氢/甲烷

科技工作者之家  |   2020-11-17 18:10

氢/甲烷是一种燃料,主要成分是氢和甲烷的混合成份。其比例不同带来的燃烧效果会不同。也可用作医学检查。

研究背景天然气作为一种常见的清洁能源被广泛应用于各行各业的生产与生活之中。然而,由于甲烷(CH4)中C-H键能较大,致使天然气燃烧速率慢,火焰传播速率低,稀燃时燃烧不完全,因此造成了天然气实际使用时热效率低、燃烧循环变动率大的缺点。针对甲烷燃烧特性的不足,可通过添加氢气有效提高甲烷的燃烧效率和火焰传播速度,并降低污染物的排放量。Salzano等研究了在密闭柱形容器内初始压力对不同含量的氢气/甲烷混合气体最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率和燃烧速率的影响。贾宝山等通过氢气促进瓦斯爆炸实验发现随着氢气含量的增加,瓦斯引爆时间逐渐缩短,爆炸强度随之增大;Wu等在竖直管道中研究了氢气添加对甲烷爆炸的影响,结果表明在输入热能相同的条件下,氢气添加提高了混合气体的总热通量;Faghih等研究指出,当混合气体中氢气比例超过70%时,爆燃指数随着氢气的继续加入成倍增长;Ma等认为,在泄爆条件下,当氢的比例低于50%时,压力最大上升速率轻微增加,而氢的比例高于50%时压力最大上升速率显著增加。针对以上成果,现有的甲烷/氢气混合气体爆炸特性研究主要集中于部分氢气添加比例下,而大范围氢气添加的研究较少,因此开展大比例含氢甲烷/空气预混气体的爆炸特性研究是十分有必要的。

研究现状尽管添加氢气后甲烷的燃烧特性得到了较大的改善,然而含氢的甲烷/空气预混气体仍是生产、运输及使用过程中不可忽视的危险源,具有较大的安全隐患。在燃料管道、阀门和高压储罐的缝隙和裂口中,氢气的泄漏率很高。由于含氢的甲烷/空气预混气体泄漏位置的不确定性,直接造成点火位置的不同,不利于爆炸事故的预防与控制。因此,在不同的点火位置下开展氢气/甲烷/空气预混气体爆炸特性的研究具有十分重要的意义。目前,学者们在泄爆条件下开展了相关实验研究,Park等在泄爆条件下进行不同点火位置的甲烷爆炸实验,发现点火位置在爆炸容器底部时超压最高,在顶部时超压最低;Guo等表明点火位置靠近泄爆端时,爆炸超压较小;冯长根等通过爆炸仿真模拟器研究了独头巷道中点火位置对瓦斯爆炸的影响,结果表明点火位置离封闭端越近,各测点所得到的超压越大;何学超等发现在90°弯曲管道中,水平点火与垂直点火时火焰的燃烧状态并不相同;Vishwakarma等利用圆柱形爆炸容器对甲烷/空气混合气体爆炸进行研究,发现点火位置位于中心时比位于壁面时的爆炸压力大。杜扬等针对常见的点火方式,对在泄爆条件下油气爆燃的超压瞬变与火焰行为进行了研究。此外,封闭管道条件下点火位置的影响规律,与泄爆条件下基本一致。Kindracki等研究了封闭管道内甲烷的爆炸超压,认为点火位置在中心时,压力最大,点火位置在底部时,压力次之,点火位置在顶部时,压力最小;Xiao等研究了封闭管道内氢气火焰形状及火焰传播速度随点火位置的变化规律。康杨等利用数值模拟对汽油/空气的爆燃转爆轰过程进行研究,得到了使DDT形成距离和时间最短的最佳点火位置。综上所述,点火位置对水平管道中氢气/甲烷混合气体爆炸特性的影响还缺乏深入研究。1

热值特性氢气和甲烷相比氢气的热值高。氢气,是一种极易燃烧,无色透明、无臭无味的气体。氢气是世界上已知的密度最小的气体,氢气的密度只有空气的1/14,即在0 ℃时,一个标准大气压下,氢气的密度为0.0899 g/L。所以氢气可作为飞艇、氢气球的填充气体(由于氢气具有可燃性,安全性不高,飞艇现多用氦气填充)。氢气是相对分子质量最小的物质,主要用作还原剂。甲烷,在常温下是一种无色、无臭、可燃、微毒的气体,是1个碳原子与4个氢原子所结合的简单碳氢化合物。101.325kpa,273.15k的状态下,甲烷的高热值是39829KJ/m3低热值是35807KJ/m3,氢气的高热值12789KJ/m3,低热值是10779KJ/m3。

甲烷和氢的呼气检查它们通过肠粘膜屏障后进入血液循环,最终通过呼气屏障有肺泡呼出。因此,甲烷和氢呼气检查反映的是人体胃肠道内碳水化合物的关系。具体体现在以下几个方面:

1、先天性缺乏分解碳水化合物的酶。最常见的是缺少乳糖脱氢酶导致的乳糖不耐受。比较少见的是缺少果糖导致的果糖不耐受。

2、后天性缺乏分解碳水化合物的酶。例如:腹泻导致的乳糖脱氢酶缺乏、胰腺炎导致的胰淀粉酶缺乏等。

3、细菌移位,特别是小肠细菌过度生长。正常情况下小肠内细菌很少,产生很少的氢气和甲烷,如果在小肠出现甲烷和氢气过高,反应存在小肠细菌过度生长。科学发现小肠细菌过度生长与很多疾病存在相关性。

4、胃和小肠传输速度。又称口盲时间。给病人服用小肠不可吸收的碳水化合物后,根据甲烷和氢气出现的高峰情况可以了解到达盲肠的时间。

5、产甲烷细菌存在的部位和多少。中国约只有三分之一的人群存在产甲烷细菌。且主要存在于降结肠部位,并且数量很少。如果甲烷含量过高,或者提前出现,可以反映产甲烷菌移位或者量过高。目前报道,甲烷可以到处肠道蠕动减慢,刺激肠壁发炎,与便秘和大肠癌存在高度相关性。

6、了解胃酸的分泌。服用镁制剂后,金属镁和胃酸反应产生氢气。可以通过呼出氢气的多少了解胃酸的分泌量。2

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李斌 - 副教授 - 西南大学