水蒸气和壁面温度对富氧状态下甲烷-空气爆燃特性的影响

胡 强，温小萍，郭志东

（1.河南理工大学，河南 焦作 454000；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）

石油天然气工业是现代工业的重要组成部分，其时刻受到爆炸和火灾的威胁[1]。对于可燃气体相关的加工工业中，可燃气体爆燃危害广泛存在且往往造成巨大的损失和严重的损害。另一方面，日常使用的甲烷气体难免会含有水蒸气或者外部环境的改变，所以水蒸气和壁面温度对于甲烷-空气燃烧的影响值得研究。

国内外关于预混气体爆炸特性的研究较多。例如，LI等[2]利用固定床反应器探究了水蒸气对燃烧的影响，结果表明，水蒸气对甲烷转化有促进作用。HI ROYUKI等[3]研究了水蒸气对CH4-Air的灭火特性，发现了壁面温度为150 K时，水滴形成的水蒸气灭火效果最好。单天翔等[4]利用数值模拟研究水蒸气对甲烷燃烧的影响，结果表明，随着水蒸气摩尔分数的增加，甲烷燃烧火焰温度降低，水蒸气的加入强化了CH3→CH（2s）→CH2→CH→CH2O过程，同时强化了CH3→CH3O→CH2O过程，改变了甲烷燃烧的链式反应。张力等[5]研究了温度对微通道CH4/O2/H2O自热重整暂态特性的影响，结果发现壁面温度越增加，扩散系数越大，甲烷的转化率越大，进而加速了反应的进程。

上述文献均研究了水蒸气和壁面温度对预混气体爆炸的影响，但研究主要集中在饱和水蒸气对甲烷燃烧基元反应进程的影响以及壁面温度对甲烷反应速率的影响。所以，本研究利用不锈钢管实验平台，通过研究不同浓度的水蒸气和壁面温度对水的冷凝-蒸发过程和液膜的形成过程，进而探究其对甲烷燃烧反应的影响。

1 实验设计

1.1 实验装置

实验装置如图1所示，由密闭管道、点火系统、气体分配系统、水蒸气生成系统、压力采集系统和加热装置组成。密闭管道的内径为60 mm，长为1 200 mm，体积为3.4 L。压力采集系统包括采集卡、电源和高频压力传感器。将压力传感器安置在管道的右侧端面进行采集爆炸的压力。点火系统由点火源、点火头和点火开关组成。点火点位于密闭管道的右侧，点火源为压电陶瓷，通过对压电陶瓷施加压力放电来提供点火能量。放电时间很短，属于单次放电，对高频压力传感器的干扰很小。配气系统包括甲烷气瓶、氧气气瓶、氮气气瓶、混合器、连接管道以及3个高灵敏度的D08-1F型质量流量控制器。水蒸气生成系统由蒸汽发生器、注射器和温度控制系统组成。加热装置由温控仪和加热件组成，如图2所示。

图1 实验装置

图2 加热装置

1.2 实验工况及方法

本次实验为了更好地研究水蒸气和壁面温度对甲烷-空气爆燃的影响，采用富氧系数为E=0.3，水蒸气的通气时长为0、10、30、60和180 s，壁面温度为300 K（27℃）、323 K（50℃）、373 K（100℃）和423 K（150℃）。实验的过程中先将加热装置设定一定的温度进行加热处理，加热完毕后通过5倍体积法计算出各个气体的流量，采用连接管道将气体通入气体预混器中进行初次预混，再由连接管通入密闭管道中进行30 s的预混，点火前密闭管道内部为常压。另一方面，水蒸气生成装置连接2个带有控制阀的管道，通过对控制阀的作用来调节通入水蒸气的时长。为了保证实验的准确性，每一次实验结束后都进行管道的干燥处理，同时每个实验至少重复3次。

2 结果与分析

2.1 壁面温度对超压的影响

不同的壁面温度对超压的影响如图3所示。图中的横坐标是火焰压力在整个密闭管道中燃烧所有混合物所需要的时间T。壁面温度的变化从300~423 K。

图3 不同壁面温度下超压与时间的关系

这个过程可以将爆炸压力分为4个阶段：（1）火焰冲击波阶段；（2）升压阶段；（3）降压阶段；（4）余波阶段。在点火后，火焰开始蔓延，因为火焰燃烧中未燃气体与已燃气体发生激烈的碰撞同时产生大量的热量，气体的体积发生剧烈的膨胀，进而产生强烈的冲击波，火焰的超压在很短的时间内上升，火焰超压进入第一阶段。随后压力开始表现无规则的上升，进入升压阶段并达到峰值，也产生了振荡的行为。到达峰值以后火焰压力开始表现为降压阶段，由于燃料的消耗和反应过程中的热损失影响，火焰的超压开始慢慢地消散，然后开始转变为余波阶段。

如图3所示，在壁面温度为300、323和373 K时，火焰压力曲线整体趋势相同，其中壁面温度为300 K与323 K的曲线重合度最高。在环境温度（300 K）下，压力达到的最大峰值（T=113.9 ms；P=5.5 bar）；随着壁温升高，壁温为323 K，最大峰值为（T=115 ms；P=4.3 bar）；壁温为373 K，最大峰值为（T=105 ms；P=3.2 bar）；壁温为423 K，最大峰值为（T=341.61 ms；P=2.39 bar）。可见，在壁面温度大于或等于373 K时壁温对管道的内部的压力有很大的抑制作用。归因于不同壁面温度抑制燃烧产生的水蒸气在容器壁上冷凝-蒸发的过程，从而使壁面的液膜越来越难形成直至不生成液膜。在这种情况下水的冷凝-蒸发过程减弱或消失，管道内部的超压峰值降低，到达超压的时间缩短。

不同壁面温度下超压峰值和最大压力上升速率的关系如图4所示。最大压力上升速率的值分别是50.75 bar/s、37.39 bar/s、30.49 bar/s、7 bar/s。可见，两条曲线的基本走势一致，压力上升速率和超压峰值与壁面温度成反比例函数。结合图3可以发现壁温度的上升会抑制壁面液膜的产生，使管道内部产生更多的饱和水蒸气，进而影响密闭管道内部的超压变化。

图4 不同壁面温度下超压峰值和最大压力上升速率的关系

2.2 水蒸气时长对超压的影响

通过水蒸气生成装置向密闭管道注入水蒸气时，研究水蒸气的浓度变化对探究燃烧的特性有重要作用。研究不同水蒸气的时长对超压的影响，水蒸气时长为0 s时，最大峰值为（T=32.6 ms；P=3.6 bar）；水蒸气时长为10 s时，最大峰值为（T=62.6 ms；P=5.59 bar）；水蒸气时长为30 s时，最大峰值为（T=27 ms；P=2.91 bar）；水蒸气时长为60 s时，最大峰值为（T=175 ms；P=1.53 bar）；水蒸气时长为180 s时，最大峰值为（T=501.2 ms；P=1.97 bar）。综上所知，添加少量的水蒸气对CH4预混气体爆燃的发生有明显的促进作用，但是随着水蒸气浓度的增加，对于水蒸气的冷凝-蒸发过程被抑制，导致管道内部的爆燃压力减小和速度降低，进而发生抑制现象。

由图5可知，当水蒸气的时长为10 s时，超压峰值增大，水蒸气起着促进作用。由于燃烧反应中产生的热量被水蒸气迅速吸收，加速了水的冷凝-蒸发，致使压力增加。另一方面，随着水蒸气浓度增加，不仅迅速带走大量的热，也稀释甲烷和氧分子的百分比，进而减少甲烷和氧分子之间的接触反应。壁面的温度为常温，水蒸气的浓度越大，致使管道的壁面与气体中悬浮部分小水珠，进而破坏了链式连锁反应，从而增强了抑制的效果。另一方面，随着水蒸气浓度的增加，对于水蒸气的冷凝-蒸发过程被抑制，导致管道内部的爆燃压力减小和速度降低。随着水蒸气浓度增加，燃烧速率降低，体积膨胀比减小，火焰传播速度慢，导致火焰压力上升速率降低。

图5 壁面温度为300K时，不同水蒸气时长下超压与时间的关系

不同水蒸气时长下超压峰值和最大压力上升速率的关系如图6所示。最大压力上升速率的值分别是110.43 bar/s、89.3 bar/s、107.78 bar/s、3.93 bar/s。可见，在水蒸气时长为10 s时，超压峰值最大，最大升压速率低于水蒸气时长为0 s和30 s的速率。这种现象也侧面地验证了少量的水蒸气对爆炸压力有促进的作用，少量的水蒸气浓度，增加了水的冷凝-蒸发过程，推迟了压力峰值的到达时间，使压力峰值增大。水蒸气时长60 s时，超压峰值和最大压力上升速率迅速下降，最大压力上升速率相比较水蒸气30 s的速率下降了53%，可见60 s时的水蒸气浓度是一个零界点，对甲烷爆炸的抑制效果好。

图6 不同水蒸气时长下超压峰值和最大压力上升速率的关系

2.3 水蒸气时长和壁面温度对超压的影响

前面分析了水蒸气时长或壁面温度对超压的影响。图7展示了不同的水蒸气时长和壁面温度为373 K时对超压的影响。由图可知在壁面温度为373 K时，水蒸气时长为0 s时，最大峰值为（T=105 ms；P=3.2 bar）；水蒸气时长为10 s时，最大峰值为（T=330.6 ms；P=2.93 bar）；水蒸气时长为30 s时，最大峰值为（T=510.99 ms；P=1.98 bar）；水蒸气时长为60 s时，最大峰值为（T=151.66 ms；P=0.85 bar）；水蒸气时长为180s时，最大峰值为（T=95 ms；P=0.41 bar）。通过对壁面温度为27℃时的不同水蒸气的超压时长对比可知，超压峰值整体依次降低了11.11%、47.58%、35.39%、45.86%和79.19%。在不通入水蒸气时超压峰值下降了11.11%，在通入水雾之后超压峰值下降了47.58%，可见壁面温度对火焰爆炸压力的抑制作用低于水蒸气的抑制作用。在水蒸气时长为180 s时超压峰值下降了79.19%，相比较60 s的水蒸气时长，水蒸气的时长增加了3倍，也对爆炸压力产生了极大的抑制作用。主要因为在甲烷的燃烧过程中其主线是从OH、O、H自由基撞击甲烷分子产生甲基自由基开始的[6]，水蒸气的增加改变了密闭管道中OH、O、H自由基的浓度，进而影响了整个燃烧的过程。

另一方面，由反应的时间可知，随着水蒸气时长的增加，到达波峰的时间依次为：105 ms、330.6 ms、510.99 ms、151.66 ms和95 ms。可见到达波峰的时间与水蒸气的时长呈现出抛物线的形式，先增后减。由图7可知水蒸气时长为60 s和180 s时火焰的压力基本上没有明显的波峰产生，水蒸气时长为0 s时，压力出现了多个波峰；水蒸气时长为10 s时，压力出现了一个波峰，波峰的夹角在45°左右；水蒸气时长为30 s时，压力出现了一个波峰，波峰的夹角在90°左右。可见水蒸气的时长越大相对应的OH、O、H自由基的浓度越增加，进而抑制了助燃剂氧气的燃烧反应，导致甲烷的爆炸反应没有达到真正的波峰便开始下降。

不同水蒸气时长下超压峰值和最大压力上升速率的关系如图8所示。最大压力上升速率的值分别是30.5 bar/s；8.87 bar/s；3.88 bar/s；5.6 bar/s和4.3 bar/s。可见在壁面温度为373 K通入水蒸气之后，最大压力上升速率迅速下降，在水蒸气时长为60 s时，超压峰值和最大压力上升速率基本保持一致。结合图7可知，在无水蒸气时，管道的超压在峰值附近出现了振荡的反应，但是在通入水蒸气之后，密闭管道的压力曲线没有出现振荡的现象。由于火焰与壁面碰撞会发生触壁反应，进而产生压缩波，预混火焰的已燃气体与未燃气体的碰撞会产生大量的热，导致管道内部的气体体积膨胀，进而产生膨胀波；另一方面，因为声波的耦合作用会在密闭管道的壁面和端面产生反射波，3种波的相互作用会导致压力发生振荡的行为。然而在通入水蒸气之后，密闭的压力振荡的现象消失，可见水蒸气也会阻碍管道内部3种波的传播。

图7 壁面温度为373 K时，不同水蒸气时长下超压与时间的关系

图8 不同水蒸气时长下超压峰值和最大压力上升速率的关系

3 结论

（1）壁面温度是影响甲烷爆燃的重要因素。随着壁面温度的增加，导致甲烷爆燃产生的水蒸气不易或无法在管道上形成液膜，阻碍了水的冷凝-蒸发过程，进而抑制了反应的进行。

（2）水蒸气的浓度对密闭管道中甲烷-空气的爆燃有很大的影响。水蒸气时长为0 s时，最大峰值为（T=32.6 ms；P=3.6 bar）；水蒸气时长为10 s时，最大峰值为（T=62.6 ms；P=5.59 bar）；水蒸气时长为30 s时，最大峰值为（T=27 ms；P=2.91 bar）；水蒸气时长为60 s时，最大峰值为（T=175 ms；P=1.53 bar）；水蒸气时长为180 s时，最大峰值为（T=501.2 ms；P=1.97 bar）由此可知，低浓度的水蒸气有促进作用，高浓度的水蒸气有抑制作用。

（3）壁面温度和水蒸气的增加会抑制压力的振荡行为发生。无水蒸气时，壁面温度从300~423 K的增加，超压发生了振荡的现象。壁面温度为300 K时，在水蒸气的时长从0 s增加到180 s的过程中，0 s、10 s和30 s的压力曲线发生了振荡现象，壁面温度为373 K时，在水蒸气的时长从0 s增加到180 s的过程中，通入水蒸气后压力曲线无振荡的现象。可见，水蒸气会阻碍管道内部3种波的传播，进而抑制压力的振荡行为产生。