0 引言
爆炸特性参数如峰值爆炸压力、最大压力上升率、爆燃指数和爆炸时间可用于评估易燃混合物的爆炸特性,为了解爆炸过程、评估燃烧装置的安全性和设计防爆装置提供重要信息[6]。这些参数对初始条件很敏感,如压力、温度、当量比和混合物的组成等[7]。目前,国内外学者对富氢碳氢混合物的爆炸特性进行了广泛研究。OPPONG等[8]研究了氢气（0% ~ 12%）的添加对乙酸乙酯爆炸特性的影响,结果表明较高的氢气含量可以促进燃烧,加剧爆炸的危险性。根据ZHANG等[9]对氢气和正己烷爆炸特性的研究,发现贫燃时爆炸压力和最大压力上升率均随氢气含量（0% ~ 80%）的增加而增加,而在富燃时则相反。LIU等[10]考察了氢气含量（0%、20%和40%）对丙烷爆炸特性的影响,指出氢气含量的增加提高了峰值爆炸压力和最大压力上升率,缩短了爆炸时间。WANG等[11]利用20 L封闭容器对氢气（0% ~ 100%）和甲烷的爆炸特性进行研究,发现与贫燃相比,富燃中H2比例对H2/CH4混合物热扩散的增强效应更为显著。WANG等[12]还评估了氢气对石油气爆炸特性的影响,氢气含量为0% ~ 50%。MA等[13]研究了H2/CH4的爆炸特性,发现在氢气含量低时,氢含量的增加对最大压力上升率影响非常小,而氢气含量超过50%后,最大压力上升率则呈指数增长。SUN[14]在湍流状态下研究了H2/CH4的爆炸特性,指出与层流相比,在湍流环境下H2/CH4的爆炸危险性更高。
虽然众多国内外学者已对氢气和碳氢燃料的爆炸特性进行了广泛研究,但是对氢气-乙醇预混燃气的爆炸特性少有涉及,对于其爆炸特性参数如峰值爆炸压力、最大压力上升率、爆炸时间等数据比较缺乏。本文利用定容燃烧弹研究乙醇-氢气-空气预混气的爆炸特性,获得爆炸特性参数的演变规律,以期为氢气-乙醇混合物存储和燃烧装置的设计提供参考依据。
1 实验装置与数据处理
1.1 实验装置
研究所用实验装置如图1 所示。实验设备主要包括一个定容燃烧弹（constant volume combustion chamber, CVCC）,由优质40Cr钢制成,最大可承受10 MPa的压力。定容燃烧弹内部形状为球形,容积1.94 L,内置两个用于点火的铂丝电极（直径为0.4 mm）,实验最小点火能量为15 mJ。弹体加热由弹体两侧6个加热电阻件完成,用K型热电偶（上海驰控自动化仪表有限公司,WRNK-231）记录弹体内温度。利用压力传感器（瑞士,奇石乐,6115A）测量爆炸压力,传感器精度可达0.000 1 MPa,初始压力采用高灵敏度压力计（瑞士,凯乐,LEX1）测量,两种仪器的采样频率为625 kHz。为确保试验数据的准确性,每组实验重复进行三次,并取平均值。本实验选择在初始温度T0为450 K,初始压力P0分别为0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa,当量比ϕ为0.7 ~ 1.4的工况下进行。
Fig. 1 Schematic of the experiment set-up图1 实验装置示意图 |
将定容燃烧弹加热至T0为450 K并保温。接着打开进气阀,用真空泵清除弹体内残余的杂质与废气,关闭进气阀,继续让真空泵工作,尽可能使燃烧弹内压力接近真空。使用微型注射器注入相应体积的乙醇,静置5 min使乙醇完全气化。之后,通入氢气-空气混合气至实验所需的压力。最后,让混合气充分混合3 min,同步触发点火和压力传感器,得到爆炸压力数据。
1.2 数据处理
表征气体爆炸特性的参数主要有峰值爆炸压力Pmax、最大压力上升率 (dp/dt)max、爆燃指数KG和爆炸时间tc。这些参数可以为氢气-乙醇的运输、储藏和使用提供重要的参考依据[9]。爆炸特性参数的处理方式如图2 所示。由于压力传感器在采集数据的过程中受到通道效应影响,实际得到的压力曲线会存在小幅度高频振荡,无法直观地反映压力的变化趋势。故采用Matlab软件中的高斯滤波器对压力曲线和压力上升率曲线进行处理,进而得到爆炸特性的主要参数。图2 中,选取T0 = 450 K、P0 = 0.1 MPa、XH2 = 20%和ϕ = 1.0时,得到原始和处理后的爆炸压力曲线和压力上升率曲线。可以看到爆炸压力不断增加,达到峰值Pmax后缓慢下降,这是由于火焰前锋面不断接近定容燃烧弹内壁表面,热损失加剧,导致压力下降[11]。压力上升率在达到峰值后受到热损失加剧和爆炸压力下降的影响,爆炸压力上升率dp/dt的大小也开始下降,最终变成负值。
Fig. 2 Acquisition of explosion parameters图2 爆炸参数的采集 |
2 结果与讨论
2.1 爆炸压力和压力上升率
Fig. 3 C2H5OH-H2-air explosion pressure curves for different XH2 at T0 = 450 K, P0 = 0.3 MPa, ϕ = 1.3图3 在T0 = 450 K、P0 = 0.3 MPa、ϕ = 1.3时不同XH2的C2H5OH-H2-空气爆炸压力曲线 |
Fig. 4 C2H5OH-H2-air explosion pressure curves for different P0 at T0 = 450 K, XH2 = 20%, ϕ = 1.3图4 在T0 = 450 K、XH2 = 20%、ϕ = 1.3时不同P0下的C2H5OH-H2-空气爆炸压力曲线 |
Fig. 5 C2H5OH-H2-air explosion pressure rise rate curves for different XH2 at T0 = 450 K, P0 = 0.3 MPa, ϕ = 1.3图5 在T0 = 450 K、P0 = 0.3 MPa、ϕ = 1.3时不同XH2的C2H5OH-H2-空气爆炸压力上升率曲线 |
Fig. 6 C2H5OH-H2-air explosion pressure rise rate curves for different P0 at T0 = 450 K, XH2 = 20%, ϕ = 1.3图6 在T0 = 450 K、XH2 = 20%、ϕ = 1.3时不同P0下的C2H5OH-H2-空气爆炸压力上升率曲线 |
2.2 峰值爆炸压力
峰值爆炸压力Pmax是爆炸达到的最大压力,可用于量化燃烧释放的热能。图7 为T0 = 450 K、XH2为20% ~ 80%和P0 = 0.1 ~ 0.4 MPa时最大爆炸压力与ϕ的关系图。从图中可以看出峰值爆炸压力随着ϕ的增加先增加,在ϕ为1.2 ~ 1.3时达到最大值后开始下降。随着ϕ的增加,燃料的量变多,燃烧反应变得激烈,因此Pmax的值也随之增加。燃料的量过多又会导致CVCC中的氧气含量不足,导致不完全燃烧和放热减少。此外P0对峰值爆炸压力有明显的影响。在相同XH2下,P0越高,峰值爆炸压力也越高。而在相同P0条件下,XH2的改变对峰值爆炸压力影响不大。
Fig. 7 Peak explosion pressure versus ϕ at XH2 = 20%-80% and P0 = 0.1 - 0.4 MPa图7 在XH2 = 20% ~ 80%和P0 = 0.1 ~ 0.4 MPa时峰值爆炸压力与ϕ的关系图 |
Fig. 8 Effect of P0 on peak explosion pressure at ϕ = 0.8, 1.0 and 1.2, T0 = 450 K, XH2 = 20%图8 在 ϕ = 0.8、1.0和1.2,T0 = 450 K,XH2 = 20%时,P0对峰值爆炸压力的影响 |
2.3 燃烧释放的热量
混合物燃烧释放的热量可为乙醇-氢气爆炸强度提供定量分析。理论上,其计算基于下式[11]：
$\begin{align} & Q=m{{c}_{\text{e,v}}}{{T}_{\max ,\text{ad}}} \\ & =\frac{V}{{{\gamma }_{\text{e}}}-1}{{P}_{\max ,\text{ad}}} \end{align}$ (1)
式中：$Q$为定容燃烧弹中燃料放热量;${{c}_{\text{e,v}}}$为热容;${{T}_{\max ,\text{ad}}}$和${{P}_{\max ,\text{ad}}}$分别为最高温度和最大压力;$V$为定容燃烧弹的容积;${{\gamma }_{\text{e}}}$为绝热系数。
Fig. 9 The change of heat release in a fixed volume incendiary bomb with ϕ under different conditions图9 不同条件下定容燃烧弹中放热量随ϕ的变化 |
2.4 最大压力上升率和爆燃指数
最大压力上升率 (dp/dt)max是爆炸压力曲线上升阶段斜率的最大值,可以反映爆炸的强度,为化学品存储装置的设计提供数据参考。但 (dp/dt)max容易受到燃烧弹内部容积和形状的影响。为了消除这种影响,更加直观评估爆炸的危险性,有学者提出爆燃指数KG,KG是最大压力上升率与CVCC容积立方根的乘积[11]。
${{K}_{\text{G}}}={{\left( \frac{\text{d}p}{\text{d}t} \right)}_{\max }}\times {{V}^{\frac{1}{3}}}$ (2)
Fig. 10 The maximum explosion pressure rise rate and KG change with ϕ under different ϕ: (a) XH2 = 20%; (b) XH2 = 50%; (c) XH2 = 80%图10 不同ϕ下最大爆炸压力上升率和KG随ϕ的变化：（a）XH2 = 20%;（b）XH2 = 50%;（c）XH2 = 80% |
Fig. 11 The experimental KG compared with results from the references图11 KG实验结果与文献结果对比 |
Fig. 12 The maximum explosion pressure rise rate and KG increase linearly with ϕ under different ϕ at T0 = 450 K, XH2 = 20%图12 在T0 = 450 K、XH2 = 20%时,不同ϕ下最大爆炸压力上升率和KG随ϕ变化图 |
2.5 爆炸时间
爆炸时间tc是评估爆炸强度和设计燃烧装置的重要参数,被定义为点火开始后达到峰值爆炸压力所经过的时间。图13 显示了T0 = 450 K,P0 = 0.1 MPa,XH2 = 20%、50%和80%时,不同ϕ下tc的值。和其他工况一样,tc随着当量比的增加先减小,在ϕ为1.2 ~ 1.3时达到最小值,然后再增大。这是由于富燃状态下含氧量不足,燃烧不完全,延长了tc。此外XH2的增加可以有效缩短tc,并在富燃阶段造成严重的爆炸危险,这是由于氢气的高扩散性和反应性可以增强富燃反应下的爆炸。
Fig.13 Variation of tc with ϕ for different XH2 at T0 = 450 K, P0 = 0.1 MPa图13 在T0 = 450 K、P0 = 0.1 MPa时,不同XH2下tc随ϕ的变化 |
2.6 动力学分析
敏感性分析可用于评估化学动力学对乙醇-氢气爆炸特性的影响[15]。敏感性分析使用下列公式确定：
${{s}_{i}}=\frac{{{k}_{i}}}{{{s}_{\text{L}}}}\times \frac{\text{d}{{s}_{\text{L}}}}{\text{d}{{k}_{i}}}$ (3)
式中：${{k}_{i}}$为反应速度常数;${{s}_{\text{L}}}$为层流燃烧速度。
Fig. 14 Sensitivity coefficient at different XH2图14 不同XH2下的敏感性系数 |
Fig. 15 Sensitivity coefficient at different P0图15 不同P0下的敏感性系数 |
3 结论
在T0 = 450 K、P0 = 0.1 ~ 0.4 MPa的条件下,研究了XH2 = 20%、50%和80%时,ϕ在0.7 ~ 1.4范围内的乙醇-氢气-空气预混气体的爆炸特性。通过定容燃烧弹获得压力数据,经过处理获得爆炸压力、压力上升率和tc等爆炸参数。比较了不同工况下的爆炸参数,结论如下：
（1）在所有工况中,爆炸压力随着ϕ的增加先增加后减少。最大爆炸压力Pmax均在ϕ为1.2 ~ 1.3的范围内达到。P0对于爆炸压力的影响更大,随着P0升高,爆炸压力会有所增加,而随着XH2增加爆炸压力变化很小,幅度在0.1 MPa以内。
（2）dp/dt曲线表现出和爆炸压力曲线相似的发展趋势,在ϕ = 1.2 ~ 1.3达到峰值。P0和XH2的增加都能够提高dp/dt,但XH2对dp/dt的影响更加显著。峰值爆炸压力和最大压力上升率都与P0呈线性关系。
（3）tc随XH2的增加而减小,表明更高的XH2能够促进燃烧,加剧爆炸的严重性。从敏感性分析来看,反应H + O2 = O + OH (R1) 对预混火焰影响最大。