微乳化柴油燃爆性能研究*

刘 健，李 斌，解立峰，姚 箭，王永旭

(南京理工大学 化工学院，江苏 南京 210094)

0 引言

微乳化柴油(Micro-Emulsion Diesel简称MED)是由水、柴油、表面活性剂以及助表面活性剂所做成的、透明的、能自发形成的热力学稳定体系[1]，与传统柴油相比，不但能提高柴油的燃烧效率，降低尾气中烟度排放，也能够降低柴油在常温常压下的“燃烧或着火”的风险性，在一定程度上起了防爆抑爆的安全作用[2-4]。近年来有不少学者和企事业单位对微乳化柴油进行了研究，但多数集中在柴油配方、工艺研究以及机械设备应用上[5-7]。柴油作为1种易燃易爆燃料，其在运输、使用和储存过程中任何不安全行为都可能造成严重的燃烧爆炸事故。对柴油进行本质安全化设计，通过特定的生产工艺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术主要通过填充各种阻隔防爆材料来实现[8-11]，但各类阻隔防爆材料在长时间使用过程中会被腐蚀和破损并改变燃料的理化性质。为研究微乳化柴油的燃爆特性，以4种生产工艺制备的微乳化柴油为研究对象，对比不同生产工艺制备的微乳化柴油与-10号军柴的燃爆特性，并分析抑爆剂对微乳化柴油燃爆性能的影响，为进一步提高微乳化柴油防火防爆性能及日后相关标准的制定提供相应支持。

1 实验部分

1.1 实验装置与仪器

1)试验油桶：容积5 L，材质为20号钢，壁厚为2 mm。

2)油桶支架：800 mm高铁架。

3)高速照相机：Fastcam nltima APX型，日本Photron公司，试验拍摄速率为1 000帧/s，每帧1 024像素×1 024像素。

4)红外热成像仪：Mikronscan 7200V 型，美国Mikron公司，系统利用320×240微热辐射计UFPA探测器接收被测物体所辐射的红外线能量，其温度响应时间为2 μs。

5)验证铝板：尺寸为2 000 mm (w) × 2 000 mm(H) × 2 mm(T)，布氏硬度23，抗拉强度90 MPa。

6)高清摄像机等。

1.2 实验样品

1号油样：-10号柴油。

2号油样：磁力搅拌工艺制备，转速为2 400 rpm，搅拌时间10 min，含水量为5%，其余为-10号柴油。

3号油样：高速剪切工艺制备，转速为10 000 rpm，剪切时间10 min，含水量为5%，其余为-10号柴油。

4号油样：超声处理工艺制备，输入电压80 V，超声时间4 min，含水量为5%，其余为-10号柴油。

5号油样：静电喷雾工艺制备，外加电压13 kV，喷雾流速0.1 mL/min，含水量为5%，其余为-10号柴油。

6号油样：磁力搅拌工艺制备，转速为2 400 rpm，搅拌时间10 min，含水量为5%，抑爆剂含量为0.4%，其余为-10号柴油。

1.3 实验方法与实验布置

分别将盛装2.5 L的1～6号柴油油样的油箱加热至70 ℃后放置于金属支架上，油箱四周的3面(除下风面)距离其边缘4 m处竖直放置验证板，并且使见证板中心与油箱中心同高。用8号电雷管和18 g海萨尔炸药起爆，试验起爆位置选择油箱内油气界面处。高速摄像机、普通摄像机和红外热成像仪置于距油箱中心30 m处。高速照相机用于记录柴油油箱爆炸和抛撒过程，红外热成像仪用于采集燃烧火焰的表面温度，实验布置如图1所示。

图1 试验场布置示意Fig.1 Schematic of experimental

2 实验结果分析

2.1 柴油的燃爆特性

以起爆瞬间为0时刻，图2为高速照相机拍摄的微乳化柴油油箱在典型时刻的燃爆过程图像，图2(a)为-10号柴油抛撒情况；图2(b)为4种不同工艺生产的微乳化柴油燃爆情况,由于燃爆特性差别不大，选择经过磁力搅拌工艺生产的2号微乳化柴油的燃爆过程为例进行对比；图2(c)为添加入高分子抑爆剂后微乳化柴油的燃爆过程。从高速图像上看出-10号柴油正常起爆时油箱发生爆炸，形成火球持续燃烧，并形成大面积池火，火球持续时间为1 848 ms，池火持续时间为121 s。微乳化柴油油样抛撒规模较小，池火自熄灭，其中磁力搅拌工艺生产的微乳化柴油其火球持续时间1 320 ms，池火持续时间1 100 ms，高速剪切工艺微乳化柴油其火球持续时间为1 240 ms，池火持续时间1 150 ms，超声处理工艺微乳化柴油火球持续时间为1 420 ms，池火持续时间1 500 ms，静电喷雾工艺微乳化柴油火球持续时间为1 380 ms，池火持续时间1 000 ms，加入0.5%抑爆剂的微乳化柴油火球持续时间为860 ms，全过程未出现池火。

从图2柴油燃烧的照片直观上看，0 ms起爆药起爆瞬间，在油桶顶部迅速形成火球，颜色为亮白色；1～100 ms油桶顶部柴油蒸气发生爆炸，火球迅速发展，并包围整个油样，油样整体发生燃烧，颜色更为明亮火球迅速膨胀，其中-10号柴油爆炸火球尺寸最大，形成池火规模最大，加入抑爆剂的微乳化柴油横向直径最小，油样抛撒不明显。随后火球由亮白色逐渐转变为暗红色，并形成乌黑色浓烟。试验表明，4种工艺生产的微乳化柴油在防火防爆性能上无太大差别，且在一定程度上优于-10号柴油。因为微乳化柴油体系中的水份能够通过气化过程吸收大量热量降低温度[12-13]，稀释油蒸气温度，隔绝油料和空气，达到阻燃防火效果。而6号油料由于高分子聚合物抑爆剂的添加可使柴油黏度增大(实验中-10号柴油运动黏度为3.934 mm2/s，而添加抑爆剂后油料的运动黏度为20.850 mm2/s)，抗抛撒性能更强，限制了油蒸气与空气的充分混合，从而抑制油蒸气的爆炸火球尺寸，降低油料静爆过程的危险性。

图2 柴油燃爆过程典型照片Fig.2 Typical pictures of combustion and explosion process for diesel

2.2 燃爆火球温度场分布

图3是红外热成像系统拍摄的6组实验静爆过程中温度最高时刻红外热成像图。运用系统自带软件对所记录的图像进行处理，得到爆炸火球最高温度和尺寸，见表1。

图3 油料最高温度时刻红外热成像照片Fig.3 The infrared images of diesel at their highest temperature

柴油火球表面最高温度θ/℃1000℃以上高温持续时间t/ms最大火球直径d/m最大火球高度h/m1号样品13249904.216.282号样品12137263.325.453号样品12647923.135.734号样品12418253.465.905号样品12467263.185.876号样品11001652.184.90

根据图3和表1中可以看出，盛装不同柴油的油箱静爆过程发生不同规模的爆炸现象，4种工艺生产的微乳化柴油在抑制爆炸火球参数方面起了一定程度作用，但之间差距不明显。加入抑爆剂后爆炸火球高温持续时间、火球直径和火球高度有了明显衰减。与1号样品相比，2～6号样品其爆炸火球体积分别约降低了40.61%，37.91%，27.46%，34.01%和68.47%，添加高分子抑爆剂的6号样品爆炸火球之所以降低如此明显，可能因为添加抑爆剂的微乳化柴油中抑爆剂分子链在静爆抛撒过程下会发生“链缠结”情况，相关学者研究说明[14-15]，高分子链可能处于高度缠结状态，这种缠结类似于物理交联，在内部形成了拟网状结构。“链缠结”可能包括自缔合、互补缔合、末尾缔合等3种缔合方式，具体如图6所示，该结构能使油料抛撒时流动阻力增大，需要的能量更大，从而起到了良好的抑爆效果。

图4 高分子链缔合方式Fig.4 The association pattern of polymer chain

3 结论

1)将6种不同柴油样品在无约束条件下的燃爆特性与-10号军用柴油进行对比分析发现，微乳化柴油有较好的抑爆作用，爆炸火球温度和尺寸明显减小；抑爆剂的添加能够有效降低爆炸火球温度与尺寸，且无池火产生。

2)相同条件下，4种工艺制备的微乳化柴油的燃爆性能接近，燃爆火球温度与尺寸接近。与-10号柴油相比，磁力搅拌微乳化柴油、高速剪切微乳化柴油、超声处理微乳化柴油和静电喷雾微乳化柴油其爆炸火球体积分别降低了40.61%，37.91%，27.46%和34.01%。就抑爆效果而言，磁力搅拌工艺制备的微乳化柴油效果最佳，略优于其他工艺。

3)加入高分子聚合物抑爆剂的微乳化柴油，能有效起到抑爆效果，给油料本质安全化设计提供参考，对于推动燃料安全技术发展有一定参考意义。

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