氢气浓度对氢气燃烧影响的实验研究

王迎　李勇　王运生

【摘 要】本文构建了氢气燃烧试验回路，研究了不同氢气浓度对氢气燃烧的影响。结果表明：随氢气体积浓度的增大，氢气燃烧火焰传播速度加快，最高燃烧温度升高，燃烧过程中的峰值压力逐渐升高；当氢气浓度低于8%，氢气无法完全反应。

【关键词】氢气燃烧；最高温度；峰值压力；火焰速度；燃尽率

0 前言

核电站发生严重事故时，锆与水或水蒸气发生强烈反应而释放大量的氢气，产生的氢气会释放到安全壳中，从而会发生氢气在安全壳中大量聚集的现象[1，2]，而安全壳是核电厂与环境之间的最后一道实体屏障，安全壳的破裂会造成核辐射从核电厂泄露到环境中，从而对环境和人体造成巨大伤害。为避免裂变产物对环境和人体的辐射危害，核电站严重事故管理的基本目标是保证安全壳的完整性[3]。在核电站严重事故中，有各种威胁安全壳完整性的因素，其中泄漏到安全壳中的氢气燃烧后产生的压力可能超过安全壳的设计强度，是威胁安全壳完整性的一个重要因素，因此需要避免氢气在安全壳中的积聚和燃烧。国际原子能机构（IAEA）在《核电厂安全设计》中明确规定：必须考虑严重事故下保持安全壳完整性的措施，特别是必须考虑预计发生的各种可燃气体的燃烧效应。而氢气是核电厂发生严重事故时产生的主要可燃气体，因此也需要重点考虑严重事故下氢气的生成、扩散以及燃烧爆炸等问题。

当严重事故发生时，锆水反应释放大量氢气的同时，不同的氢气浓度会导致氢气燃烧不同的燃烧模式，低氢气浓度会产生氢气的缓慢燃烧，对安全壳的压力和热冲击也比较小，而高的氢气浓度会形成爆燃甚至爆炸，对安全壳完整性造成巨大威胁，因此通过实验来研究氢气浓度对氢气燃烧的影响有重要的作用。

1 实验装置

本实验系统可以用于进行氢气、氧气以及水蒸气混合物的燃烧实验，通过实验可获得反应容器中温度、压力、气体产物成分等参数，对这些参数进行分析，可进一步得到氢气燃烧过程中的火焰传播速度、燃尽率、燃烧过程中的压力变化曲线和温度变化曲线等参数，从而对氢气的燃烧特性进行研究。通过改变反应初始时的氢气浓度，可以对比分析氢气浓度对氢气燃烧特性的影响。

试验系统由回路系统、测控系统和电气系统等几部分构成，系统构成图如图1所示，以下部分对各子系统简单介绍：

1.1 回路系统

回路系统是氢气及其混合气体进行送气、清洗、反应等过程的系统，包括反应容器、加热与保温系统、送气及清洗系统和点火系统等。反应容器的作用是在反应容器内部实现混合气体的燃烧以及燃烧过程中实验参数的测量。反应容器壁面上安装了主要的测量仪器，以测量混合气体燃烧过程中气体的温度、压力等参数，反应容器耐压2MPa。

加热保温系统的作用是实现反应容器的加热和保温。主要包括加热带、控制柜和保温棉。采用加热带对反应容器进行分段加热，加热带分为4段（筒体分3段加热，下封头1段加热，上封头只保温，不加热）；用控制柜控制加热带的加热温度，控制柜的控温精度为±5℃；保温棉减少热量的散失，保持加热后的反应容器温度维持在设定的温度值附近。

送气及清洗系统的作用是在点火前提供干净清洁的混合气体。主要包括空压机、冷干机、油气水过滤器和真空泵等。点火系统的作用是点燃充入反应容器中的混合气体。点火系统包括电压转换元件和点火电极。电压转换元件的作用是将24V直流电源转换成点火所需要的10kV高压电压；点火电极的作用是在高压电压的作用下释放电火花，点燃混合气体。点火器采用24V直流电源，所需功率约为10W，经电压转换元件后的点火电压为10kV，点火器的点火能约为7J。

1.2 测控系统

测控系统主要作用是测量和控制实验过程中的相关参数。本实验中的测控系统主要包括隔离式压力变送器、动态压力测试系统、快速响应热电偶、测静温热电偶、氢气分析仪、真空计、质量流量计、量筒、大气压力计、NI数据采集板和计算机等。

1.3 电气系统

电气系统的作用是给各用电设备供电，主要包括220V交流电源（给数据采集板、信号调理仪、真空泵等等设备供电）、24V直流电源（给点火器和隔离式压力变送器供电）、控制加热带加热温度的加热柜以及传输电流的电线等等。

2 实验结果及分析

为考察初始氢气浓度对氢气燃烧行为的影响，选取的初始氢气体积分数分别为6%、8%、10%和12%，其他的初始实验条件为压力98kPa、温度100℃、水蒸气体积分数0%、底部点火。

2.1 初始氢气体积分数对火焰传播速度的影响

图2 不同初始氢气体积分数下的火焰锋面位置随时间的变化

图2是不同初始氢气体积分数时火焰锋面位置随时间的变化曲线，图3给出了初始氢气体积分数分别为6%、8%、10%和12%时拟合得到的火焰传播速度。

图3 不同初始氢气体积分数下火焰传播速度

由图中可以看出，当初始氢气体积分数在6～12%的范围内变化时，火焰传播速度缓慢增加，氢气体积分数为6%与8%时或10%与12%时，平均火焰传播速度接近，在氢气体积分数由8%增加到10%时，火焰的传播速度增加了59%。

2.2 初始氢气体积分数对燃烧过程中最高温度的影响

图4给出了燃烧过程中经辐射修正后的最高温度随初始氢气体积分数的变化。从图中可以看出，初始氢气浓度分别为6%、8%、10%和12%时燃烧过程中的热电偶测得的最高温度分别是558℃、751℃、899℃和968℃，经辐射修正后的温度值分别为572℃、762℃、916℃和982℃。可见燃烧过程中的最高温度随着初始氢气体积分数的增加而增加，分析认为，随着氢气体积分数的升高，燃烧放热量随之增大，而罐内气体量并未发生明显变化，因此导致了燃烧温度的升高。

图4 燃烧过程中最高温度随初始氢气体积分数的变化

2.3 初始氢气体积分数对燃烧过程中峰值压力的影响

燃烧过程中峰值压力和理论燃烧压力随初始氢气体积分数的变化见图5。

图5 燃烧过程中峰值压力随初始氢气体积分数的变化

从图中可以看出，初始氢气体积分数分别为6%、8%、10%和12%时燃烧过程中的峰值压力分别是154kPa、231kPa、257kPa和283kPa，可见初始氢气体积分数对燃烧过程中峰值压力的影响较为明显：随着初始氢气体积分数的增加，燃烧过程中的峰值压力逐渐升高。这一变化趋势与燃烧过程中最高温度随初始氢气体积分数变化的趋势相吻合。

2.4 初始氢气体积分数对燃尽率的影响

初始氢气体积分数为6%、8%、10%和12%时，用氢气分析仪测得燃烧后干燥混合物中剩余氢气体积分数分别为2.7%、0%、0%和0%，计算得氢气的燃尽率分别是57.3%、100%、100%和100%，燃尽率随初始氢气体积分数的变化见图6。这说明初始氢气体积分数对氢气的燃尽率有较大的影响：当初始氢气体积分数低于8%时难以燃尽，但当氢气体积分数达到8%或更高时（但不高于化学计量比下的氢气体积分数）时氢气就能够实现完全燃烧，这与Lowry等人[4]在实验中观察到的现象基本一致。氢气体积分数为6%时，由于燃烧温度较低，反应速率较慢，在有限的时间内，导致氢气无法完全反应。

图6 燃尽率随初始氢气体积分数的变化

3 结论

通过以上实验分析，考察了不同氢气浓度对氢气燃烧结果的影响，可得出以下实验结论：

1）氢气体积分数为6%与8%时或10%与12%时，平均火焰传播速度接近，在氢气体积分数由8%增加到10%时，火焰的传播速度增加；

2）随着氢气体积分数的升高，燃烧放热量随之增大，导致燃烧温度和峰值燃烧压力的升高；

3）当氢气体积分数达到8%或更高时氢气能够实现完全燃烧，氢气体积分数为6%时，由于燃烧温度较低，反应速率较慢，导致氢气无法完全反应。

【参考文献】

[1]邓坚.大型干式安全壳严重事故条件下氢气控制研究[D].上海交通大学，2008.

[2]郭丁情，邓坚，曹学武，等.严重事故下氢气风险及氢气控制系统的初步分析[J].原子能科学技术，2008，42（12）：1109-1114.

[3]Agency IAE. Mitigation of hydrogen hazards in severe accidents in nuclear power plants[R]. Vienna： International Atomic Energy Agency， 2011.

[4]Lowry WE， Davis BW. Final results of the hydrogen igniter experimental program[R]. Livermore： Lawrence Livermore National Laboratory， 1982.

[责任编辑：汤静]