甲烷添加对氢气燃爆特性的影响1)

2022-08-19万小刚代鸿超李倩倩王金华黄佐华兰雪影常雪伦

力学与实践 2022年4期

万小刚刘伟方坦代鸿超蔡骁李倩倩王金华 ,2)黄佐华兰雪影常雪伦

*(中国电子科技集团第三十八研究所，合肥 230088)

†(国家电投集团科学技术研究院有限公司，北京 102209)

**(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安 710049)

在碳达峰、碳中和的目标下，太阳能、风能等可再生能源快速增长，但其波动性是主要难题。氢气由于具备不含碳、可再生等优点被视为有前途的清洁能源载体。将波动的可再生能源转化为包括氢气在内的多种形式，再转化为稳定的电能输出，是有效的储能和综合能源利用方式。与甲烷、丙烷等传统气体燃料相比，氢气具有更宽的可燃极限、更低的点火能量和更高的燃烧速度，如果发生泄漏会导致更加严重的燃爆风险[1-2]。因此，燃爆是氢气制备、储存、输运和应用全过程中的重要安全问题，是氢气大规模应用必须攻克的难题。掺混少量烷烃如甲烷，可以在保持氢气热值的同时显著降低氢气燃爆风险，因此甲烷/氢气燃料在氢气利用方面引起了广泛关注[3-4]。为了保证氢气的安全利用，必须开展富氢/甲烷燃料的爆炸特性研究，为爆炸风险评估提供依据。

可燃极限是评估可燃气爆炸风险最常用的参数之一，分为浓燃极限（upper flammable limit,UFL）和稀燃极限（lean flammable limit, LFL）。关于氢气、甲烷可燃极限的研究已经逐步开展[5-8]。Li等[9]通过20 L的球形容器研究了添加氢气对甲烷LFL的影响，发现加氢降低了甲烷LFL。Van den Schoor等[10]评估了三种数值计算方法对氢气/甲烷/空气混合气UFL的预测准确性，并提供了燃料中氢气体积占比最多40%的UFL数据。最近，Hao等[11]将0～2%体积分数的氢气添加到贫燃、化学计量比、富燃的甲烷/空气预混气中研究氢气对甲烷/空气预混气可燃极限的影响，发现预混气UFL和LFL均呈线性下降趋势，LFL降低更加明显，导致可燃范围增加。

燃爆压力也是可燃气爆炸风险评估关注的重要参数之一。最近，研究人员针对甲烷/氢气/空气混合气的燃爆压力开展了一系列的研究[12-15]，表明添加氢气到甲烷中会提升混合气燃爆压力。Shen等[16]利用容积为20 L的球形容弹开展氢气燃料体积含量0～30%变化下氢气/甲烷/空气混合气的燃爆压力实验研究。结果表明，混合气的层流燃烧速度随氢含量增加而增大，但氢含量在小于30%时混合气最大爆炸压力与甲烷非常接近。文献[17]在化学当量比（φ）等于1的情况下，对氢气/甲烷/空气（燃料中氢摩尔含量为 10%）的爆炸行为和纯甲烷/空气混合气进行了对比实验研究。结果表明，低氢气含量对最大爆炸压力、爆燃指数的影响可以忽略不计。进一步的研究表明，当燃料中氢含量超过50%时，氢气/甲烷/空气的最大压力升高率和层流燃烧速度显著提升[18]。Li等[19]采用 20 L球形容器实验研究了贫燃氢气/甲烷/空气混合气爆炸的温度依赖性，发现添加氢气对稀燃甲烷/空气的影响体现在热损失变化引起的火焰速度加快和爆炸时间增长上。最近，Yang等[3]针对氢气占比为80%的混合燃料研究了富氢/甲烷/空气当量比对燃爆压力变化规律的影响，结果发现当量比对压力发展历程有强烈影响。已有研究表明，目前对甲烷/氢气/空气混合气燃爆压力的研究还局限于较低氢气含量，甲烷添加、当量比改变对氢气燃爆压力的影响机理也需要进一步探究。

综合以上研究可以发现，在密闭容器中开展甲烷掺混对氢气可燃极限以及燃爆压力影响的研究对纯氢、富氢燃料的利用具有十分重要的指导意义。然而已有研究大多局限于燃料中氢含量不高于80%和较窄的当量比工况，富氢气/甲烷/空气的基础燃烧爆炸数据仍然缺乏。本研究旨在研究0～100%体积含量甲烷添加对氢气/甲烷/空气混合气可燃极限的影响规律，获取纯氢气与10%甲烷/90%氢气混合气在当量比0.3～2.0下的爆炸压力演变，进而揭示当量比和添加甲烷对富氢可燃气燃爆特性的影响机理，为氢气的安全应用提供数据与理论支撑。

1 实验装置和方法

本研究可燃极限与燃爆实验在内部直径300 mm，长310 mm，容积约22 L的不锈钢圆柱形定容燃烧弹中开展，实验装置如图1所示。实验系统主要由定容燃烧弹腔体、高速纹影系统、配气系统、点火系统、温度压力数据采集系统等子系统组成。定容燃烧弹两端各装有一片光学直径为150 mm的石英玻璃形成光学通道，便于高速摄影系统记录火焰传播历程。容弹腔体外侧缠绕加热带，通过温度不确定度为±3 K的比例积分微分控制系统进行腔内气体温度控制。一对钨电极水平径向布置在腔体内用于火花点火。在实验中，燃料、氧气和氮气按照分压定律被依次通入已抽真空的容弹中。等待10 min确保气体达到静止状态并完全混合后，混合气通过放电火花引燃，同时腔室内爆炸压力随时间的变化关系被压力传感器（Kistler 7001）搭配一个电荷放大器（Kistler 5011）以100 kHz的取样频率记录，火焰传播过程使用高速相机（Phantom v611）以752×752像素、5000帧/秒记录。燃烧结束后，燃烧弹被抽真空，接着通入干空气重复冲洗3～4次以避免上次实验残余气体的影响。每个实验工况重复2～3次，以确保实验的重复性，减少随机误差。作为实验波动幅度参考值，多次重复实验获得的标准差值被作为误差棒在图中给出。本装置符合ASTM E918 标准，在测试可燃极限时电极间隙设置为5 mm，采用15 kV，30 mA标准电源，放电持续0.2 s。在开展可燃物爆炸特性实验中，采用高压包放电，点火间隙2 mm，点火能约100 mJ。本研究实验空气由摩尔比为21/79的O2和N2配制获得。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

对于爆炸特性研究，爆炸压力峰值Pmax，爆炸时间tc，最大压力升高率(dp/dt)max是定量表征爆炸危险性和后果的最重要参数[20]，可以从压力时间曲线中获取。压力曲线由于燃烧噪声、燃烧不稳定性以及电信号和机械噪声的干扰往往会出现振荡，为了获取具有统计意义的爆炸参数，平滑滤波常被引入。滤波选用过宽或过窄的窗口点都是不合适的，根据Sun[21]的建议，平滑滤波前后需要保持ta在±3%偏差范围内，其中ta为压力变化率增长至峰值50%处所需时间。图2为滤波前后的压力曲线（在纯氢气当量比0.4的工况）。图2对比了原始数据与平滑滤波处理后的曲线，平滑滤波通过Savisky–Golay方法进行，参数设置为二阶多项式和30点数据窗口。可以发现，尽管峰值压力处有较大的波动，但整体压力时间曲线变化不大。压力升高率dP/dt去除振荡前后的差距较大，原始的压力升高率均匀分散在平滑滤波值附近。滤波前后对应的ta分别为67.91 ms和68.55 ms，相对误差仅约为1.09%，低于3%的标准，因此数据处理过程可以认为是合理和可接受的。如图3所示，峰值压力为压力最高值，从点火时刻到压力到达峰值对应的时间为爆炸时间tc。对于球形火焰，tc火焰面刚好与腔室内壁接触，在此之前燃料放热始终大于热辐射，tc时刻燃烧热释放率等于热损失速率。而对于柱形容器，不能简单认为tc时刻燃料刚好燃烧完成。最大压力升高率对应压力随时间上升最快的速率，其大小用图中虚线斜率表示。

图2 平滑滤波前后的（a）压力时间曲线与（b）压力升高率时间曲线Fig.2 Curve comparison before and after smoothing filter processing: (a) Pressure-time curve and (b) Pressure rise rate-time curve

图3 爆炸参数的定义Fig.3 Definition of explosion parameters

由于压力升高率与燃烧容器的形状大小有密切的关系，在实际应用中，通常采用爆炸因子KG用于衡量封闭空间内的爆炸危险性，定义为KG=(dP/dt)maxV1/3，其中V是容器的体积。该参数在考虑了最大压力升高率的基础上，进一步考虑了封闭空间尺寸的影响，因此该参数只取决于可燃混合物。

2 结果与讨论

图4显示了在氢气/空气预混气中添加甲烷后UFL和LFL以及可燃范围的变化规律。可燃极限为可燃气在可燃气/空气混合物中体积占比或摩尔分数，可通过UFL(LFL) = mol(CH4+ H2)/[mol(CH4+ H2) + mol(air)]计算获得，可燃范围为UFL与LFL差值。XCH4代表甲烷在甲烷/氢气二元燃料中的摩尔分数，通过XCH4= mol(CH4)/[mol(CH4) + mol(H2)]计算获得。本部分实验在298 K初始温度和101.3 kPa初始压力下开展，其中XCH4= 0～100%。进一步说明，本研究中可燃极限是接近可燃却不可燃的燃料气体积占比，测试精度为±0.1%。可以看出，在甲烷体积含量从0%增加到10%的过程中，混合气的UFL从75.9%降低到53.0%，下降了22.9%。由此可见，添加10%甲烷即可对氢气的可燃性质产生显著的抑制效果。随着XCH4从30%增加至50%，UFL从35.1%降低至26.5%，仅下降16.6%，这意味着向纯氢气中添加甲烷，能够持续降低氢气的UFL，且降低程度随着甲烷含量持续增加而减小。

图4 甲烷添加对混合气可燃极限的影响Fig.4 Effect of methane addition on flammability limit of mixture

由于氢气和甲烷在空气中的LFL分别约4%和5%，可以预见，相比于UFL变化程度，甲烷添加对氢气的LFL影响很小。因此，氢气预混气的可燃范围随甲烷的添加呈现指数式下降趋势。甲烷掺氢可燃气的可燃极限测试值见表1。为了深入研究高氢含量下氢气/甲烷/空气预混气的爆炸特性，下面选取XCH4= 10%的甲烷/氢气混合气开展变当量比条件下的燃爆压力研究。

表1 不同甲烷含量下氢混合气的可燃极限Table 1 Flammability limit of hydrogen mixture with different methane content

氢气/空气与氢气/甲烷/空气在宽广当量比下的压力演变历程如图5所示。对于所有当量比下爆炸过程的压力时间曲线都可以分为恒压阶段、增压阶段和降压阶段。在恒压阶段，密闭容弹内瞬态压力保持在初始值，此时球形火焰直径较小，火焰面外的大部分未燃气仍然保持初始的理化性质。在增压阶段，受传播火焰面内化学反应影响，未燃气质量分数大幅减小，球形火焰内部的已燃气质量分数大幅增加。混合气在点燃后，腔室内的压力逐渐增大到最大值后，因热损失的增加又逐渐降低，甚至降低至初始压力以下。

图5 （a）氢气/空气与（b）氢气/甲烷/空气在宽广当量比下的压力演变过程Fig.5 Pressure evolution process under a wide equivalence ratio of (a) hydrogen/air and (b) hydrogen/methane/air

图5(a)为氢气/空气的压力时间变化曲线。可以发现，当量比的影响显著。随着当量比的增加，峰值压力先增大，后降低。值得注意的是，氢气/空气的压力峰值在稀燃侧随当量比改变较大，但在当量比1.2～1.6处较为接近，这是由于氢气的绝热火焰温度Tad最大值出现在略微富燃侧，因而富燃侧爆炸释放的热量随当量比的改变相比于贫燃侧更小。此外，稀燃侧点火触发到峰值压力的时间随当量比变化的差别较大，但浓燃侧差别很小。图5(b)给出了添加10%体积含量甲烷的混合气燃烧压力时间曲线。同样地，随着当量比的增加，压力峰值先增大后减小，但是恒压段时间明显缩短。不同当量比下，富氢/甲烷/空气压力曲线峰值压力对应的时间均超过0.5 s，约为氢气/空气的10倍，这意味着加入甲烷会大幅降低氢混合气的燃爆速度。

图6给出了添加甲烷前后氢混合气的归一化最大爆炸压力、绝热爆炸压力和绝热火焰温度随当量比的变化规律。本研究在φ = 1.0下的结果与Xie等[22]和Li等[23]的文献值十分接近，证明了本实验装置的准确性，适合于氢混合气爆炸特性的研究。随着当量比增加，归一化最大爆炸压力先升高后下降，峰值出现在φ = 1.0附近，与是否掺混甲烷无关。混合气较稀时，归一化最大爆炸压力对当量比的变化较为敏感，而在浓燃条件下变化趋势则较为平缓。添加甲烷后，在φ =1.0附近，最大爆炸压力略有降低，但总体十分接近。为了消除热损失的影响，引入绝热爆炸压力。绝热爆炸压力假设火焰传播是恒定容积和绝热过程，本研究采用式（1）计算绝热爆炸压力，

图6 氢气/空气和10%甲烷/90%氢气/空气的（a）归一化最大爆炸压力Pmax/P0和绝热爆炸压力Pa/P0以及（b）绝热火焰温度Tad随当量比的变化Fig.6 (a) Normalized explosion max pressure Pmax/P0 and adiabatic explosion pressure Pa/P0 and (b) adiabatic flame temperature Tad change with equivalent ratio for hydrogen/air and 10% methane/90% hydrogen/air

式中，Pa代表绝热爆炸压力，P0代表初始压力（101.3 kPa），Ta代表绝热火焰温度，na和n0分别代表已燃气和未燃气分子数。Xie等[22]指出最大绝热火焰温度与最大绝热爆炸压力对应的当量比是一致的，两者都出现在φ = 1.1处，这与本结果相符。值得注意的是，掺混甲烷后的氢混合气在φ = 1.0处的最大绝热爆炸压力更高，这意味着实验得到的最大爆炸压力不仅仅取决于燃料燃烧释放出来的热量，还与壁面热损失相关。这归因于向氢气中添加甲烷减弱了化学反应，混合气层流燃烧速度降低，腔室内燃烧持续时间增加，因而传导到壁面的热量损失增加，导致φ =1.0处峰值压力略有降低。

爆炸时间tc与达到最大爆炸压力的时刻密切相关，对于安全装置的设计和确保压力容器的主动保护也非常重要。图7展示了不同当量比和添加甲烷对爆炸时间和层流燃烧速度的影响。可以看到，对于氢气/空气混合气，爆炸时间随当量比的增加单调减小，爆炸时间到达最小值后，爆炸时间几乎保持不变；而添加甲烷后，随当量比的增加，爆炸时间会在φ ＞ 1.2以后略有增加。相反的趋势出现在层流燃烧速度的变化过程中，如图7虚线所示，即氢气/空气层流燃烧速度随当量比增大先升高后略微降低，在φ = 1.6附近达到最大值。而添加甲烷后混合气爆炸时间随当量比的改变呈现相同趋势，尤其是在当量比0.3处，其爆炸时间约为1.1 s（未在图7中展示），远高于相同当量比下氢气的爆炸时间。层流燃烧速度在φ = 1.3附近达到最大值，层流燃烧速度随当量比的进一步增加显著减小。较高的层流燃烧速度意味着可燃混合物的快速消耗和较短的燃烧持续时间。因此，本研究表明爆炸时间随当量比的变化趋势与层流燃烧速度的变化具有密切负相关关系，但添加10%甲烷后最短爆炸时间由0.022 s增长到0.52 s，增加20倍左右，数倍于层流燃烧速度的变化倍数。这主要是由于层流燃烧速度降低，导致热损失时间加长，进一步减弱了反应强度。在实际燃烧室中，峰值压力的时间总是发生在可燃混合物耗尽之前的时刻。此时，热释放率刚好等于热传导、对流和辐射的热损失率。

图7 氢气/空气和10%甲烷/90%氢气/空气的爆炸时间和层流燃烧速度Fig.7 Explosion times and laminar burning velocity of hydrogen/air and 10% methane /90% hydrogen/air

最大压力上升率和爆炸因子是评估爆炸过程中的危害和设计防爆装置的重要参数。图8展示了当量比和添加甲烷对最大压力升高率和爆炸因子的影响。在φ = 0.9附近爆炸因子最高，在较稀和较浓工况下爆炸因子均会有所降低。添加10%甲烷后，氢混合气的最大压力升高率和爆炸因子改变显著，由于实验误差，φ = 1.0处最大压力升高率与总体趋势存在较大差异，采用红色实心点标记处。特别是φ = 0.9处最大压力升高率从322 MPa/s降低至约99 MPa/s，降低接近69%。

图8 氢气/空气和10%甲烷/90%氢气/空气的最大压力升高率和爆炸因子Fig.8 Maximum pressure rise rate and explosion factor of hydrogen/air and 10% methane /90% hydrogen/air

根据文献[23-24]，密闭容器内的压力升高率可以用爆炸压力和层流燃烧速度解释。如上所述，添加甲烷会减小燃烧速度，从而减小爆炸压力。Zheng等[25]也指出爆炸压力与火焰传播速度密切相关。然而，Cai等[26]的研究表明氢气球形传播火焰面具有明显的细胞状结构，而这种结构直接导致火焰自加速现象，进一步提升氢气的火焰传播速度。最近，Li等[23]基于高速摄像机捕捉的甲烷/氢气/空气混合气图像，通过量化火焰面的褶皱程度，对基于光滑火焰面提出的最大压力升高率计算公式进行改进，提高了爆炸压力的预测能力。这意味着火焰面裂纹与细胞状结构也是燃爆压力发展历程的重要影响因素。为了了解氢气/甲烷混合物的火焰面结构特征与燃爆特性之间的关系，本研究利用高速相机捕捉火焰图像并对添加甲烷前后火焰传播图像的形态进行对比，如图9所示。对纯氢火焰面，随混合气从稀燃到浓燃，氢气热扩散系数与质扩散系数之比逐渐增大[25-26]，火焰面褶皱逐渐减少；当热扩散系数超过质扩散系数时，热扩散稳定性会减少火焰面裂纹的数量，使火焰趋于光滑。添加甲烷能够明显增加可燃物热扩散系数与质扩散系数比值[23]，导致火焰面的胞状结构和裂纹减小，甚至在高当量比下消失，降低了对火焰传播加速影响。因此，添加甲烷会显著减少火焰面裂纹与细胞状结构，对燃爆压力的降低起到一定作用。