CO2-雙流體細水霧抑制管道甲烷爆炸實驗

裴　蓓，余明高，陳立偉，楊　勇，牛　攀，朱新娜

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CO2-雙流體細水霧抑制管道甲烷爆炸實驗

裴蓓1,2，余明高1,2，陳立偉1,2，楊勇1,2，牛攀1,2，朱新娜1,2

（1煤炭安全生產河南省協同創新中心，河南 焦作 454003；2河南理工大學安全科學與工程學院，河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454003）

摘要:搭建了尺寸為120 mm×120 mm×840 mm透明有機玻璃瓦斯爆炸管道實驗平臺，采用雙流體噴嘴將二氧化碳和細水霧送入實驗系統，從火焰速度、瓦斯爆炸超壓兩個方面探討雙流體細水霧的抑爆有效性。實驗結果表明CO2雙流體細水霧抑制瓦斯爆炸效果顯著。隨著噴霧時間的延長，火焰傳播速度呈緩慢增加趨勢，火焰傳播速度峰值大幅降低；爆炸超壓曲線呈先增大后緩慢減小的趨勢，超壓峰值大幅降低；當CO2壓力增至0.4 MPa噴霧時間大于3 s時，經多次點火無法引爆, 說明CO2-雙流體細水霧抑制甲烷爆炸時具有協同效應，有利于提高細水霧的抑爆效率。

關鍵詞:氣液兩相流；二氧化碳；甲烷；爆炸抑制；協同效應；安全

引 言

瓦斯爆炸是煤礦開采過程中重要災害之一，同時，瓦斯作為煤層氣的主要成分，又是一種潛在的清潔能源，若未經處理或回收直接排放到大氣中，其溫室效應約為二氧化碳的21倍，而合理利用瓦斯能有效避免嚴重的生態污染和資源浪費[1]。因此研究管道瓦斯爆炸抑制對減少煤礦瓦斯爆炸事故和促進清潔能源安全利用有著重要的現實意義。

細水霧主要通過汽化稀釋、冷卻降溫等效應降低化學反應速率[2]，達到爆炸抑制的作用，成為當今國內外可燃氣體爆炸抑制研究熱門。例如，Acton 等[3]進行了水霧抑制爆炸的研究，認為使用水霧后爆炸所產生的超壓顯著降低，到達爆炸超壓峰值的時間縮短。Medvedev等[4]發現超細水霧能降低氫-氧爆炸極限，霧滴越小抑爆作用越明顯。劉晅亞等[5]對不同水霧條件下的氣體火焰傳播現象進行了實驗研究，認為由于水霧降低了反應區內火焰溫度和氣體燃燒速度，減緩了火焰陣面傳熱與傳質，從而使傳播火焰得以抑制。秦文茜等[6-10]研究了超細水霧對煤塵與瓦斯爆炸的抑制作用，發現超細水霧在降低甲烷爆炸溫度、延長爆炸延遲時間、降低火焰傳播速度和降低爆炸壓力方面作用明顯。然而Zhang等[11]針對超細水霧抑制矩形密閉管道瓦斯爆炸進行了實驗研究，結果表明隨著通霧量的增加，抑制效果逐漸增強；但當超細水霧不足時會有爆炸增強效果。

為進一步提高細水霧的抑爆效率，目前國內外學者主要從含添加劑的（超）細水霧[12]、荷電（超）細水霧[13]等方面進行了研究。例如，Chelliah 等[14-15]系統地實驗研究了NaHCO3和水霧抑制瓦斯/空氣混合氣體燃燒的效果，得出NaHCO3對瓦斯/空氣混合氣體的抑制效果遠比水霧更有效，水中加入NaOH等添加劑的抑制效果較純水更好。余明高等[16]、陳曉坤等[17]分別在細水霧與超細水霧中添加不同濃度 MgCl2、FeCl2、KCl、NaCO3等堿金屬鹽類，結果表明可以提高細水霧的抑制瓦斯爆效果。余明高等[13]研究了荷電細水霧對管道瓦斯爆炸超壓的影響規律，提出荷電細水霧由于其霧滴帶有同種電荷，存在互斥的電場力作用，使得霧滴的分布更為彌散，加強霧滴對火焰的冷卻降溫效果。

另外，英國南岸大學展開了N2與超細水霧抑制氫氣爆炸研究，Ingram等[18-19]利用超聲振動霧化器產生了索太爾平均直徑（SMD）為6 μm的超細水霧，進行了小型圓管內對氫-氧-氮爆炸抑制作用，發現其對燃燒速度和壓升速率有顯著抑制作用，并提高了氫-氧的爆炸下限，提出細水霧和氧氣稀釋(氮氣)產生了加性效應，但其并沒有進一步對管道內火焰傳播的影響進行相關研究。

綜上，惰性氣體與細水霧都是常見的經濟、環保的滅火控爆材料。然而，由于惰性氣體抑爆、防滅火時需要較高的濃度，例如CO2滅火系統的設計濃度高達34%；細水霧應用于抑爆工程中受到霧化效果影響，以及用水量大應用于某些實際工程中存在排水困難等，這些因素限制了惰性氣體與細水霧抑爆技術的應用。為此，本文搭建了雙流體細水霧惰化抑制管道瓦斯爆炸實驗平臺，氣相選取二氧化碳，旨在研究惰化濃度、水霧量等參數對管道內瓦斯爆炸抑制效果的影響，為研究清潔、高效的適用于煤礦巷道、工業管道等受限空間的雙流體惰化細水霧抑爆技術奠定科學基礎。

1　實驗設計

1.1 實驗裝置

本文所用的惰化雙流體細水霧抑制甲烷爆炸的實驗系統如圖1所示，主要由實驗腔體、配氣系統、雙流體噴霧系統、高頻脈沖點火系統、高速攝像系統、信號采集與控制系統等6部分構成。

實驗腔體為120 mm×120 mm×840 mm的橫向有機玻璃管，有效容積為12.096 L，即長徑比為7的管道。左端用一鋼板封閉，通過法蘭螺釘固定。為了保證實驗的安全性，鋼板正中設置了一個直徑為40 mm的泄爆孔，由20 mm厚的PVC薄膜密封，爆炸時破裂達到泄壓的作用。

點火電極設置在右端封閉鋼板的中部，點火電極端部間距5 mm。點火系統為高頻脈沖點火，由點火控制器和高熱能點火器組成，輸出電壓為 6 kV，點火能量為2.5 J。信號采集和控制系統由紅外電傳感器、高頻壓力傳感器和數據采集卡組成。壓力傳感器為上海銘動公司生產的MD-HF型高頻壓力傳感器，量程(-1～1)×105Pa，響應時間0.2 ms，綜合精度為0.25%，安裝于管道頂部中心線距右端11 cm處。紅外光電傳感器型號為RL-1型，安裝于爆炸管道外部，光電探頭正對點火電極，用于撲捉爆炸起始時間。數據采集卡為數據采集使用的是MC公司生產的USB-1608FS Plus型數據采集卡，最大采樣率為400 kS·s-1，通過Labview軟件采集紅外光數據和壓力數據。火焰傳播過程由德國LaVision公司生產的High Speed Star 4G型高速攝像機以 2000 fps的速度進行拍攝，像素為 1024× 1024，用于捕捉爆炸火焰的形狀與火焰前鋒的位置。雙流體噴頭為購置虹吸式微霧噴嘴，安裝于距離管道左側20 cm處，噴霧寬幅0.13～0.17 m，其霧滴粒徑范圍20～40 μm。雙流體細水霧噴頭參數具體見表1。

表1　雙流體細水霧噴頭參數Table 1 Twin fluid water mist nozzle parameters

圖1　實驗系統Fig.1 Schematic of experimental system

配氣系統為直接配氣，由甲烷氣瓶、惰性氣體氣瓶、空壓機和質量流量控制器組成，質量流量控制器精度為2.5%。實驗中為了排除爆炸腔體內的空氣，在管道右端靠近出口位置開一個排氣閥，從管道左端通入4倍管道容器體積的預配氣體[20]，整個充氣過程持續7 min。

1.2 實驗工況

實驗過程中惰性氣體選取了較為常用的二氧化碳，雙流體細水霧的通霧時間分別為1、2、3 s，噴霧壓力分別為0.2、0.3、0.4 MPa，每個工況均進行3～5次實驗，以保證實驗的可靠性。其中，根據通入時間，可以得到惰性氣體占有機玻璃管體積分數，具體結果如表2所示。

表3　雙流體細水霧噴嘴通入惰性氣體占管道體積分數Table 2 Fraction of CO2in pipeline transported by twin fluid water mist nozzle

實驗中預先配比化學當量比的甲烷/空氣預混氣體，甲烷濃度體積濃度為9.5%。為了比較雙流體惰化細水霧的抑爆效果，將其抑爆實驗結果與純CO2抑制 9.5%的甲烷/空氣預混氣的爆炸參數進行比較。具體實驗工況如表3所示。

表3　實驗工況Table 3 Setting of experimental conditions

2　實驗結果與分析

2.1 CO2-雙流體細水霧對瓦斯爆炸火焰傳播的影響

根據圖2(a)、(c)、(e)、(g)和圖3可以看出，體積濃度為 9.5%的甲烷/空氣預混氣爆炸的爆炸超壓曲線和火焰速度曲線均呈現了雙峰特點。火焰傳播第一峰是由于點火成功后，點火源附近瞬間會發生小范圍內的氣體爆炸，形成一定能量的激波；隨著反應速率的增長，爆炸管道內短時間積聚了大量的熱量，這些熱量使管道內的氣體快速膨脹，但由于燃燒氣體受到上管壁的約束，爆炸超壓的第一峰出現，火焰傳播開始加速；當火焰受到上下管壁的約束后，壓力波與燃燒波相互作用，形成正反饋，火焰傳播迅速加速。因此第二峰是燃燒波和壓力波共同作用的結果，此時爆炸超壓和火焰傳播速度均達到最大值。當封閉膜破裂后，超壓迅速下降，火焰傳播也隨之減小。

當在爆炸管道內施加當CO2濃度小于10%時，火焰傳播曲線仍呈現了雙峰特點，且對火焰傳播峰值的影響較小；當CO2濃度超過14%時，對火焰傳播速度的抑制才得到了較大改善；當CO2濃度超過18%時，甲烷爆炸火焰傳播緩慢。

當在爆炸管道內施加CO2-雙流體細水霧時，除了CO2壓力為0.2 MPa噴霧時間為1 s工況抑爆效果不佳外，隨著通入CO2總量的增加和噴霧時間的延長，在CO2和超細水霧的共同作用下，對初期火焰加速的抑制非常明顯，火焰傳播速度曲線呈逐漸緩慢增加趨勢。當CO2壓力增加至0.4 MPa且噴霧時間增至3 s時，經過多次點火無法引燃。

CO2作為稀釋氣體，其熱力學效應和火焰動力學效應會導致最小點火能變大[21]，不利于點火中心的形成以及火焰傳播。水霧液滴具有高熱容(2450 kJ·kg-1)，霧滴分散在管道內，在遇到爆炸火焰時蒸發對火焰陣面有較強的稀釋、冷卻作用[22]，而本實驗中超細水霧的粒徑為20～40 μm，在遇到火焰時甚至遇到之前就可以快速蒸發吸收大量熱量，降低了爆炸體系的溫度。另外，根據爆炸支鏈反應理論，在爆炸體系內，CO2和霧滴作為惰性單元，提高了與自由基或自由原子的碰撞概率，使支鏈反應的活化中心濃度大大降低。兩者的協同作用導致了燃燒反應速率的降低，降低了火焰傳播速度；而同一噴霧壓力下延長噴霧時間，又增加了惰性氣體的濃度和水霧量，增強了兩者的抑制作用。因此，隨著噴霧時間的延長，火焰傳播速度逐漸減小。

表4　CO2-雙流體細水霧對甲烷爆炸最大火焰傳播速度的影響Table 4 Influence of CO2-twin fluid water mist on the maximum flame propagation speed

表4為CO2-雙流體惰化細水霧對甲烷爆炸最大火焰傳播速度的影響，可以看出，隨著噴霧時間的延長，爆炸火焰的速度峰值逐漸下降。其中，除了在CO2壓力為0.2 MPa噴霧時間為1 s工況下瓦斯爆炸最大火焰速度的下降幅度較低，僅為14.35%，其他工況下瓦斯爆炸最大火焰傳播速度的下降幅度均接近甚至遠超50%，這說明延長噴霧時間可以很好地抑制火焰傳播。

圖2　純CO2與CO2-雙流體細水霧抑制最大火焰傳播速度與火焰位置示意圖Fig.2 Measured flame front position and flame propagation speed with pure CO2and CO2- twin fluid water mist

圖2(b)、(d)、(f)、(h)為純CO2與CO2-雙流體細水霧作用下火焰位置示意圖。可以看出，9.5%的甲烷空-氣預混氣爆炸火焰達到出口的時間為 84 ms。當CO2濃度超過14%后，對火焰傳播的影響明顯改善。當向爆炸腔體通入CO2雙流體細水霧時，在氣體壓力條件相同的情況下，火焰位置曲線隨著噴霧時間的增加呈緩慢上升趨勢，火焰前沿到達管道出口的時間大幅增加。例如CO2壓力為0.4 MPa下噴霧時間分別為1、2 s時，火焰前沿到達管道出口的時間增至236、345 ms。

2.2 CO2-雙流體細水霧對瓦斯爆炸超壓的影響

圖3(a)為純CO2抑制甲烷/空氣預混氣爆炸的爆炸超壓曲線，可以看出當充入CO2濃度超過14%后對爆炸超壓才出現明顯下降。當充入CO2濃度超過18%時爆炸超壓曲線雙峰特征消失。

對比圖3(a)和圖3(b)～(d)，即純CO2與CO2-雙流體細水霧抑制甲烷/空氣預混氣爆炸的爆炸超壓曲線，可以看出在CO2與細水霧的共同作用下，爆炸超壓曲線呈先增大后緩慢減小趨勢；同一氣體壓力下，隨著噴霧時間的延長，爆炸超壓峰值顯著下降，尤其是超壓峰值的來臨時間明顯延遲；同時，爆炸超壓曲線的雙峰特征消失，呈單峰特征。但由于霧滴蒸發、水霧沉降不均勻等因素的影響，泄壓期間管道內壓力稍高于純 CO2作用的情況。

圖3　純CO2與CO2-雙流體細水霧工況下爆炸超壓曲線Fig. 3 Measured overpressure versus time with pure CO2and CO2- twin fluid water mist

表 5 為 CO2-雙流體細水霧對甲烷爆炸超壓峰值的影響。可看出，在管道內施加CO2-雙流體細水霧對甲烷爆炸抑壓效果顯著。例如 9.5%甲烷/空氣預混氣的最大爆炸超壓為 292.3407×102Pa，CO2壓力為0.3 MPa下噴霧時間分別為1、2、3 s的最大爆炸超壓分別為197.9285、146.0949、105.8967× 102Pa，相比較不噴霧時最大爆炸超壓分別下降了35.43%、52.34%、65.45%，表現了出較好的抑壓效果。

3　結 論

本文對 CO2-雙流體細水霧抑制管道瓦斯爆炸的抑爆效果進行了實驗研究，CO2和超細水霧的抑爆協同作用主要表現在對火焰傳播速度、爆炸超壓的抑制，主要結論如下。

（1）當通入CO2濃度超過14%時，對甲烷爆炸火焰傳播的抑制才能得到較大改善。

（2）在管道內施加 CO2-雙流體細水霧時，對初期火焰加速的抑制明顯。隨著通入CO2的增加或噴霧時間的延長，雙峰特點逐漸消失，火焰傳播速度呈緩慢增加趨勢，火焰傳播速度峰值大幅降低，說明CO2和細水霧抑制瓦斯爆炸產生了協同效應。

表5　CO2-雙流體細水霧對甲烷爆炸超壓峰值的影響Table 5 Influence of CO2- twin fluid water mist on overpressure

（3）在管道內施加CO2-雙流體細水霧時，超壓峰值大幅降低，爆炸超壓曲線呈先增大后緩慢減小趨勢；當CO2壓力增至0.4 MPa噴霧時間大于3 s時，經多次點火無法引爆。

（4）CO2-雙流體惰化細水霧抑爆技術不僅能發揮惰性氣體與細水霧的抑爆優勢，而且大大降低了惰性氣體和細水霧的用量，迅速、高效，對于管道等受限空間的抑爆具有一定現實價值。

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2015-09-02收到初稿，2016-04-11收到修改稿。

聯系人及第一作者:裴蓓(1982—)，女，博士研究生。

Received date: 2015-09-02.

中圖分類號:TD 712

文獻標志碼:A

文章編號:0438—1157（2016）07—3101—08

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20151388

基金項目:國家自然科學基金項目(U1361205)；河南省科技廳基礎與前沿基金項目 (152300410100)；河南省教育廳科學技術研究重點項目基礎研究計劃項目（14A620001）。

Corresponding author:PEI Bei, pb128@hpu.edu.cn supported by the National Natural Science Foundation of China (U1361205), the Basic and Frontier Research Project of Henan Province in China (152300410100) and the Basic and Advanced Technology Research Project of Henan Province in China (14A620001).

Suppression effect of CO2-twin fluid water mist on methane/air explosion in vented duct

PEI Bei1,2, YU Minggao1,2, CHEN Liwei1,2, YANG Yong1,2, NIU Pan1,2, ZHU Xinna1,2
(1Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production of Henan Province, Jiaozuo 454003, Henan, China;2State Key Laboratory Cultivation Bases Gas Geology and Gas Control, School of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, Henan, China)

Abstract:The experimental study on the synergistic suppression effect of carbon dioxide and ultrafine water mist on stoichiometric premixed methane/air mixture in a vented duct was carried out in this paper. The ultrafine water mist was generated from a twin fluid nozzle. The results indicated that CO2and water mist had a synergistic suppression effect on methane/air explosion and the efficiency of explosion suppression was significantly improved. With the increase of mist spraying time, the peak flame propagation speed and peak overpressure decreased obviously. When the pressure of CO2increased to 0.4 MPa and mist spraying time was more than 3 s, the methane/air mixture cannot be detonated after several times of ignition. It was beneficial to improve the explosion suppression efficiency of water mist.

Key words:gas-liquid flow; carbon dioxide; methane; explosion suppression; synergistic effect; safety