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噴霧點火條件對柴油爆燃特性的影響

文檔作者：朱英中，解立峰，李斌，張玉磊，韓志偉文檔來源：南京理工大學化工學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年08月31日
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辯石油化工安全環(huán)保技術(shù) 贛
PETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY 201 1年第27卷第4期
噴霧點火條件對柴油爆燃特性的影響
朱英中，解立峰，李 斌，張玉磊，韓志偉
(南京理工大學化工學院，江蘇南京210094)
摘 要：在立式激波管中，通過強點火方式，在常溫常壓下實現(xiàn)柴油云霧的爆燃，利用
升降法測定柴油云霧燃爆的最小點火能，研究了噴霧壓力、霧化時間及點火能量對柴油云霧
燃爆性能的影響。結(jié)果表明柴油云霧在常溫常壓下可以直接達到爆燃狀態(tài)，噴霧壓力、霧化
時間及點火能量對柴油云霧的爆燃壓力和爆燃速度有顯著影響，存在最佳噴霧壓力及霧化時
間。
關(guān)鍵詞：柴油爆燃噴霧壓力 霧化時間 點火能量
液態(tài)燃料噴霧點火現(xiàn)象的研究對火災安全來
說十分必要? 。研究不同噴霧點火條件下燃料燃
爆性能有助于對這類爆炸的發(fā)生條件及災害防治
有更深的認識。激波管是研究液態(tài)燃料云霧燃爆
性能的主要工具 J，對于低飽和蒸汽壓液態(tài)燃
料(如柴油)，由于揮發(fā)性很低，形成的是液滴云
霧，所需點火能量與氣相云霧有很大區(qū)別，因此
噴霧條件及點火能量成為決定其燃爆特性的主要
因素。
目前對噴霧點火的研究主要涉及兩方面：
(1)噴霧參數(shù)對霧化特性的影響研究 刮；
(2)對靜態(tài)及動態(tài)兩相或多項混合物點火過程的
研究 。Q．P．Heng 研究了航空煤油在噴霧壓
力0．16～1．2 MPa下的噴霧性能，認為噴霧壓力
對噴霧錐角的影響是由于壓力增大使得單位時間
內(nèi)通過噴嘴的燃料流量增加，而不是壓力本身的
效應。K．V．L．Rao 71研究了常溫常壓下Sauter平
均直徑為30—100 txm，電容式火花點火條件下煤
油霧滴的點火性能，點火能量為80—200 mJ，得
到了最小點火能與液滴尺寸及進氣速率的關(guān)系。
S．K．Aggarwal II認為動態(tài)兩相或多相混合物點火
研究是噴霧點火研究的難點。這是由于強制對流
和浮力對流對點火性能有較大影響。
在大型立式激波管中，利用高壓氣體驅(qū)動
燃料霧化，研究噴霧動態(tài)過程中噴霧壓力、霧
化時間及點火能量對柴油燃爆壓力和速度的影
響。
1 實驗
1．1 實驗裝置及測試系統(tǒng)
實驗在立式激波管中進行，整套系統(tǒng)由激
波管本體、噴霧系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、測試系
統(tǒng)、點火系統(tǒng)等幾部分組成，其裝置結(jié)構(gòu)如圖1
所示。
lO 1 Sh
ock tube；
2．Vacuum pump；
3．Pressure meter：
4．Smokedfoil；
5．Triple valve；
6．Pressure transducer；
7．U2 Shape reservoir
8．Magnet valve；
9．Chamber；
10．Data acquisition system
1 1．Pressure pump；
l2 High pressure tank
1 3．Power control system．
圖1 實驗裝置示意
收稿日期：2011—04—11。
基金項目：國家自然科學基金一中國工程物理研究院
聯(lián)合基金：NSAF基金項目(10676120)
作者簡介：朱英中，男，碩士研究生，研究方向為多
相爆轟理論及應用。
2011年第27卷第4期 龠 朱英中等．嘖霧點火條件對柴油爆燃特性的影響 蠢
激波管本體高5．4 m、內(nèi)徑200 mm，上部有
光學觀察窗，激波管主管體兩側(cè)交錯地布置了噴
霧系統(tǒng)，以形成均勻的云霧體系。噴霧系統(tǒng)由空
氣壓縮機、氣室、電磁閥、儲液管、噴霧室、噴
頭組成。同步控制系統(tǒng)控制電磁閥的開啟時間與
點火之間的時間間隔。電磁閥開啟后，儲存在氣
室里的高壓氣流，通過電磁閥進入噴霧室，使
“u”形儲液管中的燃料通過噴嘴成霧噴出。噴頭
為空一tk,半球，其表面均布有119個直徑為1 mm
的小孔，保證在扇形噴霧范圍的分布基本均勻。
多套噴霧系統(tǒng)同時交錯噴射，相互填補死角，從
而在管體內(nèi)形成較均勻的液霧。
測試系統(tǒng)由快速響應壓電式傳感器(PCB公
司，型號113A)、多通道有源信號調(diào)理器(PCB
公司，型號482A)、數(shù)據(jù)采集裝置、自動控制部
分及微機組成。沿激波管軸線方向等間距分布壓
力傳感器。傳感器(3號、4號、5號、6號、7
號)測點距點火端點距離分別為2．8 1TI、3．3 m、
3．8 m、4．3 m、4．8 m。
實驗的初始壓力為101．3 kPa，初始溫度
298．15 K。點火能量為0．16～0．94 MJ／m ，當量
比為0．98。
1．2 實驗柴油的成分及物性
實驗中使用的是一10號柴油，其閃點為
91℃ ，2O℃密度為0．817 g／em ，其成分分析見
表1。
表1 柴油成分分析
組分 烷烴 一環(huán)環(huán)烷 二環(huán)環(huán)烷 三環(huán)環(huán)烷 其他
含量 53．45％ 2O．67％ l1．65％ 3．47％ 10．76％
2 實驗結(jié)果與討論
2．1 噴霧壓力的影響
噴霧壓力的大小決定了激波管內(nèi)形成液滴云
霧的均勻性，合適的噴霧壓力能夠增加燃油的表
面積，提高燃燒效率。通過空氣壓縮機設定不同
的噴霧壓力，在立式激波管中實驗測定了不同噴
霧壓力下柴油液滴云霧爆燃壓力和速度，點火能
量為0．56 MJ／m ，其結(jié)果如圖2所示。圖2中的
P 、D分別為為3號～7號傳感器測點間的平均
壓力和速度，P 為噴霧壓力。圖2表明，在實驗
測定范圍內(nèi) 為0．2～0．4 MPa時，柴油云霧燃
爆壓力隨噴霧壓力的增加而增大，當0．4 MPa<
P <0．6 MPa，燃爆壓力隨噴霧壓力的增加而減
小。噴霧壓力為0．4 MPa，柴油云霧燃爆壓力最
大。其原因是由于當噴霧壓力較小時，霧化液滴
的水平運動速度過小，在重力作用下迅速沉降。
霧化效果差，使得燃燒無法形成或持續(xù)，燃爆壓
力較小。當P >0．4 MPa，霧化液滴的水平運動
速度過大，在燃燒未傳播到該點之前液滴已運動
至管壁，導致過多燃料被管壁吸附，而不能參
與反應。
圖2 柴油云霧燃爆壓力隨噴霧壓力的變化曲線
2．2 霧化時間的影響
霧化時間為激波管內(nèi)燃料開始噴人到點火裝置
啟動之間的時間間隔，它表征點火瞬時對應的燃料
液滴云霧的湍流強度，霧化時間的不同會導致在點
火瞬時燃燒室內(nèi)的湍流強度和燃料液滴云霧濃度的
不同，這些因素直接影響燃料燃爆的壓力和速度。
實驗測定了不同霧化時間下柴油液滴云霧燃爆傳播
過程中各點的壓力和速度，其結(jié)果如圖3所示。圖
3中的P D分別為為3號一7號傳感器測點間的
平均壓力和速度， 為霧化時間。實驗結(jié)果表明，
Ts=0．2 8時，柴油液滴云霧的燃爆壓力達到最大
值。當 <0．2 s時，霧化時間過短，液滴分散時
贛 石油化工安全環(huán)保技術(shù) 2011年第27卷第4期
間不足，液滴云霧尚在形成之中，使得燃爆壓力值
較小。當 >O．2 s時，激波管內(nèi)液滴云霧在重力
作用下下沉，管內(nèi)懸浮液滴濃度降低。此時隨著霧
化時間的增加，燃爆壓力逐漸減小。當 =0．2 s
時，柴油的燃爆速度也達到最大值。因此，在此實
驗條件下，柴油液滴云霧的最佳霧化時間為0．2 s。
基
凸
Ts(s)
圖3 軍用柴油云霧燃爆壓力隨點火延遲時間的變化曲線
表2為噴霧壓力0．4 MPa及霧化時間0．2 s
條件下柴油云霧燃爆參數(shù)。從中可以看出，在距
點火端2．8 m～4．3 m處，燃爆壓力和速度壓力變
化較小，基本維持在280 KPa和531 m／s。此階段
屬于燃燒波穩(wěn)定傳播階段，在激波管末端由于燃
料濃度較低，壓力衰減。表明在本實驗條件下，
柴油云霧點火后的狀態(tài)為爆燃。
蔓
、毛
表2 最佳噴霧狀態(tài)下柴油燃爆壓力 E(MJ／m2)
L／m 2．8 3．3 3．8 4．3 4．8
△ P／KPa 3l8．2 278．3 264．1 263．2 174．3
D／(m ·s ) 545．9 532．2 533 514．8 213．7
注：L：距點火端距離，／Xp：爆燃壓力，D爆燃速度
2．3 不同點火能量下柴油的燃爆性能
點火能量對柴油的燃爆性能有較大影響。本
實驗研究了不同點火能下柴油的燃爆壓力及火焰
狀態(tài)。其結(jié)果如表3和圖4。
表3 不同點火能量柴油燃爆壓力及現(xiàn)象
E／(MJ·m 1 Pd／KPa 試驗現(xiàn)象 試驗結(jié)論
O．16 52．8 無火焰 未點燃
0．38 174．8 無火焰 未點燃
0．42 192．6 微弱火光 l 界點燃
0．47 2lO．6 較弱火光 點燃
0．56 285．0 明顯火光 點燃
0．75 375．4 明顯火光 點燃
0．94 497．2 明顯火光 點燃
表3中E為平面起爆能，P 為3號～7號傳
感器測點之間的平均壓力。點燃被定義為在點火
源作用下可燃混合物開始快速的放熱反應或觀察
圖4 軍用柴油云霧燃爆壓力隨點火能量的變化曲線
到火焰? 。因此本實驗以爆轟管上部觀察窗能否
觀看到火焰作為柴油液滴云霧是否被點燃的的評
判標準。利用升降法測得柴油液滴云霧的臨界點
火能為0．42 MJ。在實驗最大點火能量下，獲得
了柴油液滴的燃爆速度為580．5 m／s。不同起爆
能下的火焰照片如圖6所示，隨著點火能量的增
加，火焰亮度明顯加強。
E=0．47M J／】n2 E=0．56MJ／m E 0 75MM I1 E 0 94MJ／1
圖6 不同點火能量下柴油燃爆火焰
通過對所測的柴油燃爆壓力值進行擬合，得
到擬合函數(shù)式：
Pd= 568．53E 一43．401
相關(guān)系數(shù)為0．9 968。
上式表明，在此實驗條件下，柴油云霧的燃爆
豳
2011年第27卷第4期 螽 朱英中等．噴霧點火條件對柴油爆燃特性 響
九江石化油品質(zhì)量升級改造工程項目環(huán)評報告
獲國家環(huán)保部批復
2011年7月21日，九江石化8 000 kt／a油品質(zhì)量升級改造項目環(huán)評報告獲得國家環(huán)保部批復，標志著九江石化建
設千萬噸級煉化企業(yè)正式進入實施階段。通過改造，九江石化將淘汰落后產(chǎn)能、采用先進工藝，達到增產(chǎn)減污、節(jié)能減
排的效果，向江西省及周邊地區(qū)提供更加清潔的汽、柴油產(chǎn)品。
九江石化8 000 kt／a油品質(zhì)量升級改造項目是按照國務院出臺的《促進中部地區(qū)崛起規(guī)劃》、《石化產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興
規(guī)劃》和《鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)規(guī)劃》，為應對汽、柴油產(chǎn)品質(zhì)量不斷升級的需要，而對現(xiàn)有裝置和設備進行的升級配套
改造。該工程包括新建5 000 kt／a常減壓、1 700 kt／a渣油加氫、2 400 kt／a加氫裂化等裝置及煤制氫改造，工程將于
2013年底建成。由于采取先進的污水回用工藝，九江石化加工噸油取新水量及排污水量將達到煉化企業(yè)先進水平。
九江石化(曾天舒、唐安中供稿)

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03-11