转炉煤气爆燃的发生、发展及遏制机理

中国的能源综合利用效率比发达国家低大约10个百分点，节能减排工作任重道远。虽然我国在回收利用冶金炉煤气方面做了不少工作，但放散率仍然较高，其中以转炉煤气最具有代表性，放散率达40%以上。转炉煤气的毒性很大，其CO含量高达65%，具有间歇性、多尘性和爆炸性的特点。煤气的温度、浓度、含氧量随转炉工作过程变化很大，当温度降至1000℃以下时将存在爆燃的危险，严重危害转炉煤气余热的正常回收。本项目针对转炉煤气余热回收过程中煤气可能爆燃的问题，研究煤气在扰动条件下的点火、发展及熄火机理，得到不同条件下的最大爆燃压力，探索煤气发生爆燃的几率；研究高烟尘煤气在降温过程中的爆燃特性；研究换热器的结构参数对煤气最终爆燃强度的影响；运用化学流体力学模拟煤气从着火到爆燃的发展过程及影响因素，准确描述煤气爆燃及遏制后的速度和压力发展过程，揭示煤气的遏爆机理，为研制煤气爆燃自动抑爆技术提供基础数据和理论依据。

转炉煤气的毒性很大，其CO 含量高达65%，具有间歇性、多尘性和爆炸性的特点。煤气的温度、浓度、含氧量随转炉工作过程变化很大，当温度降至1000℃以下时将存在爆燃的危险，严重危害转炉煤气余热的正常回收。本项目针对转炉煤气余热回收过程中煤气可能爆燃的问题，研究煤气在扰动条件下的点火、发展及熄火机理，得到了不同条件下的最大爆燃压力和速度；研究煤气在降温过程中的爆燃特性，得到了预热温度等因素对于爆燃压力的影响；研究换热器的结构参数对煤气最终爆燃强度的影响，得到了阻塞比和障碍物间距等因素对于爆燃强度的影响；运用CFD方法模拟计算了煤气从着火到爆燃的发展过程，得到了煤气爆燃的速度和压力发展过程，揭示了煤气的遏爆机理，得到了煤气爆燃抑爆技术的方案。项目的主要成果如下：. （1）障碍物对管道爆燃的过程影响显著，使火焰传播和压力得到了快速发展。CO当量比在Φ= 1.10时爆燃强度最大，此时最大火焰传播速度达到752 m/s，最大压力达到0.76 MPa；H2O在CO和O2反应过程中起了关键作用，H2O含量在0.5%时的爆燃过程最为剧烈；随煤气的预热温度提高，爆燃压力下降，最大压力可以从306 K的0.7 MPa下降到了805 K的0.25 MPa。. （2）在一氧化碳爆燃实验的基础上，提出了多级分区模型来计算沿程峰值超压，模型将带障碍物管看成由障碍物隔开的首尾相接的一系列的泄爆腔体。基于数据分析，得到了利用一氧化碳氧化反应当量比、膨胀比、开口面积比等已知参数来计算沿程峰值超压的经验公式。. （3）及时喷氮可以有效抑制爆燃过程。试验结果表明：未喷氮气时爆燃气体最高压力为0.5 MPa，而加喷氮气后气体压力明显下降，随着增加喷氮气的压力和时间，爆燃气体最高压力分别下降为0.35 MPa，0.15 MPa和0.02 MPa，爆燃过程被明显抑制。. （4）为了研究换热器的结构参数对煤气最终爆燃强度的影响，在实验中使用了三种不同形状的障碍物.实验结果表明障碍物的形状对于爆燃的强度影响不是很明显，而障碍物的阻塞比和间距是影响的主要因素。