2. 安徽省氢安全国际联合研究中心, 合肥 230009
2. Anhui International Joint Research Center on Hydrogen Safety, Hefei 230009, China
燃料的燃烧效率对内燃机经济性和功率输出至关重要。柴油在内燃机中燃烧而产生的排放尾气中存在大量碳烟及氮氧化物等污染物,而目前为了保护环境,对氮氧化物、二氧化碳和烟灰的排放要求愈加严格。对柴油进行乳化,不仅可以提高柴油的燃烧效率,还能够减少碳烟及氮氧化物等有害物质的排放。乳化柴油是水和柴油在乳化剂、助乳剂的作用下经乳化设备搅拌制成的透明乳液。乳化柴油一般分为两类:一种是油滴分散在水中,简称水包油(O/W)型;另一种是水滴分散在油中,简称油包水(W/O)型。市场上大部分乳化柴油是油包水型。
目前的研究主要关注乳化柴油的燃烧效率和污染物减排指标,如Hassan等[1]评估了含水率为2%~10%的水乳化柴油在柴油发动机中的表现,发现当乳化柴油含水率增加到10%时,可以减少48%的碳烟排放量和21.8%的NOx排放量。Ithnin等[2]通过实验测试了含水率分别为5%、10%、15%、20%的乳化柴油在发动机中的表现,发现不同含水率的乳化柴油的燃烧效率均有提高,且随着含水率的增加,尾气中NOx、颗粒物逐渐减少,当含水率为20%时,NOx减少了41%,颗粒物减少了35%。
然而,作为一种热值大的液体燃料,乳化柴油一旦泄漏起火,可能造成严重的火灾事故。前人对液体池火开展了广泛而深入的研究。在单组分碳氢燃料池火研究方面,Chatris等[3]根据池火燃烧速率,将碳氢燃料的燃烧过程分为初始、稳定燃烧和熄灭3个阶段;赵金龙等[4]根据航空煤油流淌火燃烧速率,发现在稳定燃烧和熄灭阶段之间,存在燃烧衰减阶段。在混合液体池火研究方面,丁彦铭等[5]研究了不同比例的庚烷-酒精混合燃料池火,将火焰高度变化过程分为初始阶段、共沸阶段、单组分燃烧阶段、衰变阶段。在垫水池火研究方面,孔得朋等[6]根据燃烧速率和火焰高度变化,将原油沸溢火灾燃烧过程分为预燃、准稳态燃烧、沸溢燃烧和火焰熄灭阶段。这些研究结果为乳化柴油池火发展规律认识提供了参考。然而,Law[7]研究发现,由于基础燃料和水不混溶的性质,乳化燃料的燃烧不同于混相的、多组分的燃料。
尽管前人对乳化柴油在发动机中的燃烧行为开展了广泛研究,但目前对乳化柴油池火燃烧特性了解甚少。随着乳化柴油的应用越来越多,乳化柴油泄漏火灾风险越来越高。为此,本文开展了小尺度油包水(W/O)型乳化柴油池火的燃烧特性实验研究,有助于评估乳化燃料在实际应用中的泄漏火灾风险。
1 实验设计实验选用0#柴油作为基础燃料,添加蒸馏水与Tween80、Span80及聚乙二醇400复配而成的表面活性剂,经过磁力搅拌器、水浴加热设备和高速机械搅拌器作用后,制成外观为乳白色、均匀透亮且稳定时间长的W/O型乳化柴油[8]。此时,水在表面活性剂的作用下,经过搅拌形成微小液滴分散分布在油包水乳液的液滴中。本文实验燃烧的乳化柴油含水率分别为5%、10%、15%和20%。所有实验中,表面活性剂的使用量低于溶液总质量的1%,因此不会对燃烧速率和火焰高度等造成显著影响。图 1给出了不同含水率的乳化柴油外观对比。
实验在常压室温条件下进行。实验室内装有顶部排烟装置,包括集烟罩和排烟风机,用于在实验间隙抽除燃烧所产生的高温烟气。如图 2所示,使用内径150 mm、深度40 mm的不锈钢油盘作为燃烧容器,燃料层初始厚度为15 mm。燃烧过程不再补充燃料,每组实验重复3次。由于0#柴油和乳化柴油不能直接被点燃,在油盘内滴入少许庚烷(约1 mL)作为引燃剂。油盘下方放置Sartorius电子天平记录燃料的质量变化,电子天平量程为70.2 kg,响应时间为1 s,精度为100 mg。距油盘内底面10 mm处放置直径为1 mm的K型铠装热电偶,热电偶响应时间为0.1 s,测量数据通过数据采集器传输到计算机中。实验过程由两台电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)摄像机录制:一台位于油盘正前方,记录火焰高度变化;另一台放置于油盘的侧面,记录燃料燃烧过程中的燃料层表面现象。
2 结果和讨论 2.1 燃烧速率
燃烧速率是评价油池火燃烧状态的重要参数,受到液体燃烧热量传递的影响。油池火燃烧过程中产生大量热量,其中部分热量通过传导、对流和辐射的方式传递到油池的燃料层。这部分热量传递会导致燃料层温度上升,促进燃料汽化[9]。汽化产生燃料蒸气受浮力作用向上运动,遇到油池上方火焰后会被引燃,因此在燃料层与上方火焰之间存在一个燃料蒸气层。燃料蒸气上升到某个高度后消耗殆尽,该高度即为火焰高度。
图 3给出了0#柴油池火和含水率5%乳化柴油池火的燃烧速率及燃料层温度曲线对比。由图 3a可知,0#柴油燃烧过程的燃烧速率曲线可分为3个阶段,即Ⅰ增长阶段、Ⅱ稳定燃烧阶段和Ⅲ熄灭阶段。由图 3a和3b可知,含水率5%的乳化柴油燃烧在75~530 s之间,与0#柴油相比出现明显差异,推测其原因是随着火焰和高温蒸气层的热量不断向下传递,燃料层的温度逐渐升高并超过水的沸点时,燃料内部油包水构造发生变化。此时,在燃料层中分散分布的水滴处于过热状态,产生大量的气泡,导致燃料层内发生剧烈核态沸腾[10],强烈蒸发的水汽使燃油四处飞溅形成火球,同时发出“噼噼啪啪”的微爆声,如图 4所示。燃料层表面出现明显火球跳跃现象。
对于含水率5%的乳化柴油池火,以530 s为界,燃烧过程可以分为2个阶段:前一个燃烧阶段有水的参与,产生了剧烈的核态沸腾促进燃烧;后一个燃烧阶段基本与0#柴油池火的稳定燃烧阶段和熄灭阶段相一致。
不同含水率的乳化柴油池火燃烧速率曲线对比如图 5所示。可见,乳化柴油池火的燃烧过程可以细分为5个燃烧阶段:火焰增长阶段、沸腾燃烧阶段、脉动阶段、稳定燃烧阶段和火焰熄灭阶段。各阶段具体燃烧特性如下:
Ⅰ火焰增长阶段:油池被引燃后,火焰迅速扩展至整个液面,此为火焰增长阶段,燃料燃烧速率不断增加。
Ⅱ沸腾燃烧阶段:这个阶段中,燃料燃烧速率的增加在短暂停顿一下之后,先继续快速不断上升,后出现明显的缓慢增加,最后又短暂出现快速上升。最初,随着来自火焰的热量不断向下传递,燃料层上侧靠近火焰的部分中,包裹在油里的小水滴受热升温到达沸点,这时需要大量的热量来汽化。随着燃烧的继续进行,燃料层内部由于上方火焰的传热影响,部分油包水(W/O)特殊构造中的水滴开始达到沸点,出现沸腾现象,对燃料层的稳定燃烧造成影响,并产生一定量的气泡。此时,水的沸腾汽化会促进乳化柴油池火的燃烧。
Ⅲ脉动阶段:在这个阶段,在上方的火焰持续传热影响下,整个燃料层油包水(W/O)特殊构造逐渐完全被破坏,燃料层中水滴逐渐全部沸腾,并随之产生大量的气泡,气泡的破裂使得燃料层上方的燃料蒸气层中,水蒸气的比例增加,抑制了燃烧,燃料的燃烧速率下降;随着燃料层液面气泡释放逐渐减少,抑制作用逐渐减弱,燃料的燃烧速率开始持续回升。此时,水的沸腾汽化会抑制乳化柴油池火的燃烧。
Ⅳ稳定燃烧阶段:此时燃料中的水已全部被释放,燃料层停止沸腾,仅余0#柴油,燃料层颜色全部变为黄色,在之后的较长时间处于较为稳定的燃烧状态,燃料燃烧速率在小范围内波动变化。
Ⅴ火焰熄灭阶段:当油盘内燃料消耗渐尽时进入火焰熄灭阶段,燃料燃烧速率持续降低直至火焰熄灭。
2.2 火焰高度火焰高度是油池火燃烧的重要参数,影响火焰的传播及辐射特性[11]。如图 6所示,0#柴油池火的火焰高度随时间的变化趋势基本与燃烧速率变化曲线相一致。含水率5%的乳化柴油池火的火焰高度曲线相较于0#柴油出现明显不同,其原因是水参与了燃烧过程且起了促进或抑制燃烧的作用。
在沸腾燃烧阶段,乳化柴油池火的火焰高度与0#柴油池火的稳定燃烧阶段基本一致,但燃烧速率有较大差别。这种现象可能由多种因素导致。油水乳状液汽化的一个独特性质是,由于油和水不混合,它们形成两个液相,并且在汽化后,独立于它们在液相混合物中的相对浓度[10]。当燃料层温度不超过水的沸点时,燃料层表面存在有一定量的水分布,此时引起燃烧速率差别的主要原因是水的蒸发速率。一旦燃料层温度超过水的沸点,燃料层内分散的水滴会逐渐发生核态沸腾[12],破坏油包水构造,生成水蒸气,在燃料层表面释放并产生气泡,将燃料层内部的油滴带出液面,增大了燃料与空气的接触面积,促进了燃烧,此时引起燃烧速率差别的主要原因是水的沸腾速率。在脉动阶段,乳化柴油池火的火焰高度出现先下降后上升的现象,造成这种现象的原因是燃料层中的水沸腾汽化产生的蒸气改变了油面上方燃料蒸气层的组成[13-14]。
由图 7可知,当乳化柴油含水率从5%增加到10%,沸腾燃烧阶段时间和脉动阶段时间分别延长了20%和103%;当乳化柴油含水率从15%增加到20%时,沸腾燃烧阶段时间和脉动燃烧阶段时间分别延长了31%和28%;而当乳化柴油含水率从10%增加到15%时,沸腾燃烧阶段时间和脉动燃烧阶段时间并未出现明显变化。与之相反,随着含水率的增加,燃料层中0#柴油的含量逐渐降低。因此,当乳化柴油含水率从5%增加到10%,稳定燃烧阶段的时间缩短了23%;当乳化柴油含水率从15%增加到20%,稳定燃烧阶段的时间缩短了30%;而当乳化柴油含水率从10%增加到15%时,稳定燃烧阶段的时间并未出现明显变化。这些实验结果进一步验证了水参与了燃烧过程且分别在沸腾燃烧阶段/脉动阶段起到了促进燃烧/抑制燃烧的作用。
3 结论
1) 根据燃烧速率曲线和火焰高度曲线变化,可以将乳化柴油池火的燃烧过程划分为:火焰增长阶段、沸腾燃烧阶段、脉动阶段、稳定燃烧阶段和火焰熄灭阶段。其中前3个阶段的燃烧有水参与,而后2个阶段的燃烧特性与0#柴油池火的稳定燃烧阶段和熄灭阶段基本一致。
2) 沸腾燃烧阶段,燃料层液面有小火球跳跃的现象,水在沸腾燃烧阶段对乳化柴油燃烧起到促进作用,而在脉动阶段对乳化柴油燃烧起到抑制作用。
3) 随着含水率的增加,沸腾燃烧阶段和脉动阶段的时间呈“增加—稳定—增加”的趋势,而稳定燃烧阶段的时间呈“减少—稳定—减少”的趋势。随着含水率的增大,乳化柴油池火沸腾燃烧阶段时间和脉动燃烧阶段时间延长,而稳定燃烧阶段时间缩短。
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