管道内一氧化碳和空气预热混合物的爆燃特性*

张 良,魏小林,余立新,张 宇,李 腾,李 博

（中国科学院力学研究所等离子体与燃烧中心,北京 100190）

1 引 言

转炉煤气含有60%以上的CO,是一种回收价值很高的中热值煤气。转炉煤气的初温可达1 450℃,通常先经过汽化冷却烟道将煤气降温至850℃,然后采用湿法回收法或干法回收法,即喷水或喷水雾将煤气剧冷至低温后回收。除化学热外,转炉煤气中包含了大量余热,相当于8～10千克标煤/吨钢。全部回收转炉煤气余热必然存在爆炸的危险,因为在煤气余热回收过程中爆炸的3要素都将会满足:（1）转炉的断续生产使煤气在炼钢的开始和结束阶段混入了一定量的空气,很容易使混合气体达到爆炸极限,特别在一些流动性不好的死角;（2）在回收余热的余热锅炉内煤气会降温至自燃点以下;（3）煤气中的高温烟尘颗粒是引发爆炸的重要爆源。如何保证安全高效地回收转炉煤气的全部余热并发电,是冶金行业节能减排工作的重要课题。管道内的燃气爆炸表现出爆燃的特点,而研究CO-air爆燃机理是转炉煤气余热回收首要解决的问题。考虑到转炉煤气具有较高温度以及在回收管道中含有大量的障碍物,因此,究其本质是要研究在不同初始温度和管道内有障碍物的情况下,CO-air爆燃过程中压力和火焰速度的特性。

已有大量相关研究的报道,C.Chan等[1]在实验研究中使用CH4与空气混合气体,指出管道中障碍物的限制对火焰加速有正反馈作用;A.Teodorczyk等[2]和郭长铭等[3]的研究表明,衬有声吸收材料的管壁对爆燃有明显的抑制作用,如将氢氧混合物最终的火焰速度由1 000 m/s降至100 m/s,反映了压力波对爆燃的作用。张建华[4]使用焦炉煤气（58.5%H2、22.2%CH4、5.1%N2、2.1%CO、3.2%CO2、0.8%O2、8.1%CmHn）研究得出在一定范围内随着管长的增加,最大爆炸压力增大而火焰速度减小。余立新等[5-6]研究得出在阻塞比相同的情况下,障碍物形状不对管道可燃气爆燃爆轰产生影响,其实验气体包括 H2、C2H2 、水煤气（58.5%H2、30.0%CH4、5.4%N2 、6.1%CO）、液化石油气（76.18%C3H8、19.95%C3H6）和CH4等。关于CO-O2混合气体爆轰速度的研究中得到该速度可达到1 700 m/s[7]。赵衡阳[8]指出在管道内火焰加速机理中,初始温度的影响没有湍流机理作用大。

目前,研究较高温度下的CO-air混合物的爆燃特性既有工程背景又有理论意义。本实验中将转炉煤气的主要成分CO和空气混合加热后在管道中点燃,通过对火焰信号和压力信号的测量,探讨CO爆燃特性以及化学当量比和温度对CO爆燃特性的影响。

2 实验装置

实验装置示意图如图1所示,空气被电加热器加热后与CO混合,通过热电偶测量混合物的温度,达到设定温度后再点燃混合气体。管道内混合气体总流量保持在约36 Nm3/h,CO当量比由调节空气和CO的流量配比来控制。初始压力接近外界大气压,出口是一个具有较大空间的消音器。

图1 实验装置示意图Fig.1 A sketch map for the experimental setup

图2 各测点距点火处的相对位置Fig.2 Layout of pressure and flame transducer ports

测量管道示意图如图2所示,点火端到出口的长度为5.26 m,其中光滑管壁段长度为2.76 m,障碍物段长度为2.50 m（分布10个等间距圆环,截面积阻塞比为0.61）。沿管道轴线布置了7个压力传感器（上部）和7个光电火焰传感器（下部）分别获取压力信号和火焰的光信号。本文中着重于研究障碍物段的爆燃特点,因此把传感器主要布置在障碍物段。压力测点1距点火处1.77 m,光测点1位于点火端,用以确定点火时间。压力信号测点2～7和光信号测点2～7距点火处距离分别相同,测点2～7之间分别相隔0.40 m,测点2距点火处3.08 m,其中火焰速度为相邻2个光测点的平均速度（间距除以火焰通过这2个测点的时间差）。火焰传感器的响应时间小于1 μs,满足测量火焰速度的要求。

3 实验结果与分析

3.1 压力和火焰信号的分析

图3 压力和火焰信号Fig.3 Pressure and flame signals

图3是测得的6号测点的压力和火焰信号。图中火焰信号从起跳到结束历时约2.5 ms,而压力信号起止时间约22.0 ms。火焰信号强弱反映了化学反应的剧烈程度,而化学反应前后压力剧变,因而2信号的峰值点存在对应关系。由于压力信号的测量滞后于光信号的测量,因此压力信号峰值落后于火焰信号峰值。

3.2 火焰沿管道的加速过程

典型管道爆燃的火焰和压力演变过程可见图4。工况条件:CO当量比 φ=1.250,初始混合气温度为300 K。光滑管段内火焰加速缓慢,平均速度只有28.0 m/s,压力几乎为零;在比光滑管壁段稍短的障碍物段火焰速度和压力迅速攀升,靠近出口端时火焰速度达到最大值749.1 m/s,压力达到最大值0.71 MPa。由于出口的泄压作用,压力达到最大值后明显降低下来。实验测得火焰从光测点1到光测点2的传播时间为110.0 ms,而从光测点2到光测点7只用了4.3 ms,即火焰在光滑管壁段中的传播占用了绝大部分时间。以上说明了障碍物对管道爆燃的作用显著,使火焰速度和压力得到了快速提高。

图4 火焰速度和压力演变过程Fig.4 Evolution of flame speed and pressure

3.3 CO当量比对爆燃过程的影响

实验显示,常温条件下的CO当量比为0.583～3.250（对应CO质量浓度为0.192～0.569）,火焰可以充分发展起来;而在上述范围外火焰很难得到加速,混合气体甚至不容易被点燃。初始温度为300 K、CO当量比 φ为0.583～3.250的情况下,最大火焰速度、火焰从点火处到达最后测点的传播时间、最大压力以及最大压力上升速率随CO当量比的变化情况,如图5所示。从图5可以看出:

图5 CO当量比对不同物理量的影响Fig.5 Influence of CO stoichiometry on different physical parameters

（1）CO当量比φ=1.100时,爆燃强度最大,此时最大火焰速度和最大压力达到极大值,分别为752.0 m/s和0.76 MPa;

（2）火焰传播时间随CO当量比的变化与最大火焰速度随CO当量比的变化正好相反,整个火焰的传播时间为100.0～300.0 ms,CO当量比φ=1.100时,火焰传播时间最短,为113.2 ms,而φ=3.250时,火焰传播时间最长,为289.4 ms;

（3）定义最大压力的上升时间为压力从零到最大值的时间间隔,最大压力上升速率即为最大压力值除以上升时间,和最大压力一起构成了爆燃的威力参数[8]。实验得到的最大压力及其上升速率随CO当量比变化的情况相同,最大压力上升速率也在φ=1.100时处于极大值,为485 MPa/s;

（4）φ的范围主要分布在φ＞1.000区域,而在φ＜1.000区域内,随φ的减小,最大火焰速度和最大压力都很快减小。

由于化学反应不完全以及燃烧产物离解需要一定能量,因而化学反应速率最大时所需的燃料总比当量比φ=1.000时稍多。实验得出φ=1.100时化学反应速率最大,爆燃强度也对应最大,离这一当量比越远反应剧烈程度越小。当当量比偏离0.583～3.250时,一种反应物量相对太少很难均匀混合,同时初始湍流对微弱反应具有破坏而不是加强作用,因而此时混合气体很难被点燃。

3.4 温度对爆燃特性的影响

选择同一当量比（φ=1.100）条件下的不同温度作为新的工况条件,每个工况之间温度差约100 K。图6给出了压力发展、最大火焰速度和传播时间随温度的变化情况,表1为不同初始温度下各位置点的火焰速度。通过这些数据,可以看出:

（1）图6（a）中不同温度下的压力发展趋势相同,相应位置点的压力值随温度升高而普遍下降。压力的发展基本满足了随温度升高而变缓的规律,其中最大压力从306 K的0.7 MPa下降到了805 K的0.25 MPa,可见高温爆燃的冲击破坏能力已经明显减弱了。

（2）图6（b）中最大火焰速度随温度升高表现出下降趋势,但即使升高到805 K的高温,火焰传播速度仍然较快（大于550 m/s）,在进行高温CO爆燃的抑制研究时必须考虑到这一重要的速度值。

（3）比较表 1中 306、411和 511 K 等3种工况,各对应点的火焰速度普遍减小,火焰加速呈减缓趋势,传播时间也迅速增加,见图6（b）中的传播时间曲线。继续升温至511 K以后传播时间变化较小并有平稳趋势,说明511 K是火焰速度发展特性发生变化的一个转折点。在511、611和705 K等3种温度下,光滑管壁段的火焰速度随温升缓慢上升（从20.4 m/s上升至22.8 m/s）,并且这种火焰速度随温升而上升的情况一直持续到了障碍物段的3.68 m处,正是由于此种情况才使得火焰传播时间到511 K后平稳下来。另外,在最高温度805 K下爆燃最特别,火焰在光滑管壁段的速度最大（24.2 m/s）,在障碍物段的发展最缓慢（各位置点的速度都比其他温度下的要低许多）,与705 K时相比传播时间增加。

图6 温度对不同物理量的影响Fig.6 Influence of initial temperature on different physical parameters

由于温度的升高,混合气体的物理和化学性质发生了以下5点转变,导致了上述压力和火焰速度的变化:

（1）体积能量下降。随着温度升高,混合气的密度下降,单位体积混合气燃烧过程中释放的化学能将下降[8]。而爆燃压力是能量的释放方式,并随化学能减小而减小,因而温度的升高必将导致爆燃产生的压力下降。

（2）流体声速提高。流体的声速可表达为a=kRT,式中k、R和T分别表示绝热指数、气体常数和温度。初始温度升高后,流体的声速提高[8],压力波在流体介质中的传播会更快,将不利于爆燃发展过程中压力波的堆积,成为了使压力下降的又一因素。

（3）膨胀率下降。定义气体燃烧的膨胀率为σ=ρ1/ρ2,ρ1、ρ2分别为燃烧前后的密度。火焰加速受膨胀率影响,膨胀率大则火焰加速快[9]。单位体积化学反应释放的热量越少膨胀率越小[10],温度升高引起的化学释放热量下降减小了膨胀率,从而降低了火焰传播的速度。表1中在306、411和511 K等3个温度下各位置点处的火焰速度随温度升高而整体减小受到了此因素影响。

（4）流速增大。相同质量流量下的混合气体随着温度的升高体积流量将增加,表现为管道内流速增大。这种流速的增大将使管道内流体的初始湍动增强,有利于物质输运而促进化学反应,以致加快初期的火焰传播[11]。

（5）化学反应加快。一般燃烧反应的速率随温度升高而增大,CO的燃烧也不例外,这种初始温度的升高也将有利于加快化学反应从而提高火焰传播速度。

表1 不同温度下各位置处的火焰速度Table 1 Flame speed of every position at different initial temperatures m/s

4 结 论

（1）与光滑管壁相比,等间距圆环障碍物对管道内爆燃的发展有显著影响,火焰传播速度及爆燃压力在障碍物段明显提高。

（2）CO当量比为0.583～3.250时,常温下的火焰得到充分发展。当当量比为1.100时,爆燃的强度最大,火焰传播速度最高、最大压力及其上升速率达到极大值,而传播时间达到极小值。

（3）温度是影响爆燃过程的重要因素,温度变化对体积能量、声速、膨胀率、流速及化学反应均会施加影响。随着混合气温度的升高,压力攀升逐渐变缓,最大火焰传播速度下降,但仍大于550 m/s,传播时间先快速增加,然后趋于平稳。

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