液化石油气-氢气混合燃料火焰传播动力学研究

作     者：赵珍珍 

作者单位：煤炭科学研究总院 

学位级别：硕士

导师姓名：梁运涛;宋双林

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：液化石油气 混合燃料 火焰传播 爆炸压力 敏感性分析 

摘      要：为了解决不可再生能源短缺及其产生环境和安全问题,寻找清洁高效的替代燃料已成为当前的热点问题。研究表明在现有燃料中加氢可以有效提高燃料的燃烧性能,减少污染。但是目前国内外研究学者关于传统气体燃料掺氢后安全性的研究仍处于起步阶段,主要集中在天然气掺氢领域,对于同样具有广大用途液化石油气掺氢的相关研究鲜有报道。为此,本文开展了液化石油气-氢混合燃料火焰传播动力学研究,通过自主搭建的方形玻璃爆炸管道和高速摄像机获得氢气-液化石油气混合燃料的火焰结构、火焰尖端速度、最大爆炸压力上升速率及爆燃指数,分析了加氢比、当量比及管道长度对液化石油气火焰传播特性的影响,研究成果为液化石油气加氢可行性方案的设计与优化提供基础理论依据。论文主要工作及结论如下:(1)宽工况范围内开展了混合燃料组分变化对液化石油气-氢气混合燃料的火焰传播特性研究。研究发现当量比对液化石油气-氢气混合燃料的影响大于氢气。当氢气在混合燃料中占比较小时(R≤40%),加氢对液化石油气-氢气混合燃料燃烧速度的增加效果较弱,而当氢气体积分数较高时(R40%),加氢对燃料燃烧速度的增加效果明显增强。(2)加氢对液化石油气-氢气混合燃料体反应的影响主要体现在链式反应O+H=H+OH(R2)、OH+H=H+HO(R3)中,生成大量的H、OH关键自由基,增加了反应活性。且随着氢气体积分数的增加,促进液化石油气-氢气混合燃料爆炸的基元反应敏感性系数逐渐增加。同时抑制液化石油气-氢气混合燃料爆炸的基元反应敏感性系数逐渐降低。促进反应的敏感性系数绝对值在整体上始终大于抑制反应的敏感性系数绝对值,从而保证了化学反应的正向进行,提高混合燃料的层流燃烧速度。(3)管道长度对液化石油气-氢气混合燃料火焰传播结构的影响主要体现在火焰特征结构出现的位置和时间上。对于同一管道长度,加氢能够增加液化石油气-氢气混合燃料火焰传播速度,但不会改变特征火焰-“平面形-火焰出现的位置。根据对不同工况条件下“平面形-火焰出现的位置提取发现,“平面形-火焰出现的位置与管道长度有关,随着管道长度的增加,其距离点火位置的绝对位移也逐渐增加。“平面形-火焰位置与管道长度之间存在良好的非线性曲线关系。(4)管道长度不会改变爆炸压力随时间变化趋势。但随着管道长径比的增加会促进混合燃料链式反应速率,因此火焰不稳定性增强,在火焰前锋与压力波的共同作用下,爆炸压力曲线出现明显的震荡。对于相同体积的液化石油气-氢气混合燃料,一定范围内增加管道长度会增加混合燃料的爆炸危险性。