含NaCl荷電細水霧對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种铺匦?/h1>
2017-11-22 10:21:05余明高吳麗潔萬少杰鄭凱
化工學(xué)報 2017年11期
余明高，吳麗潔，萬少杰，鄭凱
（1重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003）
含NaCl荷電細水霧對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种铺匦?/p>
余明高1,2，吳麗潔1，萬少杰1，鄭凱1
（1重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003）
為進一步提高細水霧抑制甲烷爆炸的效率，搭建了小尺寸細水霧抑制甲烷爆炸實驗平臺，在普通細水霧中添加NaCl添加劑，并對其荷電，進行含NaCl添加劑荷電細水霧抑制甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘膶嶒炑芯俊＝Y(jié)果表明，含NaCl添加劑荷電細水霧對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Ч瑑?yōu)于普通細水霧單獨添加NaCl添加劑和荷電作用的抑制效果之和。隨著NaCl濃度和荷電電壓的增大，甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@減?。黄渲泻呻? kV、NaCl濃度12.5%的工況抑制效果最佳，甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣榷畏逯递^普通細水霧作用時下降了10.747 m·s-1，下降比例高達 60.26%；分析認為，在細水霧抑制甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ倪^程中，NaCl添加劑和荷電作用之間存在相互促進抑制效果的耦合作用。
感應(yīng)荷電；NaCl添加劑；細水霧；甲烷；火焰速度；耦合作用
引 言
甲烷爆炸事故一旦發(fā)生，往往造成慘重的財產(chǎn)損失，嚴重威脅到人身安全，因此成為備受關(guān)注的安全問題。如煤礦開采和天然氣輸運過程中發(fā)生的甲烷爆炸事故。為減輕甲烷爆炸帶來的災(zāi)害，國內(nèi)外學(xué)者對眾多用于抑制瓦斯爆炸的材料進行了研究。在這些抑爆材料中，細水霧特別是超細水霧（霧滴粒徑小于50 μm）因其相對低成本、環(huán)保以及可用性廣泛等優(yōu)點，成為眾多學(xué)者研究的熱點。
前人對細水霧抑制甲烷爆炸的效果和機理進行了全面的研究，結(jié)果表明細水霧能發(fā)揮抑制甲烷爆炸的效果[1-4]，主要作用機理為冷卻降溫、稀釋可燃氣體以及中斷爆炸鏈式反應(yīng)[5-8]。為進一步增強細水霧的物理、化學(xué)抑制效果，學(xué)者們開展了細水霧添加劑方面的研究。Zheng等[9]進行了含NaCl添加劑細水霧與純細水霧抑制甲烷對沖火焰的對比實驗，發(fā)現(xiàn)含添加劑水霧比純水霧具有更好的熄滅火焰效果，這是因為含添加劑水霧增強了火焰外部輻射熱量的散失，并降低了整體化學(xué)反應(yīng)的溫度。Lazzarini等[10-11]從化學(xué)阻鏈抑制角度展開實驗研究，發(fā)現(xiàn)添加含堿金屬鹽細水霧能發(fā)揮更好的抑制作用，原因是添加劑粒子與自由基發(fā)生作用，達到降低活性自由基的濃度，以及中斷鏈式反應(yīng)的效果。孫智灝等[12]對不同質(zhì)量分數(shù) NaCl和復(fù)合添加劑細水霧抑爆情況進行研究，分析認為NaCl主要通過捕獲自由基，起到抑制燃燒鏈式反應(yīng)的作用，且NaCl具有相對略優(yōu)的滅火穩(wěn)定性。通過對細水霧荷電也能有效地增強細水霧抑制甲烷爆炸的效果。余明高等[13-16]根據(jù)靜電感應(yīng)原理開展了荷電細水霧抑制甲烷爆炸的系列實驗研究，發(fā)現(xiàn)荷電細水霧對甲烷爆炸超壓以及火焰?zhèn)鞑ニ俣榷加忻黠@的抑制作用，且荷負電的荷電細水霧具有更優(yōu)的效果。
國內(nèi)外眾多學(xué)者在細水霧抑制甲烷爆炸以及如何增強抑制效果方面進行了大量的研究，結(jié)果表明細水霧能有效降低甲烷爆炸的強度[17-20]，具有良好的抑制甲烷爆炸超壓和火焰速度的效果。特別是在細水霧中添加添加劑和對其荷電都能有效增強細水霧抑制甲烷爆炸的效果。所以本文考慮在細水霧中添加NaCl后對其荷電開展實驗，研究NaCl添加劑和荷電復(fù)合作用下，細水霧對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Ч?fù)合抑制機理進行深層次的分析。該實驗方法對實際的甲烷爆炸發(fā)生后的抑制具有理論指導(dǎo)意義。
1 含 NaCl荷電細水霧抑制甲烷爆炸實驗系統(tǒng)
1.1 實驗裝置及系統(tǒng)
圖1 實驗系統(tǒng)裝置Fig. 1 Experimental system device
含 NaCl荷電細水霧抑制甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒炏到y(tǒng)如圖1所示，該實驗系統(tǒng)主要由荷電細水霧發(fā)生裝置、管道、配氣裝置、點火裝置、高速攝像裝置和信號采集及處理裝置等部分構(gòu)成。經(jīng)精密電子天平測量，荷電細水霧發(fā)生裝置的產(chǎn)霧速率為1.5 L·min-1，由相位多普勒粒子分析儀測得霧滴的平均粒徑約為15 μm。實驗管道由兩個尺寸為100 mm×100 mm×500 mm的有機透明玻璃橫管組成，其中在兩管道中間安裝PVC薄膜，用來隔離甲烷/空氣預(yù)混氣體與細水霧。實驗所用體積分數(shù)為10.5%的甲烷/空氣預(yù)混氣體，根據(jù)道爾頓分壓定律，由甲烷氣瓶和空氣壓縮機通過質(zhì)量流量計控制通氣流量混合得到。實驗時，通過安裝在管道右側(cè)面板上的點火電極引燃預(yù)混氣體，點火電極由點火控制器在遠程操控，點火能量由直流電壓為6 V的電源提供。高速攝像儀采用Davis.7.2高速攝像系統(tǒng)，以2000幀/秒的頻率拍攝甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程的圖像。光電傳感器的型號為RL-1，安置其探頭正對點火電極以采集爆炸瞬間的光電信號，然后通過型號為USB-1208的數(shù)據(jù)采集卡，將信號傳輸至計算機進行處理和保存。
1.2 實驗工況與方法
實驗所有工況分為4類：① 對照工況，無水霧情況下的甲烷爆炸和純水霧作用下的甲烷爆炸；② 含NaCl細水霧單獨作用工況，NaCl濃度為5%、7.5%、10%和12.5%細水霧作用下甲烷爆炸；③ 荷電細水霧單獨作用工況，荷電電壓為2、4、6和8 kV細水霧作用下甲烷爆炸；④ 含NaCl和荷電細水霧復(fù)合作用工況，包含4種不同濃度NaCl和 4種不同荷電電壓細水霧正交組合的 16種復(fù)合作用工況。每個工況均重復(fù)3～4次，去除異常情況，排除實驗造成的偶然誤差，確保實驗數(shù)據(jù)的可靠性。
實驗各工況所用的甲烷氣體均為體積分數(shù)為10.5%的甲烷/空氣預(yù)混氣體，通入細水霧的霧通量均為2 L。每組實驗前打開閥門，通入新鮮空氣以排出管道內(nèi)的殘余氣體。然后通過配氣裝置，在預(yù)混氣體爆炸傳播區(qū)通入甲烷/空氣預(yù)混氣體，在抑制區(qū)通入實驗所需要類型的細水霧?？紤]到水霧在空氣中的聚合或沉降現(xiàn)象，為避免這些現(xiàn)象對實驗造成較大的影響，在抑制區(qū)通入細水霧后，靜置10 s，在細水霧未大量聚合或沉降前，通過點火裝置引爆甲烷/空氣預(yù)混氣體進行實驗。高速攝像裝置拍攝并記錄甲烷爆炸火焰在管道內(nèi)的傳播圖像。通過光電傳感器采集的光電信號確定爆炸的起始點，結(jié)合高速攝像儀拍攝的火焰?zhèn)鞑D像，分析含NaCl添加劑荷電細水霧對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种铺匦浴?/p>
2 實驗結(jié)果與分析
2.1 含 NaCl荷電細水霧對甲烷爆炸火焰特征的影響
圖2為不同濃度NaCl細水霧在無荷電和荷4 kV電壓時甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ膶Ρ葓D像。圖像顯示的是各工況甲烷爆炸火焰進入霧場區(qū) 3 ms時的火焰特征。當(dāng)荷電電壓一定時，對比不同濃度 NaCl細水霧抑制甲烷爆炸火焰的圖像特征，結(jié)果顯示，隨著 NaCl濃度的增加，火焰面積和傳播的距離變小，火焰陣面的形狀愈加不規(guī)則?；鹧婷娣e、傳播距離以及火焰陣面形狀的變小或改變，反映了隨著NaCl濃度增大，火焰強度由高到低的變化[21]。當(dāng)NaCl濃度為12.5%時，甲烷爆炸火焰特性最弱。這些說明含 NaCl細水霧對甲烷爆炸火焰的抑制有明顯的效果[22]。隨著細水霧中 NaCl濃度的增大，其對甲烷爆炸火焰的抑制效果增強[23-24]。對比各NaCl濃度下無荷電與荷4 kV電壓的工況，火焰面積和傳播距離變小以及火焰陣面變形的現(xiàn)象更加明顯。這說明對含 NaCl細水霧其荷上一定電荷后，其抑制效率得到了提高。
圖2 不同濃度NaCl工況火焰?zhèn)鞑D像Fig.2 Images of flame propagation under different concentration of NaCl
圖3為不同荷電電壓細水霧無添加劑與添加7.5%NaCl各工況甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ブ领F場區(qū)3 ms后的圖像對比。當(dāng)添加劑濃度一定，對比不同荷電電壓細水霧抑制甲烷爆炸火焰的圖像特征，可以發(fā)現(xiàn)隨著荷電電壓的增加，火焰面積和傳播的距離變小，火焰陣面的形狀愈加不規(guī)則。這些反映了甲烷爆炸火焰在進入荷電細水霧霧場區(qū)時，火焰強度減弱，火焰鋒面發(fā)生變化[25]。荷上電荷的霧滴受到火焰中帶異性電荷的粒子和中間產(chǎn)物相互吸引的電場力作用，加劇了火焰鋒面的破碎，增加了荷電霧滴與火焰的接觸面積，從而進一步發(fā)揮水霧蒸發(fā)吸熱的作用。這些說明荷電細水霧對甲烷爆炸火焰有良好的抑制效果，并且隨著荷電電壓的增大，荷電細水霧對甲烷爆炸火焰的抑制效果更明顯[26]。當(dāng)荷電電壓一定，對比無添加劑和添加7.5%NaCl的工況，火焰面積和傳播距離變小以及火焰陣面變形的現(xiàn)象更加明顯。說明荷電細水霧中添加一定濃度 NaCl后抑制效率得到了提高。
圖3 不同荷電電壓工況火焰?zhèn)鞑D像Fig.3 Images of flame propagation under different charging voltages
火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x可以反映出細水霧對甲烷爆炸火焰的抑制效果[27]。把火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的縮減值作為反映細水霧對甲烷爆炸火焰抑制效果的參數(shù)值。圖2和圖3各工況的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與無水霧情況進行對比，可以得出各工況細水霧抑制甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的縮減值，如表1、表2所示。荷電4 kV和添加12.5%NaCl細水霧單獨作用時甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的縮減值分別為47.6和128.9 mm，效果總和為176.5 mm；荷電4 kV和添加12.5%NaCl細水霧共同作用時，距離縮減值為254.9 mm，遠遠大于兩者單獨作用之和。分析其他復(fù)合作用工況亦有同樣的結(jié)果，說明荷電和添加 NaCl細水霧共同作用對甲烷爆炸火焰的抑制效果要優(yōu)于兩者單獨作用的效果之和。
2.2 含 NaCl荷電細水霧抑制甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>
2.2.1 NaCl和荷電細水霧單獨作用 由高速攝像機拍攝到的甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑D像可知，火焰?zhèn)鞑ブ凉艿啦煌恢脮r距點火電極的距離。高速攝像儀的攝像頻率為2000幀/秒，可以得出每兩幅相鄰圖像間的傳播時間為0.5 ms。根據(jù)管道某位置前后甲烷爆炸火焰圖像間的傳播距離和時間，可以計算出甲烷爆炸火焰在該位置的傳播速度。圖4為不同濃度 NaCl和不同荷電電壓細水霧作用下，甲烷爆炸火焰在管道內(nèi)不同位置的傳播速度。圖4中距點火電極距離為 0～500 mm時，由于火焰未進入抑制區(qū)，火焰?zhèn)鞑ニ俣壬形疵黠@地受到細水霧的抑制作用，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔顒e很小。觀察圖形都出現(xiàn)了雙峰現(xiàn)象。這是因為，甲烷爆炸火焰在管道中傳播進入霧場區(qū)后，由于火焰受到細水霧明顯的抑制作用，火焰?zhèn)鞑ニ俣乳_始下降。所以在火焰進入霧場區(qū)前，距點火電極距離約為500 mm處，出現(xiàn)第1個波峰，速度大小為（8.07±0.1) m·s-1。隨著爆炸反應(yīng)的持續(xù)進行，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍俅紊仙?，出現(xiàn)波谷，各工況的波谷速度如圖5所示。當(dāng)爆炸接近結(jié)束時火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_最大值后開始下降，出現(xiàn)第2個波峰。圖5（a）、（b）表明隨著NaCl濃度和荷電電壓增大，與純水霧工況比較，波谷以及第2波峰的速度值都下降，并且到達波谷的時間出現(xiàn)延遲，到達第2次波峰的時間提前?？梢缘贸?NaCl和荷電細水霧單獨作用時均對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣扔休^好的抑制作用，且隨著 NaCl濃度和荷電電壓的增大，抑制作用更明顯。
表1 不同濃度NaCl工況火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮減值Table 1 Reduction of flame propagation distance under different concentrations of NaCl
表2 不同荷電電壓工況火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮減值Table 2 Reduction of flame propagation distance under different charging voltages
圖4 NaCl和荷電細水霧單獨作用火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.4 Flame propagation velocity under action of NaCl or charged water mist
與純水霧相比，可以得出 NaCl和荷電細水霧單獨作用時各工況波谷速度的下降值以及下降比例，如圖5所示，它們反映了NaCl和荷電細水霧單獨作用時對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩Ч?/p>
由圖5（a）可以看出含NaCl細水霧單獨作用時，隨著 NaCl濃度的增大，波谷速度與純水霧工況相比分別下降了 0.55、1.188、2.212、2.912 m·s-1，濃度為12.5%時下降比例最大為41.53%；圖5（b）反映了荷電細水霧單獨作用時，隨著荷電電壓的增大，波谷速度與純水霧工況相比分別下降了0.458、1.056、1.696、2.312 m·s-1，荷電電壓為8 kV時下降比例最大為 32.97%。這說明細水霧中添加 NaCl或者對其荷電都能一定程度上抑制體積分數(shù)為10.5%的甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
圖5 NaCl和荷電細水霧單獨作用波谷速度下降大小及比例Fig.5 Drop size and ratio of trough velocity under action of NaCl or charged water mist
2.2.2 NaCl、荷電細水霧復(fù)合作用 圖6為 NaCl和荷電細水霧共同作用下，各工況甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊亩畏逯怠．?dāng)荷電電壓相同時，隨著添加劑濃度增大，甲烷爆炸火焰速度二次峰值呈近乎線性下降的趨勢變化。當(dāng)添加劑濃度不變，荷電電壓增大時，各工況的速度二次峰值具有類似的下降趨勢。說明當(dāng) NaCl和荷電細水霧共同作用時，隨著添加劑濃度和荷電電壓的增大，細水霧對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩Ч@著增強。運用Minitab16將火焰速度二次峰值與荷電電壓和添加劑兩個因素進行雙因素回歸分析，得到如下回歸方程
式中，Y為火焰速度二次峰值，m·s-1；X1為添加劑濃度，%；X2為荷電電壓，kV。該回歸方程的數(shù)據(jù)樣本包括：NaCl濃度為0、5%、7.5%、10%、12.5%和荷電電壓為0、2、4、6、8 kV正交組合的25種工況的數(shù)據(jù)，因此回歸方程用的數(shù)據(jù)樣本容量的大小為25。方程樣本容量n滿足基本要求的樣本容量的條件：n≥k+1，k為解釋變量的數(shù)目，其中k取值為2。由回歸方程可以推算出，含NaCl添加劑荷電細水霧抑制甲烷爆炸時，細水霧的荷電電壓和NaCl濃度在不同條件下，甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ亩畏逯邓俣取?/p>
圖6 NaCl、荷電細水霧復(fù)合作用火焰?zhèn)鞑ニ俣榷畏逯礔ig.6 The second peak values of flame propagation velocity under recombination action of NaCl and charged water mist
與純水霧相比，各工況峰值速度的下降值，反映了 NaCl和荷電細水霧共同作用時對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩Ч１?為部分復(fù)合作用和單獨作用工況，與純水霧相比，甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ザ畏逯邓俣鹊南陆抵狄约跋陆当壤?。結(jié)合圖6 與表3可知，NaCl和荷電細水霧單獨作用時，荷電電壓為 8 kV工況的速度二次速度峰值下降了 5.177 m·s-1，NaCl濃度為12.5%工況的速度二次峰值下降了 5.247 m·s-1，兩者下降之和為 10.424 m·s-1；NaCl和荷電細水霧共同作用時，含12.5%NaCl、荷8 kV電壓工況的速度二次峰值速度下降了10.747 m·s-1。說明含NaCl、荷電細水霧共同作用，對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩Ч?，?yōu)于兩者單獨作用的效果之和。其他復(fù)合作用工況也得出了相同的實驗結(jié)論。這表明含NaCl、荷電細水霧共同作用大大提高了對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩?，并且兩者之間存在耦合作用。
2.3 NaCl與荷電細水霧耦合作用機理分析
對于細水霧抑制管道內(nèi)甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑?，NaCl添加劑和荷電作用間的耦合作用主要體現(xiàn)在：NaCl添加劑和荷電作用對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ种菩Ч南嗷ゴ龠M。
一方面，對含NaCl添加劑細水霧荷電。含NaCl霧滴由于靜電感應(yīng)帶上負電荷，在霧滴表面帶負電靜電荷作用下，自由移動的鈉離子和氯離子發(fā)生定向移動，帶正電的鈉離子移向霧滴表面。帶有同性電荷的 NaCl霧滴間產(chǎn)生相互排斥的電場力。電場力的作用大大提高了含 NaCl霧滴分布的均勻性和穩(wěn)定性，增大了含 NaCl霧滴與火焰鋒面的接觸面積，增強了 NaCl霧滴蒸發(fā)吸熱降低火焰前鋒以及整體化學(xué)反應(yīng)溫度的能力。根據(jù)Arrhenius公式，降低火焰前鋒溫度會降低爆炸反應(yīng)速率、火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅◤姸萚28]；表面帶有負電荷的 NaCl霧滴與火焰中的正離子[29]和帶電粒子之間會產(chǎn)生相互吸引的電場力，從而加劇了火焰鋒面的拉伸和撕裂。在火焰反應(yīng)區(qū)內(nèi)電場力和火焰鋒面的卷吸作用，使NaCl霧滴更容易進入火焰反應(yīng)活化區(qū)，加速了鈉離子和氯離子對燃燒進程起重要作用的正離子和自由基的捕捉，從而中斷燃燒鏈式反應(yīng)降低甲烷爆炸火焰的傳播速度。所以，荷電促進了 NaCl細水霧對甲烷火焰?zhèn)鞑サ囊种谱饔谩?/p>
另一方面，在荷電細水霧中添加了 NaCl添加劑，改變了荷電細水霧的理化性質(zhì)。NaCl是強電解質(zhì)，以游離態(tài)存在的鈉離子和氯離子增大了荷電霧滴的導(dǎo)電率，在相同荷電電壓下含 NaCl荷電霧滴能荷上更多的電荷。荷電量的增加，使荷電水霧的荷電特性更加明顯[30]。帶同性電荷霧滴間相互排斥的電場力作用增強，使霧滴的分布更均勻且穩(wěn)定。同時帶電霧滴與火焰中的正離子和帶電粒子之間相互吸引的電場力作用也增強，加強了荷電霧滴對自由基的吸附和銷毀。所以，NaCl添加劑促進了荷電細水霧對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种谱饔谩?/p>
表3 不同作用方式下峰值速度對比Table 3 Comparison of peak velocity under different modes of action
3 結(jié) 論
本文在自行搭建的實驗平臺基礎(chǔ)上，通過改變NaCl添加劑濃度和荷電電壓的大小，研究了含NaCl添加劑荷電細水霧對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种铺匦?。得出如下結(jié)論。
（1）增大細水霧中 NaCl濃度和荷電電壓，管道內(nèi)甲烷爆炸火焰在某時刻的傳播距離和面積變小，火焰陣面變形的現(xiàn)象也更明顯。并且對含NaCl細水霧荷電以及在荷電細水霧中添加 NaCl添加劑，都能使原本細水霧抑制甲烷爆炸火焰的效率大大提高。
（2）含NaCl添加劑和荷電細水霧單獨作用時，甲烷爆炸火焰波谷及二次波峰速度與純水霧工況相比均發(fā)生明顯下降；并且，隨著添加劑濃度和荷電電壓的增大，到達波谷和二次波峰的位置發(fā)生了前移和后延。在細水霧中添加 NaCl或者對其荷電都能一定程度上抑制甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
（3）NaCl添加劑和荷電作用間在抑制甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣确矫娲嬖隈詈献饔?。耦合作用主要體現(xiàn)在:對含NaCl細水霧荷電，電場力作用的存在，增大了氯化鈉與火焰的接觸率和進入反應(yīng)中心與自由基反應(yīng)的概率，從而使含 NaCl霧滴更好地發(fā)揮蒸發(fā)吸熱降低火焰前鋒和整體化學(xué)反應(yīng)溫度的能力以及化學(xué)抑鏈作用；在荷電細水霧中添加NaCl后，增大了霧滴的導(dǎo)電率，使其在相同荷電電壓下荷上更多的電荷，增強了荷電水霧的電場力作用。
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date:2017-05-09.
.WU Lijie, 945865233@qq.com
supported by the National Natural Science Foundation of China (51574111) and the Self-study Key Projects of State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control Chongqing University(2011DA 105287-ZD201401).
Inhibition characteristics on methane explosion flame propagation affected by charged water mist containing sodium chloride additive
YU Minggao1.2, WU Lijie1, WAN Shaojie1, ZHENG Kai1
(1State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics Control,Chongqing University,Chongqing400044,China;2School of Safety Science Engineering Henan Polytechnic University,Jiaozuo454003,Henan,China)
In order to further improve the suppression efficiency of water mist on methane explosion, a small-scale experiment platform was set up to inhibit methane explosion using water mist. The NaCl additive was introduced to the ordinary water mist, and then charge the water mist containing NaCl additive to carry out experimental study on suppressing flame propagation of methane explosion using charged water mist containing NaCl additive.The experimental results show that the inhibition effect of charged water mist containing NaCl additive on methane explosion flame propagation is better than that the sum of inhibition effect when NaCl additive and charging effects act individually in nomal water mist. With the increase of NaCl concentration and charge voltage,the flame propagation velocity of methane explosion is obviously reduced. The secondary peak of the flame propagation velocity of methane explosion is decreased by 10.747 m·s-1compared with that of ordinary water mist ,and the drop radio up to 60.26% when the charge is 8 kV and the concentration of NaCl is 12.5%; The secondary peaks of the load of 8 kV and NaCl concentration of 12.5% decrease by 5.177 and 5.247 m·s-1respectively, and the sum of the two decreases is 10.424 m·s-1. The analysis considered that there exists a coupling effect between the NaCl additive and the charging effect in the process of suppressing the flame propagation of the methane explosion by the water mist.
inductive charge; sodium chloride additive; water mist; methane; flame velocity; coupling effect
TQ 028.8
A
0438—1157（2017）11—4445—08
10.11949/j.issn.0438-1157.20170585
2017-05-09收到初稿，2017-08-07收到修改稿。
聯(lián)系人：吳麗潔。
余明高（1963—），男，教授。
國家自然科學(xué)基金項目（51574111）；煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室自主研究課題重點項目（2011DA 105287-ZD201401）。
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余明高，吳麗潔，萬少杰，鄭凱
（1重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003）
含NaCl荷電細水霧對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种铺匦?/p>
余明高1,2，吳麗潔1，萬少杰1，鄭凱1
（1重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003）
為進一步提高細水霧抑制甲烷爆炸的效率，搭建了小尺寸細水霧抑制甲烷爆炸實驗平臺，在普通細水霧中添加NaCl添加劑，并對其荷電，進行含NaCl添加劑荷電細水霧抑制甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘膶嶒炑芯俊＝Y(jié)果表明，含NaCl添加劑荷電細水霧對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Ч瑑?yōu)于普通細水霧單獨添加NaCl添加劑和荷電作用的抑制效果之和。隨著NaCl濃度和荷電電壓的增大，甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@減?。黄渲泻呻? kV、NaCl濃度12.5%的工況抑制效果最佳，甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣榷畏逯递^普通細水霧作用時下降了10.747 m·s-1，下降比例高達 60.26%；分析認為，在細水霧抑制甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ倪^程中，NaCl添加劑和荷電作用之間存在相互促進抑制效果的耦合作用。
感應(yīng)荷電；NaCl添加劑；細水霧；甲烷；火焰速度；耦合作用
引 言
甲烷爆炸事故一旦發(fā)生，往往造成慘重的財產(chǎn)損失，嚴重威脅到人身安全，因此成為備受關(guān)注的安全問題。如煤礦開采和天然氣輸運過程中發(fā)生的甲烷爆炸事故。為減輕甲烷爆炸帶來的災(zāi)害，國內(nèi)外學(xué)者對眾多用于抑制瓦斯爆炸的材料進行了研究。在這些抑爆材料中，細水霧特別是超細水霧（霧滴粒徑小于50 μm）因其相對低成本、環(huán)保以及可用性廣泛等優(yōu)點，成為眾多學(xué)者研究的熱點。
前人對細水霧抑制甲烷爆炸的效果和機理進行了全面的研究，結(jié)果表明細水霧能發(fā)揮抑制甲烷爆炸的效果[1-4]，主要作用機理為冷卻降溫、稀釋可燃氣體以及中斷爆炸鏈式反應(yīng)[5-8]。為進一步增強細水霧的物理、化學(xué)抑制效果，學(xué)者們開展了細水霧添加劑方面的研究。Zheng等[9]進行了含NaCl添加劑細水霧與純細水霧抑制甲烷對沖火焰的對比實驗，發(fā)現(xiàn)含添加劑水霧比純水霧具有更好的熄滅火焰效果，這是因為含添加劑水霧增強了火焰外部輻射熱量的散失，并降低了整體化學(xué)反應(yīng)的溫度。Lazzarini等[10-11]從化學(xué)阻鏈抑制角度展開實驗研究，發(fā)現(xiàn)添加含堿金屬鹽細水霧能發(fā)揮更好的抑制作用，原因是添加劑粒子與自由基發(fā)生作用，達到降低活性自由基的濃度，以及中斷鏈式反應(yīng)的效果。孫智灝等[12]對不同質(zhì)量分數(shù) NaCl和復(fù)合添加劑細水霧抑爆情況進行研究，分析認為NaCl主要通過捕獲自由基，起到抑制燃燒鏈式反應(yīng)的作用，且NaCl具有相對略優(yōu)的滅火穩(wěn)定性。通過對細水霧荷電也能有效地增強細水霧抑制甲烷爆炸的效果。余明高等[13-16]根據(jù)靜電感應(yīng)原理開展了荷電細水霧抑制甲烷爆炸的系列實驗研究，發(fā)現(xiàn)荷電細水霧對甲烷爆炸超壓以及火焰?zhèn)鞑ニ俣榷加忻黠@的抑制作用，且荷負電的荷電細水霧具有更優(yōu)的效果。
國內(nèi)外眾多學(xué)者在細水霧抑制甲烷爆炸以及如何增強抑制效果方面進行了大量的研究，結(jié)果表明細水霧能有效降低甲烷爆炸的強度[17-20]，具有良好的抑制甲烷爆炸超壓和火焰速度的效果。特別是在細水霧中添加添加劑和對其荷電都能有效增強細水霧抑制甲烷爆炸的效果。所以本文考慮在細水霧中添加NaCl后對其荷電開展實驗，研究NaCl添加劑和荷電復(fù)合作用下，細水霧對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Ч?fù)合抑制機理進行深層次的分析。該實驗方法對實際的甲烷爆炸發(fā)生后的抑制具有理論指導(dǎo)意義。
1 含 NaCl荷電細水霧抑制甲烷爆炸實驗系統(tǒng)
1.1 實驗裝置及系統(tǒng)
圖1 實驗系統(tǒng)裝置Fig. 1 Experimental system device
含 NaCl荷電細水霧抑制甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒炏到y(tǒng)如圖1所示，該實驗系統(tǒng)主要由荷電細水霧發(fā)生裝置、管道、配氣裝置、點火裝置、高速攝像裝置和信號采集及處理裝置等部分構(gòu)成。經(jīng)精密電子天平測量，荷電細水霧發(fā)生裝置的產(chǎn)霧速率為1.5 L·min-1，由相位多普勒粒子分析儀測得霧滴的平均粒徑約為15 μm。實驗管道由兩個尺寸為100 mm×100 mm×500 mm的有機透明玻璃橫管組成，其中在兩管道中間安裝PVC薄膜，用來隔離甲烷/空氣預(yù)混氣體與細水霧。實驗所用體積分數(shù)為10.5%的甲烷/空氣預(yù)混氣體，根據(jù)道爾頓分壓定律，由甲烷氣瓶和空氣壓縮機通過質(zhì)量流量計控制通氣流量混合得到。實驗時，通過安裝在管道右側(cè)面板上的點火電極引燃預(yù)混氣體，點火電極由點火控制器在遠程操控，點火能量由直流電壓為6 V的電源提供。高速攝像儀采用Davis.7.2高速攝像系統(tǒng)，以2000幀/秒的頻率拍攝甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程的圖像。光電傳感器的型號為RL-1，安置其探頭正對點火電極以采集爆炸瞬間的光電信號，然后通過型號為USB-1208的數(shù)據(jù)采集卡，將信號傳輸至計算機進行處理和保存。
1.2 實驗工況與方法
實驗所有工況分為4類：① 對照工況，無水霧情況下的甲烷爆炸和純水霧作用下的甲烷爆炸；② 含NaCl細水霧單獨作用工況，NaCl濃度為5%、7.5%、10%和12.5%細水霧作用下甲烷爆炸；③ 荷電細水霧單獨作用工況，荷電電壓為2、4、6和8 kV細水霧作用下甲烷爆炸；④ 含NaCl和荷電細水霧復(fù)合作用工況，包含4種不同濃度NaCl和 4種不同荷電電壓細水霧正交組合的 16種復(fù)合作用工況。每個工況均重復(fù)3～4次，去除異常情況，排除實驗造成的偶然誤差，確保實驗數(shù)據(jù)的可靠性。
實驗各工況所用的甲烷氣體均為體積分數(shù)為10.5%的甲烷/空氣預(yù)混氣體，通入細水霧的霧通量均為2 L。每組實驗前打開閥門，通入新鮮空氣以排出管道內(nèi)的殘余氣體。然后通過配氣裝置，在預(yù)混氣體爆炸傳播區(qū)通入甲烷/空氣預(yù)混氣體，在抑制區(qū)通入實驗所需要類型的細水霧?？紤]到水霧在空氣中的聚合或沉降現(xiàn)象，為避免這些現(xiàn)象對實驗造成較大的影響，在抑制區(qū)通入細水霧后，靜置10 s，在細水霧未大量聚合或沉降前，通過點火裝置引爆甲烷/空氣預(yù)混氣體進行實驗。高速攝像裝置拍攝并記錄甲烷爆炸火焰在管道內(nèi)的傳播圖像。通過光電傳感器采集的光電信號確定爆炸的起始點，結(jié)合高速攝像儀拍攝的火焰?zhèn)鞑D像，分析含NaCl添加劑荷電細水霧對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种铺匦浴?/p>
2 實驗結(jié)果與分析
2.1 含 NaCl荷電細水霧對甲烷爆炸火焰特征的影響
圖2為不同濃度NaCl細水霧在無荷電和荷4 kV電壓時甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ膶Ρ葓D像。圖像顯示的是各工況甲烷爆炸火焰進入霧場區(qū) 3 ms時的火焰特征。當(dāng)荷電電壓一定時，對比不同濃度 NaCl細水霧抑制甲烷爆炸火焰的圖像特征，結(jié)果顯示，隨著 NaCl濃度的增加，火焰面積和傳播的距離變小，火焰陣面的形狀愈加不規(guī)則?；鹧婷娣e、傳播距離以及火焰陣面形狀的變小或改變，反映了隨著NaCl濃度增大，火焰強度由高到低的變化[21]。當(dāng)NaCl濃度為12.5%時，甲烷爆炸火焰特性最弱。這些說明含 NaCl細水霧對甲烷爆炸火焰的抑制有明顯的效果[22]。隨著細水霧中 NaCl濃度的增大，其對甲烷爆炸火焰的抑制效果增強[23-24]。對比各NaCl濃度下無荷電與荷4 kV電壓的工況，火焰面積和傳播距離變小以及火焰陣面變形的現(xiàn)象更加明顯。這說明對含 NaCl細水霧其荷上一定電荷后，其抑制效率得到了提高。
圖2 不同濃度NaCl工況火焰?zhèn)鞑D像Fig.2 Images of flame propagation under different concentration of NaCl
圖3為不同荷電電壓細水霧無添加劑與添加7.5%NaCl各工況甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ブ领F場區(qū)3 ms后的圖像對比。當(dāng)添加劑濃度一定，對比不同荷電電壓細水霧抑制甲烷爆炸火焰的圖像特征，可以發(fā)現(xiàn)隨著荷電電壓的增加，火焰面積和傳播的距離變小，火焰陣面的形狀愈加不規(guī)則。這些反映了甲烷爆炸火焰在進入荷電細水霧霧場區(qū)時，火焰強度減弱，火焰鋒面發(fā)生變化[25]。荷上電荷的霧滴受到火焰中帶異性電荷的粒子和中間產(chǎn)物相互吸引的電場力作用，加劇了火焰鋒面的破碎，增加了荷電霧滴與火焰的接觸面積，從而進一步發(fā)揮水霧蒸發(fā)吸熱的作用。這些說明荷電細水霧對甲烷爆炸火焰有良好的抑制效果，并且隨著荷電電壓的增大，荷電細水霧對甲烷爆炸火焰的抑制效果更明顯[26]。當(dāng)荷電電壓一定，對比無添加劑和添加7.5%NaCl的工況，火焰面積和傳播距離變小以及火焰陣面變形的現(xiàn)象更加明顯。說明荷電細水霧中添加一定濃度 NaCl后抑制效率得到了提高。
圖3 不同荷電電壓工況火焰?zhèn)鞑D像Fig.3 Images of flame propagation under different charging voltages
火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x可以反映出細水霧對甲烷爆炸火焰的抑制效果[27]。把火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的縮減值作為反映細水霧對甲烷爆炸火焰抑制效果的參數(shù)值。圖2和圖3各工況的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與無水霧情況進行對比，可以得出各工況細水霧抑制甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的縮減值，如表1、表2所示。荷電4 kV和添加12.5%NaCl細水霧單獨作用時甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的縮減值分別為47.6和128.9 mm，效果總和為176.5 mm；荷電4 kV和添加12.5%NaCl細水霧共同作用時，距離縮減值為254.9 mm，遠遠大于兩者單獨作用之和。分析其他復(fù)合作用工況亦有同樣的結(jié)果，說明荷電和添加 NaCl細水霧共同作用對甲烷爆炸火焰的抑制效果要優(yōu)于兩者單獨作用的效果之和。
2.2 含 NaCl荷電細水霧抑制甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>
2.2.1 NaCl和荷電細水霧單獨作用 由高速攝像機拍攝到的甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑D像可知，火焰?zhèn)鞑ブ凉艿啦煌恢脮r距點火電極的距離。高速攝像儀的攝像頻率為2000幀/秒，可以得出每兩幅相鄰圖像間的傳播時間為0.5 ms。根據(jù)管道某位置前后甲烷爆炸火焰圖像間的傳播距離和時間，可以計算出甲烷爆炸火焰在該位置的傳播速度。圖4為不同濃度 NaCl和不同荷電電壓細水霧作用下，甲烷爆炸火焰在管道內(nèi)不同位置的傳播速度。圖4中距點火電極距離為 0～500 mm時，由于火焰未進入抑制區(qū)，火焰?zhèn)鞑ニ俣壬形疵黠@地受到細水霧的抑制作用，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔顒e很小。觀察圖形都出現(xiàn)了雙峰現(xiàn)象。這是因為，甲烷爆炸火焰在管道中傳播進入霧場區(qū)后，由于火焰受到細水霧明顯的抑制作用，火焰?zhèn)鞑ニ俣乳_始下降。所以在火焰進入霧場區(qū)前，距點火電極距離約為500 mm處，出現(xiàn)第1個波峰，速度大小為（8.07±0.1) m·s-1。隨著爆炸反應(yīng)的持續(xù)進行，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍俅紊仙?，出現(xiàn)波谷，各工況的波谷速度如圖5所示。當(dāng)爆炸接近結(jié)束時火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_最大值后開始下降，出現(xiàn)第2個波峰。圖5（a）、（b）表明隨著NaCl濃度和荷電電壓增大，與純水霧工況比較，波谷以及第2波峰的速度值都下降，并且到達波谷的時間出現(xiàn)延遲，到達第2次波峰的時間提前?？梢缘贸?NaCl和荷電細水霧單獨作用時均對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣扔休^好的抑制作用，且隨著 NaCl濃度和荷電電壓的增大，抑制作用更明顯。
表1 不同濃度NaCl工況火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮減值Table 1 Reduction of flame propagation distance under different concentrations of NaCl
表2 不同荷電電壓工況火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮減值Table 2 Reduction of flame propagation distance under different charging voltages
圖4 NaCl和荷電細水霧單獨作用火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.4 Flame propagation velocity under action of NaCl or charged water mist
與純水霧相比，可以得出 NaCl和荷電細水霧單獨作用時各工況波谷速度的下降值以及下降比例，如圖5所示，它們反映了NaCl和荷電細水霧單獨作用時對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩Ч?/p>
由圖5（a）可以看出含NaCl細水霧單獨作用時，隨著 NaCl濃度的增大，波谷速度與純水霧工況相比分別下降了 0.55、1.188、2.212、2.912 m·s-1，濃度為12.5%時下降比例最大為41.53%；圖5（b）反映了荷電細水霧單獨作用時，隨著荷電電壓的增大，波谷速度與純水霧工況相比分別下降了0.458、1.056、1.696、2.312 m·s-1，荷電電壓為8 kV時下降比例最大為 32.97%。這說明細水霧中添加 NaCl或者對其荷電都能一定程度上抑制體積分數(shù)為10.5%的甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
圖5 NaCl和荷電細水霧單獨作用波谷速度下降大小及比例Fig.5 Drop size and ratio of trough velocity under action of NaCl or charged water mist
2.2.2 NaCl、荷電細水霧復(fù)合作用 圖6為 NaCl和荷電細水霧共同作用下，各工況甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊亩畏逯怠．?dāng)荷電電壓相同時，隨著添加劑濃度增大，甲烷爆炸火焰速度二次峰值呈近乎線性下降的趨勢變化。當(dāng)添加劑濃度不變，荷電電壓增大時，各工況的速度二次峰值具有類似的下降趨勢。說明當(dāng) NaCl和荷電細水霧共同作用時，隨著添加劑濃度和荷電電壓的增大，細水霧對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩Ч@著增強。運用Minitab16將火焰速度二次峰值與荷電電壓和添加劑兩個因素進行雙因素回歸分析，得到如下回歸方程
式中，Y為火焰速度二次峰值，m·s-1；X1為添加劑濃度，%；X2為荷電電壓，kV。該回歸方程的數(shù)據(jù)樣本包括：NaCl濃度為0、5%、7.5%、10%、12.5%和荷電電壓為0、2、4、6、8 kV正交組合的25種工況的數(shù)據(jù)，因此回歸方程用的數(shù)據(jù)樣本容量的大小為25。方程樣本容量n滿足基本要求的樣本容量的條件：n≥k+1，k為解釋變量的數(shù)目，其中k取值為2。由回歸方程可以推算出，含NaCl添加劑荷電細水霧抑制甲烷爆炸時，細水霧的荷電電壓和NaCl濃度在不同條件下，甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ亩畏逯邓俣取?/p>
圖6 NaCl、荷電細水霧復(fù)合作用火焰?zhèn)鞑ニ俣榷畏逯礔ig.6 The second peak values of flame propagation velocity under recombination action of NaCl and charged water mist
與純水霧相比，各工況峰值速度的下降值，反映了 NaCl和荷電細水霧共同作用時對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩Ч１?為部分復(fù)合作用和單獨作用工況，與純水霧相比，甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ザ畏逯邓俣鹊南陆抵狄约跋陆当壤?。結(jié)合圖6 與表3可知，NaCl和荷電細水霧單獨作用時，荷電電壓為 8 kV工況的速度二次速度峰值下降了 5.177 m·s-1，NaCl濃度為12.5%工況的速度二次峰值下降了 5.247 m·s-1，兩者下降之和為 10.424 m·s-1；NaCl和荷電細水霧共同作用時，含12.5%NaCl、荷8 kV電壓工況的速度二次峰值速度下降了10.747 m·s-1。說明含NaCl、荷電細水霧共同作用，對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩Ч?，?yōu)于兩者單獨作用的效果之和。其他復(fù)合作用工況也得出了相同的實驗結(jié)論。這表明含NaCl、荷電細水霧共同作用大大提高了對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩?，并且兩者之間存在耦合作用。
2.3 NaCl與荷電細水霧耦合作用機理分析
對于細水霧抑制管道內(nèi)甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑?，NaCl添加劑和荷電作用間的耦合作用主要體現(xiàn)在：NaCl添加劑和荷電作用對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ种菩Ч南嗷ゴ龠M。
一方面，對含NaCl添加劑細水霧荷電。含NaCl霧滴由于靜電感應(yīng)帶上負電荷，在霧滴表面帶負電靜電荷作用下，自由移動的鈉離子和氯離子發(fā)生定向移動，帶正電的鈉離子移向霧滴表面。帶有同性電荷的 NaCl霧滴間產(chǎn)生相互排斥的電場力。電場力的作用大大提高了含 NaCl霧滴分布的均勻性和穩(wěn)定性，增大了含 NaCl霧滴與火焰鋒面的接觸面積，增強了 NaCl霧滴蒸發(fā)吸熱降低火焰前鋒以及整體化學(xué)反應(yīng)溫度的能力。根據(jù)Arrhenius公式，降低火焰前鋒溫度會降低爆炸反應(yīng)速率、火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅◤姸萚28]；表面帶有負電荷的 NaCl霧滴與火焰中的正離子[29]和帶電粒子之間會產(chǎn)生相互吸引的電場力，從而加劇了火焰鋒面的拉伸和撕裂。在火焰反應(yīng)區(qū)內(nèi)電場力和火焰鋒面的卷吸作用，使NaCl霧滴更容易進入火焰反應(yīng)活化區(qū)，加速了鈉離子和氯離子對燃燒進程起重要作用的正離子和自由基的捕捉，從而中斷燃燒鏈式反應(yīng)降低甲烷爆炸火焰的傳播速度。所以，荷電促進了 NaCl細水霧對甲烷火焰?zhèn)鞑サ囊种谱饔谩?/p>
另一方面，在荷電細水霧中添加了 NaCl添加劑，改變了荷電細水霧的理化性質(zhì)。NaCl是強電解質(zhì)，以游離態(tài)存在的鈉離子和氯離子增大了荷電霧滴的導(dǎo)電率，在相同荷電電壓下含 NaCl荷電霧滴能荷上更多的電荷。荷電量的增加，使荷電水霧的荷電特性更加明顯[30]。帶同性電荷霧滴間相互排斥的電場力作用增強，使霧滴的分布更均勻且穩(wěn)定。同時帶電霧滴與火焰中的正離子和帶電粒子之間相互吸引的電場力作用也增強，加強了荷電霧滴對自由基的吸附和銷毀。所以，NaCl添加劑促進了荷電細水霧對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种谱饔谩?/p>
表3 不同作用方式下峰值速度對比Table 3 Comparison of peak velocity under different modes of action
3 結(jié) 論
本文在自行搭建的實驗平臺基礎(chǔ)上，通過改變NaCl添加劑濃度和荷電電壓的大小，研究了含NaCl添加劑荷電細水霧對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种铺匦?。得出如下結(jié)論。
（1）增大細水霧中 NaCl濃度和荷電電壓，管道內(nèi)甲烷爆炸火焰在某時刻的傳播距離和面積變小，火焰陣面變形的現(xiàn)象也更明顯。并且對含NaCl細水霧荷電以及在荷電細水霧中添加 NaCl添加劑，都能使原本細水霧抑制甲烷爆炸火焰的效率大大提高。
（2）含NaCl添加劑和荷電細水霧單獨作用時，甲烷爆炸火焰波谷及二次波峰速度與純水霧工況相比均發(fā)生明顯下降；并且，隨著添加劑濃度和荷電電壓的增大，到達波谷和二次波峰的位置發(fā)生了前移和后延。在細水霧中添加 NaCl或者對其荷電都能一定程度上抑制甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
（3）NaCl添加劑和荷電作用間在抑制甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣确矫娲嬖隈詈献饔?。耦合作用主要體現(xiàn)在:對含NaCl細水霧荷電，電場力作用的存在，增大了氯化鈉與火焰的接觸率和進入反應(yīng)中心與自由基反應(yīng)的概率，從而使含 NaCl霧滴更好地發(fā)揮蒸發(fā)吸熱降低火焰前鋒和整體化學(xué)反應(yīng)溫度的能力以及化學(xué)抑鏈作用；在荷電細水霧中添加NaCl后，增大了霧滴的導(dǎo)電率，使其在相同荷電電壓下荷上更多的電荷，增強了荷電水霧的電場力作用。
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date:2017-05-09.
.WU Lijie, 945865233@qq.com
supported by the National Natural Science Foundation of China (51574111) and the Self-study Key Projects of State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control Chongqing University(2011DA 105287-ZD201401).
Inhibition characteristics on methane explosion flame propagation affected by charged water mist containing sodium chloride additive
YU Minggao1.2, WU Lijie1, WAN Shaojie1, ZHENG Kai1
(1State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics Control,Chongqing University,Chongqing400044,China;2School of Safety Science Engineering Henan Polytechnic University,Jiaozuo454003,Henan,China)
In order to further improve the suppression efficiency of water mist on methane explosion, a small-scale experiment platform was set up to inhibit methane explosion using water mist. The NaCl additive was introduced to the ordinary water mist, and then charge the water mist containing NaCl additive to carry out experimental study on suppressing flame propagation of methane explosion using charged water mist containing NaCl additive.The experimental results show that the inhibition effect of charged water mist containing NaCl additive on methane explosion flame propagation is better than that the sum of inhibition effect when NaCl additive and charging effects act individually in nomal water mist. With the increase of NaCl concentration and charge voltage,the flame propagation velocity of methane explosion is obviously reduced. The secondary peak of the flame propagation velocity of methane explosion is decreased by 10.747 m·s-1compared with that of ordinary water mist ,and the drop radio up to 60.26% when the charge is 8 kV and the concentration of NaCl is 12.5%; The secondary peaks of the load of 8 kV and NaCl concentration of 12.5% decrease by 5.177 and 5.247 m·s-1respectively, and the sum of the two decreases is 10.424 m·s-1. The analysis considered that there exists a coupling effect between the NaCl additive and the charging effect in the process of suppressing the flame propagation of the methane explosion by the water mist.
inductive charge; sodium chloride additive; water mist; methane; flame velocity; coupling effect
TQ 028.8
A
0438—1157（2017）11—4445—08
10.11949/j.issn.0438-1157.20170585
2017-05-09收到初稿，2017-08-07收到修改稿。
聯(lián)系人：吳麗潔。
余明高（1963—），男，教授。
國家自然科學(xué)基金項目（51574111）；煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室自主研究課題重點項目（2011DA 105287-ZD201401）。
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