球形非金屬材料對甲烷摻氫爆炸抑制機(jī)理研究

唐 毅，員亞龍，李開源，陳先鋒，袁必和，賀云龍，黃楚原

（1. 武漢理工大學(xué)安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院, 湖北 武漢 430070；2. 中國船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所, 河南 鄭州 450015）

隨著社會高速發(fā)展，特別是我國“雙碳目標(biāo)”的提出，對清潔能源的需求與日俱增，氫能作為一種環(huán)保、高效的新能源受到廣泛關(guān)注?？紤]到氫氣管道建設(shè)成本高，利用現(xiàn)有的天然氣管道，向甲烷中摻入一定量的氫氣進(jìn)而提升混合燃料熱值，已成為一種經(jīng)濟(jì)可行的解決方案[1]。值得關(guān)注的是，近年來天然氣輸運(yùn)事故屢有發(fā)生，若向其摻入氫氣，有可能進(jìn)一步加劇爆炸的危險(xiǎn)性。倪靖等[2]討論了不同摻氫比對甲烷-氧氣爆轟特性的影響，發(fā)現(xiàn)摻氫后能夠提高爆轟波的傳播速度和爆轟敏感性。余明高等[3]通過實(shí)驗(yàn)研究了障礙物對甲烷-氫氣爆炸特性的影響，發(fā)現(xiàn)最大爆炸超壓和火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著障礙物阻塞率以及氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大而增大。Yu 等[4]研究了摻氫對甲烷-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，發(fā)現(xiàn)隨著氫氣含量的增加，火焰前沿速度和爆炸超壓顯著升高。

鑒于可燃?xì)怏w在運(yùn)輸過程中的危險(xiǎn)性，大量學(xué)者對可燃?xì)怏w的抑爆問題開展了研究。Li 等[5]發(fā)現(xiàn)CO2對甲烷爆炸的抑制效果好于N2。Luo 等[6]研究BC 粉對氫氣-甲烷-空氣預(yù)混氣的抑制后發(fā)現(xiàn)，BC 粉對摻氫比低的預(yù)混氣體有較好的抑制作用。陳鵬等[7]發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬絲網(wǎng)層數(shù)大于3 時，甲烷-空氣預(yù)混氣爆炸火焰經(jīng)過金屬絲網(wǎng)時會發(fā)生淬熄。徐海順等[8]通過研究發(fā)現(xiàn)鋁鎂合金泡沫對甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸有較好的抑制作用，材料對傳播火焰的影響機(jī)制主要體現(xiàn)在湍流促進(jìn)和冷卻抑制兩方面。袁必和等[9]研究了新型多孔聚丙烯復(fù)合材料對瓦斯爆炸的影響，發(fā)現(xiàn)多孔材料的抑爆性能受填充位置、材料內(nèi)徑以及填充長度的影響。An 等[10]通過對比球形非金屬材料和鋁合金材料對可燃?xì)怏w的抑爆結(jié)果，發(fā)現(xiàn)由于球形非金屬材料具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因而抑爆效果較好。邵繼偉等[11]研究多孔材料對可燃?xì)怏w的抑爆效果后發(fā)現(xiàn)，組合型多孔材料在密閉容器管道系統(tǒng)內(nèi)的抑爆效果更為突出。綜合以上研究發(fā)現(xiàn)，非金屬多孔材料對抑制甲烷爆炸具有良好的效果，但甲烷摻氫的爆炸特性較甲烷出現(xiàn)明顯改變，并且前人對非金屬多孔材料在甲烷摻氫抑爆方面的研究較少。傳統(tǒng)的非金屬材料存在易燃、爆炸后熔融物易黏附管道內(nèi)壁等缺陷，嚴(yán)重限制了多孔非金屬材料在可燃?xì)怏w抑爆中的實(shí)際應(yīng)用。球形抑爆材料中空多孔結(jié)構(gòu)能夠有效增大比表面積，擴(kuò)大熱損失，并且耐高溫耐火焰，具有良好的阻火隔爆性質(zhì)[12-13]。

本研究通過實(shí)驗(yàn)探究摻氫比對甲烷摻氫爆炸特性的影響，比較單一球形多孔非金屬材料和組合球形多孔非金屬材料的抑爆效能，并通過改變材料填充長度，分析最佳阻火抑爆性能的搭配參數(shù)，為球形多孔非金屬材料在混合燃料阻隔防爆領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論支撐與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與流程

為研究摻氫比對甲烷摻氫預(yù)混氣體爆炸的影響并測試球形多孔材料的抑爆性能，自主搭建了氣體管道爆炸實(shí)驗(yàn)平臺，如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)平臺主要包括爆炸實(shí)驗(yàn)管道、點(diǎn)火系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、同步控制、高速攝像系統(tǒng)（拍攝速度4 000 幀每秒）以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the experiment setup

實(shí)驗(yàn)管道由3 節(jié)內(nèi)徑60 mm、管壁厚度10 mm、外徑80 mm、長度2 m 的水平圓形管道以及1 節(jié)內(nèi)徑60 mm、長0.5 m、配備可視窗的方形管道組成，各個管道之間通過法蘭-螺栓連接，實(shí)驗(yàn)管道為封閉狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)管道共安裝2 臺壓力傳感器（CYG508 微型高壓傳感器），分別距離管道左端1.2 和6.3 m。點(diǎn)火系統(tǒng)（距離管道右端0.5 m 處）由高壓點(diǎn)火器以及2 根鎢絲組成，實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)火能采用20 J。配氣系統(tǒng)通過氣瓶連接配氣儀進(jìn)行配氣，預(yù)混氣體中可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)為10%。通過高速攝像系統(tǒng)采集火焰圖像。實(shí)驗(yàn)過程如下：首先，清潔管道，連接管道和儀器；然后，檢查管道氣密性，采用抽真空法配氣，向管道中通入預(yù)混氣體；接著點(diǎn)火觸發(fā)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；最后，排出廢氣，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)多次。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)的主要材料為球形多孔非金屬材料和聚氨酯（polyurethane，PU）材料，如圖2 所示。球形多孔非金屬材料的主要材質(zhì)為聚偏氟乙烯，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的抗沖擊性和耐高溫性，并且球形材料為多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率大，比表面積大。組合球形內(nèi)部填充材料主要為聚氨酯，聚氨酯材料的可塑性較強(qiáng)，對爆燃火焰的傳播具有一定的抑制作用[14]。

圖2 多孔非金屬抑爆材料Fig. 2 Porous non-metallic explosion suppression material

最大爆炸壓力（pmax）是評價爆炸強(qiáng)度以及材料抑爆性能的重要指標(biāo)。為了判斷摻氫比對可燃?xì)怏w爆炸的影響以及單一球形多孔非金屬材料和組合球形非金屬材料的抑爆性能，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)方案：首先研究不同摻氫比x對pmax的影響，分別對摻氫比為0%、5%、10%的甲烷摻氫預(yù)混氣體進(jìn)行測試，記錄管道內(nèi)爆炸壓力并進(jìn)行對比分析；在此基礎(chǔ)上，研究多孔抑爆材料對pmax的影響，選取pmax最大的預(yù)混氣體，分別對單一球形材料和組合球形材料進(jìn)行抑爆實(shí)驗(yàn)，填充于距管道左端1.5 m 的位置，填充長度分別為20、30、40 cm，對不同填充長度的同一材料以及相同填充長度的不同材料進(jìn)行對比分析，判斷其抑爆性能。

摻氫比x表示為

式中： φ(CH4) 、 φ(H2)分別為甲烷-氫氣混合氣體中甲烷和氫氣的體積分?jǐn)?shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 摻氫比對爆炸壓力的影響

管道中不同摻氫比對預(yù)混氣體爆炸壓力隨時間的變化曲線如圖3 所示。從圖3 可以看出，1 號壓力傳感器所采集的壓力峰值隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大而增大。不同摻氫比對火焰圖像的影響如圖4所示。對比發(fā)現(xiàn)，隨著摻氫比的提高，火焰的亮度明顯變強(qiáng)，甲烷-空氣預(yù)混氣體摻氫后火焰?zhèn)鞑ヌ匦约氨ㄌ匦园l(fā)生顯著改變，氫氣對甲烷爆炸具有促進(jìn)作用[15]。

圖3 摻氫比對預(yù)混氣體爆炸壓力的影響Fig. 3 Effect of hydrogen doping ratio on explosion pressure of premixed gas

圖4 不同摻氫比條件下甲烷摻氫爆炸火焰?zhèn)鞑D像Fig. 4 Flame propagation images of methane hydrogen-doped syngas under different hydrogen doping ratios

預(yù)混氣體爆炸壓力是反映爆炸破壞效應(yīng)的重要指標(biāo)，爆炸壓力越大，爆炸造成的后果往往越嚴(yán)重。摻氫比對預(yù)混氣體最大爆炸壓力pmax和最大爆炸壓力上升速率(dp/dt)max的影響如圖5 所示。當(dāng)摻氫比為0%、5%、10%時，1 號壓力傳感器處的pmax分別為200、235、245 kPa，(dp/dt)max分別為2 250、2 875、3 250 kPa/s。與未摻氫（摻氫比為0%）相比，摻氫比為10%時，1 號壓力傳感器處的pmax提高22.50%，(dp/dt)max提高44.44%，2 號傳感器處的(dp/dt)max提高26.67%，說明摻氫比較低時，pmax和(dp/dt)max均隨著氫氣含量的增加而增大，爆炸強(qiáng)度增大。這是由于氫氣的活性高于甲烷，反應(yīng)比甲烷劇烈，發(fā)生爆炸反應(yīng)的時間更短，隨著摻氫比的增加，單位體積內(nèi)氫氣的量增多，氫氣比例的升高增強(qiáng)了能量釋放的集中程度，氣體燃燒速率加快，縮短了熱量損失時間，導(dǎo)致爆炸壓力上升速率提高[16]。

圖5 不同摻氫比條件下最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率曲線Fig. 5 Maximum explosion pressure and maximum pressure rise rate for different hydrogen doping ratios

2.2 單一球形材料對爆炸壓力的影響

為研究球形非金屬材料對甲烷摻氫后預(yù)混氣體爆炸的抑制作用，采用爆炸壓力較大的摻氫比為10%的預(yù)混氣體進(jìn)行對照?？展艿琅c填充不同長度的抑爆材料對爆炸壓力的影響如圖6 所示，其中0 cm 代表無抑爆材料。由圖6 可知，填充抑爆材料后，各個工況下的pmax均小于無抑爆材料。1 號、2 號壓力傳感器測得無抑爆材料的pmax分別為245、200 kPa。當(dāng)抑爆材料的填充長度分別為20、30、40 cm時，1 號壓力傳感器處的pmax分別為205、185、175 kPa，對比無抑爆材料時的pmax分別降低了16.33%、24.49%、28.57%，爆炸壓力得到有效抑制。這是由于球形抑爆材料是多孔中空塑料球形結(jié)構(gòu)，有較大的比表面積，并且球形材料把管道空間切割成多個小空間，增大了反應(yīng)面與球形材料表面的接觸面積，促進(jìn)了球形材料與火焰的熱交換，增加了熱損失，并且沖擊波通過球形材料時，被切割的反應(yīng)面與后面的球形材料發(fā)生碰撞導(dǎo)致能量損失，進(jìn)而使爆炸壓力降低[12]。2 號壓力傳感器處各個工況下的pmax相較于無抑爆材料分別降低5.00%、5.00%、12.50%，抑制效果較弱。這是由于隨著火焰?zhèn)鞑ィ鹧嫱ㄟ^球形抑爆材料后再無障礙物，燃燒速率加快，火焰到達(dá)2 號壓力傳感器時已充分反應(yīng)，致使降壓效果不明顯。

圖6 不同填充長度條件下單一球形材料對預(yù)混氣體爆炸壓力的影響Fig. 6 Effect of single spherical material with different filling lengths on explosion pressure of premixed gas

不同填充長度對(dp/dt)max的影響如圖7 所示。在低填充長度下，(dp/dt)max有所上升，當(dāng)填充長度為20 cm 時，1 號壓力傳感器處的(dp/dt)max提高7.69%，2 號壓力傳感器處提高36.84%。重復(fù)實(shí)驗(yàn)均顯示(dp/dt)max提高，這是由于當(dāng)球形材料的填充長度較低時，火焰在穿越過程中的湍流度增大，燃燒傳質(zhì)傳熱進(jìn)程加快，燃燒強(qiáng)度增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)一步加快[8]。隨著填充長度的增加，火焰被分離成多個離散的湍流火焰，最大爆炸壓力上升速率逐漸降低，填充長度為40 cm 時，相較于無抑爆材料，1 號壓力傳感器處的(dp/dt)max降低33.85%。

圖7 不同填充長度條件下最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率曲線Fig. 7 Maximum explosion pressure and maximum pressure rise rate for different filling lengths

2.3 組合球形材料對爆炸壓力的影響

不同長度的組合球形材料對爆炸壓力的影響曲線如圖8 所示。從圖8 可以看出：與無抑爆材料相比，填充組合球形材料后pmax明顯降低，說明組合球形材料對管道內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸有較好的抑制效果。當(dāng)填充長度分別為20、30、40 cm 時，1 號壓力傳感器測得的pmax分別為160、155、120 kPa，與無抑爆材料相比，分別衰減了34.69%、36.73%、51.02%，相較于單一球形非金屬材料，抑爆性能分別提升了112.43%、49.98%、78.58%；2 號壓力傳感器測得的pmax為135、135、110 kPa，與無抑爆材料相比，分別衰減了32.50%、32.50%、45.00%?？梢钥吹?，當(dāng)填充長度為20 和30 cm 時，抑爆性能差別不大，這是多孔材料冷卻抑制與障礙物加壓共同作用的結(jié)果： 當(dāng)火焰經(jīng)過球形多孔抑爆材料時，材料會吸收熱量從而對爆炸產(chǎn)生抑制效果，材料的填充長度越長，抑制效果越好；球形材料在管道中相當(dāng)于障礙物，火焰經(jīng)過障礙物時層流會轉(zhuǎn)變成湍流，增加障礙物數(shù)量能夠明顯增大火焰?zhèn)鞑ミ^程中的湍流強(qiáng)度，導(dǎo)致壓力上升[3]。當(dāng)填充長度較低時，材料冷卻抑制效果與障礙物加壓效果相互抵消，最終導(dǎo)致抑制作用較接近。

圖8 不同填充長度的組合球形材料對預(yù)混氣體爆炸壓力的影響Fig. 8 Effect of combined spherical material with different filling lengths on explosion pressure of premixed gas

從圖9 中可以看出，(dp/dt)max也得到了較大程度的抑制，與無抑爆材料相比，填充長度為20、30、40 cm 時，1 號壓力傳感器處的(dp/dt)max分別衰減34.62%、46.15%、53.85%，2 號壓力傳感器處的(dp/dt)max最高衰減了47.37%，抑制效果明顯。與單一球形材料相比，組合球形材料的抑爆性能得到大幅增強(qiáng)。這是由于爆炸穿越填充材料時，被球形材料多孔結(jié)構(gòu)離散后的湍流火焰和沖擊波能量與球形多孔材料中的聚氨酯材料接觸，聚氨酯材料粗糙的壁面消耗了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中的自由基，阻礙燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，并使部分火焰熱量轉(zhuǎn)移到聚氨酯材料中，在火焰與聚氨酯材料發(fā)生碰撞的過程中，聚氨酯材料與沖擊波產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致部分沖擊波能量轉(zhuǎn)化為熱量并消散掉[14]。

圖9 不同填充長度條件下最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率曲線Fig. 9 Maximum explosion pressure and maximum pressure rise rate for different filling lengths

3 結(jié) 論

基于自主搭建的氣體爆炸管道平臺，研究了不同摻氫比條件下甲烷摻氫的爆炸特性以及不同類型球形抑爆材料的抑爆性能，得到以下結(jié)論。

(1) 氫氣對甲烷-空氣爆炸具有一定的促進(jìn)作用。在低摻氫比下，隨著可燃?xì)怏w中氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俾始涌?，最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率升高?/p>

(2) 單一球形多孔非金屬材料對可燃?xì)怏w爆炸具有兩方面作用：一方面為抑制作用，體現(xiàn)在填充材料后，球形材料會吸收能量，導(dǎo)致最大爆炸壓力降低，并且填充長度越長，抑制效果越好；另一方面為促進(jìn)作用，體現(xiàn)在填充長度較低時，會導(dǎo)致燃燒傳質(zhì)傳熱進(jìn)程加快，火焰?zhèn)鞑ゼ铀?，?dǎo)致最大爆炸壓力上升速率上升。

(3) 組合球形多孔非金屬材料與單一球形多孔非金屬材料相比，抑爆性能大幅提升，降壓效果明顯，當(dāng)填充長度為40 cm 時，最大爆炸壓力衰減51.02%。球形材料抑爆性能受填充長度影響，在冷卻抑制與障礙物增壓的共同作用下，填充20 和30 cm 的組合球形多孔非金屬材料的抑爆效果相差不大。