随着全球能源结构的调整，氢能的作用日益凸显。然而，如果氢气发生爆炸，则会对工业安全构成重大威胁。为了熄灭加氢站管道末端的火焰，通常安装阻火器。同时，惰性气体（主要是N2）用于在氢气释放期间稀释氢气并使其惰性化。现有阻火器设计难以有效扑灭氢气爆炸。同时，对阻火器在惰化条件下的性能研究较少。本文利用密闭水平管道爆炸特性试验系统，对波纹板下惰性气体（N2和CO2）和氢气的爆炸猝灭特性进行了实验研究，以期为预防和保障可能发生氢气爆炸事故的工业应用安全提供合理的依据。实验装置主要由水平爆炸管道、配气系统、控制系统、点火系统、传感器及数据采集系统组成，如图1所示。爆管壁厚10 mm，长度1135 mm，管径80 mm，设计压力1.0 MPa。管道可分为三个部分：上游部分、火焰淬火部分和下游部分。火焰淬火段的长度为150 mm，可以配备不同厚度和孔隙率的波纹板。波纹板与管道的连接处必须密封良好。点火电极为直径为2 mm的钨丝，点火方式采用15 kV高压击穿空气，放电时间为250 ms，点火能量为200 mJ。火焰检测使用SM 05 PD 2A型光电传感器进行测量。光波测量范围为200 ~ 1100 nm，灵敏度为0.44A/W。管道中部的两个火焰探测器（F.2和F.3）之间的距离为66 mm，这两个火焰探测器之间的距离完全靠近火焰熄灭段的前部，因此由两个火焰探测器（F.2和F.3）获得的信号计算出的平均火焰传播速度为进入阻火器的火焰速度Vq。压力传感器型号为PCB 113 B24，频率大于500 kHz，最大量程为6.895 MPa。在−10 ~ 55℃的工作温度范围内，压力测量精度为整个测量范围的± 0.05%。压力传感器和火焰检测器的编号和空间距离如图1所示。火焰熄灭长度一直是影响火焰熄灭效果的重要参数。火焰熄灭长度越大，火焰与固体介质的接触时间越长，传热面积越大，传热效果越好。图2显示了不同当量比下波纹板厚度对氢气最大爆炸压力的影响。可以发现，在波纹板厚度相同的情况下，当量比为1.0时的氢爆炸压力最大。稀燃状态下氢气的最大爆炸压力低于浓燃状态下的最大爆炸压力。在化学当量比条件下，随着波纹板厚度从40 mm增加到120 mm，氢气爆炸压力从374.05 kPa降低到251.41 kPa，降低了32.79%。还可以发现，在Φ = 1.2的条件下，对于L = 80 mm和L = 120 mm，最大爆炸压力存在突然下降，这是实现淬火的原因。图3显示了不同工况下氢气的火焰速度。在火焰传感器F.2和F.3之间，火焰速度Vq由火焰速度V2，3代替。从图3可以清楚地看出，在相同当量比下，随着波纹板厚度的增加，氢气火焰传播速度逐渐减小。最大火焰速度出现在Φ = 1.0的情况下，这是因为化学计量比条件下反应最完全，燃烧速度最快。当氢气火焰温度和火焰传播速度下降到某一临界值时，氢气火焰将不能通过火焰淬熄区。火焰熄灭成功的温度称为熄灭温度，火焰的相应速度为安全火焰熄灭速度。显然，不同条件下的值不同。然而，这些值是氢气安全应用的关键参数。因此，有必要确定不同波纹板厚度和当量比下氢的熄火温度和安全熄火速度。图3 不同当量比下不同厚度和孔隙率波纹板的氢火焰传播速度变化在管道氢气熄火实验中，判断熄火是否成功的重要依据是熄火段后面的火焰传感器是否有信号。管道上布置有四个火焰传感器，可以根据火焰信号产生的时间差和传感器之间的距离计算出两个传感器之间距离处火焰传播的平均速度。图4显示了四个火焰传感器在两种工况下的信号：火焰熄灭失败和火焰熄灭成功。从图4（a）可以看出，在相同氢当量比和波纹板厚度下，当孔隙率较大时，火焰不易完全熄灭。并且部分火焰会蔓延到管道的下游区域点燃未燃烧的气体。而且，在F.4传感器处信号振荡明显，电压信号有多个峰值，峰值逐渐增大，然后减小。表明火焰在封闭管道内向下游区域传播，存在火焰和压力波叠加振荡现象，直至气体燃烧。此外，通过比较相同距离处的火焰速度，可以发现孔隙率对火焰流场的影响。对于火焰传感器F.1和F.2之间的火焰速度V1，2，当火焰熄灭失败时V1，V2为45.09 m/s，而当火焰熄灭成功时V1，V2为40.85 m/s，前者比后者大约9.4%。对于火焰传感器F.2和F.3之间的火焰速度V2，3，在火焰熄灭失败的情况下，V2，3为29.73 m/s，在火焰熄灭成功的情况下，V2，3为39.29 m/s;后者比前者大约24.3%。可以发现，在相同氢气当量比和相同波纹板厚度下，火焰淬熄介质的存在改变了流动阻力，使得火焰在孔隙率小的固体介质附近时速度会更快。波纹板在管道中的存在相当于有障碍物，改变了流场，增强了火焰的变形和振荡，加速了火焰的传播。根据达西定律，孔隙度和流动阻力之间存在直接关系。随着孔隙率降低，流动阻力增加。这种增加的流动阻力导致阻火器两侧的更高压降和阻火器前部的更大流速。因此，当孔隙率低时，阻火器前部的火焰速度较高。也就是说，孔隙率越小，流动阻力越大，管道上游的氢气火焰速度越接近火焰淬灭介质，火焰速度越大。图4 火焰熄灭失败和成功的火焰传感器电压信号，（a）Φ = 0.5，φ = 85%，L = 120 mm;（B）Φ = 0.5，φ = 48%，L = 120 mm）图5显示了在当量比为1.0时由火焰传感器获得的氢火焰速度。结果表明，在相同孔隙率下，氢气火焰传播速度随波纹板厚度的增加而减小。结果表明，增加波纹板厚度对降低氢焰速度有明显的效果。当波纹板厚度一定时，随着孔隙率的增加，下游火焰速度（V3，4）也随之增加。因此，应尽可能降低火焰淬火材料的孔隙率，以实现火焰淬火。另外，以孔隙率为自变量时，与火焰速度V1，2和V2，3相比，V3，4的变化趋势为先减小后增大。最小值在120mm +60%的工况下获得。结果表明，选择合适的波纹板厚度和孔隙率有利于火焰淬火。但是，并不是说孔隙率越小越容易熄灭火焰。如果阻火器在孔隙率为48%的条件下失效，阻火器的存在就相当于一个障碍物，会促进氢火焰的传播。图5 不同当量比下不同监测点处氢火焰传播速度的变化图6是在不同的波纹板参数下，通过改变惰性气体的种类和浓度，得到的氢气爆炸随压力变化的规律。图中的C1和C2表示未能实现火焰熄灭的惰性气体浓度。这些值取决于波纹板的厚度和孔隙率、氢当量比以及惰性气体的类型等因素。C3代表成功熄灭火焰的惰性气体浓度，也称为惰性气体的临界爆炸惰化浓度。这三个值都是随着工况的变化而变化的，并不是恒定的。可以观察到，在不存在火焰淬灭介质的情况下，简单地使用N2来实现火焰惰性化具有60%的体积分数。在120 mm +85%处，临界惰化浓度为34%。当加入波纹板时，N2浓度显著降低。换句话说，波纹板与惰性气体的结合，可以大大减少惰性气体的使用量，有利于工业防爆。此外，在相同条件下，氢气爆炸超压随惰性气体浓度的增加而降低。当达到临界惰化浓度时，爆炸超压的大小与惰性气体的类型无关。也就是说，增加惰性气体浓度有利于火焰惰化实验。而当达到临界爆炸惰化浓度时，N2和CO2对氢气爆炸超压的削弱作用差别不大。此外，当纵向比较120 mm +48%工作条件的结果时，可以看出，实现火焰惰化的N2浓度为7%，而CO2仅需要1%。结果表明，在相同的惰化效果下，CO2的使用量小于N2，这与CO2对惰化的影响机理有关。图6 在不同波纹板参数（Φ = 1.0，L = 120 mm，φ = 48%）下，氢气的最大爆炸压力随惰性气体浓度的变化而变化图7是在不同波纹板参数下，改变惰性气体种类和浓度得到的氢气火焰传播速度的变化规律。结果表明，对于厚度为120 mm的波纹板，随着孔隙率从48%增加到85%，临界N2浓度从7%增加到34%，氢气火焰传播速度从70 m/s降低到10 m/s。CO2的临界浓度从1%提高到23%，氢气的火焰传播速度从120 m/s降低到10 m/s。结果表明，氢气火焰传播速度随惰性气体浓度的增加而降低。在相同的波纹板参数条件下，相同体积分数的CO2对氢气火焰传播速度的削弱作用更为显著。另一方面，波纹板的厚度和孔隙率对惰性气体的临界浓度也有一定的影响。图7 不同波形板参数下氢气火焰传播速度随惰性气体浓度的变化图8显示了惰性气体浓度对氢气层流燃烧速度的影响。结果表明，氢气的层流燃烧速度随惰性气体浓度的增加而减小，下降梯度随氢气当量比的增加而增大。结果表明，随着当量比的增大，惰性气体对层流燃烧速率的惰化作用更加明显。在相同的惰性气体浓度下，氢气的层流燃烧速度与当量比呈正相关，且富燃条件下的层流燃烧速度高于贫燃条件下的层流燃烧速度。在相同当量比条件下，CO2的加入使氢气层流燃烧速度的变化梯度变大，说明CO2对氢气层流燃烧速度的影响更大。其原因可以从基元反应的角度来解释。图9所示为N2和CO2浓度对氢气燃烧中关键元素反应的影响。灵敏度系数表示某些因素对层流燃烧速率的影响程度。灵敏度系数为负值，表明其能抑制层流燃烧速率。结合图9（a）和表3可以看出，一方面，N2的存在对反应R4、R35、R36、R41、R43、R45和R87产生了负面的抑制作用，这逐渐减少了活性基团如H、O和OH的消耗，抑制了燃烧过程，降低了层流燃烧速度。另一方面，N2对R38、R46、R84和其它基元反应具有大的正灵敏度系数，这有助于增加活性基团如H和O的浓度。但OH自由基是在消耗的同时形成的，因此并不能促进燃烧过程。随着N2体积分数的增加，层流燃烧速度降低到很低的值，导致火焰熄灭。
从图9（b）可以看出，添加CO2负面地抑制R33、R35、R36、R43、R45、R87和R99的反应，并且正面地促进R38、R46和R84的反应。其中值得注意的是，对于基元反应R99（OH + CO<=>H + CO2），CO2的加入会使反应在负方向进行，大大消耗H基团，抑制氢的共沸过程。参与反应的CO2分子在产生CO的同时消耗大量的自由基，导致燃料的不完全燃烧并抑制化学反应速率。换句话说，CO2直接参与氢燃烧过程，这与N2不同。从这一点上，可以通过上述现象解释CO2对氢燃烧的惰性化作用比N2强。从图8可以看出，层流燃烧速度随CO2浓度的变化趋势在浓度为10%~ 20%时最为显著。这表明CO2浓度对层流燃烧速率的影响不是正相关的。在贫燃状态下，随着惰性气体浓度的增加，正、负灵敏度系数的变化远大于其它当量比的变化。结果表明，在稀燃状态下，惰性气体对氢气的燃烧具有更明显的惰化作用。图10示出了在氢气爆炸时惰性气体和波纹板的耦合惰化的机理。可以观察到，惰性气体充满了整个爆炸空间，对氢气和氧气之间的化学反应起着惰化作用，大大降低了氢爆炸化学反应的速率，以及氢气火焰的燃烧速度和温度。从微观角度看，惰性气体和波纹板对氢气爆炸的惰化作用是相互关联的。一方面，惰性气体的存在稀释了氢气和氧气并使其惰性化，从而降低了氢气燃烧速率并变相增加了氢气火焰与固体壁之间的接触传热时间。另一方面，常温壁面作为高温火焰的冷源，热效应是熄灭火焰的主要机制。考虑到壁面的传热作用，波纹板窄孔与氢火焰之间的热交换时间因氢火焰速度降低而增加，更多的热量从氢气火焰传递到环境中，进一步降低了氢气火焰的温度。在此过程中，壁面温度升高，使火焰熄灭机理由热效应转变为化学效应。当火焰到达火焰淬熄段时，由于小孔的存在，氢气火焰与固体壁面发生反应。在壁面附近，不仅有传热，而且有OH自由基，这些自由基在普通钢制容器的表面上消耗很大。它抑制氢的氧化，破坏氢火焰燃烧的稳定性。因此，从化学反应角度来看，惰性气体和波纹板的存在极大地破坏了燃烧自由基产生和消耗的平衡，并且可以叠加抑制氢气爆炸的组合作用。在氢气火焰淬熄过程中，对于不同孔隙率的波纹板，可以确定不同的临界惰性气体浓度，这对防止氢爆是十分有益的。(1)在相同氢气当量比下，增加波纹板的厚度或减小波纹板的孔隙率，均能增大氢气火焰与固体壁面的接触面积实壁对火焰和压力波有一定的吸收作用，有利于降低氢气爆炸超压。(2)对不同测点的火焰传播速度进行了分析和比较。结果表明，在孔隙率一定的情况下，各测点的火焰传播速度随波纹板厚度的增加而减小。当波纹板厚度一定时，上游管道的火焰速度随着孔隙率的增加而增加。通过实验验证了安全火焰淬火速度计算公式的可靠性。(3)波纹板的存在可以显著降低惰性气体浓度，达到火焰淬灭的效果。惰性气体可以降低氢的化学反应速率和氢气火焰传播速度。氢气的层流火焰速度随惰性气体浓度的增加而减小，衰减梯度随当量比的增加而增大。(4)波纹板的孔隙率对氢气爆炸的淬火温度有显著影响。孔隙率越小，流固效率越高，淬火温度越高。根据计算，氢气的淬火温度约为1500 K。惰性气体与波纹板的共存，可以相互促进，缓和氢气爆炸。
成果简介上述研究成果发表在Fuel期刊上
Zhongheng Nie , Wei Gao , Haipeng Jiang , Fengyu Zhao；
Quenching characteristics and mechanism of hydrogen-air mixtures by corrugated plate flame arrester under inert conditions；
https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.130822
审核：冀宇航
选自微信公众号 X燃爆科研工作室
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