微乳化柴油霧化及燃爆特性實(shí)驗(yàn)研究*

苗建敏　魯長(zhǎng)波　安高軍　熊春華　解立峰

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院　南京 210094；　2.中國(guó)人民解放軍總后勤部油料研究所　北京 102300)

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微乳化柴油霧化及燃爆特性實(shí)驗(yàn)研究*

苗建敏1,2魯長(zhǎng)波2安高軍2熊春華2解立峰1

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院南京 210094；2.中國(guó)人民解放軍總后勤部油料研究所北京 102300)

采用馬爾文Spraytec型激光粒度儀和液體燃料爆炸性能評(píng)定裝置，分別測(cè)定微乳化柴油在不同噴霧壓力下的霧化特性和燃爆特性，采用液體燃料持續(xù)燃燒性能測(cè)定裝置測(cè)定微乳化柴油在無(wú)約束條件下的燃燒特性，并與-10號(hào)軍柴進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。結(jié)果表明，隨著噴霧壓力的升高，微乳化柴油的霧化粒徑逐漸減小，最大爆炸壓力呈上升趨勢(shì)；相同噴霧條件下，微乳化柴油相比-10號(hào)軍柴霧化性能和爆炸猛烈程度均有所下降；無(wú)約束條件下微乳化柴油相比-10號(hào)軍柴持續(xù)燃燒時(shí)間有所減少。在一定程度上，微乳化柴油的防火防爆安全性優(yōu)于-10號(hào)軍柴。

微乳化柴油霧化特性燃爆特性持續(xù)燃燒

0　引言

柴油作為一種易燃易爆的液體燃料[1]，其防火防爆技術(shù)主要是通過(guò)摻入適當(dāng)比例的水和特殊功能的乳化劑，形成透明或半透明、各向同性的熱力學(xué)穩(wěn)定體系，即微乳化柴油[2]。微乳化柴油在燃燒時(shí)，油中的水會(huì)蒸發(fā)從而吸收大量熱量、降低體系溫度，達(dá)到中斷燃燒過(guò)程的目的。另外，蒸發(fā)形成的水蒸汽會(huì)阻止空氣中的氧氣接近燃燒物體，稀釋柴油附近氧氣濃度，使得柴油蒸氣的濃度達(dá)不到著火、爆炸的條件[3-4]。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室霧化及燃爆實(shí)驗(yàn)，研究微乳化柴油約束條件下霧化粒徑、最大爆炸壓力、平均爆炸壓力上升速率隨噴霧壓力變化的規(guī)律及無(wú)約束條件下持續(xù)燃燒性能，并與-10號(hào)軍柴進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，探討微乳化柴油的防火防爆效果，為柴油防火防爆技術(shù)的研究提供參考。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)試樣及儀器

試樣：(1)空白柴油：-10號(hào)軍柴，取自南京軍區(qū)；(2)微乳化柴油：由-10號(hào)軍柴、水與復(fù)合功能乳化劑按一定比例配制而成。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)檢測(cè)方法[5-7]，分別測(cè)定微乳化柴油和-10號(hào)軍柴的運(yùn)動(dòng)黏度(20 ℃)、閃點(diǎn)(閉口)和凝點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

實(shí)驗(yàn)儀器：(1)馬爾文Spraytec型激光粒度儀，英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)，粒徑測(cè)量范圍為0.1～2 000 μm；(2)液體燃料爆炸性能評(píng)定裝置，吉林宏源科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；(3)液體燃料持續(xù)燃燒性能測(cè)定儀，吉林宏源科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)。

表1　兩種油樣理化性能測(cè)試結(jié)果

1.2測(cè)試方法

1.2.1霧化性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用馬爾文Spraytec型激光粒度儀測(cè)量噴霧粒徑。實(shí)驗(yàn)前開啟主機(jī)，預(yù)熱5 min，設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，柴油折射率為1.45，數(shù)據(jù)采集頻率為2.5 kHz，透光率為95%，即透光率降低5%時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)采集數(shù)據(jù)。粒徑測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1噴霧粒徑測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中直接測(cè)量樣品顆粒的體積，其他數(shù)據(jù)(如粒徑、面積、數(shù)量等)經(jīng)過(guò)程序計(jì)算得出。實(shí)驗(yàn)主要采用Dv10，Dv50，Dv90，D[3][2]，D[4][3] 5種平均粒徑對(duì)比分析微乳化柴油和-10號(hào)軍柴的霧化性能。

(1)Dv10，Dv50，Dv90：小于此粒徑的顆粒體積含量分別占全部總體積的10%，50%，90%。

(2)D[3][2]：表面積動(dòng)量平均徑，它最能反映真實(shí)的霧化品質(zhì)。

(3)D[4][3]：體積或質(zhì)量動(dòng)量平均徑[8]。

1.2.2約束條件下爆炸特性測(cè)試

采用液體燃料爆炸性能評(píng)定裝置分別測(cè)定微乳化柴油和-10號(hào)軍柴的爆炸特性。整套系統(tǒng)的構(gòu)成可參考文獻(xiàn)[9]。

實(shí)驗(yàn)樣品用量為50 mL，點(diǎn)火能量為2 kJ，點(diǎn)火延遲時(shí)間為300 ms，進(jìn)樣倉(cāng)關(guān)閉時(shí)間為300 ms，采集時(shí)間為3 000 ms。爆炸倉(cāng)分別抽真空至90，80，70，60，50 kPa的絕對(duì)壓力，樣品倉(cāng)充壓壓力P1分別為0.343，0.687，1.030，1.373，1.717 MPa，保證燃料點(diǎn)火前爆炸倉(cāng)內(nèi)壓力配平至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制點(diǎn)火，通過(guò)內(nèi)置壓力傳感器記錄爆炸過(guò)程中壓力變化，得到爆炸壓力-時(shí)間變化曲線，以最大爆炸壓力(Pmax)和平均壓力上升速率(τ)表征樣品的爆炸特性。

球形爆炸倉(cāng)壓力配平至大氣壓的時(shí)間記為起爆時(shí)間t1，最大爆炸壓力(Pmax)到達(dá)時(shí)間記為t2，平均壓力上升速率(τ)即為：

(1)

1.2.3無(wú)約束條件下持續(xù)燃燒特性測(cè)試

采用液體燃料持續(xù)燃燒性能測(cè)定裝置分別測(cè)定微乳化柴油和-10號(hào)軍柴的持續(xù)燃燒時(shí)間。實(shí)驗(yàn)設(shè)定加熱溫度為100 ℃，達(dá)到設(shè)定溫度后自動(dòng)進(jìn)樣2 mL，恒溫加熱60 s后持續(xù)點(diǎn)火15 s，點(diǎn)火結(jié)束后火源自動(dòng)移開，觀察樣品是否發(fā)生燃燒。計(jì)算機(jī)根據(jù)樣品火焰熱輻射強(qiáng)度自動(dòng)記錄樣品的持續(xù)燃燒時(shí)間，以持續(xù)燃燒時(shí)間表征樣品的燃燒特性。

2　結(jié)果與討論

2.1不同噴霧壓力下霧化特性分析

液體燃料的黏度指標(biāo)在一定程度上影響其霧化特性，從而影響液體燃料的燃燒爆炸特性。液體燃料噴霧粒徑分布過(guò)程主要包括形成階段、擴(kuò)散階段和穩(wěn)定階段[8]。實(shí)驗(yàn)采用馬爾文Spraytec型激光粒度儀分別測(cè)定不同噴霧壓力下微乳化柴油和-10號(hào)軍柴穩(wěn)定階段的霧化粒徑分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　不同噴霧壓力下的霧化參數(shù)　μm

由表2可以看出，隨著噴霧壓力增大，微乳化柴油的5個(gè)霧化平均粒徑參數(shù)不斷減小。噴霧壓力為1.717 MPa時(shí)Dv10，Dv50，Dv90，D[3][2]，D[4][3]分別為130.4，321.2，653.0，249.4，368.0 μm，相比噴霧壓力為0.343 MPa時(shí)分別降低64.0%，40.8%，15.2%，51.3%，33.8%。圖2為激光粒度儀測(cè)得的不同噴霧壓力下微乳化柴油粒徑分布圖，其中直方圖為霧化液滴該粒徑的體積分布，曲線為霧化液滴累積體積分布。噴霧壓力為0.343 MPa時(shí)，霧化粒徑均大于200 μm，粒徑小于300 μm的霧化液滴僅占1.38%，大尺寸霧化液滴相對(duì)集中，粒徑處于450 μm至650 μm之間的霧化液滴占58%。噴霧壓力為1.717 MPa時(shí)，粒徑小于100 μm的霧化液滴占2.82%，粒徑小于200 μm的霧化液滴占24.24%，粒徑分布較為均勻。由此可見，隨著噴霧壓力增大，微乳化柴油霧化平均粒徑減小，粒徑分布變寬，霧化更加充分。

對(duì)比表2中數(shù)據(jù)可以看出，在相同噴霧條件下，微乳化柴油的平均粒徑參數(shù)大于-10號(hào)軍柴。隨著噴霧壓力的增大，微乳化柴油的Dv50相比-10號(hào)軍柴分別增加6.5%，5.8%，5.9%，7.3%，9.8%。對(duì)比圖2(b)和圖3可知，在噴霧壓力為1.717 MPa的條件下，微乳化柴油和-10號(hào)軍柴的霧化粒徑分布趨勢(shì)相似。該條件下，微乳化柴油和-10號(hào)軍柴粒徑小于100 μm的霧化液滴分別占2.82%和5.29%，粒徑小于200 μm的霧化液滴分別占24.24%和26.69%。由此可見，微乳化柴油的霧化性能相對(duì)于-10號(hào)軍柴在一定程度上有所下降。這是由于微乳化柴油的黏度大于-10號(hào)軍柴，射流破碎霧化所需克服的界面張力就越大，導(dǎo)致在相同噴霧壓力下的霧化粒徑增大[10]。

(a)噴霧壓力為0.343 MPa

(b)噴霧壓力為1.717 MPa

圖3　-10號(hào)軍柴噴霧壓力為1.717 MPa時(shí)粒徑分布

2.2不同噴霧壓力下爆炸特性分析

采用液體燃料爆炸性能評(píng)定裝置分別測(cè)定不同噴霧壓力下微乳化柴油和-10號(hào)軍柴的爆炸特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3可以看出，隨著噴霧壓力升高，微乳化柴油的最大爆炸壓力和平均壓力上升速率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。噴霧壓力為1.717 MPa時(shí)，其最大爆炸壓力相比噴霧壓力為0.343 Mpa時(shí)增加0.082 MPa，壓力上升時(shí)間減少0.063 s，平均壓力上升速率增加1.82 MPa/s。這是由于當(dāng)噴霧壓力較小時(shí)，霧化液滴粒徑較大，霧化效果較差，在重力作用下迅速沉降，燃燒無(wú)法形成或者持續(xù)，導(dǎo)致爆炸壓力較小[11]。隨著噴霧壓力增大，霧化液滴粒徑減小，霧化更加充分，爆炸過(guò)程更加劇烈，導(dǎo)致爆炸壓力上升。

對(duì)比表3中數(shù)據(jù)可以看出，在相同噴霧條件下，微乳化柴油的最大爆炸壓力和平均壓力上升速率均小于-10號(hào)軍柴。為了更加直觀地比較相同噴霧條件下微乳化柴油和-10號(hào)軍柴的爆炸性能，根據(jù)爆炸倉(cāng)內(nèi)置傳感器記錄的爆炸過(guò)程壓力變化數(shù)據(jù)，繪制噴霧壓力為1.717 MPa時(shí)兩種油樣的爆炸壓力-時(shí)間變化曲線，如圖4所示。由圖4可知，該噴霧條件下，微乳化柴油的最大爆炸壓力比-10號(hào)軍柴下降0.043 MPa，達(dá)到最大爆炸壓力的時(shí)刻延后23 ms，平均壓力上升速率降低1.33 MPa/s。這是由于一方面微乳化柴油中的水組分起到了吸熱降溫、隔絕空氣、稀釋氣相燃料的作用，從而中斷柴油著火爆炸的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，達(dá)到防爆效果[11-12]，另一方面是由于微乳化柴油的黏度大于-10號(hào)軍柴，霧化效果差，霧化粒徑較大，導(dǎo)致燃燒爆炸效果差，爆炸壓力降低。

表3　不同噴霧壓力下的爆炸參數(shù)

圖4　噴霧壓力為1.717 MPa時(shí)的爆炸

2.3無(wú)約束條件下持續(xù)燃燒特性分析

采用液體燃料持續(xù)燃燒性能測(cè)定裝置分別測(cè)定微乳化柴油和-10號(hào)軍柴的持續(xù)燃燒時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。根據(jù)計(jì)算機(jī)記錄的樣品火焰溫度數(shù)據(jù)，繪制溫度-時(shí)間變化曲線，如圖5所示。

表4　兩種油樣持續(xù)燃燒性能測(cè)試結(jié)果

由表4可知，微乳化柴油和-10號(hào)軍柴在恒溫加熱60 s內(nèi)均未發(fā)生自燃，均需儀器自動(dòng)點(diǎn)火。微乳化柴油著火起始時(shí)間較-10號(hào)軍柴延后0.9 s，持續(xù)燃燒時(shí)間減少23.7 s，2 500 ℃以上高溫持續(xù)時(shí)間減少38.9 s。這是由于微乳化柴油在燃燒過(guò)程中分散相的水組分不斷蒸發(fā)形成水蒸汽，隔絕油樣與空氣中的氧氣接觸，同時(shí)從油樣表面吸收大量熱量，從而降低火焰溫度，進(jìn)一步中斷油樣的燃燒過(guò)程，減少油樣的持續(xù)燃燒時(shí)間[13-14]。

圖5　火焰溫度-燃燒時(shí)間變化曲線

從圖5可以看出，兩種油樣燃燒開始階段火焰溫度均呈現(xiàn)快速持續(xù)上升趨勢(shì)，開始燃燒30 s后均進(jìn)入充分燃燒階段。持續(xù)燃燒90 s后微乳化柴油火焰溫度下降至2 000 ℃左右，而-10號(hào)軍柴火焰溫度仍處于2 500 ℃以上高溫區(qū)域，根據(jù)觀察，此階段過(guò)程中微乳化柴油火焰明顯呈現(xiàn)縮小趨勢(shì)。持續(xù)燃燒160 s后微乳化柴油火焰完全熄滅，-10號(hào)軍柴仍保持充分燃燒。

由此可見，無(wú)約束條件下微乳化柴油具有減少持續(xù)燃燒時(shí)間，降低火焰溫度，抑制火焰增長(zhǎng)的效果，在一定程度上其防火安全性能優(yōu)于-10號(hào)軍柴。

3結(jié)論

(1)隨著噴霧壓力升高，微乳化柴油霧化粒徑逐漸減小，分布變寬，霧化效果更好。相同噴霧條件下，微乳化柴油霧化性能相比-10號(hào)軍柴在一定程度上有所下降。

(2) 隨著噴霧壓力升高，微乳化柴油最大爆炸壓力和平均壓力上升速率呈上升趨勢(shì)。相同噴霧條件下，微乳化柴油相比-10號(hào)軍柴爆炸猛烈程度有所下降，具有一定的防爆效果。

(3)無(wú)約束條件下微乳化柴油相比-10號(hào)軍柴持續(xù)燃燒時(shí)間減少23.7 s，2 500 ℃以上高溫持續(xù)時(shí)間減少38.9 s，具有一定的防火效果。

(4)在一定程度上，微乳化柴油的防火防爆安全性優(yōu)于-10號(hào)軍柴。

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Experimental Study on Atomization and Combustion-Explosion Characteristics of Micro-Emulsified Diesel

MIAO Jianmin1,2LU Changbo2AN Gaojun2XIONG Chunhua2XIE Lifeng1

(1.SchoolofChemicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnologyNanjing210094)

The atomization and combustion-explosion characteristics of micro-emulsified diesel at different spray pressures are measured by the Malvern Spraytec and the instrument of evaluating the explosion properties for liquid fuel. The combustion characteristics of micro-emulsified diesel under the unconstrained condition is tested using sustainable combustion performance analyzer. Comparative studies have been carried on the atomization, explosion and combustion characteristics between micro-emulsified diesel and military diesel -10. Theresultsshowthatthedropletsizeofmicro-emulsified diesel decreases and the maximum explosion pressure rises with the increase of spray pressures; compared with military diesel -10, the atomization and explosion characteristics of micro-emulsified diesel are decreased under the same spray condition; under unconstrained condition, the sustainable combustion time of micro-emulsified diesel is also decreased. To some extent, the fire and explosion suppression security performance of micro-emulsified diesel is better than that of military diesel -10.Key Wordsmicro-emulsified dieselatomization characteristicscombustion-explosion characteristics sustainable combustion

2015-07-01)

科技部國(guó)際科技合作重大專項(xiàng)資助(2013DFR60080)。

苗建敏，男，1990年生，浙江舟山人，南京理工大學(xué)化工學(xué)院碩士研究生(南京理工大學(xué)與總后勤部油料研究所聯(lián)合培養(yǎng)研究生)，主要從事微乳化柴油防火防爆安全特性研究。