管道中锆粉云火焰传播的温度与速度特性

第36卷第10期 北京科技大学学报 Vol.36 No.10 2014年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2014 管道中锆粉云火焰传播的温度与速度特性 王秋红”，孙金华)四，邓军” 1)西安科技大学能源学院，西安7100542)中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥230026 ☒通信作者，E-mail:sunjh@ustc.cdu.cn 摘要粉末状的锆金属不仅燃烧速度快，而且燃烧释放出的热量非常高，作为高能燃料被广泛应用在航天和军工领域.锆 金属以粉尘云的形态燃烧时，大量微小悬浮锆颗粒燃烧会形成具有一定面积的火焰，采用实验方法研究锆粉云火焰在竖直管 道中的温度和速度特性.研究结果表明，热电偶处的锆粉云最高火焰温度与瞬间火焰传播速度有相同变化趋势，都随锆粉云 质量浓度增加先增大后减小.当锆粉云质量浓度为0.625kgm3时，出现最高火焰温度，可达1777.81℃，在此条件下管道中 最快火焰传播速度可达39.7m·s1.当质量浓度超过0.625kgm后，热电偶处的锆粉云最高火焰温度与瞬间火焰传播速度 都会降低，主要是由于富燃料燃烧、管道中氧气不足而导致颗粒不能完全燃烧.实验得到了不同质量浓度锆粉云的最高火焰 温度值与最快火焰传播速度 关键词锆：粉尘云：火焰温度：火焰传播 分类号X945 Flame temperature and propagation speed characteristics of zirconium dust cloud flame propagation in pipelines WANG Qiu-hong,SUN Jin-hua,DENG Jun) 1)College of Energy,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China 2)State Key Laboratory of Fire Science,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China Corresponding author,E-mail:sunjh@ustc.edu.cn ABSTRACT Zirconium powder is widely applied as high-energy fuel for it has not only a faster burning speed but also a stronger burning heat.Flame comes into being from the combustion of zirconium dust cloud with a lot of zirconium particles suspending in the air.A transient flame propagation experimental system was established to study the flame temperature and flame propagation speed characteristics of zirconium dust cloud in a vertical pipeline.The results indicate that the maximum flame temperature and the maxi- mum flame propagation speed of zirconium dust cloud have the same changing trend at thermocouple positions,i.e.,both their values increase firstly and then decrease with the increasing concentration of zirconium dust cloud.The maximum flame temperature reaches 1777.81C and the maximum flame propagation speed is up to 39.7ms when the concentration of zirconium dust cloud at 0.625 kgm3.But when the concentration exceeds 0.625 kgm3,both the maximum flame temperature and the maximum flame propagation speed decrease.The main reason is that zirconium particles occur incompletely burning owing to rich fuel combustion in the pipeline. KEY WORDS zirconium:dust cloud:flame temperature;flame propagation 锆是一种强延性、难熔、主要呈四价的金属元 点为1852℃，沸点为4377℃，密度为6.49gm-3. 素，属化学元素周期系的第Ⅳ族和第二过渡系，熔 由于锆的强延性非常高，直接将其进行机械粉碎难 收稿日期：20140403 基金项目：陕西省教有厅专项科研计划项目(2013K09947):中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室开放课题(H☑2013KF13):中国博士 后科学基金资助项目(2013M530430):陕西省博士后科学基金资助项目(2013K09947):西安科技大学博士启动资金资助项目(2012QDJ038): 西安科技大学培育基金资助项目(201245) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.015:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 10 期 2014 年 10 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 10 Oct． 2014 管道中锆粉云火焰传播的温度与速度特性 王秋红1) ，孙金华2) ，邓 军1) 1) 西安科技大学能源学院，西安 710054 2) 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥 230026  通信作者，E-mail: sunjh@ ustc． edu． cn 摘 要 粉末状的锆金属不仅燃烧速度快，而且燃烧释放出的热量非常高，作为高能燃料被广泛应用在航天和军工领域． 锆 金属以粉尘云的形态燃烧时，大量微小悬浮锆颗粒燃烧会形成具有一定面积的火焰，采用实验方法研究锆粉云火焰在竖直管 道中的温度和速度特性． 研究结果表明，热电偶处的锆粉云最高火焰温度与瞬间火焰传播速度有相同变化趋势，都随锆粉云 质量浓度增加先增大后减小． 当锆粉云质量浓度为 0. 625 kg·m － 3时，出现最高火焰温度，可达 1777. 81 ℃，在此条件下管道中 最快火焰传播速度可达 39. 7 m·s － 1 ． 当质量浓度超过 0. 625 kg·m － 3后，热电偶处的锆粉云最高火焰温度与瞬间火焰传播速度 都会降低，主要是由于富燃料燃烧、管道中氧气不足而导致颗粒不能完全燃烧． 实验得到了不同质量浓度锆粉云的最高火焰 温度值与最快火焰传播速度． 关键词 锆; 粉尘云; 火焰温度; 火焰传播 分类号 X 945 Flame temperature and propagation speed characteristics of zirconium dust cloud flame propagation in pipelines WANG Qiu-hong1) ，SUN Jin-hua2)  ，DENG Jun1) 1) College of Energy，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China 2) State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China  Corresponding author，E-mail: sunjh@ ustc． edu． cn ABSTＲACT Zirconium powder is widely applied as high-energy fuel for it has not only a faster burning speed but also a stronger burning heat． Flame comes into being from the combustion of zirconium dust cloud with a lot of zirconium particles suspending in the air． A transient flame propagation experimental system was established to study the flame temperature and flame propagation speed characteristics of zirconium dust cloud in a vertical pipeline． The results indicate that the maximum flame temperature and the maxi￾mum flame propagation speed of zirconium dust cloud have the same changing trend at thermocouple positions，i． e． ，both their values increase firstly and then decrease with the increasing concentration of zirconium dust cloud． The maximum flame temperature reaches 1777. 81 ℃ and the maximum flame propagation speed is up to 39. 7 m·s － 1 when the concentration of zirconium dust cloud at 0. 625 kg·m － 3 ． But when the concentration exceeds 0. 625 kg·m － 3，both the maximum flame temperature and the maximum flame propagation speed decrease． The main reason is that zirconium particles occur incompletely burning owing to rich fuel combustion in the pipeline． KEY WOＲDS zirconium; dust cloud; flame temperature; flame propagation 收稿日期: 2014--04--03 基金项目: 陕西省教育厅专项科研计划项目( 2013JK09947) ; 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室开放课题( HZ2013--KF13) ; 中国博士 后科学基金资助项目( 2013M530430) ; 陕西省博士后科学基金资助项目( 2013JK09947) ; 西安科技大学博士启动资金资助项目( 2012QDJ038) ; 西安科技大学培育基金资助项目( 201245) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 10． 015; http: / /journals． ustb． edu． cn 锆是一种强延性、难熔、主要呈四价的金属元 素，属化学元素周期系的第 IV 族和第二过渡系，熔 点为 1852 ℃，沸点为 4377 ℃，密度为 6. 49 g·m － 3 ． 由于锆的强延性非常高，直接将其进行机械粉碎难

第10期 王秋红等：管道中锆粉云火焰传播的温度与速度特性 ·1379· 度很大，故把锆先经过工艺反应生成氢化锆，容易被 粉碎的氢化锆会进一步分解而形成粉末状态的锆， 通常采用这种方法制作锆粉口.锆粉除了具有极高 熔点和超强硬度，还具有燃烧速度快及释放出的热 量非常高的特点，被大量应用在航天、军工以及原子 能等领域回 国内外学者对锆燃烧开展过大量研究.Doyle 等司研究得到在1.013MPa下，锆金属在氧气中燃 烧达到的最高温度有4930K.Ewald等0通过改变 气压、稀释度（稀释物为Z0,)和相对湿度这三个条 件，得出锆粉在氧气中的燃烧规律：随气体压力增 加，锆粉燃烧温度和波速都会增大；锆粉相对湿度较 1一点火电极：2一点火系统：3一高速摄像仪：4一分散伞：5一试料器： 小时，燃烧温度在初始时就急剧上升，而其相对湿度 6一同步控制器：7一电磁阀：8一空气压缩气瓶：9一微细热电偶 较大时，燃烧温度缓慢上升.Badiola和Dreizin研 图1粉尘云瞬态火焰实验系统 Fig.1 Schematic diagram of the dust cloud transient flame propaga- 究发现，锆颗粒的平均燃烧温度非常接近它自身的 tion experimental system 绝热火焰温度，并且颗粒燃烧温度不依赖于粒子大 小，颗粒燃烧时间与颗粒尺寸存在函数关系.Dig 采用储气罐初始压力0.4MPa,喷粉持续时间500 等对锆粉云的火焰结构进行了探索，发现锆粉云 ms,喷粉结束距点火时间300ms;另外实验中所用试 的燃烧区厚度为5~6mm,小粒径颗粒主要位于燃 样都必须提前进行干燥，干燥时间12h. 烧区前沿，该区域厚度约为1.4mm,较大粒径颗粒 压力表 主要位于燃烧区前沿的后方，区域厚度约为1.4~6 mm.Dimg等还得到单个锆粒子的燃烧时间范围 压力表 为1~5ms,颗粒燃烧时间主要取决于颗粒的初始粒 CH 燃烧管道 径，在燃烧区前方的预热区厚度为7~8mm. 前人的研究主要集中在锆粉在氧气中燃烧，锆 气 储 粉的初始点燃过程，单个锆颗粒的燃烧时间、燃烧温 电磁阀 度与粒径之间的关系及锆粉云的微观火焰结构这几 个方面.本课题采用粉尘云瞬态火焰实验系统，主 图2喷粉系统示意图 要研究空气氛围下锆金属粉尘云火焰在管道中传播 Fig.2 Schematic diagram of the powder spraying system 时的温度与速度特性 同步控制器可精准控制电磁阀、高压点火器、高 1实验系统构成 速摄像机和数据采集仪，各仪器按时间指令先后 触发 实验系统构成，见图1. 矩形燃烧管道，长为80mm,宽为80mm,高为 2锆粉材料理化性能测试 500mm,管道的下端处于封闭状态，上端没有封闭， 用激光粒度仪测试试样粒度，结果见图3.从图 四个方向上的侧壁分别为15mm厚的不锈钢板和石 3得到，实验中所用锆粉的平均粒径为21.029μm. 英玻璃.在距离管道底部上方5cm的位置安装有一 对点火电极，粉尘云被点火电极释放出的电火花能 7 d0.1)=6.8094m 量引燃.微细热电偶分别放置在距离管道底部20 5 d0.5)=21.029Hm cm和35cm的地方，用于实时采集瞬态火焰传播过 43 0.9=56.255μm 程中的火焰温度 喷粉系统见图2.设定空气从阀口流出的速度 102 10-1 109 10 10 就会在空气中悬浮形成不同质量浓度的粉尘云.在 粒度/μm 实验测试前，要确保喷粉后形成的粉尘云在管道中 图3锆粉粒径分布 有较好的悬浮性，并且是均匀分散状态：实验调试后 Fig.3 Particle size distribution of zirconium powder

第 10 期 王秋红等: 管道中锆粉云火焰传播的温度与速度特性 度很大，故把锆先经过工艺反应生成氢化锆，容易被 粉碎的氢化锆会进一步分解而形成粉末状态的锆， 通常采用这种方法制作锆粉［1］． 锆粉除了具有极高 熔点和超强硬度，还具有燃烧速度快及释放出的热 量非常高的特点，被大量应用在航天、军工以及原子 能等领域［2］． 国内外学者对锆燃烧开展过大量研究． Doyle 等［3］研究得到在 1. 013 MPa 下，锆金属在氧气中燃 烧达到的最高温度有 4930 K． Ewald 等［4］通过改变 气压、稀释度( 稀释物为 ZO2 ) 和相对湿度这三个条 件，得出锆粉在氧气中的燃烧规律: 随气体压力增 加，锆粉燃烧温度和波速都会增大; 锆粉相对湿度较 小时，燃烧温度在初始时就急剧上升，而其相对湿度 较大时，燃烧温度缓慢上升． Badiola 和 Dreizin［5］研 究发现，锆颗粒的平均燃烧温度非常接近它自身的 绝热火焰温度，并且颗粒燃烧温度不依赖于粒子大 小，颗粒燃烧时间与颗粒尺寸存在函数关系． Ding 等［6］对锆粉云的火焰结构进行了探索，发现锆粉云 的燃烧区厚度为 5 ～ 6 mm，小粒径颗粒主要位于燃 烧区前沿，该区域厚度约为 1. 4 mm，较大粒径颗粒 主要位于燃烧区前沿的后方，区域厚度约为 1. 4 ～ 6 mm． Ding 等［6］还得到单个锆粒子的燃烧时间范围 为 1 ～ 5 ms，颗粒燃烧时间主要取决于颗粒的初始粒 径，在燃烧区前方的预热区厚度为 7 ～ 8 mm． 前人的研究主要集中在锆粉在氧气中燃烧，锆 粉的初始点燃过程，单个锆颗粒的燃烧时间、燃烧温 度与粒径之间的关系及锆粉云的微观火焰结构这几 个方面． 本课题采用粉尘云瞬态火焰实验系统，主 要研究空气氛围下锆金属粉尘云火焰在管道中传播 时的温度与速度特性． 1 实验系统构成 实验系统构成，见图 1． 矩形燃烧管道，长为 80 mm，宽为 80 mm，高为 500 mm，管道的下端处于封闭状态，上端没有封闭， 四个方向上的侧壁分别为 15 mm 厚的不锈钢板和石 英玻璃． 在距离管道底部上方 5 cm 的位置安装有一 对点火电极，粉尘云被点火电极释放出的电火花能 量引燃． 微细热电偶分别放置在距离管道底部 20 cm 和 35 cm 的地方，用于实时采集瞬态火焰传播过 程中的火焰温度． 喷粉系统见图 2． 设定空气从阀口流出的速度 就会在空气中悬浮形成不同质量浓度的粉尘云． 在 实验测试前，要确保喷粉后形成的粉尘云在管道中 有较好的悬浮性，并且是均匀分散状态; 实验调试后 1—点火电极; 2—点火系统; 3—高速摄像仪; 4—分散伞; 5—试料器; 6—同步控制器; 7—电磁阀; 8—空气压缩气瓶; 9—微细热电偶 图 1 粉尘云瞬态火焰实验系统 Fig． 1 Schematic diagram of the dust cloud transient flame propaga￾tion experimental system 采用储气罐初始压力 0. 4 MPa，喷粉持续时间 500 ms，喷粉结束距点火时间 300 ms; 另外实验中所用试 样都必须提前进行干燥，干燥时间 12 h． 图 2 喷粉系统示意图 Fig． 2 Schematic diagram of the powder spraying system 图 3 锆粉粒径分布 Fig． 3 Particle size distribution of zirconium powder 同步控制器可精准控制电磁阀、高压点火器、高 速摄像机和数据采集仪，各仪器按时间指令先后 触发． 2 锆粉材料理化性能测试 用激光粒度仪测试试样粒度，结果见图 3． 从图 3 得到，实验中所用锆粉的平均粒径为 21. 029 μm． · 9731 ·

·1380 北京科技大学学报 第36卷 由文献7]知所用锆粉为微米级粉体. 用X射线粉末衍射仪对锆粉开展物相分析，见 用环境扫描电镜观察分析锆粉的微观形貌，结 图5.从图5锆粉的衍射图谱可以看到，衍射峰中只 果见图4.从图4可以看出，锆粉颗粒间有大量的孔 有Zr的特征峰，说明锆试样的纯度很高. 隙，锆颗粒为鳞片状结构，颗粒表面平整光滑 图4锆粉的扫描电镜像 Fig.4 SEM images of zirconium powder 2.0 的温度分布.由于热电偶的热惯性效应，温度测量 a05-0665>Zr 值与真实值之间有一定误差，故必须对温度测量值 1.6 进行修正.修正公式-习采用 1.2 T=7+8.75x10-d7 dt 0.8 式中，T为修正后的热电偶接点处的温度，Tm为热 电偶测量得到的温度，为时间.下文中所有热电偶 测得的温度均采用此公式进行修正. 实验中采用取样称重法对管道中粉尘云质量浓 40 50 60 度进行测量.当气流喷吹锆粉在管道中形成悬浮状 20r9 态的锆粉云，此时迅速向管道的底部和顶端分别插 图5锆粉的X射线衍射谱 入两块平行的光滑面板，在确定悬浮粉尘全部沉降 Fig.5 XRD pattern of zirconium powde 后，称量落在下面板上的锆粉质量，锆粉质量除以两 3 最高火焰温度与锆粉云质量浓度之间的 平行面板间的管道体积即可得到管道中悬浮着的锆 关系 粉云质量浓度.喷粉质量与锆粉云质量浓度之间的 对应关系，如表1所示.为确保实验过程中样品的 实验中使用直径25μm铂/铑3-铂金属丝制作 使用条件一致，实验前将锆粉置于30℃的恒温干燥 成的微细热电偶，可以准确测量到粉尘云瞬态火焰 箱中进行干燥，干燥时间为12h 表1喷粉质量与粉尘云质量浓度 Table 1 Powder mass and dust cloud concentration 锫粉质量/g 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.5 2 2.5 3 粉尘云质量浓度/(kgm~3) 0.156 0.188 0.219 0.250 0.281 0.313 0.469 0.6250.781 0.938 以两种质量浓度的锆粉云火焰传播为例说明热 表2温度峰值的修正值 电偶测得的温度随时间变化曲线特征.为在图中清 Table 2 Correction value of the maximum temperature 晰显示温度峰值，截取的时间段中仅显示温度曲线 0.156kgm3锆粉云 0.313kgm3锆粉云 样品 的温升段和部分降温段，如图6所示.图6(a)和 1# 2# 1 2# (b)中，温度峰值的修正值见表2. 测量值/℃ 973.4 613.3 1475.64 1366.45 分析图6(a)中的温度修正曲线中可以得到，无 修正值/℃ 995.5 617.03 1508.02 1406.23

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 由文献［7］知所用锆粉为微米级粉体． 用环境扫描电镜观察分析锆粉的微观形貌，结 果见图 4． 从图 4 可以看出，锆粉颗粒间有大量的孔 隙，锆颗粒为鳞片状结构，颗粒表面平整光滑． 用 X 射线粉末衍射仪对锆粉开展物相分析，见 图 5． 从图 5 锆粉的衍射图谱可以看到，衍射峰中只 有 Zr 的特征峰，说明锆试样的纯度很高． 图 4 锆粉的扫描电镜像 Fig． 4 SEM images of zirconium powder 图 5 锆粉的 X 射线衍射谱 Fig． 5 XＲD pattern of zirconium powder 3 最高火焰温度与锆粉云质量浓度之间的 关系 实验中使用直径25 μm 铂/铑 l3--铂金属丝制作 成的微细热电偶，可以准确测量到粉尘云瞬态火焰 的温度分布． 由于热电偶的热惯性效应，温度测量 值与真实值之间有一定误差，故必须对温度测量值 进行修正． 修正公式［8 － 9］采用 T = Tm + 8. 75 × 10 － 3 dTm dt ． 式中，T 为修正后的热电偶接点处的温度，Tm 为热 电偶测量得到的温度，t 为时间． 下文中所有热电偶 测得的温度均采用此公式进行修正． 实验中采用取样称重法对管道中粉尘云质量浓 度进行测量． 当气流喷吹锆粉在管道中形成悬浮状 态的锆粉云，此时迅速向管道的底部和顶端分别插 入两块平行的光滑面板，在确定悬浮粉尘全部沉降 后，称量落在下面板上的锆粉质量，锆粉质量除以两 平行面板间的管道体积即可得到管道中悬浮着的锆 粉云质量浓度． 喷粉质量与锆粉云质量浓度之间的 对应关系，如表 1 所示． 为确保实验过程中样品的 使用条件一致，实验前将锆粉置于 30 ℃ 的恒温干燥 箱中进行干燥，干燥时间为 12 h． 表 1 喷粉质量与粉尘云质量浓度 Table 1 Powder mass and dust cloud concentration 锆粉质量/g 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 1. 5 2 2. 5 3 粉尘云质量浓度/( kg·m － 3 ) 0. 156 0. 188 0. 219 0. 250 0. 281 0. 313 0. 469 0. 625 0. 781 0. 938 以两种质量浓度的锆粉云火焰传播为例说明热 电偶测得的温度随时间变化曲线特征． 为在图中清 晰显示温度峰值，截取的时间段中仅显示温度曲线 的温升段和部分降温段，如图 6 所示． 图 6 ( a) 和 ( b) 中，温度峰值的修正值见表 2． 分析图 6( a) 中的温度修正曲线中可以得到，无 表 2 温度峰值的修正值 Table 2 Correction value of the maximum temperature 样品 0. 156 kg·m － 3锆粉云 0. 313 kg·m － 3锆粉云 1# 2# 1# 2# 测量值/℃ 973. 4 613. 3 1475. 64 1366. 45 修正值/℃ 995. 5 617. 03 1508. 02 1406. 23 · 0831 ·

第10期 王秋红等：管道中锆粉云火焰传播的温度与速度特性 ·1381· 1200 1800P 一1·热电偶温度修正曲线 1000 ~1”热电偶温度修正曲线 1500 ,热电偶温度测量曲线 一”热电偶温度测量曲线 800 1200- 600 900 一2*热电偶温度修正曲线 400 600 一2热电偶温度测量曲线 200 一2”热电偶温度修正曲线 一2”热电偶温度测量曲线 00 0 0.07 0.14 0.210.28 0.35 0.42 0.02 0.030.040.050.060.070.08 时间： 时间s 图6火焰传播过程中温度测量曲线（实线）与温度修正曲线（虚线）.(a)粉尘云质量浓度0.156kgm3:(b)粉尘云质量浓度0.313kg*m3 Fig.6 Temperature measuring curves (solid lines)and temperature correction curves (dotted lines)when flame propagation:(a)dust cloud con- centration at 0.156 kg*m3:(b)dust cloud concentration at 0.313 kg'm3 论是质量浓度0.156kg·m-3还是0.313kg·m3,1" 表3温度曲线拟合公式 热电偶比2"热电偶的响应时间快，到达温度峰值的 Table 3 Fitting formula of the temperature curve 时间短，且温度峰值高.由此得到，管道下部燃烧比 热电偶 温度曲线拟合公式 管道上部剧烈.从表2中还可以看出，锆粉云质量 Y=776.694+3103.85097X-2449.43726X2 浓度越大，温度峰值也越高. 2* Y=674.8+3100.85943X-2427.669942 进一步对1和2"热电偶处测得的不同质量浓 度的锆粉云传播火焰最高温度（均为修正后温度） 从图7得知，在0.313~0.938kg·m-3锆粉云质 进行汇总，并对温度数据点分别进行二次拟合，如 量浓度范围内，随粉尘云质量浓度增加，两个热电偶 图7所示，温度曲线拟合公式见表3 得到的温度峰值都是先升高后减小，温度数据点符 合温度曲线拟合公式（见表3）.可见随着锆粉云质 2000 量浓度增加，在某一质量浓度下锆粉云燃烧火焰温 度可达最高值，超过这一质量浓度，温度峰值反而会 1800 下降.在0.625kg·m-3质量浓度下，两个热电偶测 得的温度峰值分别为1777.81℃和1693.86℃.本 1600 0 0、 文用微细热电偶得到的锆粉云在不同质量浓度下的 。2热电偶温度 最高温度值给工业生产提供基础数据，有参考价值. 1400 ·一2”热电偶温度拟合曲线 ·1“热电偶温度 各粉尘云质量浓度下1"和2"热电偶测得最高火焰 一1“热电偶温度拟合曲线 温度数据见表4. 1200 0.2 0.4 0.6 0.8 10 质量浓度g·m 4最高火焰温度与瞬间火焰传播速度之间 图70.313~0.938kg·m3质量浓度范围内热电偶测得最高火 的关系 焰温度与锆粉云质量浓度的关系 热电偶处测得的最高火焰温度与火焰锋面经过 Fig.7 Relationship between the maximum flame temperature at ther- mocouple positions and the concentration of zirconium dust cloud with- 热电偶时的瞬间火焰传播速度之间的关系如图8所 in0.313-0.938kg°m3 表4热电偶测得最高火焰温度数据 Table 4 Maximum flame temperature data measured by two thermocouples 锆粉云质量浓 最高火焰温度/℃ 锆粉云质量浓 最高火焰温度/℃ 度1(kgm3) 1# 24 度/(kgm-3) 1# 28 0.156 995.50 617.03 0.313 1508.02 1406.23 0.188 1086.84 815.28 0.469 1686.26 1586.15 0.219 1233.25 971.71 0.625 1777.81 1693.86 0.250 1378.76 1153.68 0.781 1689.69 1585.26 0.281 1476.86 1328.12 0.938 1539.16 1458.45

第 10 期 王秋红等: 管道中锆粉云火焰传播的温度与速度特性 图 6 火焰传播过程中温度测量曲线( 实线) 与温度修正曲线( 虚线) ． ( a) 粉尘云质量浓度 0. 156 kg·m － 3 ; ( b) 粉尘云质量浓度 0. 313 kg·m － 3 Fig． 6 Temperature measuring curves ( solid lines) and temperature correction curves ( dotted lines) when flame propagation: ( a) dust cloud con￾centration at 0. 156 kg·m － 3 ; ( b) dust cloud concentration at 0. 313 kg·m － 3 论是质量浓度 0. 156 kg·m － 3还是 0. 313 kg·m － 3，1# 热电偶比 2# 热电偶的响应时间快，到达温度峰值的 时间短，且温度峰值高． 由此得到，管道下部燃烧比 管道上部剧烈． 从表 2 中还可以看出，锆粉云质量 浓度越大，温度峰值也越高． 进一步对 1# 和 2# 热电偶处测得的不同质量浓 度的锆粉云传播火焰最高温度( 均为修正后温度) 进行汇总，并对温度数据点分别进行二次拟合，如 图 7所示，温度曲线拟合公式见表 3． 图 7 0. 313 ～ 0. 938 kg·m － 3 质量浓度范围内热电偶测得最高火 焰温度与锆粉云质量浓度的关系 Fig． 7 Ｒelationship between the maximum flame temperature at ther￾mocouple positions and the concentration of zirconium dust cloud with￾in 0. 313 － 0. 938 kg·m － 3 表 3 温度曲线拟合公式 Table 3 Fitting formula of the temperature curve 热电偶 温度曲线拟合公式 1# Y = 776. 694 + 3103. 85097X － 2449. 43726 X2 2# Y = 674. 8 + 3100. 85943X － 2427. 66994 X2 从图 7 得知，在 0. 313 ～ 0. 938 kg·m － 3锆粉云质 量浓度范围内，随粉尘云质量浓度增加，两个热电偶 得到的温度峰值都是先升高后减小，温度数据点符 合温度曲线拟合公式( 见表 3) ． 可见随着锆粉云质 量浓度增加，在某一质量浓度下锆粉云燃烧火焰温 度可达最高值，超过这一质量浓度，温度峰值反而会 下降． 在 0. 625 kg·m － 3质量浓度下，两个热电偶测 得的温度峰值分别为 1777. 81 ℃ 和 1693. 86 ℃ ． 本 文用微细热电偶得到的锆粉云在不同质量浓度下的 最高温度值给工业生产提供基础数据，有参考价值． 各粉尘云质量浓度下 1# 和 2# 热电偶测得最高火焰 温度数据见表 4． 4 最高火焰温度与瞬间火焰传播速度之间 的关系 热电偶处测得的最高火焰温度与火焰锋面经过 热电偶时的瞬间火焰传播速度之间的关系如图 8 所 表 4 热电偶测得最高火焰温度数据 Table 4 Maximum flame temperature data measured by two thermocouples 锆粉云质量浓 度/( kg·m － 3 ) 最高火焰温度/℃ 1# 2# 锆粉云质量浓 度/( kg·m － 3 ) 最高火焰温度/℃ 1# 2# 0. 156 995. 50 617. 03 0. 313 1508. 02 1406. 23 0. 188 1086. 84 815. 28 0. 469 1686. 26 1586. 15 0. 219 1233. 25 971. 71 0. 625 1777. 81 1693. 86 0. 250 1378. 76 1153. 68 0. 781 1689. 69 1585. 26 0. 281 1476. 86 1328. 12 0. 938 1539. 16 1458. 45 · 1831 ·

·1382· 北京科技大学学报 第36卷 2000 35 1800r a 5 1600 40 1400 35 1600 25 1200 /30 20 25 1000 1200 15 20 800 ·一最高火焰温度 ·一最高火焰温度 15 ·瞬态火焰传播温度 10 600 -o·瞬态火焰传播温度 10 800gL 400L 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 .10.2030.40.50.60.70.80.91.0 质量浓度依g·m》 质量浓度依g·m 45r 40 35 304 25 20 ·一过1”热电偶时暖态火焰传播速度 10 -0·过2”热电偶时瞬态火焰传播速度 s 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 质量浓度低gm 图8热电偶处最高火焰温度与爵间火焰传播速度关系.(a)1*热电偶位置处：(b)2热电偶位置处：（©）瞬间火焰传播速度比较 Fig.8 Relationship between the maximum flame temperature and the transient flame propagation speed at thermocouple positions:(a)at 1*thermo- couple location:(b)at 2*thermocouple location:(c)comparation of transient flame propagation speed between 1 and 2*thermocouple locations 示.从图8(a)和(b)可以看出，随着锆粉云质量浓 表5火焰传播速度数据 度的逐渐增加，热电偶处温度峰值与瞬间火焰传播 Table 5 Flame propagation speed data 速度整体上都是先升高后减小.这主要有两个原 锆粉云质量 热电偶处瞬间火焰 火焰在管道中的 浓度/ 传播速度/(ms) 最快传播速度/ 因：(1)火焰温度越高，会减少火焰前沿处还没有燃 (kg'm-3) 1# (m's-) 烧的颗粒从吸收热量到引燃的时间，加快了化学反 0.156 5.60 6.00 7.20 应速率，故提升了火焰传播速度.(2)传播速度越 0.313 13.85 20.85 25.45 快，参加燃烧的未燃颗粒数量也就越多，使得整个反 0.469 18.97 25.81 27.36 应体系释放出的热量急剧增加，导致体系中火焰温 0.625 26.67 39.70 39.70 度也整体升高，这正是火焰的加速传播机理.由此 0.781 22.19 31.48 31.48 可见，温度峰值和最快火焰传播速度都受粉尘云质 0.938 19.02 20.19 28.78 量浓度的影响，粉尘云质量浓度大小起了确定性作 用.在研究石松粉尘0、铁粉尘0和铝粉尘☒火 较高.这主要是因为粉尘云质量浓度过高时，会造 焰传播的文献中也有相似规律. 成富燃料燃烧，在管道中没有充足的氧气维系进一 在各质量浓度下，火焰锋面经过热电偶时的瞬 步化学反应；并且大量没有燃烧的粉尘会吸收体系 间火焰传播速度以及火焰在管道中传播可达到的最 中的热能，对体系有降温作用.这两方面原因最终 快速度的数据，如表5所示. 导致最快传播速度呈降低趋势， 从表5数据中可以得到，2热电偶处瞬间火焰 5结论 传播速度快于1"热电偶处瞬间火焰传播速度，是因 为火焰在管道中的传播属于加速传播.在质量浓度 用直径25μm铂/铑3-铂金属丝制作成的微细 为0.625kg°m-3和0.781kgm-3时，火焰传播到2" 热电偶测量竖直管道中锆粉云传播火焰的温度，分 热电偶处时，其传播速度已达到最大值.质量浓度 析得到锆粉云最高火焰温度与锆粉云质量浓度之间 超过0.625kg"m-3时，火焰在管道中的最快传播速 的关系，并且在分析高速摄像机拍摄到的的系列火 度会降低，但比起低质量浓度，其最快传播速度仍然 焰图片后，发现热电偶处锆粉云最高火焰温度与瞬

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 8 热电偶处最高火焰温度与瞬间火焰传播速度关系． ( a) 1# 热电偶位置处; ( b) 2# 热电偶位置处; ( c) 瞬间火焰传播速度比较 Fig． 8 Ｒelationship between the maximum flame temperature and the transient flame propagation speed at thermocouple positions: ( a) at 1# thermo￾couple location; ( b) at 2# thermocouple location; ( c) comparation of transient flame propagation speed between 1# and 2# thermocouple locations 示． 从图 8( a) 和( b) 可以看出，随着锆粉云质量浓 度的逐渐增加，热电偶处温度峰值与瞬间火焰传播 速度整体上都是先升高后减小． 这主要有两个原 因: ( 1) 火焰温度越高，会减少火焰前沿处还没有燃 烧的颗粒从吸收热量到引燃的时间，加快了化学反 应速率，故提升了火焰传播速度． ( 2) 传播速度越 快，参加燃烧的未燃颗粒数量也就越多，使得整个反 应体系释放出的热量急剧增加，导致体系中火焰温 度也整体升高，这正是火焰的加速传播机理． 由此 可见，温度峰值和最快火焰传播速度都受粉尘云质 量浓度的影响，粉尘云质量浓度大小起了确定性作 用． 在研究石松粉尘［10］、铁粉尘［11］和铝粉尘［12］火 焰传播的文献中也有相似规律． 在各质量浓度下，火焰锋面经过热电偶时的瞬 间火焰传播速度以及火焰在管道中传播可达到的最 快速度的数据，如表 5 所示． 从表 5 数据中可以得到，2# 热电偶处瞬间火焰 传播速度快于 1# 热电偶处瞬间火焰传播速度，是因 为火焰在管道中的传播属于加速传播． 在质量浓度 为 0. 625 kg·m － 3和 0. 781 kg·m － 3时，火焰传播到 2# 热电偶处时，其传播速度已达到最大值． 质量浓度 超过 0. 625 kg·m － 3时，火焰在管道中的最快传播速 度会降低，但比起低质量浓度，其最快传播速度仍然 表 5 火焰传播速度数据 Table 5 Flame propagation speed data 锆粉云质量 浓度/ ( kg·m － 3 ) 热电偶处瞬间火焰 传播速度/( m·s － 1 ) 1# 2# 火焰在管道中的 最快传播速度/ ( m·s － 1 ) 0. 156 5. 60 6. 00 7. 20 0. 313 13. 85 20. 85 25. 45 0. 469 18. 97 25. 81 27. 36 0. 625 26. 67 39. 70 39. 70 0. 781 22. 19 31. 48 31. 48 0. 938 19. 02 20. 19 28. 78 较高． 这主要是因为粉尘云质量浓度过高时，会造 成富燃料燃烧，在管道中没有充足的氧气维系进一 步化学反应; 并且大量没有燃烧的粉尘会吸收体系 中的热能，对体系有降温作用． 这两方面原因最终 导致最快传播速度呈降低趋势． 5 结论 用直径25 μm 铂/铑 l3--铂金属丝制作成的微细 热电偶测量竖直管道中锆粉云传播火焰的温度，分 析得到锆粉云最高火焰温度与锆粉云质量浓度之间 的关系，并且在分析高速摄像机拍摄到的的系列火 焰图片后，发现热电偶处锆粉云最高火焰温度与瞬 · 2831 ·

第10期 王秋红等：管道中锆粉云火焰传播的温度与速度特性 ·1383· 间火焰传播速度之间的关系.主要结论有： lurgy.Beijing:Metallurgical Industry Press,2002 (1)锆粉云火焰由下向上传播过程中，下方热 (熊炳昆，温旺光，杨新民.锆铪治金.北京：治金工业出版 社，2002) 电偶曲线峰温总是高于上方热电偶曲线峰温，说明 B]Doyle W L,Conway J B,Grosse A V.The combustion of zirconi- 管道下部的燃烧比管道上部剧烈. um in oxygen.J Inorg Nucl Chem,1958,6(2):138 (2)锆粉云质量浓度在0.313~0.938kg·m-3 4] Ewald K H,Anselmi-Tamburini U,Munir Z A.Combustion of 范围内，随质量浓度的增加，温度峰值都是先升高后 zirconium powders in oxygen.Mater Sci Eng A,2000,291 (1/ 减小，温度数据点符合温度曲线拟合公式.在0.625 2):118 kg·m3质量浓度时，锆粉云最高火焰温度可达 5]Badiola C,Dreizin E L.Combustion of micron-ized particles of titanium and zirconium.Proc Combust Inst,2013,34(2):2237 1777.81℃ [6]Ding Y B,Sun J H,He X C,et al.Flame propagation character- (3)由于锆粉云火焰在管道中加速传播，火焰 istics and flame structures of zirconium particle cloud in a small- 峰面经过下部热电偶处比经过上部热电偶处的瞬间 scale chamber.Chin Sci Bull,2010,55(34):3954 火焰传播速度小，且随粉尘云质量浓度的增加，在管 Gai S G.Superfine Pouder Technology.Beijing:Chemical Indus- 道中可达到的最快传播速度也是先增大后减小，这 try Press,2004 (盖胜国.超微粉体技术.北京：化学工业出版社，2004) 主要是由于管道中富燃料燃烧缺氧而导致.在 [8]Ballantyne A,Moss J B.Fine wire thermocouple measurements of 0.625kg°m3质量浓度时，管道中达到最快传播速 fluctuating temperature.Combust Sci Technol,1977,17:63. 度为39.7ms1. 9] Sun J H,Dobashi R,Hirano T.Temperature profile across the (4)不同质量浓度条件下锆粉云的最高火焰温 combustion zone propagating through an iron particle cloud.Los 度值与最快火焰传播速度值，可为锆粉的工业应用 Prev Process Ind,2001,14(6):463 [10]Han O S,Yashimaa M,Matsuda T,et al.A study of flame prop- 提供参考的基础数据. agation mechanisms in lycopodium dust clouds based on dust par- ticles behavior.JLoss Prev Process Ind,2001,14(3):15 参考文献 01] Sun JH,DobashiR.HiranoT.Concentration profile of particles [Knowledge of Rare Metal editorial committee.Zirconium and Haf- across a flame propagating through an iron particle cloud.Com- nium.Beijing:Metallurgical Industry Press,1976 bust Flame,2003,134:381 (《稀有金属知识》编写组.锆与铪.北京：治金工业出版社， [12]Sun J H,Dobashi R,Hirano T.Structure of flames propagating 1976) through aluminum particles cloud and combustion process of par- Xiong B K,Wen W G,Yang X M.Zirconium and hafnium metal- ticles.J Loss Prev Process Ind,2006,19:769

第 10 期 王秋红等: 管道中锆粉云火焰传播的温度与速度特性 间火焰传播速度之间的关系． 主要结论有: ( 1) 锆粉云火焰由下向上传播过程中，下方热 电偶曲线峰温总是高于上方热电偶曲线峰温，说明 管道下部的燃烧比管道上部剧烈． ( 2) 锆粉云质量浓度在 0. 313 ～ 0. 938 kg·m － 3 范围内，随质量浓度的增加，温度峰值都是先升高后 减小，温度数据点符合温度曲线拟合公式． 在 0. 625 kg·m － 3 质量 浓 度 时，锆粉云最高火焰温度可达 1777. 81 ℃ ． ( 3) 由于锆粉云火焰在管道中加速传播，火焰 峰面经过下部热电偶处比经过上部热电偶处的瞬间 火焰传播速度小，且随粉尘云质量浓度的增加，在管 道中可达到的最快传播速度也是先增大后减小，这 主要是由于管道中富燃料燃烧缺氧而导致． 在 0. 625 kg·m － 3质量浓度时，管道中达到最快传播速 度为 39. 7 m·s － 1 ． ( 4) 不同质量浓度条件下锆粉云的最高火焰温 度值与最快火焰传播速度值，可为锆粉的工业应用 提供参考的基础数据． 参 考 文 献 ［1］ Knowledge of Ｒare Metal editorial committee． Zirconium and Haf￾nium． Beijing: Metallurgical Industry Press，1976 ( 《稀有金属知识》编写组． 锆与铪． 北京: 冶金工业出版社， 1976) ［2］ Xiong B K，Wen W G，Yang X M． Zirconium and hafnium metal￾lurgy． Beijing: Metallurgical Industry Press，2002 ( 熊炳昆，温旺光，杨新民． 锆铪冶金． 北京: 冶金工业出版 社，2002) ［3］ Doyle W L，Conway J B，Grosse A V． The combustion of zirconi￾um in oxygen． J Inorg Nucl Chem，1958，6( 2) : 138 ［4］ Ewald K H，Anselmi-Tamburini U，Munir Z A． Combustion of zirconium powders in oxygen． Mater Sci Eng A，2000，291 ( 1 / 2) : 118 ［5］ Badiola C，Dreizin E L． Combustion of micron-sized particles of titanium and zirconium． Proc Combust Inst，2013，34( 2) : 2237 ［6］ Ding Y B，Sun J H，He X C，et al． Flame propagation character￾istics and flame structures of zirconium particle cloud in a small￾scale chamber． Chin Sci Bull，2010，55( 34) : 3954 ［7］ Gai S G． Superfine Powder Technology． Beijing: Chemical Indus￾try Press，2004 ( 盖胜国． 超微粉体技术． 北京: 化学工业出版社，2004) ［8］ Ballantyne A，Moss J B． Fine wire thermocouple measurements of fluctuating temperature． Combust Sci Technol，1977，17: 63． ［9］ Sun J H，Dobashi Ｒ，Hirano T． Temperature profile across the combustion zone propagating through an iron particle cloud． J Loss Prev Process Ind，2001，14( 6) : 463 ［10］ Han O S，Yashimaa M，Matsuda T，et al． A study of flame prop￾agation mechanisms in lycopodium dust clouds based on dust par￾ticles behavior． J Loss Prev Process Ind，2001，14( 3) : 15 ［11］ Sun J H，Dobashi Ｒ，Hirano T． Concentration profile of particles across a flame propagating through an iron particle cloud． Com￾bust Flame，2003，134: 381 ［12］ Sun J H，Dobashi Ｒ，Hirano T． Structure of flames propagating through aluminum particles cloud and combustion process of par￾ticles． J Loss Prev Process Ind，2006，19: 769 · 3831 ·