二甲醚/空氣/氬氣混合物的爆炸特性*

高慧會(huì),張 博,喬建江,楊少鵬,陳 婷,陳 瀟

(1.華東理工大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)化工過程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237；2.上海華東理工安全工程咨詢有限公司，上海 200237)

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二甲醚/空氣/氬氣混合物的爆炸特性*

高慧會(huì)1,2,張 博1,喬建江1,楊少鵬1,陳 婷1,陳 瀟1

(1.華東理工大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)化工過程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237；2.上海華東理工安全工程咨詢有限公司，上海 200237)

在20 L球形爆炸容器中對(duì)二甲醚/空氣(DME/air)、二甲醚/空氣/氬氣(DME/air/Ar)混合物在不同初始狀態(tài)下的爆炸特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同初始?jí)毫Α⒉煌瑲鍤?Ar)稀釋濃度對(duì)爆炸極限、最大爆炸壓力以及最大爆炸壓力上升速率的影響。結(jié)果表明：DME/air混合物的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率與DME在混合物中的濃度呈圓頂形關(guān)系，最大值出現(xiàn)在DME在混合物中的濃度為6.5%(即最佳當(dāng)量比,φ=1)附近；初始?jí)毫Φ南陆得黠@降低了DME/air混合物的爆炸上限，但對(duì)于其爆炸下限影響不顯著；Ar的稀釋對(duì)富燃DME/air混合物的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率有顯著的惰化作用，但對(duì)于貧燃DME/air混合物，最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率在一定的Ar稀釋濃度范圍內(nèi)出現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)Ar的稀釋濃度大于20%，這2個(gè)爆炸參數(shù)值逐漸下降。

爆炸力學(xué)；爆炸極限；爆炸容器；二甲醚；氬氣；最大爆炸壓力；最大爆炸壓力上升速率

隨著能源消耗的不斷加劇，傳統(tǒng)石化燃料變得日益短缺，過度使用產(chǎn)生的環(huán)境問題也越趨嚴(yán)重，因此開發(fā)新型潔凈能源成為重要并且熱門的研究課題。二甲醚(dimethyl ether，DME)作為一種新型燃料，具有無污染、無殘液的特性，燃燒時(shí)極少生成碳煙，因此可作為超凈柴油以及液化石油氣的替代燃料[1-2]。同時(shí)，DME具有優(yōu)良的燃料性能，動(dòng)力性能好，稍加壓即可液化為液體易于儲(chǔ)存，也可作為車用替代燃料，具有天然氣、石油等不可比擬的綜合優(yōu)勢(shì)[3-7]。DME作為一種替代燃料，已經(jīng)得到了世界各國(guó)的廣泛重視，有著廣泛的應(yīng)用前景[8-10]。然而，DME屬于易燃?xì)怏w，與助燃?xì)怏w混合會(huì)有燃燒爆炸的危險(xiǎn)，從而造成人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)二甲醚在不同介質(zhì)與條件下的爆炸極限的研究對(duì)工業(yè)安全防護(hù)具有現(xiàn)實(shí)意義。二甲醚/氧氣(DME/O2)混合物的爆炸以及爆轟特性已有報(bào)道[3-4,11-13]，但二甲醚/空氣(DME/air)混合物在氬氣(Ar)稀釋下的爆炸特性(如爆炸極限、最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升的速率等)，以及Ar稀釋濃度對(duì)爆炸特性的影響等鮮有報(bào)道。另一方面，B.Zhang等[14-18]的研究表明，Ar的純度通常高于其他惰性氣體(如N2)，并且在高溫下具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)，因此Ar在研究抑制爆炸等領(lǐng)域通常被用作性能良好的惰化介質(zhì)。鑒于此，本文中首先對(duì)DME/air混合物在不同初始?jí)毫ο碌谋ㄌ匦赃M(jìn)行研究，然后分析不同的Ar稀釋濃度對(duì)DME/air混合物爆炸特性的影響規(guī)律，以期本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為深入認(rèn)識(shí)DME的爆炸特性及其安全防護(hù)提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 20 L球形爆炸測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram fo the 20-L spherical vessel for explosion test

實(shí)驗(yàn)中采用20 L球形爆炸測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示，包括爆炸容器、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。控制箱包括可編程控制器、電火花發(fā)生器、觸控屏、壓力采集接線端子板等。可編程邏輯控制器(PLC)、觸控屏和計(jì)算機(jī)通過局域網(wǎng)相連，實(shí)驗(yàn)過程控制由PLC實(shí)現(xiàn)。容器內(nèi)的壓力變化過程經(jīng)壓力傳感器和變送器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)捕捉并保存于計(jì)算機(jī)。通過分析壓力-時(shí)間曲線，可得到最大爆炸壓力pmax和最大爆炸壓力上升速率(dp/dt)max。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

(1)連接裝置，設(shè)置儀器參數(shù)；(2)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)界面，新建測(cè)試卡片，并輸入測(cè)試信息；(3)對(duì)20 L球形爆炸容器抽真空；(4)打開氣瓶閥門進(jìn)氣；(5)混氣后，依次按下高壓電源、充電、電源保護(hù)、靜電點(diǎn)火按鈕；(6)壓縮空氣，吹掃爆炸容器，并準(zhǔn)備下次實(shí)驗(yàn)。

進(jìn)行DME混合物爆炸參數(shù)測(cè)量時(shí)，按體積比例進(jìn)行可燃混合氣的配氣，實(shí)驗(yàn)按照分壓定律充入不同的氣體來配置所需濃度的混合物。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前進(jìn)行精確度的檢驗(yàn)，即使用DME濃度x(DME)為6.5%(最佳當(dāng)量比，φ=1)的DME/air混合物，并測(cè)得其pmax為1.057 8 MPa，與文獻(xiàn)[3]中DME相同濃度時(shí)獲得的數(shù)據(jù)(pmax= 0.99 MPa)接近，并且誤差小于10%，視為滿足測(cè)試精度要求。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 最大爆炸壓力

2.1.1 DME/air混合物

圖2給出了不同初始?jí)毫ο拢珼ME濃度不同的DME/air混合物的最大爆炸壓力曲線。

圖2表明：在理想當(dāng)量比(φ=1)附近，實(shí)驗(yàn)值與理論值較接近，但當(dāng)混合物當(dāng)量比遠(yuǎn)離理想當(dāng)量比時(shí)，實(shí)驗(yàn)值和理論值有明顯的差異。這是由于GASEQ最大爆炸壓力的理論計(jì)算基于混合物絕熱爆炸的假設(shè)，在理想當(dāng)量比時(shí)，燃料和氧氣接近完全反應(yīng)，接近絕熱爆炸；而在貧燃和富燃狀態(tài)下，環(huán)境和熱損失對(duì)爆炸影響較大，因此并非為理想絕熱爆炸，故導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)值和理論值的明顯差異。測(cè)量了不同初始?jí)毫ο翫ME/air混合物的pmax，發(fā)現(xiàn)p0=100,80,60,40 kPa時(shí)，pmax分別為1 078.1、965.1、597.0和398.4 kPa，可見DME/air混合物最大爆炸壓力隨初始?jí)毫Φ慕档投档汀?/p>

由表1可知，p0的下降極大地降低了DME/air混合物的爆炸上限x(DME)UEL：p0從100 kPa降到40 kPa，x(DME)UEL由19.00%降到12.50%，下降幅度為34.2%。而爆炸下限x(DME)LEL始終維持在3.50%～3.75%，p0對(duì)其幾乎無影響。由此可見，初始?jí)毫档蛯?duì)DME/air混合物爆炸上限影響較大。

表1 不同初始?jí)毫ο翫ME/air混合物的爆炸上限和下限Table 1 Upper and lower explosion limits of DME-air mixtures at different initial pressures

圖3 DME初始濃度不同的DME/air混合物中加入Ar后最大爆炸壓力隨Ar濃度的變化Fig.3 Maximum explosion pressure of DME-air-Ar mixtures with different initial concentrations of DME varied with the concentration fo Ar

2.1.2 DME/air/Ar混合物

圖3給出了不同DME初始濃度x(DME)0的DME/air混合物中，加入不同濃度的Ar后的最大爆炸壓力曲線。由圖3可見，隨著Ar濃度的不斷增大，DME/air混合物的最大爆炸壓力也逐漸降低，爆炸極限范圍也相應(yīng)縮小，表明Ar對(duì)于混合物的爆炸具有良好的惰化作用。

2.2 最大爆炸壓力上升速率

圖4 不同初始?jí)毫ο翫ME/air混合物的最大爆炸壓力上升速率隨DME濃度的變化Fig.4 Maximum rise rate of explosion pressure of DME-air mixtures varied with the concentrations of DME at different initial pressures

2.2.1 DME/air混合物

可燃?xì)怏w(或蒸汽)和空氣達(dá)到最佳混合比時(shí)，燃燒速度最大。當(dāng)增加或減少可燃?xì)怏w濃度時(shí)，燃燒速度都會(huì)減小。最大爆炸壓力上升速率是衡量燃燒速度的尺度，也是衡量爆炸強(qiáng)度的重要指標(biāo)。圖4給出了不同初始?jí)毫ο拢珼ME/air混合物的最大爆炸壓力上升速率(dp/dt)max隨DME濃度的變化曲線。由圖4可知：(dp/dt)max與混合物中可燃?xì)怏w的濃度有關(guān)，在理想當(dāng)量比(φ=1)附近(dp/dt)max達(dá)到最大值;p0較高時(shí)，(dp/dt)max也較大。由圖2和4可知，DME/air混合物的pmax和(dp/dt)max都出現(xiàn)在理想當(dāng)量比附近，但這2個(gè)最大值并非出現(xiàn)在相同濃度處。

2.2.2 DME/air/Ar混合物

圖5 DME初始濃度不同的DME/air混合物中加入Ar后最大爆炸壓力上升速率隨Ar濃度的變化Fig.5 Maximum rate of explosion pressure rise varied with volume fraction of Ar for DME/air mixture

圖5給出了p0=100 kPa時(shí)，DME濃度不同的DME/air混合物中加入Ar稀釋后的DME/air/Ar混合物最大爆炸壓力上升速率曲線。從圖5可以看出，對(duì)于富燃狀態(tài)(φ>1)的DME/air混合物，最大爆炸壓力上升速率隨著Ar加入量的增大而減小。而對(duì)比圖3和圖5發(fā)現(xiàn)，對(duì)于貧燃狀態(tài)(如DME濃度為4%)的DME/air混合物，Ar的稀釋濃度增加沒有起到明顯的惰化作用，反而在一定范圍內(nèi)提高最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率。這是由于在定容爆炸容器中，Ar稀釋濃度的增加會(huì)改變混合物原有的當(dāng)量比，對(duì)于貧燃DME/air混合物，隨著Ar稀釋濃度的增加，DME和氧氣重新達(dá)到最佳的混合比(即理想當(dāng)量比)狀態(tài)，而此時(shí)Ar的稀釋濃度一般都小于20%，混合物燃料-氧氣的混合濃度對(duì)爆炸參數(shù)的貢獻(xiàn)大于Ar的惰化作用。因此，最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但隨著Ar稀釋濃度的進(jìn)一步增加(>20%)，Ar的惰化作用起主導(dǎo)作用，爆炸參數(shù)值逐漸下降。

3 結(jié) 論

(1)DME/air混合物的爆炸壓力和爆炸壓力上升速率與混合物中DME的濃度呈“∩”形關(guān)系，最大值出現(xiàn)在理想當(dāng)量比附近；(2)初始?jí)毫Φ南陆得黠@降低了DME/air混合物的爆炸上限，而對(duì)其爆炸下限影響不顯著；(3)Ar的稀釋對(duì)富燃DME/air混合物的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率有顯著的惰化作用，但對(duì)貧燃DME/air混合物，Ar稀釋濃度的增加改變?cè)谢旌衔锏漠?dāng)量比，DME和氧氣重新達(dá)到最佳的混合比狀態(tài)，此時(shí)混合物燃料-氧氣的混合濃度對(duì)爆炸參數(shù)的貢獻(xiàn)大于Ar的惰化作用，導(dǎo)致最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)上升趨勢(shì)；(4)Ar稀釋濃度大于20%時(shí)，Ar的惰化作用起主導(dǎo)作用，DME/air/Ar混合物的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率逐漸下降。

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(責(zé)任編輯 張凌云)

Explosion characteristics of dimethyl ether/air/argon mixtures

Gao Hui-hui1,2, Zhang Bo1, Qiao Jian-jiang1, Yang Shao-peng1, Chen Ting1, Chen Xiao1

(1.StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofEnvironmentalRiskAssessmentandControlonChemicalProcess,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China; 2.SafetyEngeering&ConsultingCo.LTD,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)

Explosion characteristics of dimethyl ether (DME)/air and DME/air/ argon (Ar) mixtures were studied by using a 20-L spherical explosion-containment vessel under different initial conditions. This paper analyzed the effects of different initial conditions (e.g., pressures, Ar dilution) on the explosion parameters including explosion limits, maximum explosion pressure and maximum rise rate of explosion pressure. A dome-shaped relationship was found between maximum explosion pressure and DME concentration. And there lies a dome-shaped relationship between maximum explosion pressure rise rate and DME concentration. Their maximum values appear in the vicinity of the stoichiometric composition. Lowering the initial pressure can significantly decrease the upper flammability limit, but has no influence on the lower explosion limit. For fuel-rich DME/air mixtures, Ar dilution can greatly decrease the maximum explosion pressure and the maximum rise rate of explosion pressure. For fuel-lean ones, in a certain range of Ar concentration, the maximum explosion pressure and the maximum rise rate of explosion pressure increase with the increasing of Ar concentration. And these explosion parameters decrease eventually with the increasing of Ar concentration over 20%.

mechanics of explosion; explosion limits; explosion-containment vessel; dimethyl ether (DME); argon; maximum explosion pressure; maximum rate of pressure rise

10.11883/1001-1455(2015)05-0753-05

2014-01-06；

2014-05-29

爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(KFJJ15-03M)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)項(xiàng)目(222201314030)

高慧會(huì)(1988— )，女，碩士研究生; 通訊作者： 張 博,bzhang@ecust.edu.cn。

O381 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

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