转炉煤气最小点火能的实验测定

匡 政

（安徽华电六安电厂有限公司，安徽六安237010）

转炉煤气最小点火能的实验测定

匡 政

（安徽华电六安电厂有限公司，安徽六安237010）

通过最小点火能测定实验台测出常温下五种转炉煤气的最小点火能，实验结果表明：随着CO当量比的增加最小点火能先减小后增大，最小值出现在CO当量比为1.5左右，且随着五种转炉煤气中CO体积分数的增加，最小点火能逐渐减小。利用实验值修正最小点火能理论计算公式，运用理论公式计算高温下（T=1273 K）转炉煤气的最小点火能，得到高温下5种转炉煤气的最小点火能分别为2.39×10-4mJ、2.04×10-4mJ、1.86×10-4mJ、1.76×10-4mJ、1.62×10-4mJ。

转炉煤气；最小点火能；CO当量比

1 前言

转炉煤气的显热及化学能占炼钢总过程放出能量的80%，而国内转炉煤气的回收量低，废烟气显热在钢铁企业余热中占37%，但烟气显热的回收率仅为14.92%[1]，因此，为降低我国转炉炼钢的能耗，回收利用转炉煤气的余热尤为重要。由于转炉煤气中含有CO和O2，在余热回收过程中的爆炸隐患是制约其发展的最主要原因。可燃气体爆炸的主要特征参数有绝热火焰温度、火焰传播速度、爆炸压力、最小点火能和爆炸极限等。对最小点火能进行研究就显得尤为必要。

2 最小点火能理论

当足够多的能量加入到可燃气体中，使和稳定传播的层流火焰一样厚的一层气体的温度升高到绝热火焰温度，则称此时可燃气体被点燃所加入的能量就叫做最小点火能[2]。但是目前国内外研究转炉煤气最小点火能量及相关爆炸参数变化规律的实验结果尚未见到，主要是针对烷烃类气体的最小点火能的实验和数值模拟展开研究[3-5]。F.A.WILLAMS根据能量守恒定律，通过判断着火的内在依据，近似地推导出最小点火能的理论计算公式为[6]：

式中，λav——平均导热系数，w/m·k；

Sav——平均层流火焰传播速度，m/s。

对于某些气体，式（1）已被Shigeo Kondo等人验证[7]。

但是利用式（1）直接计算转炉煤气的最小点火能，可能存在较大的误差，一般通过添加修正系数的方法进行修正，即：

其中，α——修正系数，一般通过实验确定。T∞及Sav均使用CHEMKIN软件计算。

3 转炉煤气最小点火能实验测定

3.1 最小点火能测定实验系统

本实验利用自行设置的最小点火能测定系统测量转炉烟气的最小点火能。具体实验装置如图1。本实验系统主要由进气系统、反应容器、电点火系统三大部分构成。

图1 最小点火能测定系统图

（1）进气系统

进气系统主要包括CO、H2、CO2、N2、O2储气瓶和真空泵，其中真空泵采用的是2XZ旋片式真空泵，本实验采用分压法配气，为解决配气不准确、波动大等诸多问题，本实验系统采用针阀调节进气速率，待气体配置完成之后，静止5 min，使气体混合均匀。

（2）反应容器

反应容器用有机玻璃制成，容积为0.3 L，在其两侧装入电极，其上部装有安全阀。

反应容器主要包括的设备有：

（a）电极，电极采用不锈钢制作，电极间隙为3 mm，曲率半径为0.5 mm；

（b）安全阀，当反应容器内的压力超过140 kPa时即可泄压。

（3）电点火系统

电火花发生器是电点火系统的核心部件，其功能是产生不同能量的静电火花。

3.2 实验流程

每次实验之前，都需要测定实验装置的气密性，具体步骤为：打开真空泵，将整个系统抽成真空，使真空度达到-0.1 MPa，静放20 min，观察压力变化，当压力变化小于0.1 kPa/min时，则反应装置的气密性良好。

实验测试过程主要包括以下步骤：

（1）利用真空泵将反应容器抽为真空状态。

（2）根据分压法，分别将H2、N2、CO2、O2、CO通过进气阀充入到反应容器中，通入的各气体由预先设置的预混气体浓度确定。

（3）待气体充入完毕，静止5 min，使气体充分混合均匀，且保证混合气体在点火时，处于静止状态。

（4）对点火能量实验台进行充电，等待充电完成之后，对预混气体进行点火，采用观察法，判定预混气体是否点燃。

（5）利用N2清洗反应容器内的废气，并用真空泵将反应容器及管路内的N2抽完，进行下一组点火实验。

3.3 实验工况

本实验选用五种转炉煤气，按转炉煤气和空气来配比实验气体，如表1所示。

表1 测定转炉煤气点火能实验工况

3.4 数据处理和计算

根据国标GB/T14288—93，采用升降法实验，得到50%点火能（E50）的计算公式为：

式中：V50——点燃率为50%时所对应的点燃电压，V；

C——充电电容，pF。

3.5 结果分析

本文采用观察法判断气体是否点着，图2是采用拍摄的实验气体点燃的图像，其中（a）是气体未点燃的图像，（b）是气体被点燃的图像。

苑春苗、李刚等研究得出少量氢气对转炉煤气的爆炸特性没有影响，所以本实验在此基础上所配的转炉煤气主要可燃成分为一氧化碳，定义CO当量比φ为：

式中，VCO——一氧化碳的体积分数，%；

图2 实验气体点燃图像

VO2——氧气的体积分数，%。

图3～图7是5#～9#转炉煤气的实验测定的点火能与CO当量比的关系。从图中可以看出，同一种转炉煤气的最小点火能都随着φCO的增加呈现出先下降后上升的趋势，且其最小点火能均出现在化学当量比为1.5左右。这主要是因为转炉煤气种含有大量的N2和CO2，而这两种气体对转炉煤气的燃烧起到抑制作用，使转炉煤气的最小点火能出现的位置整体向后移动。

图8表示的是五种转炉煤气的最小点火能实验值与煤气中CO的体积分数的关系。从图中可以看出五种转炉煤气的最小点火能随着煤气中CO体积分数的增加而减少，这是由于煤气中可燃成分相对于惰性成分的比例在增加，煤气更容易点着，使得煤气的最小点火能逐渐减小。

图3 5#转炉煤气最小点火能实验值

图4 6#转炉煤气最小点火能实验值

图5 7#转炉煤气最小点火能实验值

图6 8#转炉煤气最小点火能实验值

图7 9#转炉煤气最小点火能实验值

图8 五种转炉煤气最小点火能实验值

图9表示的是在不考虑修正系数的前提下，分别通过式（3）计算表1中的转炉煤气的理论计算值，从图中可以看出每种转炉煤气的最小点火能都随着当量比的增加，先减小后增大，通过理论值与实验值的比对，进行数据拟合，得到修正系数α为0.909。

图10～图14表示经过修正之后使用理论公式计算得到的五种转炉煤气最小点火能与实验测定值的比对曲线，从图中可以看出，五种转炉煤气最小点火能的实验值与理论修正值吻合得很好，相对误差小于10%，在工业允许误差范围之内。

图15表示的是五种转炉煤气的最小点火能实验值和理论修正值与煤气中CO的体积分数的关系。从图中可以看出五种转炉煤气的最小点火能的理论修正值都随着煤气中CO体积分数的增加而减少，这与实验测定的变化趋势是一样的。

图9 五种转炉煤气最小点火能理论值

图10 转炉煤气理论修正值与实验值对比

图11 转炉煤气理论修正值与实验值对比

图12 转炉煤气理论修正值与实验值对比

图13 转炉煤气理论修正值与实验值对比

图14 转炉煤气理论修正值与实验值对比

图15 转炉煤气理论修正值与实验值对比

图16 T=1073 K、T=1273 K五种转炉煤气最小点火能理论值

综上所述，得到转炉煤气最小点火能的理论计算式为：

4 高温下转炉煤气最小点火能计算

图16表示的是高温条件下（T=1073 K，T=1273 K）五种转炉煤气的最小点火能理论计算值与煤气中CO的体积分数的关系。从图中可以看出五种转炉煤气的最小点火能为：当温度为1073 K时，转炉煤气最小点火能分别为5.88×10-4mJ、5.76×10-4mJ、4.8×10-4mJ、4.68×10-4mJ、4.61×10-4mJ。当温度为1273 K时，分别为2.39×10-4mJ、2.04× 10-4mJ、1.86×10-4mJ、1.76×10-4mJ、1.62×10-4mJ。

5 结论

通过实验测量常温下五种转炉煤气的最小点火能修正理论公式计算得到高温条件下五种转炉煤气的最小点火能理论：当温度为1073 K时，转炉煤气最小点火能分别为5.88×10-4mJ、5.76×10-4mJ、4.8×10-4mJ、4.68×10-4mJ、4.61×10-4mJ。当温度为1273 K时，分别为2.39×10-4mJ、2.04×10-4mJ、1.86×10-4mJ、1.76×10-4mJ、1.62×10-4mJ。

[1]王毅，张早校.过程装备控制技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2]F.A.Willams(著)，庄逢辰，杨本濂（译）.燃烧理论[M].北京：科学出版社，1985.

[3]Shigeo Kondo,Akifumi Takahashi,Kazuaki Tokuhashi.Calculation of minimum ignition energy of premixed gases[J].Journal of Hazardous Materials,2003,11(23)：11-23.

[4]R.K.Eckhoff,M.Ngo,W.Olsen.On the minimum ignition energy (MIE)for propane/air[J],Journal of Hazardous Materials,2010, (175)：293-297.

[5]Jilin Han,Hiroshi Yamashita,Naoki Hayashi.Numerical study on the spark ignition haracteristics of a methane-air mixture using detailed chemical kinetics Effect of equivalence ratio,electrode gap distance,and electrode radius on MIE,quenching distance, and ignition delay[J]，Combustion and Flame，2010,157：1414-1421.

Experimental Determination of the Minimum Ignition Energy of Converter Gas

KUANG Zheng
(Anhui Huadian Luan Power Plant Co.,Ltd.,Luan,Anhui 237010,China)

The minimum ignition energy(MIE)for five types of converter gas at room temperature was determined through MIE experiment.Experiment results showed that with increase of CO equivalence ratio the MIE at first decreases and then increases,with the minimum appeared at around 1.5 of CO equivalence ratio,and the MIE gradually decreased with the increase of CO volume fraction in the five kinds of converter gas.The MIE theoretical formula was modified according to the experiment results and used to calculate the MIE for five kinds of converter gas under high temperature(1273 K),which were 2.39×10-4mJ, 2.04×10-4mJ,1.86×10-4mJ,1.76×10-4mJ and 1.62×10-4mJ,respectively.

converter gas；MIE；CO equivalence ratio

X756

B

1006-6764(2015)05-0010-04

2015－01－20

匡政（1988－），男，2012年毕业于安徽工业大学热能与动力工程专业，本科学历，现从事于火电集控运行工作。