磁场效应对甲烷爆炸影响的机理_高建村.pdf

DOI：10.11883/bzycj-2022-0259磁场效应对甲烷爆炸影响的机理*高建村1,2，杨喜港1，王乐3，洪子金1，胡守涛1,2，李如霞1，孙谞4（1.北京石油化工学院安全工程学院，北京102617；2.北京市安全生产工程技术研究院，北京102617；3.南京理工大学化学学院，江苏南京210094；4.北京恒安天诚科技有限公司，北京101200）摘要：为了揭示磁场对甲烷爆炸特征的影响机理，开展了磁场对甲烷爆炸影响实验，得出了磁场对甲烷爆炸压力、火焰传播速度、爆炸产物组分及体积分数的影响规律。利用 Chemkin-Pro 软件模拟甲烷爆炸链式反应过程，得到了甲烷爆炸过程中的关键自由基和基元反应。通过理论计算，对不同自由基在磁场作用下的受力进行分析，揭示了磁场对甲烷爆炸的影响机理。研究结果表明，磁场能够降低甲烷爆炸压力和火焰传播速度，降低 CO 和 CO2的生成量，增加甲烷的残余量；H、O、OH、CH3、CH2O 是甲烷爆炸的关键自由基，由于O 的磁化率较高，被吸引到磁感线密集的区域，O 与其他自由基的碰撞几率减少，从而降低HCOCOCO2的链式反应速率，导致 CO 和 CO2生成量降低，且甲烷爆炸强度降低。关键词：磁场；自由基；磁化率；反应路径；链式反应中图分类号：O389国标学科代码：13035文献标志码：AOn the mechanism of magnetic field effect on methane explosionGAOJiancun1,2,YANGXigang1,WANGLe3,HONGZijin1,HUShoutao1,2,LIRuxia1,SUNXu4(1.School of Safety Engineering,Beijing Institute of Petrochemical Technology,Beijing 102617,China;2.Beijing Institute of Safety Production Engineering Technology,Beijing 102617,China;3.School of Chemistry and Chemical Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China;4.Beijing Hengan Tiancheng Technology Co.,Ltd.,Beijing 101200,China)Abstract:To study the effect mechanism of magnetic fields on methane explosion,an experiment was carried out bydetonatingthepremixedgasofmethanewiththevolumefractionof9.5%andairastherestconstituentinamagneticfields.Effectpatternsofmagneticfieldsonmethaneexplosioncharacteristicsemergedbasedontheexplosionpressuremeasuredbypressure sensors and flame propagation velocity measured by detonation velocity meter.The gas after explosion wasquantitativelysampledbygassampler,andthevolumefractionofreactantsandproductswasdetectedbyfluegasanalyzerandgaschromatograph.Thus,theeffectpatternsofmagneticfieldsonthevolumefractionofmethaneexplosionproductsandreactantswasobtained.Theexperimentalresultsshowthatinthemagneticfields,themaximumexplosionpressureofmethaneisdecreasedby27.33%,andtheexplosionpressureriserateisdecreasedby40.96%.Alongtheflamepropagationdirection,themagneticfieldsfirstpromoteandthensuppresstheflamepropagationvelocityofmethaneexplosion,andthesuppressioneffectisstrongerthanthepromotioneffect.Underthemagneticfields,theaverageflamepropagationvelocityofmethaneexplosionisdecreasedby16.39%.Thevolumefractionofreactantsandproductsshowobviousdifferences.Theresidueof*收稿日期：2022-07-18；修回日期：2022-10-21 基金项目：北京市自然科学基金（2214071）；北京市教委科技计划（KM201910017001）第一作者：高建村（1964），男，博士，教授， 通信作者：胡守涛（1986），男，博士，讲师，第43卷第1期爆炸与冲击Vol.43,No.12023年1月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESJan.,2023012101-1methaneandoxygenincreasedby28.81%and66.98%,respectively.TheproductionofCOandCO2decreasedby20.00%and12.90%,respectively.Combinedwithsensitivityanalysis,themethaneexplosionchainreactionprocessissimulatedbytheChemkin-Prosoftwaretoderivethekeyradicalandradicalreactionsinthemethaneexplosionprocess.TheH,O,OH,CH3,CH2Oarethekeyfreeradicalsofmethaneexplosion.Throughtheoreticalcalculation,theforcesofdifferentfreeradicalsundertheactionofmagneticfieldsareanalyzed.Combinedwiththereactionpathsanalysis,theeffectmechanismofmagneticfieldsonmethaneexplosionwasexplored.DuetothehighmagneticsusceptibilityofO,itisattractedtoareaswithdensemagneticinductionline.ThecollisionprobabilityofOwithotherfreeradicalsisreduced,therebyreducingtherateoftheHCOCOCO2 chain reaction,resulting in a decrease in the production of CO and CO2,which ultimately leads to adecreaseinmethaneexplosionintensity.Keywords:magneticfield;freeradicals;magneticsusceptibility;reactionpaths;chainreaction气体爆炸是一个十分复杂并极为快速的化学反应过程，爆炸过程中会产生许多中间产物和瞬间产物，如分子、自由基，甚至离子、电子等。化学反应体系中自由基的未成对电子自旋会受到磁场的影响，进而影响化学反应进程1，改变外磁场强度，孤对电子会在两个能阶间产生能量跳跃2，所以磁场对这些中间产物和瞬间产物反应过程会有影响，以致磁场对气体爆炸及其传播会有影响3-4。不同的磁场类型对燃烧也会产生不同的效果5-6，磁场对气体爆炸也存在一定的影响7。磁场对燃烧的影响表现为磁场可以改变燃烧火焰的亮度、高度、温度、涡度和稳定性等。Ramnath等8观察到在向上递增的梯度磁场中丙烷扩散火焰高度增加，向上递减的梯度磁场使火焰高度降低。Pandey 等9和 Agarwal 等10用圆光栅干涉术测量了不同磁场类型对火焰高度和温度的影响，实验结果表明，在向上递减的磁场中扩散火焰温度升高，在向上递增的磁场中扩散火焰温度降低。朱秉深11研究了电磁场对层流火焰中 NOx体积分数的影响，发现在向上递增的电磁场中层流火焰中 NOx的体积分数降低，火焰的高度降低、温度升高，并归结于电磁场减少 N 离子与 O 原子核、O2的碰撞几率，导致NOx体积分数降低。磁场对燃烧特征的影响被解释为顺磁性氧气和氧自由基被吸引到磁感线密集的区域，从而影响燃烧。Kajimoto 等12和 Yamada 等13通过 PLIF 测量和数值模拟燃烧过程中OH 在磁场中的分布情况，发现磁场对OH 密度的影响比其他自由基影响大，OH 聚集在火焰燃烧区域，这是磁场影响燃烧机理研究的重大突破。王骞14也发现磁浮力对OH 作用力最大。在发动机燃爆领域，磁场可以降低发动机尾气排放和提高发动机燃烧效率。对磁场在离子型反应和发动机燃爆等领域内发挥作用方面的研究比较深入，但对气体爆炸影响及机理研究缺乏深入研究。高建村等15发现铁磁性阻隔防爆材料的抑爆性能明显优于抗磁性阻隔防爆材料。Yang 等16利用爆速仪测量丙烷爆炸火焰传播速度，发现与无磁场相比，在非均匀磁场下 5%体积分数的丙烷在 1m 圆柱管道内爆炸火焰传播速度最大降低 1.543m/s。高建村等17又进一步研究了不同磁场强度对乙炔爆炸的影响，发现随着磁场强度增加，对乙炔爆炸抑制效果增强，推测磁场通过改变自由基的电子自旋来抑制气体爆炸。为了研究磁场对甲烷/空气预混气体爆炸特征和爆炸产物体积分数的影响规律，本文中，通过设计相应的爆炸实验，利用 Chemkin-Pro 软件开展数值模拟，获取爆炸过程中关键自由基，并对自由基进行磁场作用力分析；根据实验结果、数值模拟、理论分析探索磁场对甲烷爆炸的影响机理。1 实验部分 1.1 仪器及方法实验采用甲烷和合成空气，两者体积纯度均为 99.9999%，合成空气中 N2的体积分数为 79%，O2的体积分数为 21%。实验系统及方法均为具有自主知识产权的一种利用磁场影响可燃气体爆炸的装置和方法，实验系统包括实验管道、磁场施加装置、爆速测量系统、压力采集系统、点火系统、气体分配系统等，实验装置如图 1 所示。第43卷高建村，等：磁场效应对甲烷爆炸影响的机理第1期012101-2实验管道为圆柱形管道，长 1000mm，内径 100mm，壁厚 6mm，由非金属耐压材料制成，配有爆破片等安全附件。磁场施加装置由 3 对并联磁极和电源组成，磁场类型为直流非均匀电磁场，磁场强度由特斯拉计测量，管道中心的磁场强度为 0.20T，管道上端的磁场强度为 0.33T。爆速测量系统由 OZM 高精度多段式爆速仪和光纤传感器组成。光纤传感器为感光全反射元件，爆速仪根据相邻光纤传感器接收光信号的时间差测量火焰传播速度。实验管道设置 3 个光纤传感器，可测量两段距离的火焰传播速度。第 1 个光纤传感器距离实验管道最左端轴向距离 300mm，第 2 个光纤传感器在第 1 个光纤传感器右侧轴