2017年第12期：點火位置對氫氣/甲烷/空氣預混氣體爆燃特性的影響

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DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20170369

文章來源：《化工學報》2017年第68卷

第12期：4874-4881

點火位置對氫氣/甲烷/空氣預混氣體爆燃特性的影響

鄭立剛1,3，蘇洋1，李剛1，王亞磊1，

朱小超1，王燕1,3，餘明高2

（1瓦斯地質與瓦斯治理國家重點實驗室培育基地，河南焦作 454003；2重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044；3煤炭安全生產河南省協同創新中心，河南焦作 454003）

摘

要

為研究不同點火位置下氫氣/甲烷/空氣預混氣體的爆燃特性，改變點火位置IP和氫氣添加比例φ，在100 mm×100 mm×1000 mm方形透明管道實驗平台上開展爆燃實驗。實驗結果表明：火焰結構向泄爆端和封閉端傳播時受點火位置和氫氣添加比例的控制，當火焰向泄爆端傳播時，鬱金香火焰的形成因素由IP主導，當火焰向封閉端傳播時，IP及φ共同作用於鬱金香火焰的形成；IP和φ對火焰前鋒演化的作用模式可以分為3類；當混合氣體中φ小於0.25時，氫氣添加對火焰傳播速度的影響不明顯；當φ不超過0.75時，僅當IP位於管道中後部時，超壓出現周期性振蕩，且點火位置距泄爆端越近，振蕩時間越長；當為純氫爆炸時，不同點火位置下壓力振蕩消失且到達最大壓力峰值的時間基本一致；當φ不同時，最大壓力峰值隨點火位置的變化規律不同。

引言

天然氣作為一種常見的清潔能源被廣泛應用於各行各業的生產與生活之中。然而，由於甲烷（CH4）中C－H鍵能較大，致使天然氣燃燒速率慢，火焰傳播速率低，稀燃時燃燒不完全，因此造成了天然氣實際使用時熱效率低、燃燒循環變動率大的缺點。針對甲烷燃燒特性的不足，可通過添加氫氣有效提高甲烷的燃燒效率和火焰傳播速度，並降低污染物的排放量。Salzano等研究了在密閉柱形容器內初始壓力對不同含量的氫氣/甲烷混合氣體最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率和燃燒速率的影響。賈寶山等通過氫氣促進瓦斯爆炸實驗發現隨著氫氣含量的增加，瓦斯引爆時間逐漸縮短，爆炸強度隨之增大；Wu等在豎直管道中研究了氫氣添加對甲烷爆炸的影響，結果表明在輸入熱能相同的條件下，氫氣添加提高了混合氣體的總熱通量；Faghih等研究指出，當混合氣體中氫氣比例超過70%時，爆燃指數隨著氫氣的繼續加入成倍增長；Ma等認為，在泄爆條件下，當氫的比例低於50%時，壓力最大上升速率輕微增加，而氫的比例高於50%時壓力最大上升速率顯著增加。針對以上成果，現有的甲烷/氫氣混合氣體爆炸特性研究主要集中於部分氫氣添加比例下，而大範圍氫氣添加的研究較少，因此開展大比例含氫甲烷/空氣預混氣體的爆炸特性研究是十分有必要的。

盡管添加氫氣後甲烷的燃燒特性得到了較大的改善，然而含氫的甲烷/空氣預混氣體仍是生產、運輸及使用過程中不可忽視的危險源，具有較大的安全隱患。在燃料管道、閥門和高壓儲罐的縫隙和裂口中，氫氣的泄漏率很高。由於含氫的甲烷/空氣預混氣體泄漏位置的不確定性，直接造成點火位置的不同，不利於爆炸事故的預防與控制。因此，在不同的點火位置下開展氫氣/甲烷/空氣預混氣體爆炸特性的研究具有十分重要的意義。目前，學者們在泄爆條件下開展了相關實驗研究，Park等在泄爆條件下進行不同點火位置的甲烷爆炸實驗，發現點火位置在爆炸容器底部時超壓最高，在頂部時超壓最低；Guo等表明點火位置靠近泄爆端時，爆炸超壓較小；馮長根等通過爆炸仿真模擬器研究了獨頭巷道中點火位置對瓦斯爆炸的影響，結果表明點火位置離封閉端越近，各測點所得到的超壓越大；何學超等發現在90°彎曲管道中，水平點火與垂直點火時火焰的燃燒狀態並不相同；Vishwakarma等利用圓柱形爆炸容器對甲烷/空氣混合氣體爆炸進行研究，發現點火位置位於中心時比位於壁面時的爆炸壓力大。杜揚等針對常見的點火方式，對在泄爆條件下油氣爆燃的超壓瞬變與火焰行為進行了研究。此外，封閉管道條件下點火位置的影響規律，與泄爆條件下基本一致。Kindracki等研究了封閉管道內甲烷的爆炸超壓，認為點火位置在中心時，壓力最大，點火位置在底部時，壓力次之，點火位置在頂部時，壓力最小；Xiao等研究了封閉管道內氫氣火焰形狀及火焰傳播速度隨點火位置的變化規律。康楊等利用數值模擬對汽油/空氣的爆燃轉爆轟過程進行研究，得到了使DDT形成距離和時間最短的最佳點火位置。綜上所述，點火位置對水平管道中氫氣/甲烷混合氣體爆炸特性的影響還缺乏深入研究。

針對現有研究的不足，通過在自行搭建的小型水平方管中開展實驗，主要研究了在不同點火位置下，大比例含氫甲烷/空氣混合氣體中的爆炸特性，以期對預混氣體的安全使用提供一定的理論支撐。

結論

通過開展實驗，分析了不同點火位置和氫氣/甲烷不同配比下預混氣體在方形透明管道內的爆炸火焰結構、火焰傳播速度和爆炸壓力變化特徵，得出如下結論。

（1）火焰結構向泄爆端和封閉端傳播時受點火位置和氫氣添加比例的控制程度不同。當火焰向泄爆端傳播時，鬱金香火焰的形成僅與點火位置有關，即只在點火位置IP=0時才能形成鬱金香火焰，且與氫氣添加比例φ無關；當向封閉端傳播時，點火位置IP=300、500、700和900 mm且φ=0.75，火焰向封閉端傳播才形成鬱金香火焰，即只在合適點火位置IP和特定氫氣添加比例φ條件下才形成鬱金香火焰。

（2）點火位置IP與氫氣添加比例φ對火焰前鋒發展與火焰傳播速度的影響呈現不同規律，大致可分為3類：① IP=0、100 mm時，φ=0、0.25、0.50下的火焰前鋒隨時間變化率呈先加速、後減速再加速的變加速規律，而φ=0.75、1.00下的火焰前鋒隨著時間變化率呈加速狀態；② IP=300 mm時，各φ值下的火焰前鋒隨時間變化率都呈持續加速狀態；③ IP=500、700、900 mm時，火焰鋒面隨時間變化率出現轉折點，且隨著點火位置增加，轉折點越來越明顯。當氫氣添加比例小於25%時，氫氣添加對火焰傳播速度的影響不大。

（3）點火位置對壓力波有重要影響。當φ=0、0.25、0.50、0.75時，IP=500、700和900 mm的壓力波呈周期性振蕩；當φ=1.00時，壓力振蕩消失，且各位置達到壓力峰值的時間基本一致。

（4）當φ不同時，壓力峰值隨點火位置的變化規律不同。當φ<0.50時，隨著點火位置向泄爆端靠近，壓力峰值呈單調遞增規律；當φ>0.75時，隨著點火位置向泄爆端靠近，壓力峰值先增加後降低。點火位置位於管道中後部時，φ=0的爆炸壓力峰值較φ=0.25、0.50、0.75更大。

1 實驗裝置與實驗方法

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