丙烷-氧氣預(yù)混氣體的火焰?zhèn)鞑ゼ包c(diǎn)火特性?

章文義 李玉艷 潘 峰 鄭俊杰

①江蘇警官學(xué)院警務(wù)指揮與戰(zhàn)術(shù)系(江蘇南京，210031)

②南京理工大學(xué)化工學(xué)院(江蘇南京，210094)

③國(guó)家民用爆破器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(江蘇南京，210094)

引言

丙烷(C3H8)作為傳統(tǒng)的燃料和化工原料，在能源、化工、航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。但由于泄漏導(dǎo)致的火災(zāi)和爆炸事故層出不窮，尤其在受限空間內(nèi)沿管道發(fā)生爆燃以后會(huì)發(fā)生回火，造成更嚴(yán)重的后果[3-4]。

對(duì)于丙烷燃燒及其爆炸特性的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究已被大量報(bào)道[5-7]。葛俊峰[8]、周寧[9]等分別研究了點(diǎn)火能及不同管道開(kāi)口率對(duì)丙烷-空氣的爆炸過(guò)程的影響，研究表明，初始點(diǎn)火能對(duì)預(yù)混氣體爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律以及管壁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有顯著影響，點(diǎn)火能越大，爆炸越劇烈，爆炸峰值壓力和管壁最大應(yīng)變就越大，且壓力波和管壁應(yīng)變的發(fā)展一致；隨著管道開(kāi)口率的增加，管道內(nèi)最大爆炸超壓迅速降低；開(kāi)口情況下，最大爆炸超壓出現(xiàn)在點(diǎn)火端附近，靠近開(kāi)口處爆炸超壓逐漸下降；而閉口情況下，最大爆炸超壓出現(xiàn)在管道兩端。孫少辰等[10]在水平直管中對(duì)丙烷的爆轟火焰在管道阻火器中的火焰?zhèn)鞑ゼ按阆ㄒ?guī)律進(jìn)行了研究；陳銳等[11]對(duì)丙烷的自燃特性及爆震機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；何學(xué)超等[12]考察了彎曲管道對(duì)丙烷-空氣火焰?zhèn)鞑サ挠绊憽?/p>

最小點(diǎn)火能(minimum ignition energy，MIE)可用來(lái)衡量可燃?xì)怏w與空氣混合物發(fā)生燃燒爆炸的危險(xiǎn)性，根據(jù)最小點(diǎn)火能的作用，可對(duì)可燃?xì)怏w與空氣混合物生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和使用過(guò)程的危險(xiǎn)性進(jìn)行安全考核及評(píng)估[13-14]。Eckhoff等[15]建立了用于測(cè)定氣體和蒸汽最小點(diǎn)火能的標(biāo)準(zhǔn)火花發(fā)生器，對(duì)正常大氣條件下丙烷-空氣的最小點(diǎn)火能進(jìn)行了測(cè)量，并采用了Moorhouse等學(xué)者在1974年提出的可能最高的邊界線程序計(jì)算，得到了最小點(diǎn)火能為0.48 mJ。Ebina等[16]通過(guò)細(xì)鎳鉻絲熔化釋放的能量來(lái)測(cè)量分散水霧對(duì)丙烷-空氣混合物最小點(diǎn)火能的影響，得出當(dāng)水霧質(zhì)量分?jǐn)?shù)Y0為0.17時(shí)，相對(duì)于Y0＝0時(shí)水霧的最小VERR(體積能量釋放速率)增加了50%；當(dāng)Y0＞0.20時(shí)，點(diǎn)火概率為0。

盡管丙烷-空氣的爆炸性能及最小點(diǎn)火能已被廣泛研究，但丙烷在高濃度氧氣氛圍中的火焰?zhèn)鞑ヌ匦院妥钚↑c(diǎn)火能卻鮮有報(bào)道。

為了給丙烷-氧氣預(yù)混合體的安全應(yīng)用提供參考，本文中，采用有機(jī)玻璃管、壓力采集系統(tǒng)及高壓放電裝置研究了丙烷-氧氣在圓柱形半封閉管道中火焰?zhèn)鞑サ膭?dòng)力學(xué)行為，以及惰性氣體對(duì)其火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響規(guī)律；同時(shí)測(cè)定了丙烷-氧氣的最小點(diǎn)火能，研究了初始?jí)毫半姌O間距對(duì)丙烷-氧氣最小點(diǎn)火能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 火焰?zhèn)鞑パb置

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括燃燒管、高速攝像機(jī)、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)及同步控制系統(tǒng)等，裝置如圖1所示。燃燒管為豎直放置的圓柱型有機(jī)玻璃管，長(zhǎng)度為1 400 mm，內(nèi)徑50 mm，管壁厚5 mm。為了便于高速攝像機(jī)拍攝管道內(nèi)火焰的傳播特性，有機(jī)玻璃管后面設(shè)置黑色背景。在距離有機(jī)玻璃管下端20 mm處設(shè)置兩個(gè)銅棒，將長(zhǎng)100 mm、直徑0.6 mm的電阻絲卷成螺旋狀，兩邊分別和銅棒相連，通電電源電壓為20 V，通電功率20 W，點(diǎn)火前瞬間將玻璃管上端密封蓋打開(kāi)。

配氣系統(tǒng)：流量計(jì)量程為0～500 mL/min，誤差為±0.5%。配氣前先將氣袋(30 L)抽至真空，關(guān)閉氣袋閥門(mén)，進(jìn)氣前須將配氣管路清洗3遍，然后再打開(kāi)氣袋閥門(mén)，依次充入丙烷和氧氣，氣體充入完畢后關(guān)閉氣袋閥門(mén)，靜置24 h，以便氣體充分混合均勻。

實(shí)驗(yàn)中，高速攝影系統(tǒng)所釆用的攝像機(jī)為日本Photron公司生產(chǎn)的Fastcam系列產(chǎn)品。拍攝速度達(dá)20 000 Hz，曝光時(shí)間為 100 ns，像素為 640 ×1 024。整個(gè)攝像機(jī)由高速處理器、攝像頭以及顯示器等組成。本實(shí)驗(yàn)中，攝像機(jī)的拍攝速度設(shè)置為4 000 Hz。

圖1 火焰?zhèn)鞑パb置示意圖Fig.1 Schematic of flame propagator

1.2 最小點(diǎn)火能

最小點(diǎn)火能測(cè)試裝置由有機(jī)玻璃燃燒管、高壓電源、示波器及控制系統(tǒng)等組成，其中燃燒管尺寸同1.1，點(diǎn)火時(shí)燃燒管兩端均處于密封狀態(tài)，測(cè)試裝置如圖2所示。高壓電源，東文高壓電源(天津)股份有限公司，DW系列，輸出最高直流電壓30 kV(正輸出)，電壓調(diào)整率小于0.1%。高壓電源輸出電壓可通過(guò)面板旋鈕連續(xù)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)可以根據(jù)不同的能量選擇合適的電容，電容組有5～1 000 pF等規(guī)格。示波器，泰克公司，MSO70000C/DX復(fù)合信號(hào)示波器?？刂葡到y(tǒng)由工業(yè)可編程控制器PLC模塊及繼電器等組成。

圖2 最小點(diǎn)火能裝置測(cè)試示意圖Fig.2 Schematic of testing device for the minimum ignition energy

由于電容存在放電不完全的現(xiàn)象，加上回路中的電能損耗，因此采用電壓、電流的瞬時(shí)值，對(duì)電壓和電流進(jìn)行時(shí)問(wèn)積分，來(lái)計(jì)算電火花的能量[17]：式中：E為點(diǎn)火能量，J；Vt為瞬時(shí)電壓，V；It為瞬時(shí)電流，A；t1、t2分別為電極放電初、末時(shí)間，s。 結(jié)果由示波器記錄。典型的電流、電壓與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3所示。當(dāng)電容電火花能量E小于100 mJ時(shí)，電火花的能量為

式中：C為電容量，F(xiàn)；U為電路放電時(shí)電壓，V。

圖3 實(shí)測(cè)電流、電壓與時(shí)間的關(guān)系Fig.3 U-t and I-t curves

最小點(diǎn)火能量(E)介于E1(連續(xù)10次均出現(xiàn)著火的最大能量值)和E2(能夠點(diǎn)著的最小能量值)之間，即E1＜E＜E2。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

丙烷，純度99.99%；氧氣，純度99.99%；氮?dú)?，純?9.95%；氬氣，純度99.99%；二氧化碳，純度99.95%。

2 結(jié)果及討論

2.1 火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/h3>

圖4為丙烷-氧氣在圓柱形半封閉管道中火焰?zhèn)鞑?shí)物圖。預(yù)混氣體的壓力為100 kPa，出現(xiàn)可見(jiàn)火焰記為0時(shí)刻。從圖4中可以看出，1.0 ms時(shí)火焰陣面中間出現(xiàn)凹陷，火焰充滿已燃區(qū)域，呈亮白色，點(diǎn)火點(diǎn)附近呈藍(lán)色；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，火焰亮度增強(qiáng)，火焰前端截面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的平滑弧面；約3.0 ms時(shí)，火焰鋒面到達(dá)有機(jī)玻璃管末端，火焰亮度進(jìn)一步增加，并向有機(jī)玻璃管周?chē)鷶U(kuò)展，火焰充滿已燃區(qū)域。隨后，火焰截面沖出管道，有機(jī)玻璃管出口處呈現(xiàn)火球狀結(jié)構(gòu)。

2.2 惰性氣體對(duì)火焰加速進(jìn)程的影響

圖5為預(yù)混氣體前端位移隨時(shí)間的變化曲線。實(shí)驗(yàn)中分別添加了3種惰性氣體：氮?dú)?N2)、氬氣(Ar)和二氧化碳(CO2)，體積分?jǐn)?shù)均為 70%。丙烷-氧氣混合物被點(diǎn)燃后，火焰前端位移增加最快，3.0 ms時(shí)火焰前端已到達(dá)管頂處；其他3種混合物到達(dá)管頂?shù)臅r(shí)間分別為5.5 ms(Ar)、6.5 ms(N2)和7.5 ms(CO2)。4種預(yù)混氣體火焰前端位移隨時(shí)間的變化呈指數(shù)關(guān)系：y＝y(tǒng)0+A·exp[-0.5(x-xc)/w]2。

圖5 火焰前端位移隨時(shí)間的變化Fig.5 Location of flame leading tip as a function of time

圖4 丙烷-氧氣在圓柱形半封閉管道中火焰?zhèn)鞑サ膶?shí)物圖(單位：ms)Fig.4 High-speed photography images showing the flame evolution in the semi-closed tube(unit：ms)

圖6 火焰前端截面?zhèn)鞑ニ俣入S時(shí)間的變化Fig.6 Propagation speed of flame leading tip section with time

圖6為預(yù)混氣體前端傳播速度隨時(shí)間的變化曲線。由圖6可知，點(diǎn)火后，丙烷-氧氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆僭黾樱?.5 ms時(shí)，火焰速度增加至550 m/s；此后，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸尸F(xiàn)出跳躍式增長(zhǎng)，此過(guò)程為爆燃轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程；3.0 ms時(shí)，火焰速度已達(dá)到1 400 m/s。但添加惰性氣體后，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@降低；點(diǎn)火后，3種添加惰性氣體的混合物點(diǎn)火后均經(jīng)歷一段相對(duì)穩(wěn)定燃燒階段，在0～4.0 ms的時(shí)間段內(nèi)，3種預(yù)混氣體的火焰?zhèn)鞑ニ俣忍幱诰徛黾訝顟B(tài)。從點(diǎn)火到傳播至管頂處，最大速度分別為1 140 m/s(Ar)、640 m/s(N2)和644 m/s(CO2)，3 種預(yù)混氣體均未發(fā)生爆轟。與N2和Ar相比，CO2的稀釋對(duì)爆燃火焰速度的影響更大，這在許多其他燃料-空氣-添加劑混合物中都可以觀察到[18]。稀釋丙烷-氧氣混合物后，一方面燃料和氧氣含量減少，反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的能夠維持火焰?zhèn)鞑サ臒崃恳矞p小，反應(yīng)區(qū)最大火焰溫度和燃燒速度均降低；另一方面，CO2在高溫下可能參與了反應(yīng)，進(jìn)一步降低了丙烷-氧氣的反應(yīng)速率。為了估計(jì)CO2分解對(duì)正常燃燒速度的影響，研究者們引入了一種添加劑，一種在化學(xué)上不活躍但具有CO2的熱傳導(dǎo)特性的物質(zhì)，這種物質(zhì)不發(fā)生反應(yīng)，在整個(gè)燃燒過(guò)程中它的濃度保持不變[19-20]。在模擬中，用這種新組分計(jì)算的層流燃燒速度位于N2和CO2稀釋的層流燃燒速度之間。研究表明，CO2的離解是不可忽視的；但是由于火焰溫度的關(guān)系，當(dāng)添加量增加時(shí)，CO2的離解作用被減弱。同時(shí)，CO2通過(guò)熱輻射將熱量向周?chē)l(fā)，也降低了反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)速率，使火焰燃燒速率進(jìn)一步降低。

2.3 最小點(diǎn)火能

2.3.1 電壓對(duì)最小點(diǎn)火能的影響

圖7為電極兩端實(shí)測(cè)的放電電壓曲線，充電電容為100 pF。電容在放電時(shí)會(huì)有部分冗余，放電不完全。表1總結(jié)了電壓在2～12 kV范圍內(nèi)實(shí)測(cè)電壓與設(shè)定電壓的關(guān)系，由表1可知：實(shí)測(cè)電壓比設(shè)定電壓略大，但由于電容放電不完全，導(dǎo)致放電電壓與設(shè)定電壓誤差在4.0%以下，設(shè)定電壓12 kV時(shí)，誤差最小，為0.3%，但儀器的工作電壓范圍為0～12 kV，從安全角度考慮，應(yīng)選擇12 kV以下；其次是8 kV時(shí)誤差為0.5%，比較合理；設(shè)定電壓在2～6kV范圍內(nèi)，誤差在3.3% ～4.0%之間；同時(shí)，設(shè)定電壓小于6 kV時(shí)，由于電極材料及尺寸的關(guān)系，兩電極之間不容易擊穿空氣，產(chǎn)生火花。綜合以上因素，將電壓設(shè)定為8 kV。

2.3.2 初始?jí)毫?duì)最小點(diǎn)火能的影響

圖7 實(shí)測(cè)電極兩端電壓與時(shí)間的關(guān)系Fig.7 Ignition voltage-time curves

表1 設(shè)定電壓與實(shí)測(cè)電壓匯總Tab.1 Summary of set voltage and measured voltage

圖8為不同初始?jí)毫ο卤?氧氣的最小點(diǎn)火能E?？傮w來(lái)說(shuō)，初始?jí)毫υ叫?，測(cè)得的最小點(diǎn)火能越大，與文獻(xiàn)報(bào)道的規(guī)律相符[21]；初始?jí)毫?0 kPa時(shí)，2.00 mJ＜E＜3.00 mJ；初始?jí)毫?0 kPa時(shí)，0.64 mJ＜E＜0.96 mJ；初始?jí)毫?00 kPa時(shí)，預(yù)混氣體的最小點(diǎn)火能明顯降低，0.16 mJ＜E＜0.32 mJ。對(duì)于碳?xì)淙剂隙裕钚↑c(diǎn)火能均在富燃料比組分條件下獲得，這是因?yàn)辄c(diǎn)火時(shí)火花處的燃料被瞬間耗盡，而周?chē)娜剂嫌捎谙鄬?duì)緩慢的擴(kuò)散速度無(wú)法及時(shí)擴(kuò)散至點(diǎn)火核心處，因此，為了保證點(diǎn)火初期點(diǎn)火核心的增長(zhǎng)，就必須提供所需的燃料分子，增加單位體積內(nèi)燃料的密度；同時(shí)，壓力越小，單位體積內(nèi)發(fā)生碰撞的分子數(shù)量越少，通過(guò)電極散失的能量增加，用于點(diǎn)燃燃料的能量降低，點(diǎn)燃燃料就需要更高的點(diǎn)火能量[22]。

圖8 不同初始?jí)毫ο卤?氧氣的最小點(diǎn)火能Fig.8 The minimum ignition energy of the mixed gas at various initial pressure

2.3.3 電極間距對(duì)最小點(diǎn)火能的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到電極間距和當(dāng)量比對(duì)儲(chǔ)存最小點(diǎn)火能E的影響，分別如圖9所示。從圖9可以看出，存在一個(gè)最佳的電極間距(2 mm)，使得點(diǎn)火能量達(dá)到最小。當(dāng)電極間距為2 mm時(shí)，0.16 mJ＜E＜0.32 mJ。由于電極材料均為金屬，是熱和電的良導(dǎo)體，電極間距較小時(shí)，電極的失熱作用占據(jù)主導(dǎo)，電極核心區(qū)氣體被點(diǎn)燃后，反應(yīng)放出的熱量由電極散失，當(dāng)散熱速率大于放熱速率時(shí)，反應(yīng)無(wú)法自行傳遞下去，從而使反應(yīng)終止，火焰難以蔓延。同時(shí)，當(dāng)間距較小時(shí)，電極間的氣體受熱急劇膨脹，產(chǎn)生沖擊波，一部分能量以沖擊波的形式散失，導(dǎo)致點(diǎn)燃?xì)怏w所需能量增加；相反，當(dāng)電極間距偏大時(shí)，兩電極間的空氣不易被擊穿。即使擊穿，由于較大的間距，能量不能集中，點(diǎn)燃混合氣體時(shí)需要更大能量，造成測(cè)試數(shù)據(jù)偏大[23-24]。

圖9 最小點(diǎn)火能隨電極間距的變化Fig.9 The Minimum ignition energy of propane-oxygen mixture at various electrode gap

3 結(jié)論

1)采用有機(jī)玻璃管裝置研究了丙烷-氧氣在半封閉燃燒管中的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，預(yù)混氣體被點(diǎn)燃后，經(jīng)過(guò)2.5 ms的緩慢加速階段，進(jìn)入爆燃轉(zhuǎn)爆轟階段，到達(dá)管道頂端的最大速度為1 400 m/s；N2、Ar和CO23種惰性氣體均會(huì)減緩預(yù)混氣體火焰加速進(jìn)程，但CO2效果最為顯著，其次是N2和 Ar。

2)實(shí)驗(yàn)中設(shè)定電壓為8 kV，測(cè)得最小點(diǎn)火能試驗(yàn)系統(tǒng)的敏感間距為2 mm；最小點(diǎn)火能隨著氣體初始?jí)毫Φ脑龃蠖鴾p小，初始?jí)毫?0、50 kPa和100 kPa時(shí)，最小點(diǎn)火能的范圍分別為：2.00 mJ＜E＜3.00 mJ，0.64mJ＜E＜0.96 mJ和0.16mJ＜E＜0.32 mJ。