%CO2、0.8%O2、8.1%CmHn）研究得出在一定范圍內(nèi)隨著管長的增加,最大爆炸壓力增大而火焰速度減小。余立新等[5-6]研究得出在阻塞比相同的情況下,障礙物形狀不對管道可燃?xì)獗急Z產(chǎn)生影響,其實驗氣體包括 H2、C2H2 、水煤氣（58.5%H2、30.0%CH4、5.4%N2 、6.1%CO）、液化石油氣（76.18%C3H8、19.95%C3H6）和CH4等。關(guān)于CO-O2混合氣體爆轟速度的研究中得到該速度可達(dá)到1 700 m/s[7]。趙衡陽[8]指出在管道內(nèi)火焰加速機理中,初始溫度的影響沒有湍流機理作用大。

目前,研究較高溫度下的CO-air混合物的爆燃特性既有工程背景又有理論意義。本實驗中將轉(zhuǎn)爐煤氣的主要成分CO和空氣混合加熱后在管道中點燃,通過對火焰信號和壓力信號的測量,探討CO爆燃特性以及化學(xué)當(dāng)量比和溫度對CO爆燃特性的影響。

2 實驗裝置

實驗裝置示意圖如圖1所示,空氣被電加熱器加熱后與CO混合,通過熱電偶測量混合物的溫度,達(dá)到設(shè)定溫度后再點燃混合氣體。管道內(nèi)混合氣體總流量保持在約36 Nm3/h,CO當(dāng)量比由調(diào)節(jié)空氣和CO的流量配比來控制。初始壓力接近外界大氣壓,出口是一個具有較大空間的消音器。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 A sketch map for the experimental setup

圖2 各測點距點火處的相對位置Fig.2 Layout of pressure and flame transducer ports

測量管道示意圖如圖2所示,點火端到出口的長度為5.26 m,其中光滑管壁段長度為2.76 m,障礙物段長度為2.50 m（分布10個等間距圓環(huán),截面積阻塞比為0.61）。沿管道軸線布置了7個壓力傳感器（上部）和7個光電火焰?zhèn)鞲衅鳎ㄏ虏浚┓謩e獲取壓力信號和火焰的光信號。本文中著重于研究障礙物段的爆燃特點,因此把傳感器主要布置在障礙物段。壓力測點1距點火處1.77 m,光測點1位于點火端,用以確定點火時間。壓力信號測點2～7和光信號測點2～7距點火處距離分別相同,測點2～7之間分別相隔0.40 m,測點2距點火處3.08 m,其中火焰速度為相鄰2個光測點的平均速度（間距除以火焰通過這2個測點的時間差）?；鹧?zhèn)鞲衅鞯捻憫?yīng)時間小于1 μs,滿足測量火焰速度的要求。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 壓力和火焰信號的分析

圖3 壓力和火焰信號Fig.3 Pressure and flame signals

圖3是測得的6號測點的壓力和火焰信號。圖中火焰信號從起跳到結(jié)束歷時約2.5 ms,而壓力信號起止時間約22.0 ms。火焰信號強弱反映了化學(xué)反應(yīng)的劇烈程度,而化學(xué)反應(yīng)前后壓力劇變,因而2信號的峰值點存在對應(yīng)關(guān)系。由于壓力信號的測量滯后于光信號的測量,因此壓力信號峰值落后于火焰信號峰值。

3.2 火焰沿管道的加速過程

典型管道爆燃的火焰和壓力演變過程可見圖4。工況條件:CO當(dāng)量比 φ=1.250,初始混合氣溫度為300 K。光滑管段內(nèi)火焰加速緩慢,平均速度只有28.0 m/s,壓力幾乎為零;在比光滑管壁段稍短的障礙物段火焰速度和壓力迅速攀升,靠近出口端時火焰速度達(dá)到最大值749.1 m/s,壓力達(dá)到最大值0.71 MPa。由于出口的泄壓作用,壓力達(dá)到最大值后明顯降低下來。實驗測得火焰從光測點1到光測點2的傳播時間為110.0 ms,而從光測點2到光測點7只用了4.3 ms,即火焰在光滑管壁段中的傳播占用了絕大部分時間。以上說明了障礙物對管道爆燃的作用顯著,使火焰速度和壓力得到了快速提高。

圖4 火焰速度和壓力演變過程Fig.4 Evolution of flame speed and pressure

3.3 CO當(dāng)量比對爆燃過程的影響

實驗顯示,常溫條件下的CO當(dāng)量比為0.583～3.250（對應(yīng)CO質(zhì)量濃度為0.192～0.569）,火焰可以充分發(fā)展起來;而在上述范圍外火焰很難得到加速,混合氣體甚至不容易被點燃。初始溫度為300 K、CO當(dāng)量比 φ為0.583～3.250的情況下,最大火焰速度、火焰從點火處到達(dá)最后測點的傳播時間、最大壓力以及最大壓力上升速率隨CO當(dāng)量比的變化情況,如圖5所示。從圖5可以看出:

圖5 CO當(dāng)量比對不同物理量的影響Fig.5 Influence of CO stoichiometry on different physical parameters

（1）CO當(dāng)量比φ=1.100時,爆燃強度最大,此時最大火焰速度和最大壓力達(dá)到極大值,分別為752.0 m/s和0.76 MPa;

（2）火焰?zhèn)鞑r間隨CO當(dāng)量比的變化與最大火焰速度隨CO當(dāng)量比的變化正好相反,整個火焰的傳播時間為100.0～300.0 ms,CO當(dāng)量比φ=1.100時,火焰?zhèn)鞑r間最短,為113.2 ms,而φ=3.250時,火焰?zhèn)鞑r間最長,為289.4 ms;

（3）定義最大壓力的上升時間為壓力從零到最大值的時間間隔,最大壓力上升速率即為最大壓力值除以上升時間,和最大壓力一起構(gòu)成了爆燃的威力參數(shù)[8]。實驗得到的最大壓力及其上升速率隨CO當(dāng)量比變化的情況相同,最大壓力上升速率也在φ=1.100時處于極大值,為485 MPa/s;

（4）φ的范圍主要分布在φ＞1.000區(qū)域,而在φ＜1.000區(qū)域內(nèi),隨φ的減小,最大火焰速度和最大壓力都很快減小。

由于化學(xué)反應(yīng)不完全以及燃燒產(chǎn)物離解需要一定能量,因而化學(xué)反應(yīng)速率最大時所需的燃料總比當(dāng)量比φ=1.000時稍多。實驗得出φ=1.100時化學(xué)反應(yīng)速率最大,爆燃強度也對應(yīng)最大,離這一當(dāng)量比越遠(yuǎn)反應(yīng)劇烈程度越小。當(dāng)當(dāng)量比偏離0.583～3.250時,一種反應(yīng)物量相對太少很難均勻混合,同時初始湍流對微弱反應(yīng)具有破壞而不是加強作用,因而此時混合氣體很難被點燃。

3.4 溫度對爆燃特性的影響

選擇同一當(dāng)量比（φ=1.100）條件下的不同溫度作為新的工況條件,每個工況之間溫度差約100 K。圖6給出了壓力發(fā)展、最大火焰速度和傳播時間隨溫度的變化情況,表1為不同初始溫度下各位置點的火焰速度。通過這些數(shù)據(jù),可以看出:

（1）圖6（a）中不同溫度下的壓力發(fā)展趨勢相同,相應(yīng)位置點的壓力值隨溫度升高而普遍下降。壓力的發(fā)展基本滿足了隨溫度升高而變緩的規(guī)律,其中最大壓力從306 K的0.7 MPa下降到了805 K的0.25 MPa,可見高溫爆燃的沖擊破壞能力已經(jīng)明顯減弱了。

（2）圖6（b）中最大火焰速度隨溫度升高表現(xiàn)出下降趨勢,但即使升高到805 K的高溫,火焰?zhèn)鞑ニ俣热匀惠^快（大于550 m/s）,在進(jìn)行高溫CO爆燃的抑制研究時必須考慮到這一重要的速度值。

（3）比較表 1中 306、411和 511 K 等3種工況,各對應(yīng)點的火焰速度普遍減小,火焰加速呈減緩趨勢,傳播時間也迅速增加,見圖6（b）中的傳播時間曲線。繼續(xù)升溫至511 K以后傳播時間變化較小并有平穩(wěn)趨勢,說明511 K是火焰速度發(fā)展特性發(fā)生變化的一個轉(zhuǎn)折點。在511、611和705 K等3種溫度下,光滑管壁段的火焰速度隨溫升緩慢上升（從20.4 m/s上升至22.8 m/s）,并且這種火焰速度隨溫升而上升的情況一直持續(xù)到了障礙物段的3.68 m處,正是由于此種情況才使得火焰?zhèn)鞑r間到511 K后平穩(wěn)下來。另外,在最高溫度805 K下爆燃最特別,火焰在光滑管壁段的速度最大（24.2 m/s）,在障礙物段的發(fā)展最緩慢（各位置點的速度都比其他溫度下的要低許多）,與705 K時相比傳播時間增加。

圖6 溫度對不同物理量的影響Fig.6 Influence of initial temperature on different physical parameters

由于溫度的升高,混合氣體的物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了以下5點轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致了上述壓力和火焰速度的變化:

（1）體積能量下降。隨著溫度升高,混合氣的密度下降,單位體積混合氣燃燒過程中釋放的化學(xué)能將下降[8]。而爆燃壓力是能量的釋放方式,并隨化學(xué)能減小而減小,因而溫度的升高必將導(dǎo)致爆燃產(chǎn)生的壓力下降。

（2）流體聲速提高。流體的聲速可表達(dá)為a=kRT,式中k、R和T分別表示絕熱指數(shù)、氣體常數(shù)和溫度。初始溫度升高后,流體的聲速提高[8],壓力波在流體介質(zhì)中的傳播會更快,將不利于爆燃發(fā)展過程中壓力波的堆積,成為了使壓力下降的又一因素。

（3）膨脹率下降。定義氣體燃燒的膨脹率為σ=ρ1/ρ2,ρ1、ρ2分別為燃燒前后的密度?；鹧婕铀偈芘蛎浡视绊?膨脹率大則火焰加速快[9]。單位體積化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量越少膨脹率越小[10],溫度升高引起的化學(xué)釋放熱量下降減小了膨脹率,從而降低了火焰?zhèn)鞑サ乃俣取１?中在306、411和511 K等3個溫度下各位置點處的火焰速度隨溫度升高而整體減小受到了此因素影響。

（4）流速增大。相同質(zhì)量流量下的混合氣體隨著溫度的升高體積流量將增加,表現(xiàn)為管道內(nèi)流速增大。這種流速的增大將使管道內(nèi)流體的初始湍動增強,有利于物質(zhì)輸運而促進(jìn)化學(xué)反應(yīng),以致加快初期的火焰?zhèn)鞑11]。

（5）化學(xué)反應(yīng)加快。一般燃燒反應(yīng)的速率隨溫度升高而增大,CO的燃燒也不例外,這種初始溫度的升高也將有利于加快化學(xué)反應(yīng)從而提高火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

表1 不同溫度下各位置處的火焰速度Table 1 Flame speed of every position at different initial temperatures m/s

4 結(jié) 論

（1）與光滑管壁相比,等間距圓環(huán)障礙物對管道內(nèi)爆燃的發(fā)展有顯著影響,火焰?zhèn)鞑ニ俣燃氨級毫υ谡系K物段明顯提高。

（2）CO當(dāng)量比為0.583～3.250時,常溫下的火焰得到充分發(fā)展。當(dāng)當(dāng)量比為1.100時,爆燃的強度最大,火焰?zhèn)鞑ニ俣茸罡?、最大壓力及其上升速率達(dá)到極大值,而傳播時間達(dá)到極小值。

（3）溫度是影響爆燃過程的重要因素,溫度變化對體積能量、聲速、膨脹率、流速及化學(xué)反應(yīng)均會施加影響。隨著混合氣溫度的升高,壓力攀升逐漸變緩,最大火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?但仍大于550 m/s,傳播時間先快速增加,然后趨于平穩(wěn)。

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