丙酮喷雾的燃烧与爆炸特性研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Study on the Combustion and Explosion Characteristics of Acetone Spray

研究通过调节环境温度、压力和喷射压力，系统分析了丙酮喷雾火焰传播特性及爆炸参数。实验表明火焰不稳定性主要受环境压力和温度耦合作用影响，喷射压力贡献较小。高环境压力限制燃烧产物扩散和热反馈，低喷射压力导致雾化不均引发火焰不稳定性，而高温环境可提升雾化质量并增强火焰传播。首次建立喷雾火焰不稳定性与爆炸参数（最大爆炸压力、压力上升速率、 detonation指数）的定量关联，提出多参数耦合作用机制，为燃烧系统优化提供理论依据。

　　

王振宇|华敏|谢峰|郭树成|潘旭海

南京工业大学安全科学与工程学院，中国南京211816

摘要

丙酮是一种典型的易燃有机溶剂，广泛应用于制药、化工、涂层和电子清洗行业。近年来，由于丙酮喷雾泄漏引发的频繁火灾和爆炸事故，迫切需要系统研究在复杂操作条件下的火焰传播、爆炸特性和爆炸机制，以填补现有的理论空白。本研究通过改变丙酮溶液的三个参数——环境温度（Ta）、环境压力（Pa）和喷射压力（Jp）进行了喷雾爆炸实验。首先，利用高速摄像机记录火焰行为来分析火焰传播特性。引入了马赫数（Mach number），并通过Z分数标准化和PCA加权方法定量评估了每个因素对火焰不稳定性的影响。随后，基于火焰传播特性结果，对最大爆炸压力（Pmax）、最大爆炸压力上升率（(dp/dt)max）和爆震指数（KG）进行了综合分析。研究表明，火焰不稳定性主要由环境压力和环境压力的共同作用决定，而喷射压力的相对贡献较小。环境压力和喷射压力对丙酮喷雾的蒸发、燃烧强度和火焰传播具有显著的耦合和调节作用。在高喷射压力（例如2.1 MPa）下，提高环境温度可以改善雾化质量，充分激活热激发效应，增强火焰前沿的稳定性和传播一致性，从而产生强烈而稳定的爆炸反应；而在低喷射压力（例如1.3 MPa）下，虽然温度升高促进了燃料蒸发，但不均匀的雾化导致火焰传播不连续，使Pmax出现较大波动。此外，在高环境压力条件下，燃烧产物的滞留和热反馈的减弱是限制火焰传播稳定性的关键因素：环境压力的增加限制了产物的膨胀，降低了局部氧气浓度，并抑制了火焰前沿的热传递，从而减缓了火焰传播，可能导致爆炸失败；而增加喷射压力可以通过改善雾化和混合来增强热反馈，部分抵消燃烧产物的抑制作用。这些发现证实了燃料蒸发效率和混合均匀性对高温激发的限制作用，强调了在高压条件下优化热反馈能力和产物排放路径的必要性，为燃烧系统的性能优化提供了理论指导。

引言

在现代工业生产中，丙酮作为一种低沸点、高挥发性和易燃性的有机溶剂，被广泛用于化工、制药、涂层和清洗行业。由于其高挥发性和易燃性（Ma等人，2015年），丙酮在储存、运输和工业使用过程中存在显著的火灾和爆炸风险。一旦发生泄漏，液态丙酮会迅速气溶胶化并与空气混合，可能达到爆炸浓度极限。遇到点火源或静电放电时，可能会发生爆炸，造成严重的安全隐患（Fan等人，2021年）。近年来，国内外发生的多起火灾和爆炸事故表明，泄漏后的丙酮气溶胶形式具有很高的危险性（Chou等人，2015年）。因此，易燃液体的喷雾爆炸已成为安全工程和工业应用领域的研究重点。

近年来，关于液滴蒸发、喷雾雾化和火焰传播的广泛研究为理解喷雾爆炸中多个参数的耦合效应奠定了重要基础。权威研究表明，喷射压力通过改变喷嘴出口处的动能和破碎过程显著影响液滴尺寸分布，从而影响整体蒸发面积和混合物质量（Lefebvre和McDonell，2017年）。高温环境会显著加速液滴加热和蒸发，导致蒸汽生成迅速增加（Antonov等人，2023年；Wu等人，2024年）。同时，环境压力不仅改变蒸发动力学，还可能引发破坏性蒸发或改变液滴破碎模式，为喷雾系统的燃烧和爆炸演变引入非线性效应（Yin等人，2024年；Zhu等人，2021年）。此外，燃烧理论表明，温度和压力的变化可以调节火焰厚度、传输过程和Markstein长度，从而影响火焰稳定性和前沿扰动的发展（Law，2010年）。总体而言，这些研究表明，喷射压力、环境温度和环境压力的共同影响共同决定了喷雾爆炸中的初始混合场和随后的火焰结构演变。然而，对这种多参数耦合效应的系统实验研究仍然有限，这正是本研究的重点。

鉴于丙酮的广泛应用，已对其燃烧特性（Han等人，2017年）、预混层流火焰特性（Zhang等人，2018年）、层流燃烧速度（Christensen和Konnov，2017年）以及湍流喷雾火焰动力学（Sacomano等人，2019年）进行了大量研究。然而，丙酮的大规模使用不可避免地带来了储存和运输过程中的泄漏风险。在存在点火源的情况下，这些泄漏可能导致爆炸，因此对其喷雾爆炸特性的研究至关重要。

近年来，许多研究人员研究了易燃液体的爆炸特性。Zhang等人（Zhang等人，2024年）研究了不同浓度和环境温度下丙酮的爆炸特性。Maria Mitu等人（Mitu和Brandes，2017a）研究了不同环境压力和温度下乙醇的爆炸特性。Quan Liu等人（Liu等人，2025b）研究了不同初始环境压力下混合燃料的爆炸行为。针对喷雾爆炸特性的研究，许多研究人员使用了20升爆炸球来研究不同操作条件下的各种液体燃料。Guo等人（Guo等人，2024年）使用20升容器研究了不同环境和材料温度下乙醚的喷雾爆炸特性。Feng Wu等人（Wu等人，2022b；Wu等人，2022d）使用20升爆炸球对负压下的甲醇雾化和喷雾爆炸特性进行了实验研究。

许多研究表明，易燃液体在各种操作条件下的爆炸机制相似，丙酮喷雾也不例外。许多研究人员探讨了其背后的机制，发现湍流在喷雾燃烧行为中起着重要作用，为本研究奠定了基础。Patrick等人（Jenny等人，2012年）通过数值模拟和实验相结合的方法研究了湍流对柴油喷雾燃烧的影响，发现液滴尺寸分布显著影响火焰传播。Wu等人（Wu等人，2022a）通过实验表明，更高的湍流强度可以提高喷雾均匀性并增强气液混合，从而增加爆炸强度和反应速率。Chai和Luo（Wang等人，2024年）进一步研究了湍流如何影响喷雾中的蒸发过程，促进了气流和液滴之间的更好混合，最终提高了燃烧效率并减少了有害排放。Lei等人（Zhou等人，2021年）指出，在发动机内部的高湍流条件下，液滴变形和蒸发比在低湍流条件下进行得更快，从而提高了燃烧效率。

尽管现有的数据库（如PTB的CHEMSAFE数据库）提供了各种易燃液体的标准化爆炸极限、Pmax和(dp/dt)max，但这些数据集仅来源于均匀的蒸汽-空气混合物，没有考虑喷雾中的关键两相过程，包括液滴破碎、蒸发动力学、液-汽共存和火焰结构演变。因此，当前数据库无法表示在不同喷射压力、环境温度和环境压力下的喷雾燃料的耦合燃烧-爆炸行为。本研究中研究的喷雾-温度-压力耦合机制、从喷雾火焰不稳定性到爆炸强度的转变，以及使用Markstein长度诊断喷雾火焰行为的方法，在现有数据库或文献中尚未报道。特别是，本研究首次建立了喷雾火焰不稳定性指标与爆炸参数之间的定量联系，表明早期的火焰结构演变可以作为评估喷雾爆炸危险性的先兆——这是基于数据库的结果中根本缺失的方面。因此，这项研究不仅补充了现有数据库中缺失的喷雾爆炸条件，还扩展了对可燃液体喷雾爆炸的机制理解。将Markstein长度引入喷雾火焰的不稳定性分析中，能够定量描述拉伸如何影响火焰细胞结构的形成。此外，首次应用了基于Z分数标准化和PCA的加权方法来量化三个主要影响因素的贡献，提供了一种新的定量方法来识别主要危险因素。随后，将火焰不稳定性分析与爆炸特性联系起来，并提出了喷雾条件、环境温度和环境压力之间的新的耦合机制。提取了关键的爆炸响应参数（包括Pmax和(dp/dt)max），以揭示这些因素如何影响反应强度和热量释放动力学。这些结果为丙酮喷雾提供了重要的爆炸数据和机制洞察，有助于提高各种工业领域在储存、处理和运输过程中的安全性。

材料

本实验研究中使用的丙酮由中国医药化学试剂有限公司提供。其物理化学性质（相当于分析级丙酮）列于表1中。

实验设备

为了系统研究雾化液体的爆炸特性，使用了20升爆炸球系统，如图1所示。该系统的设计和制造符合国家标准GB/T16426和GB/T16425，确保了优异的耐压性和气密性。

环境温度对丙酮喷雾火焰传播特性的影响

如图2所示，该图展示了环境温度影响下的液滴燃烧变化。

在远低于丙酮正常沸点的25°C环境温度下，液滴蒸发主要受扩散限制。液滴的表面和内部温度上升缓慢，导致蒸汽释放不足和燃料-空气混合不良。在1-5毫秒内，只观察到少数分散的发光点，其火焰半径相当

结论

• (1)
  高速成像捕捉到了丙酮喷雾火焰从初始破碎到前沿聚合和快速细胞形成的完整演变过程，揭示了一种与均匀气体火焰根本不同的“两阶段放大”不稳定性行为。由液滴蒸发引起的空间当量比不均匀性被确定为触发不稳定性的关键因素，使火焰前沿从平滑形态突然转变为明显的

CRediT作者贡献声明

郭树成：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化。潘旭海：监督、资源获取、资金筹集、概念化。华敏：撰写——审稿与编辑、验证、方法论、正式分析、数据管理、概念化。谢峰：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化。王振宇：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论、正式分析、数据管理、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号2017YFC0804700）和宁夏自治区重点研发计划（编号2022BEE02001）的支持。