2017年第12期：点火位置对氢气/甲烷/空气预混气体爆燃特性的影响

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20170369

第12期：4874-4881

点火位置对氢气/甲烷/空气预混气体爆燃特性的影响

郑立刚1,3，苏洋1，李刚1，王亚磊1，

朱小超1，王燕1,3，余明高2

（1瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454003；2重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；3煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454003）

摘

要

为研究不同点火位置下氢气/甲烷/空气预混气体的爆燃特性，改变点火位置IP和氢气添加比例φ，在100 mm×100 mm×1000 mm方形透明管道实验平台上开展爆燃实验。实验结果表明：火焰结构向泄爆端和封闭端传播时受点火位置和氢气添加比例的控制，当火焰向泄爆端传播时，郁金香火焰的形成因素由IP主导，当火焰向封闭端传播时，IP及φ共同作用于郁金香火焰的形成；IP和φ对火焰前锋演化的作用模式可以分为3类；当混合气体中φ小于0.25时，氢气添加对火焰传播速度的影响不明显；当φ不超过0.75时，仅当IP位于管道中后部时，超压出现周期性振荡，且点火位置距泄爆端越近，振荡时间越长；当为纯氢爆炸时，不同点火位置下压力振荡消失且到达最大压力峰值的时间基本一致；当φ不同时，最大压力峰值随点火位置的变化规律不同。

引 言

天然气作为一种常见的清洁能源被广泛应用于各行各业的生产与生活之中。然而，由于甲烷（CH4）中C－H键能较大，致使天然气燃烧速率慢，火焰传播速率低，稀燃时燃烧不完全，因此造成了天然气实际使用时热效率低、燃烧循环变动率大的缺点。针对甲烷燃烧特性的不足，可通过添加氢气有效提高甲烷的燃烧效率和火焰传播速度，并降低污染物的排放量。Salzano等研究了在密闭柱形容器内初始压力对不同含量的氢气/甲烷混合气体最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率和燃烧速率的影响。贾宝山等通过氢气促进瓦斯爆炸实验发现随着氢气含量的增加，瓦斯引爆时间逐渐缩短，爆炸强度随之增大；Wu等在竖直管道中研究了氢气添加对甲烷爆炸的影响，结果表明在输入热能相同的条件下，氢气添加提高了混合气体的总热通量；Faghih等研究指出，当混合气体中氢气比例超过70%时，爆燃指数随着氢气的继续加入成倍增长；Ma等认为，在泄爆条件下，当氢的比例低于50%时，压力最大上升速率轻微增加，而氢的比例高于50%时压力最大上升速率显著增加。针对以上成果，现有的甲烷/氢气混合气体爆炸特性研究主要集中于部分氢气添加比例下，而大范围氢气添加的研究较少，因此开展大比例含氢甲烷/空气预混气体的爆炸特性研究是十分有必要的。

尽管添加氢气后甲烷的燃烧特性得到了较大的改善，然而含氢的甲烷/空气预混气体仍是生产、运输及使用过程中不可忽视的危险源，具有较大的安全隐患。在燃料管道、阀门和高压储罐的缝隙和裂口中，氢气的泄漏率很高。由于含氢的甲烷/空气预混气体泄漏位置的不确定性，直接造成点火位置的不同，不利于爆炸事故的预防与控制。因此，在不同的点火位置下开展氢气/甲烷/空气预混气体爆炸特性的研究具有十分重要的意义。目前，学者们在泄爆条件下开展了相关实验研究，Park等在泄爆条件下进行不同点火位置的甲烷爆炸实验，发现点火位置在爆炸容器底部时超压最高，在顶部时超压最低；Guo等表明点火位置靠近泄爆端时，爆炸超压较小；冯长根等通过爆炸仿真模拟器研究了独头巷道中点火位置对瓦斯爆炸的影响，结果表明点火位置离封闭端越近，各测点所得到的超压越大；何学超等发现在90°弯曲管道中，水平点火与垂直点火时火焰的燃烧状态并不相同；Vishwakarma等利用圆柱形爆炸容器对甲烷/空气混合气体爆炸进行研究，发现点火位置位于中心时比位于壁面时的爆炸压力大。杜扬等针对常见的点火方式，对在泄爆条件下油气爆燃的超压瞬变与火焰行为进行了研究。此外，封闭管道条件下点火位置的影响规律，与泄爆条件下基本一致。Kindracki等研究了封闭管道内甲烷的爆炸超压，认为点火位置在中心时，压力最大，点火位置在底部时，压力次之，点火位置在顶部时，压力最小；Xiao等研究了封闭管道内氢气火焰形状及火焰传播速度随点火位置的变化规律。康杨等利用数值模拟对汽油/空气的爆燃转爆轰过程进行研究，得到了使DDT形成距离和时间最短的最佳点火位置。综上所述，点火位置对水平管道中氢气/甲烷混合气体爆炸特性的影响还缺乏深入研究。

针对现有研究的不足，通过在自行搭建的小型水平方管中开展实验，主要研究了在不同点火位置下，大比例含氢甲烷/空气混合气体中的爆炸特性，以期对预混气体的安全使用提供一定的理论支撑。

结 论

通过开展实验，分析了不同点火位置和氢气/甲烷不同配比下预混气体在方形透明管道内的爆炸火焰结构、火焰传播速度和爆炸压力变化特征，得出如下结论。

（1）火焰结构向泄爆端和封闭端传播时受点火位置和氢气添加比例的控制程度不同。当火焰向泄爆端传播时，郁金香火焰的形成仅与点火位置有关，即只在点火位置IP=0时才能形成郁金香火焰，且与氢气添加比例φ无关；当向封闭端传播时，点火位置IP=300、500、700和900 mm且φ=0.75，火焰向封闭端传播才形成郁金香火焰，即只在合适点火位置IP和特定氢气添加比例φ条件下才形成郁金香火焰。

（2）点火位置IP与氢气添加比例φ对火焰前锋发展与火焰传播速度的影响呈现不同规律，大致可分为3类：① IP=0、100 mm时，φ=0、0.25、0.50下的火焰前锋随时间变化率呈先加速、后减速再加速的变加速规律，而φ=0.75、1.00下的火焰前锋随着时间变化率呈加速状态；② IP=300 mm时，各φ值下的火焰前锋随时间变化率都呈持续加速状态；③ IP=500、700、900 mm时，火焰锋面随时间变化率出现转折点，且随着点火位置增加，转折点越来越明显。当氢气添加比例小于25%时，氢气添加对火焰传播速度的影响不大。

（3）点火位置对压力波有重要影响。当φ=0、0.25、0.50、0.75时，IP=500、700和900 mm的压力波呈周期性振荡；当φ=1.00时，压力振荡消失，且各位置达到压力峰值的时间基本一致。

（4）当φ不同时，压力峰值随点火位置的变化规律不同。当φ<0.50时，随着点火位置向泄爆端靠近，压力峰值呈单调递增规律；当φ>0.75时，随着点火位置向泄爆端靠近，压力峰值先增加后降低。点火位置位于管道中后部时，φ=0的爆炸压力峰值较φ=0.25、0.50、0.75更大。

1 实验装置与实验方法

图1 实验系统

表1 氢/甲烷/空气混合气的组成

2 结果与分析

2.1 混合气体爆炸火焰传播特征

图2 IP=0时火焰前锋变化（火焰向泄爆端传播）

图3 φ=0.75时火焰前锋变化（火焰向封闭端传播）

图4 郁金香火焰形成条件

2.2 混合气体火焰锋面与火焰传播速度变化特征

图5 不同点火位置下火焰前锋位置随时间的变化

图6 不同点火位置下火焰传播速度与火焰锋面关系

图7 火焰到达泄爆端时间texit

2.3 混合气体爆炸压力变化特征

图8 爆炸超压波形与点火位置的关系

图9 压力峰值与点火位置的关系