摘 要

本文基于高压氢气泄放实验平台，开展了高压氢气在泄放管道中自燃的实验研究。通过改变泄放管道的长度（0.3-3米）以及初始泄放压力（3-10Mpa）来探究激波在管道中的发展以及高压氢气自燃的过程，并且系统地研究了管内外的火焰传播特性。结果表明，在一定管道长度下，初始释放压力越高，氢气越容易发生自燃，并且发生自燃的位置越靠近上游。高压氢气在管道中发生自燃时的最小释放压力为3.87MPa，管长为1.7m。当管道长度低于1.7m时，氢气发生自燃时的初始释放压力随管道长度的增加逐渐降低，但管道长度大于1.7m时则呈现出相反的规律。管长对激波的发展过程有着至关重要的作用，由于空气阻力和壁面摩擦力的作用，激波强度以及马赫数逐渐降低。当氢气在管道内部发生自燃时，激波的传播速度比火焰传播速度大。此外，分析了氢气喷射火焰的发展过程，记录了火焰头部核心燃烧区域的形成和发展。并且通过高速摄像机观察管道出口处的火焰转变过程，确定了马赫盘在火焰转变中的重要作用。同时管道出口处的氢气火焰被推举，并且喷射火焰在第二马赫盘后产生。

关键词：高压氢气；激波；释放压力；管道长度；自燃；喷射火

Abstract

This paper was based on high pressure hydrogen venting experimental platform that was conducted to study the spontaneous ignition induced by high-pressure hydrogen release through tubes with varying lengths from 0.3 to 3m. A brief introduction to the process of shock wave formation in the pipeline is included .The flame propagation inside and outside the tube was also systematically investigated. The results show that the minimum release pressure, at which the jet flame is formed, is found to be 3.87MPa with the tube length of 1.7m. When the tube length was longer than 1.7m, the critical pressure for forming jet flame increased rapidly. It is found that the tube length has a crucial effect on the expansion of hydrogen jet and formation of shock wave. Due to the air resistance and wall friction, the shock wave in the longer tube was formed earlier but weaker. Therefore, as the length of tube increases, the position at which the ignition occurs will move upstream. Moreover, the development of the jet flame in the atmosphere was completely recorded, and the Mach disk at the tube exit was observed by using a high-speed camera. It is confirmed that the flame at the tube exit is lifted in the atmosphere which is different from the previous studies, and a jet flame initiates behind the second Mach disk.

Keywords: High pressure hydrogen; shock wave; release stress; length of Hydrogen pipe; Self-ignition;Spray flame.

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

1 .绪论 1

1.1课题的研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文研究的目标与内容 6

1.4技术路线及实验装置 7

2．激波的概念及形成过程 9

3．氢气射流传播及点火过程 12

3.1自发点火的临界压力和管道长度 12

3.2管道内冲击波和火焰传播 13

3.3管道内氢气射流的膨胀与传播 14

3.4管道外火焰传播过程 18

4．总结 25

4.1实验结论 25

4.2存在的问题与展望 25

参考文献 26

1 .绪论

1.1课题的研究背景及意义

氢气不仅仅是清洁能源之一，也是非常重要的化工原料^[1,2]。现阶段，根据调研可知制取氢气的方法主要分为五大类：一类是将诸如石油、煤、天然气等化石能源作为制取氢气的原料；二类是电解制氢，原理是通电的电极浸没在电解液（通常为碱性水溶液）中电解产生氢气和氧气，该技术无污染、管理运行简便且得到的氢气较纯但是电能消耗较大；三类是尾气中氢气的回收利用，主要包括驰放气（合成氨）回收制氢，氢气从炼油厂的富氢中回收（石油加工过程，如催化重整、加气裂化、加氢精制、渣油催化裂化等），还有副产氢在氯碱厂中的回收利用（电解食盐（NaCI）生产烧碱（NaOH）、氯气，副产氢气）；四类是潜在制氢方法，如生物制氢，热化学制氢和光催化作用制取氢；五类是甲醇分解制氢、氨分解制氢等其他制氢办法（目前有研究者正在研制用甲醇转化制氢应用于氢燃料电池）

目前，氢气的储运方式^[1,2]主要分为五种:第一种是氢气液化储运；第二种是25-30MPa的氢气钢瓶（含大型长管钢瓶）储运，氢气长管车每辆储运量可达3000-5000m³；第三种是储氢材料储运，诸如纳米碳、金属氢化物等；第四种是管网输运，随着清洁能源氢气的大力推广，将建设大量氢气管网；第五种是利用废弃油井和矿井储存氢气。

一方面，由Sarkar和Banerjee^[3]的研究可知，高压储氢是目前最佳的选择。现阶段，高压氢气储罐的最大存储压力已经达到70MPa^[4-6]。另一方面。可燃气体诸如氢气、甲烷的输运多采用管道或者储罐，若发生自然灾害诸如地震和雷击，或者容器壁面发生腐蚀，或者管道热胀冷缩、管道阀门密封圈或接口老化失效，或者机械碰撞、人员误操作、施工误破坏等原因，都有可能会导致压力容器、运输管道裂缝、穿孔更甚断裂，这样高压可燃气体就会发生泄漏，而氢气因其特殊性质而易被点燃，例如，在空气中的可燃性范围极宽（体积4％-75％）和极低的最小点火能量（0.017mJ）^[7]，高速泄漏的氢气可能会产生冲击波然后被引燃或者被静电等因素引燃进而导致发生燃烧或者爆炸。近年来，层出不穷的由氢气

泄漏引发的事故给我们敲响了警钟，2001年2月27日，江苏省盐城市某化肥厂合成车间管道突然破裂，随即氢气大量泄漏。大约5分钟后，正当大家在紧张讨论如何处理事故时，突然发生爆炸，在面积约千余平方米的爆炸中心区，合成车间近10m高的厂房被炸成一片废墟，附近厂房数百扇窗户上的玻璃全部震碎，爆炸致使合成车间内当场死亡3人，另有2人因伤势过重抢救无效死亡，26人受伤。2015年6月28日，内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗准格尔经济开发区伊东九鼎化工有限责任公司发生一起氢气泄露爆炸事故，造成正在附近施工的3名工人死亡，6人受伤。经调查，事故原因为该企业净化车间换热器发生氢气泄漏造成闪爆。

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