微乳化柴油燃爆性能研究*

劉 健，李 斌，解立峰，姚 箭，王永旭

(南京理工大學 化工學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

微乳化柴油(Micro-Emulsion Diesel簡稱MED)是由水、柴油、表面活性劑以及助表面活性劑所做成的、透明的、能自發形成的熱力學穩定體系[1]，與傳統柴油相比，不但能提高柴油的燃燒效率，降低尾氣中煙度排放，也能夠降低柴油在常溫常壓下的“燃燒或著火”的風險性，在一定程度上起了防爆抑爆的安全作用[2-4]。近年來有不少學者和企事業單位對微乳化柴油進行了研究，但多數集中在柴油配方、工藝研究以及機械設備應用上[5-7]。柴油作為1種易燃易爆燃料，其在運輸、使用和儲存過程中任何不安全行為都可能造成嚴重的燃燒爆炸事故。對柴油進行本質安全化設計，通過特定的生產工藝提高柴油的阻燃抑爆性能很有必要。

目前油品的防火抗爆技術主要通過填充各種阻隔防爆材料來實現[8-11]，但各類阻隔防爆材料在長時間使用過程中會被腐蝕和破損并改變燃料的理化性質。為研究微乳化柴油的燃爆特性，以4種生產工藝制備的微乳化柴油為研究對象，對比不同生產工藝制備的微乳化柴油與-10號軍柴的燃爆特性，并分析抑爆劑對微乳化柴油燃爆性能的影響，為進一步提高微乳化柴油防火防爆性能及日后相關標準的制定提供相應支持。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置與儀器

1)試驗油桶：容積5 L，材質為20號鋼，壁厚為2 mm。

2)油桶支架：800 mm高鐵架。

3)高速照相機：Fastcam nltima APX型，日本Photron公司，試驗拍攝速率為1 000幀/s，每幀1 024像素×1 024像素。

4)紅外熱成像儀：Mikronscan 7200V 型，美國Mikron公司，系統利用320×240微熱輻射計UFPA探測器接收被測物體所輻射的紅外線能量，其溫度響應時間為2 μs。

5)驗證鋁板：尺寸為2 000 mm (w) × 2 000 mm(H) × 2 mm(T)，布氏硬度23，抗拉強度90 MPa。

6)高清攝像機等。

1.2 實驗樣品

1號油樣：-10號柴油。

2號油樣：磁力攪拌工藝制備，轉速為2 400 rpm，攪拌時間10 min，含水量為5%，其余為-10號柴油。

3號油樣：高速剪切工藝制備，轉速為10 000 rpm，剪切時間10 min，含水量為5%，其余為-10號柴油。

4號油樣：超聲處理工藝制備，輸入電壓80 V，超聲時間4 min，含水量為5%，其余為-10號柴油。

5號油樣：靜電噴霧工藝制備，外加電壓13 kV，噴霧流速0.1 mL/min，含水量為5%，其余為-10號柴油。

6號油樣：磁力攪拌工藝制備，轉速為2 400 rpm，攪拌時間10 min，含水量為5%，抑爆劑含量為0.4%，其余為-10號柴油。

1.3 實驗方法與實驗布置

分別將盛裝2.5 L的1～6號柴油油樣的油箱加熱至70 ℃后放置于金屬支架上，油箱四周的3面(除下風面)距離其邊緣4 m處豎直放置驗證板，并且使見證板中心與油箱中心同高。用8號電雷管和18 g海薩爾炸藥起爆，試驗起爆位置選擇油箱內油氣界面處。高速攝像機、普通攝像機和紅外熱成像儀置于距油箱中心30 m處。高速照相機用于記錄柴油油箱爆炸和拋撒過程，紅外熱成像儀用于采集燃燒火焰的表面溫度，實驗布置如圖1所示。

圖1 試驗場布置示意Fig.1 Schematic of experimental

2 實驗結果分析

2.1 柴油的燃爆特性

以起爆瞬間為0時刻，圖2為高速照相機拍攝的微乳化柴油油箱在典型時刻的燃爆過程圖像，圖2(a)為-10號柴油拋撒情況；圖2(b)為4種不同工藝生產的微乳化柴油燃爆情況,由于燃爆特性差別不大，選擇經過磁力攪拌工藝生產的2號微乳化柴油的燃爆過程為例進行對比；圖2(c)為添加入高分子抑爆劑后微乳化柴油的燃爆過程。從高速圖像上看出-10號柴油正常起爆時油箱發生爆炸，形成火球持續燃燒，并形成大面積池火，火球持續時間為1 848 ms，池火持續時間為121 s。微乳化柴油油樣拋撒規模較小，池火自熄滅，其中磁力攪拌工藝生產的微乳化柴油其火球持續時間1 320 ms，池火持續時間1 100 ms，高速剪切工藝微乳化柴油其火球持續時間為1 240 ms，池火持續時間1 150 ms，超聲處理工藝微乳化柴油火球持續時間為1 420 ms，池火持續時間1 500 ms，靜電噴霧工藝微乳化柴油火球持續時間為1 380 ms，池火持續時間1 000 ms，加入0.5%抑爆劑的微乳化柴油火球持續時間為860 ms，全過程未出現池火。

從圖2柴油燃燒的照片直觀上看，0 ms起爆藥起爆瞬間，在油桶頂部迅速形成火球，顏色為亮白色；1～100 ms油桶頂部柴油蒸氣發生爆炸，火球迅速發展，并包圍整個油樣，油樣整體發生燃燒，顏色更為明亮火球迅速膨脹，其中-10號柴油爆炸火球尺寸最大，形成池火規模最大，加入抑爆劑的微乳化柴油橫向直徑最小，油樣拋撒不明顯。隨后火球由亮白色逐漸轉變為暗紅色，并形成烏黑色濃煙。試驗表明，4種工藝生產的微乳化柴油在防火防爆性能上無太大差別，且在一定程度上優于-10號柴油。因為微乳化柴油體系中的水份能夠通過氣化過程吸收大量熱量降低溫度[12-13]，稀釋油蒸氣溫度，隔絕油料和空氣，達到阻燃防火效果。而6號油料由于高分子聚合物抑爆劑的添加可使柴油黏度增大(實驗中-10號柴油運動黏度為3.934 mm2/s，而添加抑爆劑后油料的運動黏度為20.850 mm2/s)，抗拋撒性能更強，限制了油蒸氣與空氣的充分混合，從而抑制油蒸氣的爆炸火球尺寸，降低油料靜爆過程的危險性。

圖2 柴油燃爆過程典型照片Fig.2 Typical pictures of combustion and explosion process for diesel

2.2 燃爆火球溫度場分布

圖3是紅外熱成像系統拍攝的6組實驗靜爆過程中溫度最高時刻紅外熱成像圖。運用系統自帶軟件對所記錄的圖像進行處理，得到爆炸火球最高溫度和尺寸，見表1。

圖3 油料最高溫度時刻紅外熱成像照片Fig.3 The infrared images of diesel at their highest temperature

柴油火球表面最高溫度θ/℃1000℃以上高溫持續時間t/ms最大火球直徑d/m最大火球高度h/m1號樣品13249904.216.282號樣品12137263.325.453號樣品12647923.135.734號樣品12418253.465.905號樣品12467263.185.876號樣品11001652.184.90

根據圖3和表1中可以看出，盛裝不同柴油的油箱靜爆過程發生不同規模的爆炸現象，4種工藝生產的微乳化柴油在抑制爆炸火球參數方面起了一定程度作用，但之間差距不明顯。加入抑爆劑后爆炸火球高溫持續時間、火球直徑和火球高度有了明顯衰減。與1號樣品相比，2～6號樣品其爆炸火球體積分別約降低了40.61%，37.91%，27.46%，34.01%和68.47%，添加高分子抑爆劑的6號樣品爆炸火球之所以降低如此明顯，可能因為添加抑爆劑的微乳化柴油中抑爆劑分子鏈在靜爆拋撒過程下會發生“鏈纏結”情況，相關學者研究說明[14-15]，高分子鏈可能處于高度纏結狀態，這種纏結類似于物理交聯，在內部形成了擬網狀結構。“鏈纏結”可能包括自締合、互補締合、末尾締合等3種締合方式，具體如圖6所示，該結構能使油料拋撒時流動阻力增大，需要的能量更大，從而起到了良好的抑爆效果。

圖4 高分子鏈締合方式Fig.4 The association pattern of polymer chain

3 結論

1)將6種不同柴油樣品在無約束條件下的燃爆特性與-10號軍用柴油進行對比分析發現，微乳化柴油有較好的抑爆作用，爆炸火球溫度和尺寸明顯減小；抑爆劑的添加能夠有效降低爆炸火球溫度與尺寸，且無池火產生。

2)相同條件下，4種工藝制備的微乳化柴油的燃爆性能接近，燃爆火球溫度與尺寸接近。與-10號柴油相比，磁力攪拌微乳化柴油、高速剪切微乳化柴油、超聲處理微乳化柴油和靜電噴霧微乳化柴油其爆炸火球體積分別降低了40.61%，37.91%，27.46%和34.01%。就抑爆效果而言，磁力攪拌工藝制備的微乳化柴油效果最佳，略優于其他工藝。

3)加入高分子聚合物抑爆劑的微乳化柴油，能有效起到抑爆效果，給油料本質安全化設計提供參考，對于推動燃料安全技術發展有一定參考意義。

[1] 曹建喜, 羅立文, 董松祥,等. 微乳柴油的研制及性能[J]. 中國石油大學學報自然科學版, 2010, 34(4):152-156.

CAO Jianxi，LUO Liwen，DONG Songxiang，et al. Preparation and properties of micro-emulsified diesel[J].Journal of China University of Petroleum(Natural Science Edition),2010, 34(4):152-156.

[2] 陳煥朋, 呂效平, 韓萍芳. 柴油微乳液的制備及其性能研究[J]. 化學工程, 2011, 39(3):79-82.

CHEN Huanpeng，LYU Xiaoping，HAN Pingfang. Preparation of microemusion of diesel oil and its properties[J].Chemical Engineering (China), 2011, 39(3):79-82.

[3] 徐寧, 佘錦錦, 韓萍芳,等. 超聲波及乳化劑復配對制備微乳柴油的影響[J]. 化工進展, 2006, 25(11):1349-1353.

XU Ning，SHE Jinjin，HAN Pingfang，et al. Effect of ultrasound and emulsifier on preparation of diesel-water micro-emulsion [J].Chemical Industry and Engineering Progress, 2006, 25(11):1349-1353.

[4] 李俊, 魯長波, 安高軍,等. 含水柴油國內外研究進展[J]. 化工進展, 2016, 35(S1):109-115.

LI Jun,LU Changbo,AN Gaojun,et al. Domestic and foreign research progress of water-in-diesel[J].Chemical Industry and Engineering Progress,2016,35(S1):109-115.

[5] 揭斌華, 吳曉濤. 無醇微乳化柴油的研究[J]. 廣東化工, 2016, 43(18):61-63.

JIE Binhua,WU Xiaotao.Preparation of alcohol-free microemulsion diesel[J]. Guang dong Chemical Industry, 2016, 43(18): 61-63.

[6] 呂效平, 李建彤, 韓萍芳. 超聲制備微乳化柴油的實驗研究[J]. 聲學技術, 2006, 25(5):436-440.

LYU Xiaoping,LI Jiantong,HAN Pingfang. Emulsion of diesel oil and water with ultrasound[J].Technical Acoustics, 2006, 25(5):436-440.

[7] 袁銀男, 李俊, 杜家益,等. 柴油機燃用甲醇-調合生物柴油的排放及顆粒形貌[J]. 江蘇大學學報(自然科學版), 2016, 37(5):512-517.

YUAN Yinnan，LI Jun，DU Jiayi,et al. Emission and particulate topography characteristics of diesel engine fuelled with methanol-blending biodiesel[J].Journal of Jiangsu University (Natural Science Edition), 2016, 37(5):512-517.

[8] 薄雪峰, 魯長波, 楊真理,等. 碳纖維含量對球形非金屬阻隔防爆材料防爆性能的影響[J]. 中國安全生產科學技術, 2016, 12(7):37-41.

BO Xuefeng，LU Changbo，YANG Zhenli，et al. Effect of carbon fiber content on explosion-proof performance of spherical non-metallic separation explosion-proof material[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2016, 12(7):37-41.

[9] 魯長波, 朱祥東, 王浩喆, 等. 非金屬阻隔防爆材料防爆性能綜合評價研究[J]. 中國安全生產科學技術, 2014, 10(12): 125-130.

LU Changbo，ZHU Xiangdong，WANG Haozhe，et al. Comprehensive evaluation on explosion proof performance of non-metallic barrier and explosion proof material[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2014, 10(12): 125-130.

[10] 魯長波, 安高軍, 王浩喆, 等. 儲存過程中阻隔防爆材料對油品性能影響研究[J]. 中國安全生產科學技術, 2014, 10(10): 124-130.

LU Changbo，AN Gaojun，WANG Haozhe，et al. Study on influence of separate and explosion-proof material on properties of oil in storage process[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2014，10(10): 124-130.

[11] 黃勇，魯長波，安高軍，等．充填抑爆材料油箱的烤燃性能[J].《含能材料》, 2015, 23(5):490-495.

HUANG Yon，LU Changbo，AN Gaojun,et al.Fast cook-off performance of fuel tanks with explosion suppression infill[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2015, 23(5):490-495.

[12] 魏成龍, 魯長波, 安高軍,等. 不同質量分數水的微乳化柴油微觀結構及其燃爆性能[J]. 石油學報石油加工, 2014, 30(4):668-673.

WEI Chenglong,LU Changbo,AN Gaojun,et al.Microstructure and combustion-explosion properties of micro-emulsified diesel containing different mass fractions of water[J].Acta Petrolel Sinica(Petroleum Processing Section), 2014, 30(4):668-673.

[13] 魏成龍.阻燃抑爆柴油性能評定研究[D]. 南京：南京理工大學, 2014.

[14] 黃勇, 魯長波, 安高軍,等. 柴油爆炸性能外場實驗研究[J]. 爆炸與沖擊, 2015, 35(4):482-488.

HUANG Yong,LU Changbo,AN Gao-jun,et al.Experimental research on explosion performance of diesel fuel in the external field[J].Explosion and Shock Waves,2015, 35(4):482-488.

[15] 劉鳳歧, 湯心頤. 高分子物理[M].2版. 北京: 高等教育出版社, 2004.