丙烷-氧气预混气体的火焰传播及点火特性.pdf

doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2019. 04. 005 丙烷-氧气预混气体的火焰传播及点火特性 ❋ 章文义① 李玉艳②③ 潘 峰②③ 郑俊杰②③ ①江苏警官学院警务指挥与战术系江苏南京，210031 ②南京理工大学化工学院江苏南京，210094 ③国家民用爆破器材质量监督检验中心江苏南京，210094 [摘 要] 采用有机玻璃管装置，研究了丙烷-氧气预混气体在管道中的火焰传播特性及最小点火能。 研究表明 3 种惰性气体CO2、N2、Ar均明显降低了预混气体火焰在管道中的加速进程；其中，CO2抑制效果最为显著，其次 是 N2和 Ar。 点火敏感电极间距为2 mm。 最小点火能Ｅ随混合气体初始压力的增大而减小，初始压力为100 kPa 时，0. 16 mJ Ｅ 0. 32 mJ；当压力降至 30 kPa 时，2. 00 mJ Ｅ 3. 00 mJ。 [关键词] 火焰传播；最小点火能；抑制效果；初始压力 [分类号] TQ221. 1 ＋3 Flame Propagation and Ignition Properties of Propane-Oxygen Premixed Gas ZHANG Wenyi①， LI Yuyan②③， PAN Feng②③， ZHENG Junjie②③ ①Command and Tactic Department， Jiangsu Police Institute Jiangsu Nanjing， 210031 ②School of Chemical Engineering， Nanjing University of Science and Technology Jiangsu Nanjing， 210094 ③National Quality Supervision and Inspection Center for Industrial Explosive Materials Jiangsu Nanjing， 210094 [ABSTRACT] Flame propagation characteristics and the minimum ignition energy of propane-oxygen premixed gas were studied using PMMA tube. The results show that all the three inert gases significantly reduce the acceleration process of the flame in the tube， among which the inhibition effect of CO2is the most significant， followed by N2and Ar. The ignition en- ergy sensitive electrode gap is 2 mm. The minimum ignition energy Ｅ decreases with the increase of the initial pressure of the mixture. When the initial pressure is 100 kPa， there is 0. 16 mJ Ｅ 0. 32 mJ. When the pressure drops to 30 kPa， there is 2. 00 mJ Ｅ 0. 20时，点火概率为 0。 尽管丙烷-空气的爆炸性能及最小点火能已被 广泛研究，但丙烷在高浓度氧气氛围中的火焰传播 特性和最小点火能却鲜有报道。 为了给丙烷-氧气预混合体的安全应用提供参 考，本文中，采用有机玻璃管、压力采集系统及高压 放电装置研究了丙烷-氧气在圆柱形半封闭管道中 火焰传播的动力学行为，以及惰性气体对其火焰传 播过程的影响规律；同时测定了丙烷-氧气的最小点 火能，研究了初始压力及电极间距对丙烷-氧气最小 点火能的影响规律。 1 实验系统 1. 1 火焰传播装置 该实验系统包括燃烧管、高速摄像机、配气系 统、点火系统及同步控制系统等，装置如图 1 所示。 燃烧管为竖直放置的圆柱型有机玻璃管，长度为 1 400 mm，内径 50 mm，管壁厚 5 mm。 为了便于高 速摄像机拍摄管道内火焰的传播特性，有机玻璃管 后面设置黑色背景。 在距离有机玻璃管下端 20 mm 处设置两个铜棒，将长 100 mm、直径 0. 6 mm 的电 阻丝卷成螺旋状，两边分别和铜棒相连，通电电源电 压为 20 V，通电功率 20 W，点火前瞬间将玻璃管上 端密封盖打开。 配气系统流量计量程为 0 500 mL/ min，误差 为 0. 5％。 配气前先将气袋30 L抽至真空，关闭 气袋阀门，进气前须将配气管路清洗 3 遍，然后再打 开气袋阀门，依次充入丙烷和氧气，气体充入完毕后 关闭气袋阀门，静置 24 h，以便气体充分混合均匀。 实验中，高速摄影系统所釆用的摄像机为日本 Photron 公司生产的 Fastcam 系列产品。 拍摄速度达 20 000 Hz，曝光时间为 100 ns，像素为 640 1 024。 整个摄像机由高速处理器、摄像头以及显示器等组 成。 本实验中，摄像机的拍摄速度设置为 4 000 Hz。 1 － 丙烷；2 － 氧气；3 － 阀门；4 － 气袋；5 － 密封盖； 6 － 高速摄像机；7 － 电源；8 － 铜柱；9 － 电阻丝。 图 1 火焰传播装置示意图 Fig. 1 Schematic of flame propagator 1. 2 最小点火能 最小点火能测试装置由有机玻璃燃烧管、高压 电源、示波器及控制系统等组成，其中燃烧管尺寸同 1.1，点火时燃烧管两端均处于密封状态，测试装置 如图 2 所示。 高压电源，东文高压电源天津股份 有限公司，DW 系列，输出最高直流电压30 kV正输 出，电压调整率小于 0. 1％。 高压电源输出电压可 通过面板旋钮连续调节。 系统可以根据不同的能量 选择合适的电容，电容组有 5 1 000 pF 等规格。 示波器，泰克公司，MSO70000C/ DX 复合信号示波 器。 控制系统由工业可编程控制器 PLC 模块及继 电器等组成。 1 － 高压电源；2 － PLC；3 － 示波器； 4 － 放电电极；5 － 可变电容；6 － 开关。 图 2 最小点火能装置测试示意图 Fig. 2 Schematic of testing device for the minimum ignition energy 由于电容存在放电不完全的现象，加上回路中 的电能损耗，因此采用电压、电流的瞬时值，对电压 和电流进行时问积分，来计算电火花的能量[17] Ｅ ＝ ʃｔ2 ｔ1ＶｔＩｔ。 1 82 爆 破 器 材 第 48 卷第 4 期 式中Ｅ 为点火能量，J；Ｖｔ为瞬时电压，Ｖ；Ｉｔ为瞬时 电流，A；ｔ1、ｔ2分别为电极放电初、末时间，s。 结果 由示波器记录。 典型的电流、电压与时间的关系曲 线如图 3 所示。 当电容电火花能量 Ｅ 小于 100 mJ 时，电火花的能量为 Ｅ ＝ 1 2 ＣＵ2。2 式中Ｃ 为电容量，F；Ｕ 为电路放电时电压，V。 图 3 实测电流、电压与时间的关系 Fig. 3 Ｕ-ｔ and Ｉ-ｔ curves 最小点火能量Ｅ介于 Ｅ1连续 10 次均出现 着火的最大能量值和 Ｅ2能够点着的最小能量值 之间，即 Ｅ1 Ｅ Ｅ2。 1. 3 实验材料 丙烷，纯度 99. 99％；氧气，纯度 99. 99％；氮气， 纯度 99. 95％；氩气，纯度 99. 99％；二氧化碳，纯度 99. 95％。 2 结果及讨论 2. 1 火焰传播特性 图 4 为丙烷-氧气在圆柱形半封闭管道中火焰 传播实物图。预混气体的压力为100 kPa，出现可见 火 焰记为0时刻。从图4中可以看出，1. 0 ms时火 焰阵面中间出现凹陷，火焰充满已燃区域，呈亮白 色，点火点附近呈蓝色；随着反应的进行，火焰亮度 增强，火焰前端截面逐渐转变为规则的平滑弧面；约 3. 0 ms 时，火焰锋面到达有机玻璃管末端，火焰亮 度进一步增加，并向有机玻璃管周围扩展，火焰充满 已燃区域。 随后，火焰截面冲出管道，有机玻璃管出 口处呈现火球状结构。 2. 2 惰性气体对火焰加速进程的影响 图 5 为预混气体前端位移随时间的变化曲线。 实验中分别添加了 3 种惰性气体氮气N2、氩气 Ar 和二氧化碳 CO2， 体积分数均为 70％。 丙烷-氧气混合物被点燃后，火焰前端位移增加最 快，3. 0 ms 时火焰前端已到达管顶处；其他 3 种混 合物到达管顶的时间分别为 5. 5 msAr、6. 5 ms N2 和7. 5 msCO2。 4 种预混气体火焰前端位移 随时间的变化呈指数关系ｙ ＝ ｙ0＋ Ａexp[ －0. 5ｘ － ｘｃ / ｗ]2。 图 6 为预混气体前端传播速度随时间的变化曲 线。 由图 6 可知，点火后，丙烷-氧气的火焰传播速 度迅速增加，2. 5 ms 时，火焰速度增加至 550 m/ s； 此后，火焰传播速度呈现出跳跃式增长，此过程为爆 图 5 火焰前端位移随时间的变化 Fig. 5 Location of flame leading tip as a function of time 图 4 丙烷-氧气在圆柱形半封闭管道中火焰传播的实物图单位ms Fig. 4 High-speed photography images showing the flame evolution in the semi-closed tubeunitms 922019 年 8 月 丙烷-氧气预混气体的火焰传播及点火特性 章文义，等 万方数据 图 6 火焰前端截面传播速度随时间的变化 Fig. 6 Propagation speed of flame leading tip section with time 燃转爆轰过程；3. 0 ms 时，火焰速度已达到 1 400 m/ s。 但添加惰性气体后，火焰传播速度明显降低； 点火后，3 种添加惰性气体的混合物点火后均经历 一段相对稳定燃烧阶段，在 0 4. 0 ms 的时间段内， 3 种预混气体的火焰传播速度处于缓慢增加状态。 从点火到传播至管顶处，最大速度分别为 1 140 m/ s Ar、640 m/ sN2和644 m/ sCO2，3 种预混气体 均未发生爆轰。 与 N2和 Ar 相比，CO2的稀释对爆 燃火焰速度的影响更大，这在许多其他燃料-空气- 添加剂混合物中都可以观察到[18]。 稀释丙烷-氧气 混合物后，一方面燃料和氧气含量减少，反应过程中 产生的能够维持火焰传播的热量也减小，反应区最 大火焰温度和燃烧速度均降低；另一方面，CO2在高 温下可能参与了反应，进一步降低了丙烷-氧气的反 应速率。 为了估计 CO2分解对正常燃烧速度的影 响，研究者们引入了一种添加剂，一种在化学上不活 跃但具有 CO2的热传导特性的物质，这种物质不发 生反 应， 在 整 个 燃 烧 过 程 中 它 的 浓 度 保 持 不 变[19-20]。 在模拟中，用这种新组分计算的层流燃烧 速度位于 N2和 CO2稀释的层流燃烧速度之间。 研 究表明，CO2的离解是不可忽视的；但是由于火焰温 度的关系，当添加量增加时，CO2的离解作用被减 弱。 同时，CO2通过热辐射将热量向周围散发，也降 低了反应区的反应速率，使火焰燃烧速率进一步降 低。 2. 3 最小点火能 2. 3. 1 电压对最小点火能的影响 图 7 为电极两端实测的放电电压曲线，充电电 容为 100 pF。 电容在放电时会有部分冗余，放电不 完全。 表 1 总结了电压在 2 12 kV 范围内实测电 压与设定电压的关系，由表 1 可知实测电压比设定 电压略大，但由于电容放电不完全，导致放电电压与 设定电压误差在 4. 0％ 以下，设定电压 12 kV 时，误 差最小，为 0. 3％，但仪器的工作电压范围为 0 12 kV，从安全角度考虑，应选择 12 kV 以下；其次是 8 kV 时误差为 0. 5％，比较合理；设定电压在 2 6kV 范围内，误差在 3. 3％ 4. 0％ 之间；同时，设定电压 小于 6 kV 时，由于电极材料及尺寸的关系，两电极 之间不容易击穿空气，产生火花。 综合以上因素，将 电压设定为 8 kV。 图 7 实测电极两端电压与时间的关系 Fig. 7 Ignition voltage-time curves 表 1 设定电压与实测电压汇总 Tab. 1 Summary of set voltage and measured voltage 设定电压/ kV 实测电压/ kV 残余电压/ kV 放电电压/ kV 误差/ ％ 2. 002. 360. 441. 924. 0 4. 004. 740. 903. 844. 0 6. 007. 501. 306. 203. 3 8. 009. 781. 748. 040. 5 10. 0012. 062. 229. 841. 6 12. 0014. 742. 7012. 040. 3 2. 3. 2 初始压力对最小点火能的影响 图 8 为不同初始压力下丙烷-氧气的最小点火 能 Ｅ。 总体来说，初始压力越小，测得的最小点火能 越大，与文献报道的规律相符[21]；初始压力为 30 kPa 时，2. 00 mJ Ｅ 3. 00 mJ；初始压力为 50 kPa 时，0. 64 mJ Ｅ 0. 96 mJ； 初始压力为100 kPa 时， 预混气体的最小点火能明显降低，0. 16 mJ Ｅ 0. 32 mJ。 对于碳氢燃料而言，最小点火能均在富燃 料比组分条件下获得，这是因为点火时火花处的燃 料被瞬间耗尽，而周围的燃料由于相对缓慢的扩散 速度无法及时扩散至点火核心处，因此，为了保证点 火初期点火核心的增长，就必须提供所需的燃料分 子，增加单位体积内燃料的密度；同时，压力越小，单 位体积内发生碰撞的分子数量越少，通过电极散失 的能量增加，用于点燃燃料的能量降低，点燃燃料就 03 爆 破 器 材 第 48 卷第 4 期 万方数据 图 8 不同初始压力下丙烷-氧气的最小点火能 Fig. 8 The minimum ignition energy of the mixed gas at various initial pressure 需要更高的点火能量[22]。 2. 3. 3 电极间距对最小点火能的影响 通过实验，得到电极间距和当量比对储存最小 点火能 Ｅ 的影响，分别如图 9 所示。 从图 9 可以看 出，存在一个最佳的电极间距2 mm，使得点火能 量达到最小。 当电极间距为 2 mm 时，0. 16 mJ Ｅ 0. 32 mJ。 由于电极材料均为金属，是热和电的良 导体，电极间距较小时，电极的失热作用占据主导， 电极核心区气体被点燃后，反应放出的热量由电极 散失，当散热速率大于放热速率时，反应无法自行传 递下去，从而使反应终止，火焰难以蔓延。 同时，当 间距较小时，电极间的气体受热急剧膨胀，产生冲击 波，一部分能量以冲击波的形式散失，导致点燃气体 所需能量增加；相反，当电极间距偏大时，两电极间 的空气不易被击穿。 即使击穿，由于较大的间距，能 量不能集中，点燃混合气体时需要更大能量，造成测 试数据偏大[23-24]。 图 9 最小点火能随电极间距的变化 Fig. 9 The Minimum ignition energy of propane-oxygen mixture at various electrode gap 3 结论 1采用有机玻璃管装置研究了丙烷-氧气在半 封闭燃烧管中的火焰传播特性，预混气体被点燃后， 经过 2. 5 ms 的缓慢加速阶段，进入爆燃转爆轰阶 段，到达管道顶端的最大速度为 1 400 m/ s；N2、Ar 和 CO23 种惰性气体均会减缓预混气体火焰加速进 程，但 CO2效果最为显著，其次是 N2和 Ar。 2实验中设定电压为 8 kV，测得最小点火能试 验系统的敏感间距为 2 mm；最小点火能随着气体初 始压力的增大而减小，初始压力为 30、50 kPa 和100 kPa 时，最小点火能的范围分别为2. 00 mJ Ｅ 3. 00 mJ，0. 64mJ Ｅ 0. 96 mJ 和 0. 16mJ Ｅ 0. 32 mJ。 参 考 文 献 [1] 张云明. 丙烷/ 空气拉伸火焰传播稳定性实验研究 [J]. 中国安全生产科学技术， 2017， 13742-47. 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