可燃气体燃烧和阻燃流场的光谱测量技术研究

张莉聪，胡 洋，史晓亮

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

可燃气体燃烧和阻燃流场的光谱测量技术研究

张莉聪，胡 洋，史晓亮

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

在可燃预混气体爆燃过程中,会产生大量的短链自由基，如CH、OH等，而自由基的变化更能代表化学反应的过程，自由基自发光都有其对应的谱线分布，特征谱线包含了丰富的参数信息，利用特征谱线可对燃烧流场某些参数进行诊断和定量测量。本文设置了一套典型的自由基/自发光拍摄和阻爆测量系统，通过典型自由基荧光成像来研究可燃气体爆炸微观研究，依靠同步技术实现阻燃剂的喷射从而实现对对瓦斯爆炸的抑制作用。

可燃气体；燃烧和阻燃流场；光谱测量

Abstract: The premixed combustible gas in explosion process, will produce large amounts of free radical for short chain, such as CH, OH etc, the change of free radical is more representative of the chemical reaction, free radical in shining is corresponding to a particular spectrum line,the characteristic lines contain abundant parameter information, some parameters in combustion, can be diagnosed and quantitative measured by the use of characteristic spectral lines. The article sets up a set measuring system of self shooting luminous and explosion of resistance for typical free radical, the microscopic study of explosion of combustible gas was studied by using typical free radical fluorescence imaging, the injection of flame retardant is realized by synchronous technique so as to control the gas explosion.

Keywords:combustible gas; flow field of Combustion and flame retardant; spectral measurement

0 引言

煤矿瓦斯突出和煤自燃造成了中毒、火灾和爆炸事故，石油和化工企业中，油气和危化品运输、储存不当都会引起泄露、燃烧或爆炸事故。分析可燃气体燃烧爆炸事故原因可知，一般情况是由于可燃气体达到爆炸浓度界限，遇到火源引起爆炸，然后迅速传播，在传播过程中对周围设施和人员生命安全造成损害，爆炸传播过程中火焰波的发展变化特性决定了爆炸事故破坏程度的大小，国内外许多学者通过在激波管中布置压力传感器、温度传感器、火焰传感器等来研究反应过程中相应参数的变化，由于实际管道结构的激励作用和火焰结构的复杂性，这些宏观的数据无法满足更精确要求，在可燃预混气体爆燃过程中，会产生大量的短链自由基，如CH、OH等，而自由基的变化更能代表化学反应的过程[1-3]，自由基自发光都有其对应的谱线分布，特征谱线包含了丰富的参数信息，利用特征谱线可对燃烧流场某些参数，如：如温度、粒子数密度、压力、速度等进行诊断和定量测量。为此提出本论文的研究内容，设置一套典型的自由基/自发光拍摄和阻爆测量系统，通过典型自由基荧光成像来研究可燃气体爆炸微观研究，依靠同步技术实现阻燃剂的准确喷射从而实现对对瓦斯爆炸的抑制作用。

1 总体设计

在煤矿井下，虽然任何地点都有瓦斯爆炸的可能性，但大部分爆炸事故多发生在采煤与掘进工作面。一般情况下，采煤与掘进工作面的巷道空间布置形式可以简化为一端封闭一端开口或两端开口的管道空间模型，本实验即基于这种管道空间模型开展研究的[2,4]。

煤矿井下气体燃烧爆炸和阻爆的实验测试系统如图1所示：主要包括：点火控制器、甲烷爆炸实验管道、泄压罐、压力信号测量和数据采集系统、火焰信号测量和数据采集系统、爆炸流场光学显示系统、配气系统、激光器触发延时系统等。

图1 总体布置简图

管体主要包括点火段(点火法兰和点火段)、过渡段和实验段、真空舱(实验前抽真空)与管体通过膜片相连，以保证实验安全。气路、数据采集电缆和电源线分别通过相互隔离的沟槽，并与充配气系统集成在控制台。实验段和过渡段均设置专用光学窗口，用于流场显示和光谱测量(组分、温度)。

2 光学测量系统设计

光学测量实验段是整个设备设计最为重要、也最为复杂的环节。

爆炸流场光学测量系统包括连续/脉冲激光纹影、阴影和高速摄影等，也可给出观察窗流场冲击波系和火焰区随时间演化过程，燃烧区典型自由基(OH、CH等)发射光谱及其成像过程。图2给出了流场光学显示测量连接示意图。

图2 流场光学显示测量示意图1—He-Ne激光器；2—红宝石激光器；3—光强调节器；4—半透镜；5—光束调节器；6—扩束镜；7—平面反射镜；8—压电传感器；9—实验段；10—观察窗；11—凹面反射镜；12—刀口；13—滤光片；14—聚焦物镜；15—照相机；16—电荷放大器；17—延时器

要说明的是：瓦斯爆炸火焰速度为几十到几百毫秒，流场显示采用的高速纹影或高速摄影CCD相机及其脉冲激光光源、自由基瞬态发射光谱测量系统的ICCD相机、点火系统均需进行时间同步控制。根据不同测量对象选择不同的控制信号，如压力或火焰信号，才能保证得到的冲击波或火焰区的流场图像，因此，CCD或ICCD相机、脉冲激光光源、点火系统均需要进行时间同步控制[5]。

2.1 光谱仪和ICCD对于OH自由基光谱的调试

在瓦斯预混气爆燃过程中，会产生大量的短链自由基，如CH、OH等。自由基自发光都有其对应的谱线分布。自由基自发辐射的大部分能量集中在与特定能级对应的单个或多个较窄的波长范围内，辐射光强(或能量)和波长的对于曲线成为特征谱线。特征谱线包含了丰富的参数信息，如温度、粒子数密度、压力、速度等、利用特征谱线可对燃烧流场进行诊断和定量测量某些参数。图3给出了瞬态光谱的示意图，主要就是利用光谱仪和ICCD相机进行采集和分析。

图3 瞬态光谱示意图

光谱仪是光谱测量的基本设备。与扫描光谱测量方法不同，瞬态光谱测量系统可以一次性地记录特征谱线，因此需要借助快速成像系统，例如ICCD相机。图4给出了光谱测量系统装置图。光谱仪采用ANDOR公司的SR750，相机信号为T340。实验中，将汞灯放于光谱仪狭缝处，采用刻度为1200 g/mm光栅，拍摄CH、OH附近的瞬态光谱。ICCD相机曝光时间设置为0.02 s。

图5给出了汞灯对应的瞬态光谱扫描图，图中给出的是接谱(多个单张扫谱连接)，可以得出，在438.3 nm处波峰较强，与标准汞灯特征谱线吻合，得到了实验效果。

图4 光谱测量系统装置图

图5 汞灯瞬态光谱扫描图

图6给出了蜡烛火焰的特征谱线，从图中可以看出，波峰处对应的波长为347 nm处的光谱曲线，与308 nm的OH的特征谱线相差较大，分析可能是由于蜡烛火焰燃烧过程中产生了其他自由基或者是火焰整个结构的问题。

2.2 阻燃实验段的设计

采用电磁阀控制喷气或者喷液体的总量[8]，图7给出了示意图。

瓦斯阻燃实验过程就是在该实验段如下图8上完成的。

该段主要由电磁阀和喷射段组成，图9给出了喷射段的主要结构图片和电磁阀位置图。

本实验采用从下往上喷的方式，由电磁阀(响应度0.02 s)进行控制。

图10给出了喷射实验段内部装置图，为了能够保证管路中喷射的气体或者液体更加的均匀，凹槽处设有100个1 mm喷射孔。

图6 蜡烛火焰光谱图

图7 阻燃实验段示意图

图8 阻燃实验段装置图

图9 喷射装置图

图10 喷射实验段内部装置图

3 结论

(1) 完成了光谱测试系统的调试工作和阻燃实验段的设计。开展了指定中心波长瞬态光谱的测量研究工作，与标准的特征曲线进行了对比，实验结果可靠，系统运行正常。通过多次实验，确定了凹槽处设置喷射孔的数量和电磁阀响应速度。

(2) 在实验过程中，经常会有自发光的干扰现象，后来经过尝试，对于带有自发光的燃烧流场，还需在光路中插入合适半带宽的滤光片，才可以有效地消除流场自发光的影响。

实验过程中，发现有时自由基谱线相差很大，分析可能由于蜡烛火焰燃烧过程中产生了其他自由基或者是火焰整个结构的问题。

(3) 小尺度管道系统的几何约束强、点火能量低、采用尼龙传感器座子可有效隔离电磁干扰，但不能屏蔽较高能量的高压放电点火系统所产生的电磁干扰，本次实验过程中采用绝缘的尼龙段，消除了电极和管壁之间的放电干扰，保证了数据采集系统的正常工作，这也是和之前实验不同之处。

(4) 尽管搭建了阻燃剂喷射系统，但尚未开展阻燃问题的深入研究，下一步要继续开展瞬态光谱用于瓦斯爆炸流场光谱测量研究和不同阻燃剂阻燃效果的深入研究。

[1] Donald.N.H.C,Henry E.P.Mathematial Study of Propagating Flame and Its Aerodynamics in a Coal Mine Passway. Report of Investigation7908, Pisttsburgh Mining and Safety Research Center, Pisttsburgh, Califonia,USA,1974.

[2] 张莉聪，徐景德，吴兵,等.甲烷—煤尘爆炸波与障碍物相互作用的数值研究[J]. 中国安全科学技术, 2004,4(8):82-85.

[3] LinBaiquan and Qian liping,Research and application on the risk evaluation technology of gas explosion based on the WINDOM 2000. Mining Science and Technology,2014,227-232.

[4] 吴兵，张莉聪，徐景德,等．瓦斯爆炸运动火焰生成压力波的数值模拟．中国矿业大学学报,2005，34(4):423-428.

[5] 张莉聪，徐景德.瓦斯煤尘爆炸火焰传播机理的光学测量系统研究。华北科技学院学报,2010,7(2):20-23.

[6] Zhang-licong Xu-jingde Zhang Yulong.Numerical Simulation Of Shock Wave Structure In Gas Explosion. First.International Symposium on Mine Safety Science and Engineering,2011.

[7] 徐景德,张莉聪,黎体发,等.煤矿瓦斯爆炸事故中矿车激励效应的数值模拟[J].爆炸与冲击,2012,32(1):47-51.

[8] 廖钦.煤油及其裂解产物自点火现象的初步实验研究[D].合肥:中国科学技术大学2009.

[9] 许浪.瓦斯爆炸冲击波衰减规律及安全距离研究[D].徐州:中国矿业大学,2015.

StudyonSpectralmeasurementsystemfortheFlameofcombustibleGasinretardantflowfield

ZHANG Li-cong, HU Yang, SHI Xiao-liang

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

TD712+.7

A

1672-7169(2017)03-0027-07

2017-06-05

中央高校基本科研业务费资助(3162016004);国家自然科学基金(51374108)

张莉聪(1977-)，女，河北石家庄人，硕士，华北科技学院安全工程学院副教授。E-mail：zlc1429@ncist.edu.cn