预混气体爆炸火焰与压力的耦合振荡特性

为研究预混气体爆炸火焰和压力的耦合振荡特性,自行搭建了尺寸为80 mm×80 mm×1000 mm透明有机玻璃爆炸管道实验平台。实验结果表明,在氧气浓度E和泄爆面积比S变化的条件下,会对CH₄/O₂/N₂预混气体爆炸火焰与压力的耦合振荡产生影响。当氧气浓度E从0.21到0.40变化时,火焰传播时间逐渐缩短,火焰结构发生动态演变,火焰后期的振荡现象愈加明显,同时测到的压力曲线在后期也存在振荡增强现象;当泄爆面积比S从0.125到1.000变化时,E=0.21工况下S=0.125和S=0.250两个工况与其他工况的压力曲线有所不同,出现了一个更高的压力峰值,E=0.30工况下S=0.125也出现了新的压力峰值,E=0.30和E=0.40两种工况的压力峰值都逐渐减小,压力后期的振荡幅值与泄爆面积比有关。     

基于小尺度实验的燃料蒸气-空气预混气体泄爆动力学研究

利用体积为2 L的亚克力材质容器搭建了小尺度可燃气体泄爆实验系统,基于小尺度实验开展了不同泄爆面积条件下的石油燃料蒸气-空气预混气体泄爆过程研究,获得了典型开口率条件下的内外场超压随时间的动态变化特征,分析了开口率对超压及火焰参数的影响,并对泄爆模式进行了分类。研究结果显示：（1）在不同泄爆系数条件下,石油燃料蒸气-空气预混气体的泄爆模式包括泄爆失败诱导的封闭燃烧、泄爆成功诱导的射流燃烧、泄爆成功诱导的外部爆炸,三种泄爆模式的内外场超压-时间动态曲线、超压峰值、火焰传播速度、火焰传播距离均具有显著差异,且小尺度实验与中尺度实验中均出现破膜超压峰值、火焰射流超压峰值、外部爆炸超压峰值Δp₁、Δp₂、Δp₃;（2）当泄爆系数K_v≤39.68时,内场最大超压峰值、外场轴向最大超压峰值、最大火焰传播速度、轴向火焰传播距离均随着K_v的增大而增大,径向火焰传播距离随着K_v的增大而减小;（3）当K_v≤4.41时,外场轴向和径向最大超压峰值分别由外部爆炸引起（Δp_3（ver）和Δp_3（hor））,当7.94≤K_v≤39.68时,外场轴向和径向最大超压分别由火焰射流冲击和泄爆膜破裂引起（Δp_2（ver）和Δp_1（hor））;（4）泄爆成功和泄爆失败的临界泄爆系数在K_v=39.68和K_v=158.74之间,发生外部爆炸和射流燃烧的临界泄爆系数在K_v=4.41和K_v=7.94之间。     

MgH2粉尘火焰传播过程与热辐射特性

为了探究MgH₂粉尘爆炸火焰传播过程及其热辐射特性，采用改进后的哈特曼管装置对其进行点火实验，通过高速摄像机、热辐射仪和红外热成像仪同步记录MgH₂粉尘的火焰传播、热辐射通量和温度场变化过程。结果表明，点火后MgH₂火焰持续增长形成连续的燃烧区域，达到最大值后开始衰减并出现离散状火焰；粉尘质量浓度在150～1000g/m³范围内，火焰前锋阵面的最大传播高度和最大传播速度随着质量浓度的增大呈现出先增大后减小的规律，均在750g/m³时最大，分别达到1138mm和45m/s;热辐射通量随着粉类质量浓度的增加逐渐增大，在火球正上方的3号热辐射通量最大值达到31.7kW/m²,远高于火球两侧的1号和2号热辐射通量；火焰中心区域温度最高，向四周逐渐降低，高温区集中在火焰上部。     

密闭空间内聚乙烯粉尘爆炸火焰传播特性的实验研究

采用竖直、可视粉尘爆炸火焰传播实验平台,结合粒子图像测速PIV技术测得喷粉的冷态流场分布,研究聚乙烯粉尘在密闭容器内的爆炸火焰传播特性,探讨火焰结构与锋面位置的动态变化、火焰传播速度等参数的变化规律。结果表明,在200～1000 g/m³浓度范围内,低浓度聚乙烯粉尘爆炸火焰呈不连续片羽状结构,火焰锋面呈离散的星点状。粉尘浓度增加,火焰连续性及亮度增强,锋面呈齿状,并在400 g/m³火焰最明亮,火焰平均传播速度均随粉尘浓度的增加先增大后减小。采用均方根湍流速度量化体系整体脉动幅度,浓度接近最佳爆炸浓度400 g/m³时,均方根湍流速度为3.21 m/s。     

泄爆条件对预混H2/空气燃爆特性影响的数值模拟

为研究泄爆口处破膜压力对管道内可燃气体燃爆特性的影响,基于大涡模拟（LES）和Zimont燃烧模型,在泄爆口不同破膜压力条件下（0.1MPa、0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa）,对预混H₂/空气燃爆过程开展三维数值模拟。结果表明：在大长径比管道内,由于管壁作用、声波震荡作用及火焰的不稳定性,各工况条件下火焰传播速度曲线存在3个波峰、2个波谷;除破膜压力为0.1MPa工况外,泄爆口开启产生减速效应,使各工况条件下的火焰传播速度相比于密闭管道均下降;各工况的管内压力在泄爆口开启后整体呈下降趋势,且泄爆口的破膜压力越小,管内压力峰值越小;对比密闭管道,各工况的压力上升速率均有不同程度的降低,爆炸强度减弱,破膜压力为0.3MPa时,压力上升速率的下降幅度最大,泄爆效果最好。     

惰性气体对粉尘爆炸泄放特性影响的实验研究

爆炸泄放和爆炸抑制是工业上降低粉尘爆炸危害性的两个重要手段,同时实现粉尘爆炸抑制和泄放共同作用的效果值得关注。基于标准20 L球形粉尘爆炸装置侧向开泄放口,实验研究不同泄放口径和静态动作压力时CO₂/N₂对石松子粉泄放过程压力的影响,采用热重分析法分析了石松子粉尘分别在CO₂、N₂氛围的热重变化。结果表明,在20 mm泄放口径时,随着CO₂/N₂浓度的增加,泄放压力的降低幅值逐渐增大,且CO₂对粉尘爆炸泄放最大超压的减小效果要优于N₂。泄放压力值随着CO₂浓度的增加基本呈线性降低,当体系中的CO₂和N₂浓度增加到10%时对体系泄放压力值的降低效果开始趋于一致。对于40 mm泄放口径,添加相同浓度的CO₂体系泄放压力值要略低于N₂,降低幅值为6%~8%。对于60 mm泄放口径,CO₂/N₂两者抑制效果差别不大,且在添加浓度不超过8%时对体系泄放压力值的降低幅值影响较小。通过TGA曲线可以发现,在N₂气氛和CO₂气氛的热流条件中,石松子粉的热解过程在370℃左右开始出现明显的差异,CO₂气氛中石松子粉的热解速率要快于其在N₂气氛中的,因此在这个过程中CO₂的存在一定程度上会促进石松子粉的热解,随着热解温度进一步提升,CO₂对石松子粉热解的抑制效果开始逐渐体现。     

泄压条件下管道内瓦斯爆炸传播的氮气阻爆

矿井瓦斯爆炸发生后,采用灭火剂进行阻爆,将有助于从根本上消除爆炸的灾难性后果。本文在爆炸管道上设置双喷头,探索喷出N₂来实现阻爆和熄灭火焰。对于四周保持密闭的平直管道,采用不同压力将氮气喷出,但均未能阻止爆炸火焰沿管道的传播。在管道下表面设置开口进行泄压后,可以观测到爆炸过程中大量的高温气团和预混气从该开口流出,并在开口外继续发生反应。结合侧向泄压,当双喷头中左喷头（第二喷头）不喷N₂时,右喷头（第一喷头）所喷N₂在各个压力下也仍未能实现阻爆。但当左喷头（第二个喷头）压力在0.1 MPa及以上时,均能实现阻爆。并且双喷头所喷N₂压力越大,爆炸火焰被阻止和熄灭的位置越靠前。通过侧向泄压使管道内的反应变弱是有利于阻爆的第一个主要原因。侧向泄压使管道内爆炸火焰的传播速度下降,从而喷出更多氮气并获得更长的时间来对预混气进行充分稀释,这是实现阻爆和熄灭火焰的第二个主要原因。     

带压环境中CO2/H2O/N2气体稀释对合成气层流火焰速度的影响

合成气稀释燃烧是燃气轮机高效低污染燃烧的重要运行方式。本文以CO₂、H₂O和N₂为稀释气体，利用数值模拟方法研究稀释比对不同压力下合成气（CO/H₂/CH₄）层流火焰速度（S_L）的影响规律，并从自由基浓度变化、敏感性数值和生成速率（rate of production，ROP）三个方面解析三种气体的物理和化学作用机理。结果表明，S_L随燃烧压力和稀释比的增大而不断减小，其中CO₂对层流火焰速度的抑制最为显著。稀释气体的物理效应对层流火焰速度的影响远大于化学效应，但CO₂和H₂O的化学效应不能忽略。化学效应则是通过改变H和OH自由基浓度影响S_L，其中CO₂稀释降低H和OH自由基浓度，H₂O稀释则是降低H自由基浓度，从而降低合成气的层流火焰速度。进一步反应动力学分析发现了H/OH浓度变化在低压、加压下的主要化学反应路径，且受H₂O稀释的化学反应速率对压力较CO₂更为敏感。     

不同管长条件下连通容器预混气体泄爆实验

通过容器与管道的连接组合,改变管道长度,开展不同管道长度的连通容器预混气体等容爆炸与泄爆实验,分析在密闭爆炸与相同泄爆面积条件下,管道长度的变化对连通容器中火焰传播与容器内压力的影响。实验结果表明：火焰在管道中加速传播,随管道长度的增加,传播速率加快;无论是密闭爆炸或是泄爆,连通条件下容器的最大压力上升速率均高于单个容器的情况;连通容器等容爆炸时,传爆容器的压力峰值随管长的增加而增加;泄爆时,传爆容器的泄爆压力峰值超过其单容器泄爆的压力峰值,特别是传爆容器为小容器时,压力峰值更高;随管长的变化情况,与相应密闭条件下的等容爆炸压力密切相关,但变化趋势不完全一致,受容器泄爆面积、火焰传播等多种因素的影响。     

初始压力对容器通过导管泄爆过程的影响

开展了容器内气体爆炸通过导管安全泄放实验,研究了导管泄放气体爆炸过程中的压力变化及导管内火焰发展规律,分析了初始压力对导管泄放过程的影响,并对比研究了密闭容器爆炸、简单泄爆及导管泄爆过程。结果表明:容器内发生密闭爆炸时,爆炸压力及压力上升速率随着初压的升高而增加;简单泄爆时,随着初压的增加,容器内的压力峰值出现了先增加然后降低最后继续增加的过程;采用导管泄爆时,初始压力越高,容器内的压力峰值及压力上升速率越高,相同时刻对应的导管入口处与容器内最大正压差越大,导管入口端的火焰速率越大,容器内爆炸强度对初始压力的变化较为敏感;随着容器内初压升高,导管泄爆过程中容器内的压力峰值与简单泄爆的压力峰值相差越来越大,与对应的密闭爆炸时压力峰值越来越接近,且最大压力上升速率远远高于密闭爆炸。     

同轴管甲烷逆流燃烧器中火焰结构与燃烧稳定性

用骨架反应机理对同轴管甲烷逆流燃烧器进行分析能够很好地了解火焰结构与燃烧器内的温度分布,并得到各处的火焰拉伸率及相关参数。随着空气流量（Q_A）的增加,火焰形状由扁平型变化为弯曲型,并逐渐将内管管口包覆,火焰厚度逐渐减小。当量比（ER）较大时,火焰附近温度与物质的分布较为稀疏,而ER较小时,其分布较为紧密。内管壁面上热通量H_f随着的Q_A增加而逐渐加强;总的传热量H在Q_A=2540 ml·min^-1达到最大。当ER≥3.00时,火焰拉伸率κ开始时缓慢变化,在越过燃烧器内管边缘后快速增加,但最终不大于65 s^-1。在ER<1.00时,火焰呈弯曲状,长度较长,κ值变化剧烈,最大可以达到638 s^-1,并在火焰末端κ值变为负数,最小值为-262 s^-1。     

V2O5-MoO3/Tio2催化滤袋的制备及中试应用

为解决现有Mn基催化滤袋SO₂中毒的问题,制备了基于V₂O₅-MoO₃/TiO₂的催化滤袋,用于在180~260℃范围内同时去除NO_x和粉尘。实验结果表明,双层滤袋在气体过滤面速度为0.2 m/min时具有良好的脱硝活性和抗硫抗水性能。在纯氧玻璃窑炉中试中采用制备的双层催化滤袋进行了试验,烟气量为2000~3000 m³/h、SO₂浓度在20~30 mg/m³范围内、水蒸气含量10%（体积分数）、NO_x浓度为400~550 mg/m³,在170~210℃范围内NO_x转化率可达到88.14%~95.06%,验证了催化滤袋的脱硝性能;连续运行1500 h后,活性出现5%左右的微弱衰减;在高硫烟气条件下（300~500 mg/m³）连续运行100 h发现催化滤袋失活,SEM-EDS和XPS表征证明催化剂失活是由于硫铵类物质在滤袋纤维表面沉积,部分活性位点被覆盖所致。     

甲基膦酸二甲酯/木质素磺酸钠聚氨酯泡沫的制备及其阻燃性能

利用木质素磺酸钠（SLS）替代部分聚醚多元醇,同时将甲基膦酸二甲酯（DMMP）作为添加型阻燃剂,采用"一步发泡法"制备出甲基膦酸二甲酯/木质素磺酸钠聚氨酯泡沫材料（DMMP/SLS/PUF）,通过极限氧指数（LOI）测试对其阻燃性能进行分析,探究了SLS替代率及DMMP添加量对材料阻燃性能的影响。并利用锥形量热（CONE）仪和扫描电镜对材料的燃烧行为、残炭量和残炭形貌进行分析。测试结果表明：当SLS替代率为80%时,材料80% SLS/PUF的阻燃性能最好,LOI值达到了24.5%。在该替代率的基础上,DMMP添加量为30%时,材料30% DMMP/80% SLS/PUF的LOI值达到了27.3%。与PUF相比,SLS和DMMP加入使得30% DMMP/80% SLS/PUF的热释放速率由245.2 kW/m²（PUF）降到了166.8 kW/m²、总热释放量和总烟释放量降低到12.1 MJ/m²和3.4 m²,分别降低了0.2 MJ/m²和0.4 m²。同时阻燃剂的加入使材料的残炭量由20.3%提高到了37.3%,促进了材料的成炭,并且炭层表面连续、致密且较光滑,使得材料具有良好的阻燃性能。     

锥形量热法研究木质素基膨胀型阻燃剂对环氧树脂阻燃抑烟效果

以来自自然界储量第二的木质素作为膨胀型阻燃剂的基体,通过接枝氮、磷元素成功合成碳源、酸源、气源三位一体的木质素基膨胀型阻燃剂（Lig-T）,实现了良好的阻燃性能。将Lig?T按照不同含量添加到环氧树脂（EP）中制备EP/Lig-T复合材料,以锥形量热测试考察复合材料的热稳定性能和阻燃性能,并重点考察复合材料在接近真实火灾事故时的热释放和烟释放规律。结果表明,当Lig-T含量为20 %（质量分数,下同）时,复合材料的热释放速率峰值为1 374 kW/m²、热释放总量为41.63 MJ/m²、烟释放总量为1 634 m²/m²,与EP参比试样的数值相比,均呈现下降的趋势,燃烧结束的残炭率从4.26 %增至10.01 %。基于气相和凝聚相的协效阻燃机理,木质素作为膨胀型阻燃剂的碳源使得复合材料在高温条件下具备更好的成炭效果,在燃烧过程中形成稳定且致密的炭层结构,在实现高效阻燃的同时减少有毒烟气的释放,降低火灾的危害。     

基于环三磷腈磷氮阻燃剂的合成及其在聚氨酯泡沫的应用

以六氯环三磷腈、对羟基苯甲醛、苯胺及亚磷酸二乙酯等原料，成功合成阻燃剂六（4-苯胺基次甲基苯氧基-亚磷酸二乙酯基）环三磷腈（HADPPCP），用于阻燃基于苹果酸多元醇的聚氨酯硬泡。HADPPCP具有良好的热稳定性和成炭性，氮气气氛下的初始分解温度为191.9℃，700℃时的残炭量高到46.8%（质量）。HADPPCP的加入可以改善聚氨酯硬泡的热稳定性、阻燃性能和燃烧行为。添加25%(质量)的HADPPCP可以将聚氨酯泡沫的氧指数从18%提高到25%，最大热释放速率和总热释放量分别从230 kW/m²和20.1 MJ/m²降低至213 kW/m²和16.6 MJ/m²，总产烟量从10.5 m²下降到5.3 m²。     

中试平台SCR低温催化剂测试与氨逃逸分布特征

目前燃煤机组低负荷运行的情况越来越多,研究机组低负荷运行时NO_x控制技术可有效降低燃煤机组的NO_x排放浓度。本文利用已建成的20000m³/h的实际燃煤烟气的污染物脱除试验平台,安装低温段脱硝催化剂整体模块,测试该催化剂的性能指标,现场取样并重点分析氨逃逸和转化率指标,得出实际烟气条件下氨逃逸分布特征。结果表明：该低温脱硝催化剂的低温段在290~250℃范围内,脱硝效率可达到80%,脱硝出口NO_x可控制在50mg/m³（标准）以内,甚至20mg/m³以内,氨逃逸最高为1.68mg/m³,小于标准要求值2.28mg/m³,SO₂/SO₃转化率最高为0.73%,小于标准要求值1%,满足运行要求。文中进一步研究了氨逃逸浓度沿程分布情况,经测试表明,290℃时沿程氨逃逸浓度不断降低,除尘器前降低32.2%,除尘器后降低65.5%。     

石化中间储罐挥发性有机物排放特征与反应活性

中间储罐是石化企业的主要挥发性有机物（VOCs）排放源,对大气环境产生重要影响。本文对我国某石化企业炼化中间产物、污油、石化中间产物等中间储罐大呼吸过程进行了采样监测,分析了VOCs排放特征并建立了有机污染物图谱。基于OH自由基损失速率和最大增量反应活性法,分别量化了大呼吸过程大气反应活性和臭氧生成潜势（OFP）。结果表明,中间储罐大呼吸过程VOCs浓度高达数万毫克每立方米,单位体积物料周转量VOCs排放强度达到0.55~71.3g/m³。不同储罐排放特征差异大,炼化中间产物及污油储罐VOCs组成以烷烃为主,石化中间产物储罐VOCs以烯烃和芳香烃为主;C₃~C₇烷烃、C₃~C₄烯烃、苯、甲苯和丙酮等是首要污染物。中间储罐大呼吸损耗气具有较高大气光化学反应活性和臭氧生成潜势（OFP）,OH自由基损失速率常数接近1.43×10⁴~2.37×10⁶s^-1,OFP达到2.84×10⁵~7.53×10⁷mg/m³,焦化污油反应活性与OFP较低,乙烯裂解重油储罐较高。大呼吸过程反应活性及臭氧生成潜势主要源于烷烃和烯烃组分,甲基戊烷、正己烷和甲基环己烷等C₆～C₇烷烃、C₃~C₅烯烃和二甲苯等是需要优先控制高活性物质。