張蓓蓓, 程揚帆,, 夏 煜, 錢家祺, 韋 簫

(1.安徽理工大學 土木建筑學院,安徽 淮南 232001; 2. 安徽理工大學 化學工程學院,安徽 淮南 232001)

甲烷(CH4)是結(jié)構(gòu)最簡單的烷烴,在自然界中分布廣泛,是天然氣、坑氣和沼氣的主要成分。甲烷具有獨特的物理和化學性質(zhì),可廣泛用于燃料是化工、醫(yī)療合成的生產(chǎn)原料。然而,甲烷的燃燒速度較慢,并且甲烷燃燒時會產(chǎn)生大量的氮氧化物,對大氣造成嚴重污染[1]。因此,許多學者為提高燃料的利用效率,提高其應用能力,嘗試將氫氣與甲烷混合使用,并為此做了大量的試驗研究。Di Sarli等[2]開發(fā)了大渦模型來模擬富氫/甲烷/空氣預混火焰的非定常燃燒,模擬結(jié)果表明,非等擴散效應對非定?；鹧?zhèn)鞑サ淖饔每珊雎圆挥?其主要是由氫富集引起的火焰反應活性增加所決定。Shen等[3]研究了20 L球形容器中氫氣/甲烷/空氣混合物的爆炸參數(shù),結(jié)果表明,隨著氫氣的添加,混合物中甲烷的可燃性下限和可燃性上限均顯著下降,層流火焰速度的變化規(guī)律與最大壓力上升速率相似,且主要由二元燃料混合物的總當量比控制。Fairweather等[4]研究了氫氣/甲烷/空氣混合物在湍流環(huán)境中的燃燒特性,發(fā)現(xiàn)氫的添加通常會導致湍流和層流燃燒速度增加,并降低馬克斯坦長度。Yu等[5]研究了氫氣和甲烷混合物在矩形管道中的傳播行為,研究發(fā)現(xiàn),當氫氣體積分數(shù)小于50%時,添加氫氣可明顯提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?但當氫氣體積分數(shù)超過50%時,對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戄^弱。Cao等[6]研究了點火位置對氫氣/空氣爆炸泄放的影響,結(jié)果表明,外部的爆炸促進了內(nèi)部壓力的增長,中部點火時內(nèi)部壓力產(chǎn)生的峰值壓力最大,前部點火產(chǎn)生的峰值壓力最小,后部點火壓力峰值介于兩者之間。Hu等[7]研究了氫氣/甲烷/空氣的層流火焰燃燒特性,結(jié)果表明,馬克斯坦長度隨當量比的增加而增大、隨氫分數(shù)的增加而減小,并且預混火焰反應區(qū)的燃燒速度與H、OH的自由基濃度有很強的相關性。

然而,混合氣體燃料具有反應性高、燃燒溫度高等特點[8],這使得混合燃料比單一燃料更加危險?；旌蠚怏w燃料在儲運及使用過程當中可能會發(fā)生泄漏,在開敞空間與空氣形成爆炸云團,因此,研究弱約束條件下可燃氣體的燃爆特性對預防氣體泄漏發(fā)生的爆炸事故具有重要作用。專家學者們在以前的研究中通常采用聚乙烯膜、氣泡和乳膠氣球作為反應容器測試可燃氣體的爆炸風險性,如:Zhou等[9]在1 m3和27 m3的立方體聚乙烯膜中對貧燃料和富燃料的氫氣進行燃爆特性測試,可以很直觀地觀測到氣體火焰的傳播過程。Kim等[10]在肥皂泡中研究了可燃氣體/空氣混合物的燃爆特性,可以很明顯地觀測到火焰的胞格結(jié)構(gòu),并詳細分析了火焰?zhèn)鞑ミ^程。Li等[11]選用不同尺寸的透明乳膠氣球作為反應容器研究甲烷/空氣的燃爆特性,相比較聚乙烯膜和肥皂泡,乳膠氣球更加穩(wěn)定。

本文采用自制的可視化氣體爆炸試驗設備,以乳膠氣球為反應容器模擬弱約束空間,研究弱約束條件下氫氣/甲烷/空氣預混氣體的爆炸火焰溫度場、爆炸壓力以及火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊忍卣鲄?shù);結(jié)合試驗測試和Chemkin軟件模擬結(jié)果,詳細分析了氫氣濃度對甲烷/空氣爆炸特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為弱約束空間內(nèi)氫氣/甲烷/空氣預混氣體的意外爆炸防控提供基礎數(shù)據(jù),也可為其他可燃氣體爆炸特性的研究提供試驗方法。

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗材料及裝置

氫氣/甲烷/空氣預混氣體燃爆測試系統(tǒng)如圖1所示,主要包括自制可視化等壓測試裝置、高速相機、示波器、PCB壓力傳感器和混氣罐,甲烷(純度:≥99.9%)、氫氣(純度:≥99.9%)和空氣(體積分數(shù):21%O2+79%N2)均由合肥恒隆電氣有限公司提供。首先,使用真空泵將混氣罐抽至真空,然后按照道爾頓分壓法先后通入甲烷、氫氣和空氣,靜置5 min以確保氣體充分混合,隨后通過氣體體積流量計通入乳膠氣球中直至氣球半徑大約為17 cm。在氣球中靜置6 min確保預混氣體分布均勻,再進行點火,點火電極兩端放電距離為2 mm,放電電壓為15 kV,采用高速相機(MEMRECAM HX-3)記錄預混氣體燃爆火焰?zhèn)鞑ミ^程,拍攝幀率為5 000 fps,采用2個PCB壓力傳感器(型號為106B52)記錄預混氣體燃爆壓力,放置在與電極同一高度,并分別距離點火電極1 m和3 m,并通過示波器(HDO4034)進行采集。試驗初始溫度為298 K,初始壓力為101.325 kPa。

圖1 氫氣/甲烷/空氣預混氣體燃爆測試系統(tǒng)Fig.1 Hydrogen/methane/air premixed gas explosion test system

氫氣/甲烷/空氣預混氣體燃爆反應方程式如式(1)所示,其中,可燃氣體的當量比控制為1,當改變氫氣/甲烷/空氣混合物中氫氣的百分比時,調(diào)整空氣濃度以保持當量比恒定。氫氣體積分數(shù)由式(2)計算

(2)

式中:X為氫氣/甲烷/空氣混合氣體中氫氣的體積分數(shù);VH2和VCH4分別為氫氣和甲烷的體積。試驗工況如表1所示,每組工況進行3次試驗,降低試驗誤差及偶然性。

表1 氫氣/甲烷/空氣預混氣體試驗工況Tab.1 Test condition of hydrogen/methane/air premixed gas

1.2 比色測溫原理及標定

圖2中紅色、綠色和藍色分別用R、G和B符號表示,由于每個像素點的絕對R/G/B值無法計算,因此借助兩種顏色對應像素的比值得到每個像素的溫度[12],其中每個像素的平均R/G比由周圍的3×3矩陣計算得出[13]。比色測溫方法由鎢鹵燈(Newport, QTH 50 W)從1 600 K到3 000 K校準,擬合曲線如圖3(a)所示,并編寫Python代碼來計算每個1 080×1 080像素的圖片。Python代碼主要做了3個工作:首先,對灰色圖像進行插值運算,重構(gòu)出彩色圖像;然后根據(jù)相關R、G像素值計算各像素點的R/G值,得到溫度與R/G值的關系;最后,利用代碼的繪圖功能對溫度場云圖分布進行顯示。

圖2 GRBG模式的拜耳濾波器Fig.2 The Bayer filter of GRBG pattern.

圖3 高溫鎢絲燈標定試驗Fig.3 Calibration experiment of high temperature tungsten filament lamp

利用比色測溫方法測量預混氣體的爆炸溫度場,需要先對溫度進行標定和校準(如圖3(b)所示)。鎢絲的溫度會隨加載電壓的變化而規(guī)律性改變,試驗選用鎢絲燈進行溫度標定(鎢是世界上熔點最高的金屬,其熔點高達3 695 K)[14],為避免可見光對結(jié)果的影響,標定試驗在黑暗環(huán)境中進行。溫度標定的具體步驟如下:使用高速相機拍攝鎢絲燈的發(fā)光照片,標定出R/G比值隨溫度的變化規(guī)律,接著采用曲線擬合方法對溫度數(shù)值的變化規(guī)律進行擬合計算,如圖3(a)所示,得到修正系數(shù)與溫度的擬合曲線關系。

2 弱約束條件下氫氣添加量的影響

2.1 氫氣添加量對火焰溫度的影響

溫度是評估爆炸輸出特性的關鍵參數(shù),能夠反應可燃氣體的熱毀傷性能和能量釋放規(guī)律[15]。本研究通過高速攝像捕捉火焰?zhèn)鞑D像,并結(jié)合比色測溫法對混合氣體進行溫度測量,根據(jù)課題組前期的研究工作,與固體物質(zhì)燃燒不同的是,甲烷和氫氣等可燃氣體燃燒過程一般不伴隨有黑體物質(zhì)產(chǎn)生,故選用鎢粉作為輔助灰體介質(zhì)(每次試驗的鎢粉質(zhì)量為0.2 g,粉塵濃度58.8 g/m3,D50≈4 μm),測量了不同氫氣添加量下氫氣/甲烷/空氣混合氣體燃燒火焰動態(tài)溫度場分布,并與模擬結(jié)果進行比較。

不同氫氣添加量下氫氣/甲烷/空氣混合氣體燃爆火焰動態(tài)溫度圖,如圖4所示。可以看出:在點火初期,受電極點火影響,火焰中心溫度較高;氫氣的燃燒熱值為282 kJ/mol,甲烷的燃燒熱值較高(889.5 kJ/mol),從而主導混合氣體的燃燒,導致溫度的不均勻分布,且高溫區(qū)域集中在火焰中心位置。在氣球破裂前的最后階段,內(nèi)部高溫區(qū)位置上升,這可能是由于氫氣相對于空氣的密度較低,產(chǎn)生了水蒸氣。當X>70%時,由于氫氣的熱擴散系數(shù)遠高于甲烷(氫氣:0.128 9 W/(m·K),甲烷:0.030 0 W/(m·K)),在火焰膨脹過程中,氫氣多集中于外部,并且氫氣的含量顯著高于甲烷,反應生成的大量水吸收熱量轉(zhuǎn)換成水蒸氣,導致火焰內(nèi)部的溫度降低,形成了中心溫度低、邊緣溫度高的溫度場結(jié)構(gòu)。隨著氫氣濃度增加,燃燒越激烈,火焰外部的溫度就越高。

圖4 不同氫氣添加量下氫氣/甲烷/空氣混合氣體爆燃動態(tài)溫度Fig.4 Dynamic temperature diagrams of hydrogen/methane/airdeflagration under different hydrogen addition

2.2 氫氣添加量對爆炸壓力的影響

爆炸壓力是衡量可燃氣體爆炸毀傷效應的重要指標,能夠有效設計建筑物結(jié)構(gòu)及安全距離[16]。圖5是不同氫氣添加量下甲烷/氫氣/空氣混合氣體的峰值超壓和最大壓力上升速率柱狀圖,與純甲烷/空氣混合氣體相比[17],氫氣/甲烷/空氣混合物具有更高的爆炸壓力。不同氫氣添加量下混合氣體的峰值超壓值分別為0.424、0.623、0.738、0.765、0.86 kPa,可以看出X=100%時的峰值超壓最高,X=30%時最低,并且混合氣體的氫含量越高,其峰值超壓越大,這是由于氫氣在空氣中的熱擴散率、高反應性和火焰不穩(wěn)定性的影響,最大壓力上升速率也表現(xiàn)出相似的規(guī)律[18]。但通過計算發(fā)現(xiàn)在X<50%時,混合燃料中氫氣含量增加對最大壓力上升速率的影響非常顯著,提高了11%,此時添加氫氣會極大增加混合氣體的爆炸威力;當X提高時,氫氣在燃料中的作用較小,最大壓力上升速率分別增長了7%(X=70%)、5.7%(X=90%)和2.5%(X=100%),因此可以認為最大壓力上升速率的敏感性隨著X的增加而降低。

圖5 峰值超壓和最大壓力上升速率參數(shù)Fig.5 Peak overpressure and maximum pressure rise rate parameters

為了深入了解自由基相互作用在觀察到的現(xiàn)象中的作用,利用Chemkin軟件對爆炸壓力做敏感性分析(模擬方法:單一反應器模型;反應器模型:等壓反應模型;反應機理:GRI-Mech 3.0)[19-20],如圖6所示。不同氫氣添加量下混合氣體的關鍵基元大致相同,氫氣/甲烷/空氣爆炸鏈式反應中關鍵基元反應如表2所示。可以發(fā)現(xiàn),隨著氫氣的增加,氧氣和甲烷的體積分數(shù)減小,氧氣、甲烷作為R170、R119和R158中主要的反應物質(zhì),其體積分數(shù)減小導致R170、R119和R158在爆炸反應中的重要程度降低。R11、R52、R53和R98的敏感性系數(shù)為負值,并且隨著X的增大,敏感性系數(shù)的絕對值增大,對爆炸壓力的抑制作用增大,其主要是通過H、OH和O自由基攻擊甲烷分子形成CH3基團,進而引發(fā)鏈反應。添加氫氣后,R3反應中H自由基濃度增大,促進R3反應正向進行,增大了O自由基的消耗速率和H、OH自由基的生成速率,同時也增加了R84和R3中的H、OH自由基的反應速率,從而促進了R38反應正向進行,因此R3、R38和R84對爆炸反應有促進作用[21]。雖然甲烷和氫氣都是與活性自由基反應,但甲烷分子與自由基結(jié)合的基元反應敏感性系數(shù)為負,與氫氣相反,此時甲烷和氫氣存在競爭關系,說明甲烷的存在一定程度上抑制了氫氣的燃燒,間接抑制了爆炸壓力的升高。

表2 氫氣/甲烷/空氣爆炸鏈式反應中關鍵基元反應

圖6 不同氫氣添加量下爆炸壓力的敏感性系數(shù)Fig.6 Sensitivity coefficient of explosion pressure at different amounts of hydrogen added

2.3 氫氣添加量對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

圖7列出了不同氫氣添加量下混合氣體的火焰半徑和傳播速度隨時間的變化情況,氫氣含量越少,火焰?zhèn)鞑ニ俣仍降?。整體上看火焰?zhèn)鞑ニ俣仁遣粩嗾袷幍?分析認為:當半徑較小時,火焰表面的強拉伸作用抑制了火焰湍流化發(fā)展,火焰穩(wěn)定傳播;隨著半徑的增大,拉伸率減小,湍流增強了火焰的不穩(wěn)定性,火焰鋒的表面積增加,并且湍流加速了燃燒區(qū)和未燃燒區(qū)之間的物質(zhì)輸送,火焰速度增加[22]。此外,觀察到在火焰?zhèn)鞑ズ笃谡穹龃?說明火焰不穩(wěn)定性會隨著火焰半徑的增加而增加。

3 結(jié) 論

文章利用乳膠氣球為反應容器,通過向甲烷/空氣混合物中添加氫氣的一系列試驗,并結(jié)合比色測溫技術和Chemkin敏感性分析,研究了不同氫氣添加量下氫氣/甲烷/空氣預混氣體的火焰溫度場分布、爆炸壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊忍卣鲄?shù),分析氫氣對甲烷爆炸特性的影響規(guī)律,得到的相關結(jié)論如下:

(1)添加氫氣量不同導致的火焰的溫度分布狀態(tài)不同,當X≤70%時,甲烷主導混合氣體的燃燒,形成了火焰內(nèi)部溫度高于鋒面溫度的火焰結(jié)構(gòu),并且受水蒸氣的影響,內(nèi)部高溫區(qū)位置上升;當X≥90%時,氫氣主導混合氣體的燃燒,形成了內(nèi)部溫度低、邊緣溫度高的溫度場結(jié)構(gòu),隨著氫氣濃度增加,火焰邊緣的溫度就越高。在低氫氣含量下(X≤70%)和高氫氣含量下(X≥90%),H、O和OH自由基的生成速率較快;當70%

(2)與甲烷相比,甲烷/氫氣/空氣混合物具有更高的爆炸壓力,隨著氫含量的增加,峰值超壓和最大壓力上升速率均逐漸增大,當X=100%時取得最大值,當X=0時獲得最小值。當X<50%時,氫氣含量增加導致最大壓力上升速率提高了11%,并且最大壓力上升速率的敏感性隨著X的增加而降低,分別增長了7%(X=70%)、5.7%(X=90%)和2.5%(X=100%)。

(3)通過對爆炸壓力敏感性分析發(fā)現(xiàn),R11、R52、R53和R98的敏感性系數(shù)隨著X的增大而增大,對壓力升高的抑制作用增大,R3、R38和R84對爆炸反應有促進作用?；旌衔镏屑淄楹蜌錃舛际桥c活性自由基反應,但實際的作用結(jié)果卻完全相反,說明甲烷的存在一定程度上抑制了氫氣的燃燒。