張 良,魏小林,余立新,張 宇,李 騰,李 博

（中國科學(xué)院力學(xué)研究所等離子體與燃燒中心,北京 100190）

1 引 言

轉(zhuǎn)爐煤氣含有60%以上的CO,是一種回收價值很高的中熱值煤氣。轉(zhuǎn)爐煤氣的初溫可達(dá)1 450℃,通常先經(jīng)過汽化冷卻煙道將煤氣降溫至850℃,然后采用濕法回收法或干法回收法,即噴水或噴水霧將煤氣劇冷至低溫后回收。除化學(xué)熱外,轉(zhuǎn)爐煤氣中包含了大量余熱,相當(dāng)于8～10千克標(biāo)煤/噸鋼。全部回收轉(zhuǎn)爐煤氣余熱必然存在爆炸的危險,因?yàn)樵诿簹庥酂峄厥者^程中爆炸的3要素都將會滿足:（1）轉(zhuǎn)爐的斷續(xù)生產(chǎn)使煤氣在煉鋼的開始和結(jié)束階段混入了一定量的空氣,很容易使混合氣體達(dá)到爆炸極限,特別在一些流動性不好的死角;（2）在回收余熱的余熱鍋爐內(nèi)煤氣會降溫至自燃點(diǎn)以下;（3）煤氣中的高溫?zé)焿m顆粒是引發(fā)爆炸的重要爆源。如何保證安全高效地回收轉(zhuǎn)爐煤氣的全部余熱并發(fā)電,是冶金行業(yè)節(jié)能減排工作的重要課題。管道內(nèi)的燃?xì)獗ū憩F(xiàn)出爆燃的特點(diǎn),而研究CO-air爆燃機(jī)理是轉(zhuǎn)爐煤氣余熱回收首要解決的問題?？紤]到轉(zhuǎn)爐煤氣具有較高溫度以及在回收管道中含有大量的障礙物,因此,究其本質(zhì)是要研究在不同初始溫度和管道內(nèi)有障礙物的情況下,CO-air爆燃過程中壓力和火焰速度的特性。

已有大量相關(guān)研究的報道,C.Chan等[1]在實(shí)驗(yàn)研究中使用CH4與空氣混合氣體,指出管道中障礙物的限制對火焰加速有正反饋?zhàn)饔?A.Teodorczyk等[2]和郭長銘等[3]的研究表明,襯有聲吸收材料的管壁對爆燃有明顯的抑制作用,如將氫氧混合物最終的火焰速度由1 000 m/s降至100 m/s,反映了壓力波對爆燃的作用。張建華[4]使用焦?fàn)t煤氣（58.5%H2、22.2%CH4、5.1%N2、2.1%CO、3.2%CO2、0.8%O2、8.1%CmHn）研究得出在一定范圍內(nèi)隨著管長的增加,最大爆炸壓力增大而火焰速度減小。余立新等[5-6]研究得出在阻塞比相同的情況下,障礙物形狀不對管道可燃?xì)獗急Z產(chǎn)生影響,其實(shí)驗(yàn)氣體包括 H2、C2H2 、水煤氣（58.5%H2、30.0%CH4、5.4%N2 、6.1%CO）、液化石油氣（76.18%C3H8、19.95%C3H6）和CH4等。關(guān)于CO-O2混合氣體爆轟速度的研究中得到該速度可達(dá)到1 700 m/s[7]。趙衡陽[8]指出在管道內(nèi)火焰加速機(jī)理中,初始溫度的影響沒有湍流機(jī)理作用大。

目前,研究較高溫度下的CO-air混合物的爆燃特性既有工程背景又有理論意義。本實(shí)驗(yàn)中將轉(zhuǎn)爐煤氣的主要成分CO和空氣混合加熱后在管道中點(diǎn)燃,通過對火焰信號和壓力信號的測量,探討CO爆燃特性以及化學(xué)當(dāng)量比和溫度對CO爆燃特性的影響。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示,空氣被電加熱器加熱后與CO混合,通過熱電偶測量混合物的溫度,達(dá)到設(shè)定溫度后再點(diǎn)燃混合氣體。管道內(nèi)混合氣體總流量保持在約36 Nm3/h,CO當(dāng)量比由調(diào)節(jié)空氣和CO的流量配比來控制。初始壓力接近外界大氣壓,出口是一個具有較大空間的消音器。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 A sketch map for the experimental setup

圖2 各測點(diǎn)距點(diǎn)火處的相對位置Fig.2 Layout of pressure and flame transducer ports

測量管道示意圖如圖2所示,點(diǎn)火端到出口的長度為5.26 m,其中光滑管壁段長度為2.76 m,障礙物段長度為2.50 m（分布10個等間距圓環(huán),截面積阻塞比為0.61）。沿管道軸線布置了7個壓力傳感器（上部）和7個光電火焰?zhèn)鞲衅鳎ㄏ虏浚┓謩e獲取壓力信號和火焰的光信號。本文中著重于研究障礙物段的爆燃特點(diǎn),因此把傳感器主要布置在障礙物段。壓力測點(diǎn)1距點(diǎn)火處1.77 m,光測點(diǎn)1位于點(diǎn)火端,用以確定點(diǎn)火時間。壓力信號測點(diǎn)2～7和光信號測點(diǎn)2～7距點(diǎn)火處距離分別相同,測點(diǎn)2～7之間分別相隔0.40 m,測點(diǎn)2距點(diǎn)火處3.08 m,其中火焰速度為相鄰2個光測點(diǎn)的平均速度（間距除以火焰通過這2個測點(diǎn)的時間差）。火焰?zhèn)鞲衅鞯捻憫?yīng)時間小于1 μs,滿足測量火焰速度的要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 壓力和火焰信號的分析

圖3 壓力和火焰信號Fig.3 Pressure and flame signals

圖3是測得的6號測點(diǎn)的壓力和火焰信號。圖中火焰信號從起跳到結(jié)束歷時約2.5 ms,而壓力信號起止時間約22.0 ms?；鹧嫘盘枏?qiáng)弱反映了化學(xué)反應(yīng)的劇烈程度,而化學(xué)反應(yīng)前后壓力劇變,因而2信號的峰值點(diǎn)存在對應(yīng)關(guān)系。由于壓力信號的測量滯后于光信號的測量,因此壓力信號峰值落后于火焰信號峰值。

3.2 火焰沿管道的加速過程

典型管道爆燃的火焰和壓力演變過程可見圖4。工況條件:CO當(dāng)量比 φ=1.250,初始混合氣溫度為300 K。光滑管段內(nèi)火焰加速緩慢,平均速度只有28.0 m/s,壓力幾乎為零;在比光滑管壁段稍短的障礙物段火焰速度和壓力迅速攀升,靠近出口端時火焰速度達(dá)到最大值749.1 m/s,壓力達(dá)到最大值0.71 MPa。由于出口的泄壓作用,壓力達(dá)到最大值后明顯降低下來。實(shí)驗(yàn)測得火焰從光測點(diǎn)1到光測點(diǎn)2的傳播時間為110.0 ms,而從光測點(diǎn)2到光測點(diǎn)7只用了4.3 ms,即火焰在光滑管壁段中的傳播占用了絕大部分時間。以上說明了障礙物對管道爆燃的作用顯著,使火焰速度和壓力得到了快速提高。

圖4 火焰速度和壓力演變過程Fig.4 Evolution of flame speed and pressure

3.3 CO當(dāng)量比對爆燃過程的影響

實(shí)驗(yàn)顯示,常溫條件下的CO當(dāng)量比為0.583～3.250（對應(yīng)CO質(zhì)量濃度為0.192～0.569）,火焰可以充分發(fā)展起來;而在上述范圍外火焰很難得到加速,混合氣體甚至不容易被點(diǎn)燃。初始溫度為300 K、CO當(dāng)量比 φ為0.583～3.250的情況下,最大火焰速度、火焰從點(diǎn)火處到達(dá)最后測點(diǎn)的傳播時間、最大壓力以及最大壓力上升速率隨CO當(dāng)量比的變化情況,如圖5所示。從圖5可以看出:

圖5 CO當(dāng)量比對不同物理量的影響Fig.5 Influence of CO stoichiometry on different physical parameters

（1）CO當(dāng)量比φ=1.100時,爆燃強(qiáng)度最大,此時最大火焰速度和最大壓力達(dá)到極大值,分別為752.0 m/s和0.76 MPa;

（2）火焰?zhèn)鞑r間隨CO當(dāng)量比的變化與最大火焰速度隨CO當(dāng)量比的變化正好相反,整個火焰的傳播時間為100.0～300.0 ms,CO當(dāng)量比φ=1.100時,火焰?zhèn)鞑r間最短,為113.2 ms,而φ=3.250時,火焰?zhèn)鞑r間最長,為289.4 ms;

（3）定義最大壓力的上升時間為壓力從零到最大值的時間間隔,最大壓力上升速率即為最大壓力值除以上升時間,和最大壓力一起構(gòu)成了爆燃的威力參數(shù)[8]。實(shí)驗(yàn)得到的最大壓力及其上升速率隨CO當(dāng)量比變化的情況相同,最大壓力上升速率也在φ=1.100時處于極大值,為485 MPa/s;

（4）φ的范圍主要分布在φ＞1.000區(qū)域,而在φ＜1.000區(qū)域內(nèi),隨φ的減小,最大火焰速度和最大壓力都很快減小。

由于化學(xué)反應(yīng)不完全以及燃燒產(chǎn)物離解需要一定能量,因而化學(xué)反應(yīng)速率最大時所需的燃料總比當(dāng)量比φ=1.000時稍多。實(shí)驗(yàn)得出φ=1.100時化學(xué)反應(yīng)速率最大,爆燃強(qiáng)度也對應(yīng)最大,離這一當(dāng)量比越遠(yuǎn)反應(yīng)劇烈程度越小。當(dāng)當(dāng)量比偏離0.583～3.250時,一種反應(yīng)物量相對太少很難均勻混合,同時初始湍流對微弱反應(yīng)具有破壞而不是加強(qiáng)作用,因而此時混合氣體很難被點(diǎn)燃。

3.4 溫度對爆燃特性的影響

選擇同一當(dāng)量比（φ=1.100）條件下的不同溫度作為新的工況條件,每個工況之間溫度差約100 K。圖6給出了壓力發(fā)展、最大火焰速度和傳播時間隨溫度的變化情況,表1為不同初始溫度下各位置點(diǎn)的火焰速度。通過這些數(shù)據(jù),可以看出:

（1）圖6（a）中不同溫度下的壓力發(fā)展趨勢相同,相應(yīng)位置點(diǎn)的壓力值隨溫度升高而普遍下降。壓力的發(fā)展基本滿足了隨溫度升高而變緩的規(guī)律,其中最大壓力從306 K的0.7 MPa下降到了805 K的0.25 MPa,可見高溫爆燃的沖擊破壞能力已經(jīng)明顯減弱了。

（2）圖6（b）中最大火焰速度隨溫度升高表現(xiàn)出下降趨勢,但即使升高到805 K的高溫,火焰?zhèn)鞑ニ俣热匀惠^快（大于550 m/s）,在進(jìn)行高溫CO爆燃的抑制研究時必須考慮到這一重要的速度值。

（3）比較表 1中 306、411和 511 K 等3種工況,各對應(yīng)點(diǎn)的火焰速度普遍減小,火焰加速呈減緩趨勢,傳播時間也迅速增加,見圖6（b）中的傳播時間曲線。繼續(xù)升溫至511 K以后傳播時間變化較小并有平穩(wěn)趨勢,說明511 K是火焰速度發(fā)展特性發(fā)生變化的一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在511、611和705 K等3種溫度下,光滑管壁段的火焰速度隨溫升緩慢上升（從20.4 m/s上升至22.8 m/s）,并且這種火焰速度隨溫升而上升的情況一直持續(xù)到了障礙物段的3.68 m處,正是由于此種情況才使得火焰?zhèn)鞑r間到511 K后平穩(wěn)下來。另外,在最高溫度805 K下爆燃最特別,火焰在光滑管壁段的速度最大（24.2 m/s）,在障礙物段的發(fā)展最緩慢（各位置點(diǎn)的速度都比其他溫度下的要低許多）,與705 K時相比傳播時間增加。

圖6 溫度對不同物理量的影響Fig.6 Influence of initial temperature on different physical parameters

由于溫度的升高,混合氣體的物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了以下5點(diǎn)轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致了上述壓力和火焰速度的變化:

（1）體積能量下降。隨著溫度升高,混合氣的密度下降,單位體積混合氣燃燒過程中釋放的化學(xué)能將下降[8]。而爆燃壓力是能量的釋放方式,并隨化學(xué)能減小而減小,因而溫度的升高必將導(dǎo)致爆燃產(chǎn)生的壓力下降。

（2）流體聲速提高。流體的聲速可表達(dá)為a=kRT,式中k、R和T分別表示絕熱指數(shù)、氣體常數(shù)和溫度。初始溫度升高后,流體的聲速提高[8],壓力波在流體介質(zhì)中的傳播會更快,將不利于爆燃發(fā)展過程中壓力波的堆積,成為了使壓力下降的又一因素。

（3）膨脹率下降。定義氣體燃燒的膨脹率為σ=ρ1/ρ2,ρ1、ρ2分別為燃燒前后的密度?；鹧婕铀偈芘蛎浡视绊?膨脹率大則火焰加速快[9]。單位體積化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量越少膨脹率越小[10],溫度升高引起的化學(xué)釋放熱量下降減小了膨脹率,從而降低了火焰?zhèn)鞑サ乃俣?。?中在306、411和511 K等3個溫度下各位置點(diǎn)處的火焰速度隨溫度升高而整體減小受到了此因素影響。

（4）流速增大。相同質(zhì)量流量下的混合氣體隨著溫度的升高體積流量將增加,表現(xiàn)為管道內(nèi)流速增大。這種流速的增大將使管道內(nèi)流體的初始湍動增強(qiáng),有利于物質(zhì)輸運(yùn)而促進(jìn)化學(xué)反應(yīng),以致加快初期的火焰?zhèn)鞑11]。

（5）化學(xué)反應(yīng)加快。一般燃燒反應(yīng)的速率隨溫度升高而增大,CO的燃燒也不例外,這種初始溫度的升高也將有利于加快化學(xué)反應(yīng)從而提高火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

表1 不同溫度下各位置處的火焰速度Table 1 Flame speed of every position at different initial temperatures m/s

4 結(jié) 論

（1）與光滑管壁相比,等間距圓環(huán)障礙物對管道內(nèi)爆燃的發(fā)展有顯著影響,火焰?zhèn)鞑ニ俣燃氨級毫υ谡系K物段明顯提高。

（2）CO當(dāng)量比為0.583～3.250時,常溫下的火焰得到充分發(fā)展。當(dāng)當(dāng)量比為1.100時,爆燃的強(qiáng)度最大,火焰?zhèn)鞑ニ俣茸罡?、最大壓力及其上升速率達(dá)到極大值,而傳播時間達(dá)到極小值。

（3）溫度是影響爆燃過程的重要因素,溫度變化對體積能量、聲速、膨脹率、流速及化學(xué)反應(yīng)均會施加影響。隨著混合氣溫度的升高,壓力攀升逐漸變緩,最大火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?但仍大于550 m/s,傳播時間先快速增加,然后趨于平穩(wěn)。

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