氫氣濃度對氫氣燃燒影響的實驗研究

王迎　李勇　王運生

【摘 要】本文構建了氫氣燃燒試驗回路，研究了不同氫氣濃度對氫氣燃燒的影響。結果表明：隨氫氣體積濃度的增大，氫氣燃燒火焰傳播速度加快，最高燃燒溫度升高，燃燒過程中的峰值壓力逐漸升高；當氫氣濃度低于8%，氫氣無法完全反應。

【關鍵詞】氫氣燃燒；最高溫度；峰值壓力；火焰速度；燃盡率

0 前言

核電站發生嚴重事故時，鋯與水或水蒸氣發生強烈反應而釋放大量的氫氣，產生的氫氣會釋放到安全殼中，從而會發生氫氣在安全殼中大量聚集的現象[1，2]，而安全殼是核電廠與環境之間的最后一道實體屏障，安全殼的破裂會造成核輻射從核電廠泄露到環境中，從而對環境和人體造成巨大傷害。為避免裂變產物對環境和人體的輻射危害，核電站嚴重事故管理的基本目標是保證安全殼的完整性[3]。在核電站嚴重事故中，有各種威脅安全殼完整性的因素，其中泄漏到安全殼中的氫氣燃燒后產生的壓力可能超過安全殼的設計強度，是威脅安全殼完整性的一個重要因素，因此需要避免氫氣在安全殼中的積聚和燃燒。國際原子能機構（IAEA）在《核電廠安全設計》中明確規定：必須考慮嚴重事故下保持安全殼完整性的措施，特別是必須考慮預計發生的各種可燃氣體的燃燒效應。而氫氣是核電廠發生嚴重事故時產生的主要可燃氣體，因此也需要重點考慮嚴重事故下氫氣的生成、擴散以及燃燒爆炸等問題。

當嚴重事故發生時，鋯水反應釋放大量氫氣的同時，不同的氫氣濃度會導致氫氣燃燒不同的燃燒模式，低氫氣濃度會產生氫氣的緩慢燃燒，對安全殼的壓力和熱沖擊也比較小，而高的氫氣濃度會形成爆燃甚至爆炸，對安全殼完整性造成巨大威脅，因此通過實驗來研究氫氣濃度對氫氣燃燒的影響有重要的作用。

1 實驗裝置

本實驗系統可以用于進行氫氣、氧氣以及水蒸氣混合物的燃燒實驗，通過實驗可獲得反應容器中溫度、壓力、氣體產物成分等參數，對這些參數進行分析，可進一步得到氫氣燃燒過程中的火焰傳播速度、燃盡率、燃燒過程中的壓力變化曲線和溫度變化曲線等參數，從而對氫氣的燃燒特性進行研究。通過改變反應初始時的氫氣濃度，可以對比分析氫氣濃度對氫氣燃燒特性的影響。

試驗系統由回路系統、測控系統和電氣系統等幾部分構成，系統構成圖如圖1所示，以下部分對各子系統簡單介紹：

1.1 回路系統

回路系統是氫氣及其混合氣體進行送氣、清洗、反應等過程的系統，包括反應容器、加熱與保溫系統、送氣及清洗系統和點火系統等。反應容器的作用是在反應容器內部實現混合氣體的燃燒以及燃燒過程中實驗參數的測量。反應容器壁面上安裝了主要的測量儀器，以測量混合氣體燃燒過程中氣體的溫度、壓力等參數，反應容器耐壓2MPa。

加熱保溫系統的作用是實現反應容器的加熱和保溫。主要包括加熱帶、控制柜和保溫棉。采用加熱帶對反應容器進行分段加熱，加熱帶分為4段（筒體分3段加熱，下封頭1段加熱，上封頭只保溫，不加熱）；用控制柜控制加熱帶的加熱溫度，控制柜的控溫精度為±5℃；保溫棉減少熱量的散失，保持加熱后的反應容器溫度維持在設定的溫度值附近。

送氣及清洗系統的作用是在點火前提供干凈清潔的混合氣體。主要包括空壓機、冷干機、油氣水過濾器和真空泵等。點火系統的作用是點燃充入反應容器中的混合氣體。點火系統包括電壓轉換元件和點火電極。電壓轉換元件的作用是將24V直流電源轉換成點火所需要的10kV高壓電壓；點火電極的作用是在高壓電壓的作用下釋放電火花，點燃混合氣體。點火器采用24V直流電源，所需功率約為10W，經電壓轉換元件后的點火電壓為10kV，點火器的點火能約為7J。

1.2 測控系統

測控系統主要作用是測量和控制實驗過程中的相關參數。本實驗中的測控系統主要包括隔離式壓力變送器、動態壓力測試系統、快速響應熱電偶、測靜溫熱電偶、氫氣分析儀、真空計、質量流量計、量筒、大氣壓力計、NI數據采集板和計算機等。

1.3 電氣系統

電氣系統的作用是給各用電設備供電，主要包括220V交流電源（給數據采集板、信號調理儀、真空泵等等設備供電）、24V直流電源（給點火器和隔離式壓力變送器供電）、控制加熱帶加熱溫度的加熱柜以及傳輸電流的電線等等。

2 實驗結果及分析

為考察初始氫氣濃度對氫氣燃燒行為的影響，選取的初始氫氣體積分數分別為6%、8%、10%和12%，其他的初始實驗條件為壓力98kPa、溫度100℃、水蒸氣體積分數0%、底部點火。

2.1 初始氫氣體積分數對火焰傳播速度的影響

圖2 不同初始氫氣體積分數下的火焰鋒面位置隨時間的變化

圖2是不同初始氫氣體積分數時火焰鋒面位置隨時間的變化曲線，圖3給出了初始氫氣體積分數分別為6%、8%、10%和12%時擬合得到的火焰傳播速度。

圖3 不同初始氫氣體積分數下火焰傳播速度

由圖中可以看出，當初始氫氣體積分數在6～12%的范圍內變化時，火焰傳播速度緩慢增加，氫氣體積分數為6%與8%時或10%與12%時，平均火焰傳播速度接近，在氫氣體積分數由8%增加到10%時，火焰的傳播速度增加了59%。

2.2 初始氫氣體積分數對燃燒過程中最高溫度的影響

圖4給出了燃燒過程中經輻射修正后的最高溫度隨初始氫氣體積分數的變化。從圖中可以看出，初始氫氣濃度分別為6%、8%、10%和12%時燃燒過程中的熱電偶測得的最高溫度分別是558℃、751℃、899℃和968℃，經輻射修正后的溫度值分別為572℃、762℃、916℃和982℃。可見燃燒過程中的最高溫度隨著初始氫氣體積分數的增加而增加，分析認為，隨著氫氣體積分數的升高，燃燒放熱量隨之增大，而罐內氣體量并未發生明顯變化，因此導致了燃燒溫度的升高。

圖4 燃燒過程中最高溫度隨初始氫氣體積分數的變化

2.3 初始氫氣體積分數對燃燒過程中峰值壓力的影響

燃燒過程中峰值壓力和理論燃燒壓力隨初始氫氣體積分數的變化見圖5。

圖5 燃燒過程中峰值壓力隨初始氫氣體積分數的變化

從圖中可以看出，初始氫氣體積分數分別為6%、8%、10%和12%時燃燒過程中的峰值壓力分別是154kPa、231kPa、257kPa和283kPa，可見初始氫氣體積分數對燃燒過程中峰值壓力的影響較為明顯：隨著初始氫氣體積分數的增加，燃燒過程中的峰值壓力逐漸升高。這一變化趨勢與燃燒過程中最高溫度隨初始氫氣體積分數變化的趨勢相吻合。

2.4 初始氫氣體積分數對燃盡率的影響

初始氫氣體積分數為6%、8%、10%和12%時，用氫氣分析儀測得燃燒后干燥混合物中剩余氫氣體積分數分別為2.7%、0%、0%和0%，計算得氫氣的燃盡率分別是57.3%、100%、100%和100%，燃盡率隨初始氫氣體積分數的變化見圖6。這說明初始氫氣體積分數對氫氣的燃盡率有較大的影響：當初始氫氣體積分數低于8%時難以燃盡，但當氫氣體積分數達到8%或更高時（但不高于化學計量比下的氫氣體積分數）時氫氣就能夠實現完全燃燒，這與Lowry等人[4]在實驗中觀察到的現象基本一致。氫氣體積分數為6%時，由于燃燒溫度較低，反應速率較慢，在有限的時間內，導致氫氣無法完全反應。

圖6 燃盡率隨初始氫氣體積分數的變化

3 結論

通過以上實驗分析，考察了不同氫氣濃度對氫氣燃燒結果的影響，可得出以下實驗結論：

1）氫氣體積分數為6%與8%時或10%與12%時，平均火焰傳播速度接近，在氫氣體積分數由8%增加到10%時，火焰的傳播速度增加；

2）隨著氫氣體積分數的升高，燃燒放熱量隨之增大，導致燃燒溫度和峰值燃燒壓力的升高；

3）當氫氣體積分數達到8%或更高時氫氣能夠實現完全燃燒，氫氣體積分數為6%時，由于燃燒溫度較低，反應速率較慢，導致氫氣無法完全反應。

【參考文獻】

[1]鄧堅.大型干式安全殼嚴重事故條件下氫氣控制研究[D].上海交通大學，2008.

[2]郭丁情，鄧堅，曹學武，等.嚴重事故下氫氣風險及氫氣控制系統的初步分析[J].原子能科學技術，2008，42（12）：1109-1114.

[3]Agency IAE. Mitigation of hydrogen hazards in severe accidents in nuclear power plants[R]. Vienna： International Atomic Energy Agency， 2011.

[4]Lowry WE， Davis BW. Final results of the hydrogen igniter experimental program[R]. Livermore： Lawrence Livermore National Laboratory， 1982.

[責任編輯：湯靜]