苗建敏　魯長波　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驗研究*

苗建敏1,2魯長波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定裝置，分別測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)燃燒性能測定裝置測定微乳化柴油在無約束條件下的燃燒特性，并與-10號軍柴進行對比評估。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；相同噴霧條件下，微乳化柴油相比-10號軍柴霧化性能和爆炸猛烈程度均有所下降；無約束條件下微乳化柴油相比-10號軍柴持續(xù)燃燒時間有所減少。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)主要是通過摻入適當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，油中的水會蒸發(fā)從而吸收大量熱量、降低體系溫度，達到中斷燃燒過程的目的。另外，蒸發(fā)形成的水蒸汽會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不到著火、爆炸的條件[3-4]。

通過實驗室霧化及燃爆實驗，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)律及無約束條件下持續(xù)燃燒性能，并與-10號軍柴進行對比評估，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　實驗部分

1.1實驗試樣及儀器

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

按照國家標準相關(guān)檢測方法[5-7]，分別測定微乳化柴油和-10號軍柴的運動黏度(20 ℃)、閃點(閉口)和凝點，測試結(jié)果如表1所示。

實驗儀器：(1)馬爾文Spraytec型激光粒度儀，英國馬爾文公司生產(chǎn)，粒徑測量范圍為0.1～2 000 μm；(2)液體燃料爆炸性能評定裝置，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試結(jié)果

1.2測試方法

1.2.1霧化性能測試

實驗采用馬爾文Spraytec型激光粒度儀測量噴霧粒徑。實驗前開啟主機，預(yù)熱5 min，設(shè)置實驗參數(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%時系統(tǒng)自動觸發(fā)采集數(shù)據(jù)。粒徑測試結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1噴霧粒徑測試結(jié)構(gòu)示意圖

實驗過程中直接測量樣品顆粒的體積，其他數(shù)據(jù)(如粒徑、面積、數(shù)量等)經(jīng)過程序計算得出。實驗主要采用Dv10，Dv50，Dv90，D[3][2]，D[4][3] 5種平均粒徑對比分析微乳化柴油和-10號軍柴的霧化性能。

(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]：表面積動量平均徑，它最能反映真實的霧化品質(zhì)。

(3)D[4][3]：體積或質(zhì)量動量平均徑[8]。

1.2.2約束條件下爆炸特性測試

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

實驗樣品用量為50 mL，點火能量為2 kJ，點火延遲時間為300 ms，進樣倉關(guān)閉時間為300 ms，采集時間為3 000 ms。爆炸倉分別抽真空至90，80，70，60，50 kPa的絕對壓力，樣品倉充壓壓力P1分別為0.343，0.687，1.030，1.373，1.717 MPa，保證燃料點火前爆炸倉內(nèi)壓力配平至標準大氣壓。計算機自動控制點火，通過內(nèi)置壓力傳感器記錄爆炸過程中壓力變化，得到爆炸壓力-時間變化曲線，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。

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

(1)

1.2.3無約束條件下持續(xù)燃燒特性測試

采用液體燃料持續(xù)燃燒性能測定裝置分別測定微乳化柴油和-10號軍柴的持續(xù)燃燒時間。實驗設(shè)定加熱溫度為100 ℃，達到設(shè)定溫度后自動進樣2 mL，恒溫加熱60 s后持續(xù)點火15 s，點火結(jié)束后火源自動移開，觀察樣品是否發(fā)生燃燒。計算機根據(jù)樣品火焰熱輻射強度自動記錄樣品的持續(xù)燃燒時間，以持續(xù)燃燒時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程主要包括形成階段、擴散階段和穩(wěn)定階段[8]。實驗采用馬爾文Spraytec型激光粒度儀分別測定不同噴霧壓力下微乳化柴油和-10號軍柴穩(wěn)定階段的霧化粒徑分布，實驗結(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個霧化平均粒徑參數(shù)不斷減小。噴霧壓力為1.717 MPa時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時分別降低64.0%，40.8%，15.2%，51.3%，33.8%。圖2為激光粒度儀測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，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，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號軍柴。隨著噴霧壓力的增大，微乳化柴油的Dv50相比-10號軍柴分別增加6.5%，5.8%，5.9%，7.3%，9.8%。對比圖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號軍柴的霧化粒徑分布趨勢相似。該條件下，微乳化柴油和-10號軍柴粒徑小于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于-10號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號軍柴噴霧壓力為1.717 MPa時粒徑分布

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定裝置分別測定不同噴霧壓力下微乳化柴油和-10號軍柴的爆炸特性，實驗結(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。噴霧壓力為1.717 MPa時，其最大爆炸壓力相比噴霧壓力為0.343 Mpa時增加0.082 MPa，壓力上升時間減少0.063 s，平均壓力上升速率增加1.82 MPa/s。這是由于當噴霧壓力較小時，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，爆炸過程更加劇烈，導(dǎo)致爆炸壓力上升。

對比表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號軍柴的爆炸性能，根據(jù)爆炸倉內(nèi)置傳感器記錄的爆炸過程壓力變化數(shù)據(jù)，繪制噴霧壓力為1.717 MPa時兩種油樣的爆炸壓力-時間變化曲線，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號軍柴下降0.043 MPa，達到最大爆炸壓力的時刻延后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式反應(yīng)，達到防爆效果[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時的爆炸

2.3無約束條件下持續(xù)燃燒特性分析

采用液體燃料持續(xù)燃燒性能測定裝置分別測定微乳化柴油和-10號軍柴的持續(xù)燃燒時間，實驗結(jié)果見表4。根據(jù)計算機記錄的樣品火焰溫度數(shù)據(jù)，繪制溫度-時間變化曲線，如圖5所示。

表4　兩種油樣持續(xù)燃燒性能測試結(jié)果

由表4可知，微乳化柴油和-10號軍柴在恒溫加熱60 s內(nèi)均未發(fā)生自燃，均需儀器自動點火。微乳化柴油著火起始時間較-10號軍柴延后0.9 s，持續(xù)燃燒時間減少23.7 s，2 500 ℃以上高溫持續(xù)時間減少38.9 s。這是由于微乳化柴油在燃燒過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，同時從油樣表面吸收大量熱量，從而降低火焰溫度，進一步中斷油樣的燃燒過程，減少油樣的持續(xù)燃燒時間[13-14]。

圖5　火焰溫度-燃燒時間變化曲線

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，開始燃燒30 s后均進入充分燃燒階段。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，此階段過程中微乳化柴油火焰明顯呈現(xiàn)縮小趨勢。持續(xù)燃燒160 s后微乳化柴油火焰完全熄滅，-10號軍柴仍保持充分燃燒。

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

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。相同噴霧條件下，微乳化柴油相比-10號軍柴爆炸猛烈程度有所下降，具有一定的防爆效果。

(3)無約束條件下微乳化柴油相比-10號軍柴持續(xù)燃燒時間減少23.7 s，2 500 ℃以上高溫持續(xù)時間減少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)

科技部國際科技合作重大專項資助(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。