章文義 李玉艷 潘 峰 鄭俊杰

①江蘇警官學院警務指揮與戰(zhàn)術系(江蘇南京，210031)

②南京理工大學化工學院(江蘇南京，210094)

③國家民用爆破器材質量監(jiān)督檢驗中心(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、航天領域應用廣泛[1-2]。但由于泄漏導致的火災和爆炸事故層出不窮，尤其在受限空間內沿管道發(fā)生爆燃以后會發(fā)生回火，造成更嚴重的后果[3-4]。

對于丙烷燃燒及其爆炸特性的數(shù)值模擬和實驗研究已被大量報道[5-7]。葛俊峰[8]、周寧[9]等分別研究了點火能及不同管道開口率對丙烷-空氣的爆炸過程的影響，研究表明，初始點火能對預混氣體爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律以及管壁的動態(tài)響應有顯著影響，點火能越大，爆炸越劇烈，爆炸峰值壓力和管壁最大應變就越大，且壓力波和管壁應變的發(fā)展一致；隨著管道開口率的增加，管道內最大爆炸超壓迅速降低；開口情況下，最大爆炸超壓出現(xiàn)在點火端附近，靠近開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)律進行了研究；陳銳等[11]對丙烷的自燃特性及爆震機理進行了實驗研究；何學超等[12]考察了彎曲管道對丙烷-空氣火焰?zhèn)鞑サ挠绊憽?/p>

最小點火能(minimum ignition energy，MIE)可用來衡量可燃氣體與空氣混合物發(fā)生燃燒爆炸的危險性，根據最小點火能的作用，可對可燃氣體與空氣混合物生產、儲運和使用過程的危險性進行安全考核及評估[13-14]。Eckhoff等[15]建立了用于測定氣體和蒸汽最小點火能的標準火花發(fā)生器，對正常大氣條件下丙烷-空氣的最小點火能進行了測量，并采用了Moorhouse等學者在1974年提出的可能最高的邊界線程序計算，得到了最小點火能為0.48 mJ。Ebina等[16]通過細鎳鉻絲熔化釋放的能量來測量分散水霧對丙烷-空氣混合物最小點火能的影響，得出當水霧質量分數(shù)Y0為0.17時，相對于Y0＝0時水霧的最小VERR(體積能量釋放速率)增加了50%；當Y0＞0.20時，點火概率為0。

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

為了給丙烷-氧氣預混合體的安全應用提供參考，本文中，采用有機玻璃管、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)鞑サ膭恿W行為，以及惰性氣體對其火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響規(guī)律；同時測定了丙烷-氧氣的最小點火能，研究了初始壓力及電極間距對丙烷-氧氣最小點火能的影響規(guī)律。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 火焰?zhèn)鞑パb置

該實驗系統(tǒng)包括燃燒管、高速攝像機、配氣系統(tǒng)、點火系統(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玻璃管，長度為1 400 mm，內徑50 mm，管壁厚5 mm。為了便于高速攝像機拍攝管道內火焰的傳播特性，有機玻璃管后面設置黑色背景。在距離有機玻璃管下端20 mm處設置兩個銅棒，將長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，點火前瞬間將玻璃管上端密封蓋打開。

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

實驗中，高速攝影系統(tǒng)所釆用的攝像機為日本Photron公司生產的Fastcam系列產品。拍攝速度達20 000 Hz，曝光時間為 100 ns，像素為 640 ×1 024。整個攝像機由高速處理器、攝像頭以及顯示器等組成。本實驗中，攝像機的拍攝速度設置為4 000 Hz。

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

1.2 最小點火能

最小點火能測試裝置由有機玻璃燃燒管、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，點火時燃燒管兩端均處于密封狀態(tài)，測試裝置如圖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)，電壓調整率小于0.1%。高壓電源輸出電壓可通過面板旋鈕連續(xù)調節(jié)。系統(tǒng)可以根據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復合信號示波器?？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 最小點火能裝置測試示意圖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、電流的瞬時值，對電壓和電流進行時問積分，來計算電火花的能量[17]：式中：E為點火能量，J；Vt為瞬時電壓，V；It為瞬時電流，A；t1、t2分別為電極放電初、末時間，s。 結果由示波器記錄。典型的電流、電壓與時間的關系曲線如圖3所示。當電容電火花能量E小于100 mJ時，電火花的能量為

式中：C為電容量，F(xiàn)；U為電路放電時電壓，V。

圖3 實測電流、電壓與時間的關系Fig.3 U-t and I-t curves

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

1.3 實驗材料

丙烷，純度99.99%；氧氣，純度99.99%；氮氣，純度99.95%；氬氣，純度99.99%；二氧化碳，純度99.95%。

2 結果及討論

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嵨飯D。預混氣體的壓力為100 kPa，出現(xiàn)可見火焰記為0時刻。從圖4中可以看出，1.0 ms時火焰陣面中間出現(xiàn)凹陷，火焰充滿已燃區(qū)域，呈亮白色，點火點附近呈藍色；隨著反應的進行，火焰亮度增強，火焰前端截面逐漸轉變?yōu)橐?guī)則的平滑弧面；約3.0 ms時，火焰鋒面到達有機玻璃管末端，火焰亮度進一步增加，并向有機玻璃管周圍擴展，火焰充滿已燃區(qū)域。隨后，火焰截面沖出管道，有機玻璃管出口處呈現(xiàn)火球狀結構。

2.2 惰性氣體對火焰加速進程的影響

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

圖5 火焰前端位移隨時間的變化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)鞑サ膶嵨飯D(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時間的變化Fig.6 Propagation speed of flame leading tip section with time

圖6為預混氣體前端傳播速度隨時間的變化曲線。由圖6可知，點火后，丙烷-氧氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆僭黾樱?.5 ms時，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，此過程為爆燃轉爆轟過程；3.0 ms時，火焰速度已達到1 400 m/s。但添加惰性氣體后，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@降低；點火后，3種添加惰性氣體的混合物點火后均經歷一段相對穩(wěn)定燃燒階段，在0～4.0 ms的時間段內，3種預混氣體的火焰?zhèn)鞑ニ俣忍幱诰徛黾訝顟B(tài)。從點火到傳播至管頂處，最大速度分別為1 140 m/s(Ar)、640 m/s(N2)和644 m/s(CO2)，3 種預混氣體均未發(fā)生爆轟。與N2和Ar相比，CO2的稀釋對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，反應過程中產生的能夠維持火焰?zhèn)鞑サ臒崃恳矞p小，反應區(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，進一步降低了丙烷-氧氣的反應速率。為了估計CO2分解對正常燃燒速度的影響，研究者們引入了一種添加劑，一種在化學上不活躍但具有CO2的熱傳導特性的物質，這種物質不發(fā)生反應，在整個燃燒過程中它的濃度保持不變[19-20]。在模擬中，用這種新組分計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系，當添加量增加時，CO2的離解作用被減弱。同時，CO2通過熱輻射將熱量向周圍散發(fā)，也降低了反應區(qū)的反應速率，使火焰燃燒速率進一步降低。

2.3 最小點火能

2.3.1 電壓對最小點火能的影響

圖7為電極兩端實測的放電電壓曲線，充電電容為100 pF。電容在放電時會有部分冗余，放電不完全。表1總結了電壓在2～12 kV范圍內實測電壓與設定電壓的關系，由表1可知：實測電壓比設定電壓略大，但由于電容放電不完全，導致放電電壓與設定電壓誤差在4.0%以下，設定電壓12 kV時，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，應選擇12 kV以下；其次是8 kV時誤差為0.5%，比較合理；設定電壓在2～6kV范圍內，誤差在3.3% ～4.0%之間；同時，設定電壓小于6 kV時，由于電極材料及尺寸的關系，兩電極之間不容易擊穿空氣，產生火花。綜合以上因素，將電壓設定為8 kV。

2.3.2 初始壓力對最小點火能的影響

圖7 實測電極兩端電壓與時間的關系Fig.7 Ignition voltage-time curves

表1 設定電壓與實測電壓匯總Tab.1 Summary of set voltage and measured voltage

圖8為不同初始壓力下丙烷-氧氣的最小點火能E。總體來說，初始壓力越小，測得的最小點火能越大，與文獻報道的規(guī)律相符[21]；初始壓力為30 kPa時，2.00 mJ＜E＜3.00 mJ；初始壓力為50 kPa時，0.64 mJ＜E＜0.96 mJ；初始壓力為100 kPa時，預混氣體的最小點火能明顯降低，0.16 mJ＜E＜0.32 mJ。對于碳氫燃料而言，最小點火能均在富燃料比組分條件下獲得，這是因為點火時火花處的燃料被瞬間耗盡，而周圍的燃料由于相對緩慢的擴散速度無法及時擴散至點火核心處，因此，為了保證點火初期點火核心的增長，就必須提供所需的燃料分子，增加單位體積內燃料的密度；同時，壓力越小，單位體積內發(fā)生碰撞的分子數(shù)量越少，通過電極散失的能量增加，用于點燃燃料的能量降低，點燃燃料就需要更高的點火能量[22]。

圖8 不同初始壓力下丙烷-氧氣的最小點火能Fig.8 The minimum ignition energy of the mixed gas at various initial pressure

2.3.3 電極間距對最小點火能的影響

通過實驗，得到電極間距和當量比對儲存最小點火能E的影響，分別如圖9所示。從圖9可以看出，存在一個最佳的電極間距(2 mm)，使得點火能量達到最小。當電極間距為2 mm時，0.16 mJ＜E＜0.32 mJ。由于電極材料均為金屬，是熱和電的良導體，電極間距較小時，電極的失熱作用占據主導，電極核心區(qū)氣體被點燃后，反應放出的熱量由電極散失，當散熱速率大于放熱速率時，反應無法自行傳遞下去，從而使反應終止，火焰難以蔓延。同時，當間距較小時，電極間的氣體受熱急劇膨脹，產生沖擊波，一部分能量以沖擊波的形式散失，導致點燃氣體所需能量增加；相反，當電極間距偏大時，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，點燃混合氣體時需要更大能量，造成測試數(shù)據偏大[23-24]。

圖9 最小點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 結論

1)采用有機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?，預混氣體被點燃后，經過2.5 ms的緩慢加速階段，進入爆燃轉爆轟階段，到達管道頂端的最大速度為1 400 m/s；N2、Ar和CO23種惰性氣體均會減緩預混氣體火焰加速進程，但CO2效果最為顯著，其次是N2和 Ar。

2)實驗中設定電壓為8 kV，測得最小點火能試驗系統(tǒng)的敏感間距為2 mm；最小點火能隨著氣體初始壓力的增大而減小，初始壓力為30、50 kPa和100 kPa時，最小點火能的范圍分別為：2.00 mJ＜E＜3.00 mJ，0.64mJ＜E＜0.96 mJ和0.16mJ＜E＜0.32 mJ。