余明高楊 勇裴 蓓牛 攀朱新娜

(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作454003; 2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室,河南焦作454003)

N2雙流體細(xì)水霧抑制管道瓦斯爆炸實驗研究*

余明高1,2,楊 勇1,2,裴 蓓1,2,牛 攀1,2,朱新娜1,2

(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作454003; 2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室,河南焦作454003)

為了在較低壓力下獲得較小粒徑的細(xì)水霧,降低噴霧抑爆系統(tǒng)的運行成本,提高系統(tǒng)的適用性和抑爆效率,自行搭建了尺寸為120 mm×120 mm×840 mm的透明有機玻璃瓦斯爆炸管道實驗平臺。采用雙流體噴嘴將N2和細(xì)水霧送入試驗管道,通過調(diào)節(jié)噴霧壓力和噴霧時間開展了雙流體細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸實驗研究,從火焰速度、瓦斯爆炸超壓2個方面探討雙流體細(xì)水霧的抑爆有效性。實驗結(jié)果表明:N2雙流體細(xì)水霧抑爆效果明顯,可以減小瓦斯爆炸強度;隨著噴霧時間的延長,爆炸火焰的速度峰值逐漸下降,爆炸超壓峰值逐漸下降,平均升壓速率逐漸降低;當(dāng)N2壓力為0.4 MPa、噴霧時間為3 s時,速度峰值比不噴霧時下降60.39%,爆炸超壓峰值下降37.76%。

雙流體;氮氣;細(xì)水霧;甲烷爆炸

瓦斯抽放是礦井瓦斯治理的一種根本性措施,在煤礦井下存在大量的瓦斯抽放管道。由于受地質(zhì)條件影響,鉆孔抽放的瓦斯?jié)舛炔⒉贿_(dá)標(biāo),甚至在爆炸范圍內(nèi),給抽放管道安全輸送瓦斯帶來潛在的危險。因此,研究抽放管道瓦斯安全輸送對預(yù)防瓦斯爆炸事故的發(fā)生具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

細(xì)水霧因其具有高效、清潔、適用范圍廣等特點,在滅火、抑爆等方面的研究與應(yīng)用受到眾多學(xué)者的關(guān)注。陸守香等[1]分析了水參與瓦斯爆炸的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理,結(jié)果表明,細(xì)水霧對氣體爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Чc水霧濃度、水霧流量以及火焰到達(dá)水霧區(qū)時的傳播速度有關(guān)。余明高等[2]通過壓力噴頭霧化方式使用細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸,實驗表明細(xì)水霧量充足時可有效降低火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鏈囟?。畢明樹等[3]研究發(fā)現(xiàn),噴霧量較小時,最大瓦斯爆炸壓力和最大壓力上升速率都出現(xiàn)增大;隨著噴霧量的增加,最大爆炸壓力及最大壓力上升速率會隨著下降。謝波等[4]研究發(fā)現(xiàn),采用主動水霧抑爆時,在水霧區(qū)及其后的一定距離內(nèi)激波均出現(xiàn)不同程度的衰減,激波衰減隨水霧空間密度增加而明顯。唐建軍[5]在20 L近球形爆炸罐中使用虹吸噴頭霧化方式抑爆瓦斯爆炸,并結(jié)合數(shù)值模擬分析表明初始瑞流會促進(jìn)瓦斯爆炸,增加水霧量可以提高抑爆效果。但總體上,前人研究主要是基于單流體噴霧條件開展的。

K.Van Wingerden等[6]的研究表明霧滴粒徑在20～200μm的細(xì)水霧的抑爆效果最好;張鵬鵬[7]使用粒徑較小的超聲波霧化細(xì)水霧抑制甲烷爆炸,當(dāng)超細(xì)水霧量充足時抑爆效果較好。余明高等[8]研究發(fā)現(xiàn)超細(xì)水霧可以有效降低瓦斯燃燒的熱釋放速率,抑制瓦斯的燃燒火焰;S.P.Medvedev等[9]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧抑爆效果與霧滴粒徑有關(guān),霧滴粒徑越小,抑制作用越好;Heskestad和Dundas研究表明霧滴粒徑與壓力呈反比關(guān)系[10]。對于單流體噴霧而言,要降低霧滴粒徑而提高抑爆效果,其唯一途徑是提升噴嘴噴霧壓力,這就要求輸水管路耐壓較高,且還需要配置增壓穩(wěn)壓等機電設(shè)備,增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和運行成本。而雙流體噴頭可運用虹吸原理,充分利用氣體作為霧化動力,在相同壓力條件下可比單流體噴霧的霧化效果更好。

本文中以N2作為噴霧動力源,既能在較小的壓力下產(chǎn)生較小粒徑細(xì)水霧,其良好的空間分散性也可使細(xì)水霧分布更加均勻[11],而且惰性氣體的加入可對甲烷的爆炸上、下限產(chǎn)生影響[12],提高抑爆效率。本文中將從火焰速度、瓦斯爆炸超壓兩個方面研究并探討雙流體細(xì)水霧對瓦斯爆炸抑制的有效性。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗裝置

搭建的雙流體細(xì)水霧抑制管道瓦斯爆炸實驗平臺由管道、配氣系統(tǒng)、雙流體噴頭、數(shù)據(jù)采集卡、高速攝像機、點火器等組成,實驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)圖Fig.1 Experimental stytem

爆炸管道是長為840 mm、截面積為120 mm×120 mm的有機玻璃管道,管道上端用PVC薄膜密封;配氣系統(tǒng)由甲烷、空氣氣瓶和質(zhì)量流量計組成;雙流體噴霧系統(tǒng)包括雙流體噴頭、水槽和N2氣瓶,在爆炸前可向管道內(nèi)噴入N2和細(xì)水霧,其中細(xì)水霧粒徑為10～20μm;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由MD-HF型壓力傳感器、RL-1型光電傳感器、USB-1608FS數(shù)據(jù)采集卡組成;高速攝像圖像采集系統(tǒng)由High Speed Star 4G型高速攝像機、圖像控制器和高速計算機組成,攝像機拍攝速率可以達(dá)到2 000 s-1;點火系統(tǒng)由HEI19系列高熱能點火器、點火電極組成,點火電壓為6 k V。

1.2 實驗方法

實驗開始前按照圖1組裝實驗儀器,調(diào)試相關(guān)設(shè)備,使用PVC薄膜封住管道泄爆口。為了排盡管道內(nèi)原有的空氣,采用通入4倍體積的預(yù)混氣體的辦法[13],設(shè)定好各質(zhì)量流量控制器的參數(shù)后開始向管道內(nèi)充入預(yù)混氣體,預(yù)混氣體為CH4體積分?jǐn)?shù)為9.5%的CH4-空氣混合氣體(9.5%CH4-空氣),充氣時間為6 min。充氣完成后,同時關(guān)閉進(jìn)氣閥和排氣閥,打開電磁閥控制開關(guān)雙流體噴頭開始噴霧,到設(shè)定的噴霧時間后電磁閥關(guān)閉噴霧結(jié)束。以上過程完成后按下高能點火器開關(guān)點燃預(yù)混氣體。瞬間光電傳感器捕捉點火電極發(fā)出的電火花并轉(zhuǎn)換成電信號,隨后就會觸發(fā)高速攝像機拍攝圖片和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開關(guān)。實驗過程中采用的噴霧壓力分別為0.2、0.3、0.4 MPa,在各壓力下噴霧時間分別為1、2、3 s。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1N2雙流體細(xì)水霧對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/p>

圖2是相同時刻下N2壓力為0.4 MPa,噴霧時間為1、2、3 s時與不噴霧時火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的對比圖。從圖2可看出,點火后火焰以“半球形”向上傳播[14],隨后火焰變?yōu)椤爸感巍眰鞑?。施加N2雙流體細(xì)水霧后,相同時刻火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x較不噴霧時減小。增加噴霧時間后相同時刻火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x也逐漸減小。不噴霧時火焰?zhèn)鞑サ匠隹诙说臅r間為73 ms;N2壓力為0.4 MPa,噴霧時間為1、2、3s時,火焰?zhèn)鞑サ匠隹诙说臅r間分別為93、125、192.5 ms,較不噴霧時分別增加了27.4%、71.23%、163.7%。管道長度相同,火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c時間成反比,即N2雙流體細(xì)水霧后火焰平均速度有不同程度的降低。

圖3是不噴霧和N2噴霧壓力分別為0.2、0.3、0.4 MPa,噴霧時間分別為1、2、3 s時,點燃9.5% CH4-空氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣葘Ρ葓D,其中:N2-0.2 MPa-1 s表示氮氣噴霧壓力為0.2 MPa、噴霧時間為1 s?；贛atlab圖像處理計算爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣?對圖像進(jìn)行灰度化及二值化處理,檢測火焰邊緣,獲取火焰區(qū)域的邊界。對得到的實際火焰鋒面位置進(jìn)行分析,采用下式計算平均火焰?zhèn)鞑ニ俣葀[15]:

式中:L為火焰鋒面位置1處和2處間的距離;t1為火焰鋒面到達(dá)位置1處的時間;t2為火焰鋒面到達(dá)位置2處的時間。

從圖3中可看出噴霧條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c不噴霧條件下變化趨勢一樣,火焰?zhèn)鞑ニ俣染霈F(xiàn)了先增大后減小,這是由于點火電極點燃管內(nèi)甲烷后放出熱量,在極短時間內(nèi)積聚大量熱量,管內(nèi)溫度升高,火焰?zhèn)鞑ニ俣仁軠囟容^大,火焰出現(xiàn)加速。隨著管內(nèi)甲烷濃度降低,瓦斯燃燒釋放的熱量逐漸減少,火焰?zhèn)鞑ニ俣纫搽S之逐漸降低。不噴霧時火焰?zhèn)鞑シ逯邓俣葹?6.99 m/s。表1給出了不同噴霧條件下速度峰值的下降比例。如表1所示,與不噴霧條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣认啾?噴霧條件下的火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯稻胁煌潭鹊慕档?其中火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲笙陆当壤_(dá)到60.39%。如圖4所示,在同一噴霧壓力下隨著噴霧時間的延長,爆炸火焰的速度峰值逐漸下降。從爆炸火焰的速度峰值下降可以看出雙流體細(xì)水霧可以有效抑制火焰的傳播速度。

圖2 相同時刻火焰鋒面位置對比圖Fig.2 Comparison of flame front position at the same moment

圖3 N2雙流體細(xì)水霧火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.3 Flame propagation velocity with N2twin-fluid

表1 不同壓力不同噴霧時間下速度峰值的下降比例Table 1 Decline proportion of the peak velocity under different pressure and at different times

從火焰?zhèn)鞑ニ俣冉嵌确治?隨初始溫度增加,燃燒爆炸反應(yīng)速率隨之增加[16],火焰?zhèn)鞑ニ俣纫才c甲烷爆炸過程中的溫度有關(guān)。試驗管道內(nèi)甲烷被引爆后會形成兩波三區(qū)結(jié)構(gòu),即前驅(qū)沖擊波陣面和火焰波陣面,前驅(qū)沖擊波前無擾區(qū)、預(yù)熱區(qū)和火焰后區(qū)[17]?；鹧娌嚸嬉簿褪腔瘜W(xué)反應(yīng)區(qū),此區(qū)域內(nèi)能夠產(chǎn)生大量熱量和自由基。預(yù)熱區(qū)是前驅(qū)沖擊波已經(jīng)經(jīng)過但是火焰陣面還沒到達(dá),這一區(qū)域內(nèi)的混合氣體受到火焰波陣面熱輻射作用溫度升高,此時預(yù)熱區(qū)內(nèi)的混合氣所具有的起爆條件要強于初始狀態(tài),相當(dāng)于混合氣體的“初始溫度”變高,在遇到火焰波時就能夠更快的被點燃?；鹧娌▋?nèi)反應(yīng)速度加快,也就是在更短的時間內(nèi)放出更多的熱量,溫度也就增加的越快,正反饋于燃燒速度,促進(jìn)了火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

在爆炸體系內(nèi)施加雙流體細(xì)水霧后,水霧具有高熱容(2 450 kJ/kg),在預(yù)熱區(qū)內(nèi)吸收火焰波的輻射熱,降低這一區(qū)域的溫度。細(xì)水霧在遇到爆炸火焰時蒸發(fā)對火焰陣面有較強的氣相吸熱、冷卻作用[18]。本實驗中細(xì)水霧的粒徑為10～20μm,在遇到火焰時可以快速蒸發(fā)吸收大量熱量,同時也降低火焰向預(yù)熱區(qū)的輻射強度。在爆炸體系內(nèi)N2分子作為第三體,參與瓦斯爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中三元碰撞,在較大的爆炸壓力下,大量的自由基能量轉(zhuǎn)移到N2分子上[19],減少了化學(xué)反應(yīng)區(qū)內(nèi)和向預(yù)熱區(qū)傳遞的自由基。N2具有置換氧氣的作用[20]能夠減少反應(yīng)物與氧氣碰撞的頻率。兩者的共同作用導(dǎo)致了化學(xué)反應(yīng)速率的降低,降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣?。而同一噴霧壓力下延長噴霧時間,增加了N2的濃度和細(xì)水霧量,由于N2具有良好的空間彌散性,也使細(xì)水霧更加均勻地分散在管道內(nèi),增強了兩者的抑制作用。因此,隨著噴霧時間的延長,火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯抵饾u減小,可以提高雙流體細(xì)水霧的抑爆效果。

圖4 N2雙流體細(xì)水霧火焰速度峰值Fig.4 Peak velocity of flame with N2twin-fluid

2.2N2雙流體細(xì)水霧對爆炸超壓的影響

圖5是不噴霧和N2噴霧壓力分別為0.2、0.3、0.4 MPa、噴霧時間分別為1、2、3 s時,點燃9.5% CH4-空氣的爆炸超壓對比圖。由圖5可看出爆炸超壓先增大后減小,甲烷被點燃后,化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的自由基使反應(yīng)速率快速提高,爆炸管道內(nèi)短時間積聚了大量的熱量,這些熱量使管道內(nèi)的氣體快速膨脹,在受限空間內(nèi)快速膨脹的氣體導(dǎo)致管道內(nèi)壓力上升,產(chǎn)生的沖擊波向前傳播沖破出口端的PVC薄膜后壓力驟然下降。在管道內(nèi)施加雙流體細(xì)水霧時,爆炸超壓也是先增大后減小。不噴霧時超壓峰值為31.915 kPa,表2為不同噴霧條件下的朝下峰值下降比例。如表2所示,與不噴霧條件下爆炸超壓相比,噴霧條件下的爆炸超壓峰值均有不同程度的降低,其中爆炸超壓最大下降比例達(dá)到37.76%。如圖6所示,在同一噴霧壓力下隨著噴霧時間的延長,爆炸超壓的峰值逐漸下降。從爆炸超壓的速度峰值下降可以看出雙流體細(xì)水霧可以有效抑制爆炸超壓。

圖5 N2雙流體細(xì)水霧壓力曲線Fig.5 Pressure curve with N2twin-fluid

表2 不同壓力不同噴霧時間下超壓峰值的下降比例Table 2 Decline proportion of the peak overpressure under different pressure and at different times

平均升壓速率的定義為[21]

式中:pmax為壓力峰值,p0為初始壓力。

不噴霧時9.5%CH4-空氣爆炸的平均升壓速率為575 kPa/s。表3給出不同噴霧條件下的平均升壓速率。由表3可以得出N2噴霧壓力為0.2 MPa下噴霧時間分別為1、2、3 s的平均升壓速率相比不噴霧時分別降低了13.91%、30.43%、59.13%;N2噴霧壓力為0.3 MPa下噴霧時間分別為1、2、3 s的平均升壓速率相比不噴霧時分別降低了30.1%、43.13%、62.09%;N2噴霧壓力為0.4 MPa下噴霧時間分別為1、2、3 s的平均升壓速率相比不噴霧時平分別降低了41.74%、56.87%、68.52%。

圖6 N2雙流體細(xì)水霧爆炸超壓峰值Fig.6 Peak explosion pressure with N2twin-fluid

表3 不同壓力不同噴霧時間下平均升壓速率Table 3 Average pressure rise rate under different pressure and at different times

在同一噴霧壓力下隨著噴霧時間的延長,平均升壓速率相比不噴霧時有不同程度的降低。這是由于細(xì)水霧蒸發(fā)吸熱,降低了管道內(nèi)的溫度[22]。甲烷爆炸化學(xué)反應(yīng)的速率受溫度的影響很大,根據(jù)阿侖尼烏斯公式[19]:K=ce-E/RT,氧化反應(yīng)速率常數(shù)K隨著溫度T的降低而減小,從而導(dǎo)致熱釋放速率的減小。而加入的N2會參與爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中的三元碰撞反應(yīng),吸收自由基能量,從而使自由基濃度進(jìn)一步降低。細(xì)水霧與N2的作用形成正反饋,大大降低了甲烷氧化反應(yīng)速率。爆炸化學(xué)反應(yīng)速率和熱釋放速率的降低導(dǎo)致管內(nèi)氣體吸熱膨脹速度的降低,減小了爆炸升壓速率。

管道內(nèi)壓力的上升與燃燒產(chǎn)物體積的增加和未燃?xì)怏w的移動的差異有關(guān):

式中:dv/dt為凈體積生成率,rf為火焰前端的半徑,sf為火焰速度,α為體積膨脹系數(shù)。

預(yù)混氣體在有水存在的情況下將會改變平衡影響膨脹系數(shù)α[23]。而甲烷爆炸的最終化學(xué)反應(yīng)式可表示為CH4+2O2=CO2+2H2O+833.28 J/mol[24],瓦斯爆炸過程中生成的水是以水蒸氣狀態(tài)存在的。本實驗中細(xì)水霧粒徑為10～20μm極易蒸發(fā),爆炸過程中霧滴遇火焰蒸發(fā)形成水蒸氣,根據(jù)勒夏特列原理(平衡移動原理)水蒸氣的增多相當(dāng)于增加了生成物的量,會促使甲烷爆炸化學(xué)反應(yīng)向逆方向進(jìn)行,從而減少了參與反應(yīng)的甲烷的量,減小了爆炸體系的溫度和釋放的能量,減小了管內(nèi)氣體的膨脹程度,從而降低了爆炸超壓峰值。實驗中N2雙流體細(xì)水霧作用時爆炸超壓峰值最大降低了37.76%,由此可以得出:延長噴霧時間,可以有效地降低爆炸超壓峰值和升壓速率,減小爆炸強度。

3 結(jié) 論

自行設(shè)計搭建了雙流體抑制瓦斯爆炸實驗平臺,對不同噴霧壓力和噴霧時間下N2雙流體細(xì)水霧對9.5%CH4-空氣爆炸抑制效果的影響進(jìn)行了研究,得出了以下結(jié)論。(1)在同一噴霧壓力下,隨著噴霧時間的延長,爆炸火焰的速度峰值逐漸下降。當(dāng)N2壓力為0.4 MPa噴霧時間3 s時,火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯底罱档土?0.42%。(2)在同一噴霧壓力下,隨著噴霧時間的延長,爆炸火焰的速度峰值逐漸下降。當(dāng)N2壓力為0.4 M{a噴霧時間3 s時,爆炸超壓峰值降低了37.76%,平均升壓速率降低比例達(dá)到68.52%。(3)從爆炸火焰的速度峰值、爆炸超壓峰值和平均升壓速率3個方面的變化趨勢可以看出,在同一噴霧壓力下,延長噴霧時間能夠很好地抑制管道瓦斯爆炸,減少爆炸的強度。(4)噴霧系統(tǒng)采用雙流體方式,N2在提高霧化效果的同時參與抑制瓦斯爆炸,可以提高噴霧系統(tǒng)的抑爆效率。

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Experimental study of methane explosion suppression by nitrogen twin-fluid water mist

Yu Minggao1,2,Yang Yong1,2,Pei Bei1,2,Niu Pan1,2,Zhu Xinna1,2
(1.School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo454003,Henan,China; 2.State Key Laboratory of Cultivation Bases Gas Geology and Gas Control,Jiaozuo454003,Henan,China)

In this work,to obtain a water mist with a finer particle size under lower pressures,reduce the running costs of the explosion-suppressing spray system,and improve its efficiency and applicability,we designed a transparent organic glass pipeline(120 mm×120 mm×840 mm)as the experimental platform for gas explosion.Then N2and fine water mist was pressed into the pipeline using a twinfluid nozzle and experimental study of methane explosion suppression by nitrogen twin-fluid water mist was carried out adjusting the spray pressure and spray time and the explosion-suppression effectiveness of the twin-fluid water mist was investigated via analysis of the flame speed and the gas explosion overpressure.The results show that this twin-fluid water mist has a high explosion-suppressing efficiency,capable of reducing the damage degree of gas explosion.With the extension of the spray time,the peak value of the explosion flame speed,the peak overpressure and the average pressure rise rate decreased gradually.When the pressure of N2was 0.4 MPa and the spray time was 3 s, the peak value of the velocity decreased by 60.39%,and the peak overpressure decreased by 37.76%

twin-fluid;nitrogen;fine water mist;gas explosion

O389國標(biāo)學(xué)科代碼:13035

:A

10.11883/1001-1455(2017)02-0194-07

(責(zé)任編輯 王小飛)

2015-08-14;

:2015-11-03

國家自然科學(xué)基金項目(U1361205,50974055,51604095);河南省教育廳基礎(chǔ)研究計劃項目(14A620001);河南省科技廳基礎(chǔ)與前沿基金項目(152300410100)

余明高(1963- ),男,教授,博士生導(dǎo)師;

:裴 蓓,pb128@hpu.edu.cn。