微乳化柴油雾化及燃爆特性实验研究*

苗建敏　鲁长波　安高军　熊春华　解立峰

(1.南京理工大学化工学院　南京 210094；　2.中国人民解放军总后勤部油料研究所　北京 102300)



微乳化柴油雾化及燃爆特性实验研究*

苗建敏1,2鲁长波2安高军2熊春华2解立峰1

(1.南京理工大学化工学院南京 210094；2.中国人民解放军总后勤部油料研究所北京 102300)

采用马尔文Spraytec型激光粒度仪和液体燃料爆炸性能评定装置，分别测定微乳化柴油在不同喷雾压力下的雾化特性和燃爆特性，采用液体燃料持续燃烧性能测定装置测定微乳化柴油在无约束条件下的燃烧特性，并与-10号军柴进行对比评估。结果表明，随着喷雾压力的升高，微乳化柴油的雾化粒径逐渐减小，最大爆炸压力呈上升趋势；相同喷雾条件下，微乳化柴油相比-10号军柴雾化性能和爆炸猛烈程度均有所下降；无约束条件下微乳化柴油相比-10号军柴持续燃烧时间有所减少。在一定程度上，微乳化柴油的防火防爆安全性优于-10号军柴。

微乳化柴油雾化特性燃爆特性持续燃烧

0　引言

柴油作为一种易燃易爆的液体燃料[1]，其防火防爆技术主要是通过掺入适当比例的水和特殊功能的乳化剂，形成透明或半透明、各向同性的热力学稳定体系，即微乳化柴油[2]。微乳化柴油在燃烧时，油中的水会蒸发从而吸收大量热量、降低体系温度，达到中断燃烧过程的目的。另外，蒸发形成的水蒸汽会阻止空气中的氧气接近燃烧物体，稀释柴油附近氧气浓度，使得柴油蒸气的浓度达不到着火、爆炸的条件[3-4]。

通过实验室雾化及燃爆实验，研究微乳化柴油约束条件下雾化粒径、最大爆炸压力、平均爆炸压力上升速率随喷雾压力变化的规律及无约束条件下持续燃烧性能，并与-10号军柴进行对比评估，探讨微乳化柴油的防火防爆效果，为柴油防火防爆技术的研究提供参考。

1　实验部分

1.1实验试样及仪器

试样：(1)空白柴油：-10号军柴，取自南京军区；(2)微乳化柴油：由-10号军柴、水与复合功能乳化剂按一定比例配制而成。

按照国家标准相关检测方法[5-7]，分别测定微乳化柴油和-10号军柴的运动黏度(20 ℃)、闪点(闭口)和凝点，测试结果如表1所示。

实验仪器：(1)马尔文Spraytec型激光粒度仪，英国马尔文公司生产，粒径测量范围为0.1～2 000 μm；(2)液体燃料爆炸性能评定装置，吉林宏源科学仪器有限公司生产；(3)液体燃料持续燃烧性能测定仪，吉林宏源科学仪器有限公司生产。

表1　两种油样理化性能测试结果

1.2测试方法

1.2.1雾化性能测试

实验采用马尔文Spraytec型激光粒度仪测量喷雾粒径。实验前开启主机，预热5 min，设置实验参数，柴油折射率为1.45，数据采集频率为2.5 kHz，透光率为95%，即透光率降低5%时系统自动触发采集数据。粒径测试结构如图1所示。

图1喷雾粒径测试结构示意图

实验过程中直接测量样品颗粒的体积，其他数据(如粒径、面积、数量等)经过程序计算得出。实验主要采用Dv10，Dv50，Dv90，D[3][2]，D[4][3] 5种平均粒径对比分析微乳化柴油和-10号军柴的雾化性能。

(1)Dv10，Dv50，Dv90：小于此粒径的颗粒体积含量分别占全部总体积的10%，50%，90%。

(2)D[3][2]：表面积动量平均径，它最能反映真实的雾化品质。

(3)D[4][3]：体积或质量动量平均径[8]。

1.2.2约束条件下爆炸特性测试

采用液体燃料爆炸性能评定装置分别测定微乳化柴油和-10号军柴的爆炸特性。整套系统的构成可参考文献[9]。

实验样品用量为50 mL，点火能量为2 kJ，点火延迟时间为300 ms，进样仓关闭时间为300 ms，采集时间为3 000 ms。爆炸仓分别抽真空至90，80，70，60，50 kPa的绝对压力，样品仓充压压力P1分别为0.343，0.687，1.030，1.373，1.717 MPa，保证燃料点火前爆炸仓内压力配平至标准大气压。计算机自动控制点火，通过内置压力传感器记录爆炸过程中压力变化，得到爆炸压力-时间变化曲线，以最大爆炸压力(Pmax)和平均压力上升速率(τ)表征样品的爆炸特性。

球形爆炸仓压力配平至大气压的时间记为起爆时间t1，最大爆炸压力(Pmax)到达时间记为t2，平均压力上升速率(τ)即为：

(1)

1.2.3无约束条件下持续燃烧特性测试

采用液体燃料持续燃烧性能测定装置分别测定微乳化柴油和-10号军柴的持续燃烧时间。实验设定加热温度为100 ℃，达到设定温度后自动进样2 mL，恒温加热60 s后持续点火15 s，点火结束后火源自动移开，观察样品是否发生燃烧。计算机根据样品火焰热辐射强度自动记录样品的持续燃烧时间，以持续燃烧时间表征样品的燃烧特性。

2　结果与讨论

2.1不同喷雾压力下雾化特性分析

液体燃料的黏度指标在一定程度上影响其雾化特性，从而影响液体燃料的燃烧爆炸特性。液体燃料喷雾粒径分布过程主要包括形成阶段、扩散阶段和稳定阶段[8]。实验采用马尔文Spraytec型激光粒度仪分别测定不同喷雾压力下微乳化柴油和-10号军柴稳定阶段的雾化粒径分布，实验结果见表2。

表2　不同喷雾压力下的雾化参数　μm

由表2可以看出，随着喷雾压力增大，微乳化柴油的5个雾化平均粒径参数不断减小。喷雾压力为1.717 MPa时Dv10，Dv50，Dv90，D[3][2]，D[4][3]分别为130.4，321.2，653.0，249.4，368.0 μm，相比喷雾压力为0.343 MPa时分别降低64.0%，40.8%，15.2%，51.3%，33.8%。图2为激光粒度仪测得的不同喷雾压力下微乳化柴油粒径分布图，其中直方图为雾化液滴该粒径的体积分布，曲线为雾化液滴累积体积分布。喷雾压力为0.343 MPa时，雾化粒径均大于200 μm，粒径小于300 μm的雾化液滴仅占1.38%，大尺寸雾化液滴相对集中，粒径处于450 μm至650 μm之间的雾化液滴占58%。喷雾压力为1.717 MPa时，粒径小于100 μm的雾化液滴占2.82%，粒径小于200 μm的雾化液滴占24.24%，粒径分布较为均匀。由此可见，随着喷雾压力增大，微乳化柴油雾化平均粒径减小，粒径分布变宽，雾化更加充分。

对比表2中数据可以看出，在相同喷雾条件下，微乳化柴油的平均粒径参数大于-10号军柴。随着喷雾压力的增大，微乳化柴油的Dv50相比-10号军柴分别增加6.5%，5.8%，5.9%，7.3%，9.8%。对比图2(b)和图3可知，在喷雾压力为1.717 MPa的条件下，微乳化柴油和-10号军柴的雾化粒径分布趋势相似。该条件下，微乳化柴油和-10号军柴粒径小于100 μm的雾化液滴分别占2.82%和5.29%，粒径小于200 μm的雾化液滴分别占24.24%和26.69%。由此可见，微乳化柴油的雾化性能相对于-10号军柴在一定程度上有所下降。这是由于微乳化柴油的黏度大于-10号军柴，射流破碎雾化所需克服的界面张力就越大，导致在相同喷雾压力下的雾化粒径增大[10]。

(a)喷雾压力为0.343 MPa

(b)喷雾压力为1.717 MPa

图3　-10号军柴喷雾压力为1.717 MPa时粒径分布

2.2不同喷雾压力下爆炸特性分析

采用液体燃料爆炸性能评定装置分别测定不同喷雾压力下微乳化柴油和-10号军柴的爆炸特性，实验结果见表3。

从表3可以看出，随着喷雾压力升高，微乳化柴油的最大爆炸压力和平均压力上升速率均呈现上升趋势。喷雾压力为1.717 MPa时，其最大爆炸压力相比喷雾压力为0.343 Mpa时增加0.082 MPa，压力上升时间减少0.063 s，平均压力上升速率增加1.82 MPa/s。这是由于当喷雾压力较小时，雾化液滴粒径较大，雾化效果较差，在重力作用下迅速沉降，燃烧无法形成或者持续，导致爆炸压力较小[11]。随着喷雾压力增大，雾化液滴粒径减小，雾化更加充分，爆炸过程更加剧烈，导致爆炸压力上升。

对比表3中数据可以看出，在相同喷雾条件下，微乳化柴油的最大爆炸压力和平均压力上升速率均小于-10号军柴。为了更加直观地比较相同喷雾条件下微乳化柴油和-10号军柴的爆炸性能，根据爆炸仓内置传感器记录的爆炸过程压力变化数据，绘制喷雾压力为1.717 MPa时两种油样的爆炸压力-时间变化曲线，如图4所示。由图4可知，该喷雾条件下，微乳化柴油的最大爆炸压力比-10号军柴下降0.043 MPa，达到最大爆炸压力的时刻延后23 ms，平均压力上升速率降低1.33 MPa/s。这是由于一方面微乳化柴油中的水组分起到了吸热降温、隔绝空气、稀释气相燃料的作用，从而中断柴油着火爆炸的链式反应，达到防爆效果[11-12]，另一方面是由于微乳化柴油的黏度大于-10号军柴，雾化效果差，雾化粒径较大，导致燃烧爆炸效果差，爆炸压力降低。

表3　不同喷雾压力下的爆炸参数

图4　喷雾压力为1.717 MPa时的爆炸

2.3无约束条件下持续燃烧特性分析

采用液体燃料持续燃烧性能测定装置分别测定微乳化柴油和-10号军柴的持续燃烧时间，实验结果见表4。根据计算机记录的样品火焰温度数据，绘制温度-时间变化曲线，如图5所示。

表4　两种油样持续燃烧性能测试结果

由表4可知，微乳化柴油和-10号军柴在恒温加热60 s内均未发生自燃，均需仪器自动点火。微乳化柴油着火起始时间较-10号军柴延后0.9 s，持续燃烧时间减少23.7 s，2 500 ℃以上高温持续时间减少38.9 s。这是由于微乳化柴油在燃烧过程中分散相的水组分不断蒸发形成水蒸汽，隔绝油样与空气中的氧气接触，同时从油样表面吸收大量热量，从而降低火焰温度，进一步中断油样的燃烧过程，减少油样的持续燃烧时间[13-14]。

图5　火焰温度-燃烧时间变化曲线

从图5可以看出，两种油样燃烧开始阶段火焰温度均呈现快速持续上升趋势，开始燃烧30 s后均进入充分燃烧阶段。持续燃烧90 s后微乳化柴油火焰温度下降至2 000 ℃左右，而-10号军柴火焰温度仍处于2 500 ℃以上高温区域，根据观察，此阶段过程中微乳化柴油火焰明显呈现缩小趋势。持续燃烧160 s后微乳化柴油火焰完全熄灭，-10号军柴仍保持充分燃烧。

由此可见，无约束条件下微乳化柴油具有减少持续燃烧时间，降低火焰温度，抑制火焰增长的效果，在一定程度上其防火安全性能优于-10号军柴。

3结论

(1)随着喷雾压力升高，微乳化柴油雾化粒径逐渐减小，分布变宽，雾化效果更好。相同喷雾条件下，微乳化柴油雾化性能相比-10号军柴在一定程度上有所下降。

(2) 随着喷雾压力升高，微乳化柴油最大爆炸压力和平均压力上升速率呈上升趋势。相同喷雾条件下，微乳化柴油相比-10号军柴爆炸猛烈程度有所下降，具有一定的防爆效果。

(3)无约束条件下微乳化柴油相比-10号军柴持续燃烧时间减少23.7 s，2 500 ℃以上高温持续时间减少38.9 s，具有一定的防火效果。

(4)在一定程度上，微乳化柴油的防火防爆安全性优于-10号军柴。

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Experimental Study on Atomization and Combustion-Explosion Characteristics of Micro-Emulsified Diesel

MIAO Jianmin1,2LU Changbo2AN Gaojun2XIONG Chunhua2XIE Lifeng1

(1.SchoolofChemicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnologyNanjing210094)

The atomization and combustion-explosion characteristics of micro-emulsified diesel at different spray pressures are measured by the Malvern Spraytec and the instrument of evaluating the explosion properties for liquid fuel. The combustion characteristics of micro-emulsified diesel under the unconstrained condition is tested using sustainable combustion performance analyzer. Comparative studies have been carried on the atomization, explosion and combustion characteristics between micro-emulsified diesel and military diesel -10. Theresultsshowthatthedropletsizeofmicro-emulsified diesel decreases and the maximum explosion pressure rises with the increase of spray pressures; compared with military diesel -10, the atomization and explosion characteristics of micro-emulsified diesel are decreased under the same spray condition; under unconstrained condition, the sustainable combustion time of micro-emulsified diesel is also decreased. To some extent, the fire and explosion suppression security performance of micro-emulsified diesel is better than that of military diesel -10.Key Wordsmicro-emulsified dieselatomization characteristicscombustion-explosion characteristics sustainable combustion

2015-07-01)

科技部国际科技合作重大专项资助(2013DFR60080)。

苗建敏，男，1990年生，浙江舟山人，南京理工大学化工学院硕士研究生(南京理工大学与总后勤部油料研究所联合培养研究生)，主要从事微乳化柴油防火防爆安全特性研究。