水蒸氣和壁面溫度對富氧狀態(tài)下甲烷-空氣爆燃特性的影響

胡 強(qiáng)，溫小萍，郭志東

（1.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000；2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

石油天然氣工業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)的重要組成部分，其時(shí)刻受到爆炸和火災(zāi)的威脅[1]。對于可燃?xì)怏w相關(guān)的加工工業(yè)中，可燃?xì)怏w爆燃危害廣泛存在且往往造成巨大的損失和嚴(yán)重的損害。另一方面，日常使用的甲烷氣體難免會(huì)含有水蒸氣或者外部環(huán)境的改變，所以水蒸氣和壁面溫度對于甲烷-空氣燃燒的影響值得研究。

國內(nèi)外關(guān)于預(yù)混氣體爆炸特性的研究較多。例如，LI等[2]利用固定床反應(yīng)器探究了水蒸氣對燃燒的影響，結(jié)果表明，水蒸氣對甲烷轉(zhuǎn)化有促進(jìn)作用。HI ROYUKI等[3]研究了水蒸氣對CH4-Air的滅火特性，發(fā)現(xiàn)了壁面溫度為150 K時(shí)，水滴形成的水蒸氣滅火效果最好。單天翔等[4]利用數(shù)值模擬研究水蒸氣對甲烷燃燒的影響，結(jié)果表明，隨著水蒸氣摩爾分?jǐn)?shù)的增加，甲烷燃燒火焰溫度降低，水蒸氣的加入強(qiáng)化了CH3→CH（2s）→CH2→CH→CH2O過程，同時(shí)強(qiáng)化了CH3→CH3O→CH2O過程，改變了甲烷燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。張力等[5]研究了溫度對微通道CH4/O2/H2O自熱重整暫態(tài)特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)壁面溫度越增加，擴(kuò)散系數(shù)越大，甲烷的轉(zhuǎn)化率越大，進(jìn)而加速了反應(yīng)的進(jìn)程。

上述文獻(xiàn)均研究了水蒸氣和壁面溫度對預(yù)混氣體爆炸的影響，但研究主要集中在飽和水蒸氣對甲烷燃燒基元反應(yīng)進(jìn)程的影響以及壁面溫度對甲烷反應(yīng)速率的影響。所以，本研究利用不銹鋼管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過研究不同濃度的水蒸氣和壁面溫度對水的冷凝-蒸發(fā)過程和液膜的形成過程，進(jìn)而探究其對甲烷燃燒反應(yīng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，由密閉管道、點(diǎn)火系統(tǒng)、氣體分配系統(tǒng)、水蒸氣生成系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)和加熱裝置組成。密閉管道的內(nèi)徑為60 mm，長為1 200 mm，體積為3.4 L。壓力采集系統(tǒng)包括采集卡、電源和高頻壓力傳感器。將壓力傳感器安置在管道的右側(cè)端面進(jìn)行采集爆炸的壓力。點(diǎn)火系統(tǒng)由點(diǎn)火源、點(diǎn)火頭和點(diǎn)火開關(guān)組成。點(diǎn)火點(diǎn)位于密閉管道的右側(cè)，點(diǎn)火源為壓電陶瓷，通過對壓電陶瓷施加壓力放電來提供點(diǎn)火能量。放電時(shí)間很短，屬于單次放電，對高頻壓力傳感器的干擾很小。配氣系統(tǒng)包括甲烷氣瓶、氧氣氣瓶、氮?dú)鈿馄俊⒒旌掀鳌⑦B接管道以及3個(gè)高靈敏度的D08-1F型質(zhì)量流量控制器。水蒸氣生成系統(tǒng)由蒸汽發(fā)生器、注射器和溫度控制系統(tǒng)組成。加熱裝置由溫控儀和加熱件組成，如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 加熱裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)工況及方法

本次實(shí)驗(yàn)為了更好地研究水蒸氣和壁面溫度對甲烷-空氣爆燃的影響，采用富氧系數(shù)為E=0.3，水蒸氣的通氣時(shí)長為0、10、30、60和180 s，壁面溫度為300 K（27℃）、323 K（50℃）、373 K（100℃）和423 K（150℃）。實(shí)驗(yàn)的過程中先將加熱裝置設(shè)定一定的溫度進(jìn)行加熱處理，加熱完畢后通過5倍體積法計(jì)算出各個(gè)氣體的流量，采用連接管道將氣體通入氣體預(yù)混器中進(jìn)行初次預(yù)混，再由連接管通入密閉管道中進(jìn)行30 s的預(yù)混，點(diǎn)火前密閉管道內(nèi)部為常壓。另一方面，水蒸氣生成裝置連接2個(gè)帶有控制閥的管道，通過對控制閥的作用來調(diào)節(jié)通入水蒸氣的時(shí)長。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后都進(jìn)行管道的干燥處理，同時(shí)每個(gè)實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 壁面溫度對超壓的影響

不同的壁面溫度對超壓的影響如圖3所示。圖中的橫坐標(biāo)是火焰壓力在整個(gè)密閉管道中燃燒所有混合物所需要的時(shí)間T。壁面溫度的變化從300~423 K。

圖3 不同壁面溫度下超壓與時(shí)間的關(guān)系

這個(gè)過程可以將爆炸壓力分為4個(gè)階段：（1）火焰沖擊波階段；（2）升壓階段；（3）降壓階段；（4）余波階段。在點(diǎn)火后，火焰開始蔓延，因?yàn)榛鹧嫒紵形慈細(xì)怏w與已燃?xì)怏w發(fā)生激烈的碰撞同時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，氣體的體積發(fā)生劇烈的膨脹，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，火焰的超壓在很短的時(shí)間內(nèi)上升，火焰超壓進(jìn)入第一階段。隨后壓力開始表現(xiàn)無規(guī)則的上升，進(jìn)入升壓階段并達(dá)到峰值，也產(chǎn)生了振蕩的行為。到達(dá)峰值以后火焰壓力開始表現(xiàn)為降壓階段，由于燃料的消耗和反應(yīng)過程中的熱損失影響，火焰的超壓開始慢慢地消散，然后開始轉(zhuǎn)變?yōu)橛嗖A段。

如圖3所示，在壁面溫度為300、323和373 K時(shí)，火焰壓力曲線整體趨勢相同，其中壁面溫度為300 K與323 K的曲線重合度最高。在環(huán)境溫度（300 K）下，壓力達(dá)到的最大峰值（T=113.9 ms；P=5.5 bar）；隨著壁溫升高，壁溫為323 K，最大峰值為（T=115 ms；P=4.3 bar）；壁溫為373 K，最大峰值為（T=105 ms；P=3.2 bar）；壁溫為423 K，最大峰值為（T=341.61 ms；P=2.39 bar）。可見，在壁面溫度大于或等于373 K時(shí)壁溫對管道的內(nèi)部的壓力有很大的抑制作用。歸因于不同壁面溫度抑制燃燒產(chǎn)生的水蒸氣在容器壁上冷凝-蒸發(fā)的過程，從而使壁面的液膜越來越難形成直至不生成液膜。在這種情況下水的冷凝-蒸發(fā)過程減弱或消失，管道內(nèi)部的超壓峰值降低，到達(dá)超壓的時(shí)間縮短。

不同壁面溫度下超壓峰值和最大壓力上升速率的關(guān)系如圖4所示。最大壓力上升速率的值分別是50.75 bar/s、37.39 bar/s、30.49 bar/s、7 bar/s。可見，兩條曲線的基本走勢一致，壓力上升速率和超壓峰值與壁面溫度成反比例函數(shù)。結(jié)合圖3可以發(fā)現(xiàn)壁溫度的上升會(huì)抑制壁面液膜的產(chǎn)生，使管道內(nèi)部產(chǎn)生更多的飽和水蒸氣，進(jìn)而影響密閉管道內(nèi)部的超壓變化。

圖4 不同壁面溫度下超壓峰值和最大壓力上升速率的關(guān)系

2.2 水蒸氣時(shí)長對超壓的影響

通過水蒸氣生成裝置向密閉管道注入水蒸氣時(shí)，研究水蒸氣的濃度變化對探究燃燒的特性有重要作用。研究不同水蒸氣的時(shí)長對超壓的影響，水蒸氣時(shí)長為0 s時(shí)，最大峰值為（T=32.6 ms；P=3.6 bar）；水蒸氣時(shí)長為10 s時(shí)，最大峰值為（T=62.6 ms；P=5.59 bar）；水蒸氣時(shí)長為30 s時(shí)，最大峰值為（T=27 ms；P=2.91 bar）；水蒸氣時(shí)長為60 s時(shí)，最大峰值為（T=175 ms；P=1.53 bar）；水蒸氣時(shí)長為180 s時(shí)，最大峰值為（T=501.2 ms；P=1.97 bar）。綜上所知，添加少量的水蒸氣對CH4預(yù)混氣體爆燃的發(fā)生有明顯的促進(jìn)作用，但是隨著水蒸氣濃度的增加，對于水蒸氣的冷凝-蒸發(fā)過程被抑制，導(dǎo)致管道內(nèi)部的爆燃?jí)毫p小和速度降低，進(jìn)而發(fā)生抑制現(xiàn)象。

由圖5可知，當(dāng)水蒸氣的時(shí)長為10 s時(shí)，超壓峰值增大，水蒸氣起著促進(jìn)作用。由于燃燒反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量被水蒸氣迅速吸收，加速了水的冷凝-蒸發(fā)，致使壓力增加。另一方面，隨著水蒸氣濃度增加，不僅迅速帶走大量的熱，也稀釋甲烷和氧分子的百分比，進(jìn)而減少甲烷和氧分子之間的接觸反應(yīng)。壁面的溫度為常溫，水蒸氣的濃度越大，致使管道的壁面與氣體中懸浮部分小水珠，進(jìn)而破壞了鏈?zhǔn)竭B鎖反應(yīng)，從而增強(qiáng)了抑制的效果。另一方面，隨著水蒸氣濃度的增加，對于水蒸氣的冷凝-蒸發(fā)過程被抑制，導(dǎo)致管道內(nèi)部的爆燃?jí)毫p小和速度降低。隨著水蒸氣濃度增加，燃燒速率降低，體積膨脹比減小，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷瑢?dǎo)致火焰壓力上升速率降低。

圖5 壁面溫度為300K時(shí)，不同水蒸氣時(shí)長下超壓與時(shí)間的關(guān)系

不同水蒸氣時(shí)長下超壓峰值和最大壓力上升速率的關(guān)系如圖6所示。最大壓力上升速率的值分別是110.43 bar/s、89.3 bar/s、107.78 bar/s、3.93 bar/s。可見，在水蒸氣時(shí)長為10 s時(shí)，超壓峰值最大，最大升壓速率低于水蒸氣時(shí)長為0 s和30 s的速率。這種現(xiàn)象也側(cè)面地驗(yàn)證了少量的水蒸氣對爆炸壓力有促進(jìn)的作用，少量的水蒸氣濃度，增加了水的冷凝-蒸發(fā)過程，推遲了壓力峰值的到達(dá)時(shí)間，使壓力峰值增大。水蒸氣時(shí)長60 s時(shí)，超壓峰值和最大壓力上升速率迅速下降，最大壓力上升速率相比較水蒸氣30 s的速率下降了53%，可見60 s時(shí)的水蒸氣濃度是一個(gè)零界點(diǎn)，對甲烷爆炸的抑制效果好。

圖6 不同水蒸氣時(shí)長下超壓峰值和最大壓力上升速率的關(guān)系

2.3 水蒸氣時(shí)長和壁面溫度對超壓的影響

前面分析了水蒸氣時(shí)長或壁面溫度對超壓的影響。圖7展示了不同的水蒸氣時(shí)長和壁面溫度為373 K時(shí)對超壓的影響。由圖可知在壁面溫度為373 K時(shí)，水蒸氣時(shí)長為0 s時(shí)，最大峰值為（T=105 ms；P=3.2 bar）；水蒸氣時(shí)長為10 s時(shí)，最大峰值為（T=330.6 ms；P=2.93 bar）；水蒸氣時(shí)長為30 s時(shí)，最大峰值為（T=510.99 ms；P=1.98 bar）；水蒸氣時(shí)長為60 s時(shí)，最大峰值為（T=151.66 ms；P=0.85 bar）；水蒸氣時(shí)長為180s時(shí)，最大峰值為（T=95 ms；P=0.41 bar）。通過對壁面溫度為27℃時(shí)的不同水蒸氣的超壓時(shí)長對比可知，超壓峰值整體依次降低了11.11%、47.58%、35.39%、45.86%和79.19%。在不通入水蒸氣時(shí)超壓峰值下降了11.11%，在通入水霧之后超壓峰值下降了47.58%，可見壁面溫度對火焰爆炸壓力的抑制作用低于水蒸氣的抑制作用。在水蒸氣時(shí)長為180 s時(shí)超壓峰值下降了79.19%，相比較60 s的水蒸氣時(shí)長，水蒸氣的時(shí)長增加了3倍，也對爆炸壓力產(chǎn)生了極大的抑制作用。主要因?yàn)樵诩淄榈娜紵^程中其主線是從OH、O、H自由基撞擊甲烷分子產(chǎn)生甲基自由基開始的[6]，水蒸氣的增加改變了密閉管道中OH、O、H自由基的濃度，進(jìn)而影響了整個(gè)燃燒的過程。

另一方面，由反應(yīng)的時(shí)間可知，隨著水蒸氣時(shí)長的增加，到達(dá)波峰的時(shí)間依次為：105 ms、330.6 ms、510.99 ms、151.66 ms和95 ms。可見到達(dá)波峰的時(shí)間與水蒸氣的時(shí)長呈現(xiàn)出拋物線的形式，先增后減。由圖7可知水蒸氣時(shí)長為60 s和180 s時(shí)火焰的壓力基本上沒有明顯的波峰產(chǎn)生，水蒸氣時(shí)長為0 s時(shí)，壓力出現(xiàn)了多個(gè)波峰；水蒸氣時(shí)長為10 s時(shí)，壓力出現(xiàn)了一個(gè)波峰，波峰的夾角在45°左右；水蒸氣時(shí)長為30 s時(shí)，壓力出現(xiàn)了一個(gè)波峰，波峰的夾角在90°左右。可見水蒸氣的時(shí)長越大相對應(yīng)的OH、O、H自由基的濃度越增加，進(jìn)而抑制了助燃劑氧氣的燃燒反應(yīng)，導(dǎo)致甲烷的爆炸反應(yīng)沒有達(dá)到真正的波峰便開始下降。

不同水蒸氣時(shí)長下超壓峰值和最大壓力上升速率的關(guān)系如圖8所示。最大壓力上升速率的值分別是30.5 bar/s；8.87 bar/s；3.88 bar/s；5.6 bar/s和4.3 bar/s。可見在壁面溫度為373 K通入水蒸氣之后，最大壓力上升速率迅速下降，在水蒸氣時(shí)長為60 s時(shí)，超壓峰值和最大壓力上升速率基本保持一致。結(jié)合圖7可知，在無水蒸氣時(shí)，管道的超壓在峰值附近出現(xiàn)了振蕩的反應(yīng)，但是在通入水蒸氣之后，密閉管道的壓力曲線沒有出現(xiàn)振蕩的現(xiàn)象。由于火焰與壁面碰撞會(huì)發(fā)生觸壁反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生壓縮波，預(yù)混火焰的已燃?xì)怏w與未燃?xì)怏w的碰撞會(huì)產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致管道內(nèi)部的氣體體積膨脹，進(jìn)而產(chǎn)生膨脹波；另一方面，因?yàn)槁暡ǖ鸟詈献饔脮?huì)在密閉管道的壁面和端面產(chǎn)生反射波，3種波的相互作用會(huì)導(dǎo)致壓力發(fā)生振蕩的行為。然而在通入水蒸氣之后，密閉的壓力振蕩的現(xiàn)象消失，可見水蒸氣也會(huì)阻礙管道內(nèi)部3種波的傳播。

圖7 壁面溫度為373 K時(shí)，不同水蒸氣時(shí)長下超壓與時(shí)間的關(guān)系

圖8 不同水蒸氣時(shí)長下超壓峰值和最大壓力上升速率的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）壁面溫度是影響甲烷爆燃的重要因素。隨著壁面溫度的增加，導(dǎo)致甲烷爆燃產(chǎn)生的水蒸氣不易或無法在管道上形成液膜，阻礙了水的冷凝-蒸發(fā)過程，進(jìn)而抑制了反應(yīng)的進(jìn)行。

（2）水蒸氣的濃度對密閉管道中甲烷-空氣的爆燃有很大的影響。水蒸氣時(shí)長為0 s時(shí)，最大峰值為（T=32.6 ms；P=3.6 bar）；水蒸氣時(shí)長為10 s時(shí)，最大峰值為（T=62.6 ms；P=5.59 bar）；水蒸氣時(shí)長為30 s時(shí)，最大峰值為（T=27 ms；P=2.91 bar）；水蒸氣時(shí)長為60 s時(shí)，最大峰值為（T=175 ms；P=1.53 bar）；水蒸氣時(shí)長為180 s時(shí)，最大峰值為（T=501.2 ms；P=1.97 bar）由此可知，低濃度的水蒸氣有促進(jìn)作用，高濃度的水蒸氣有抑制作用。

（3）壁面溫度和水蒸氣的增加會(huì)抑制壓力的振蕩行為發(fā)生。無水蒸氣時(shí)，壁面溫度從300~423 K的增加，超壓發(fā)生了振蕩的現(xiàn)象。壁面溫度為300 K時(shí)，在水蒸氣的時(shí)長從0 s增加到180 s的過程中，0 s、10 s和30 s的壓力曲線發(fā)生了振蕩現(xiàn)象，壁面溫度為373 K時(shí)，在水蒸氣的時(shí)長從0 s增加到180 s的過程中，通入水蒸氣后壓力曲線無振蕩的現(xiàn)象。可見，水蒸氣會(huì)阻礙管道內(nèi)部3種波的傳播，進(jìn)而抑制壓力的振蕩行為產(chǎn)生。