N2雙流體細水霧抑制管道瓦斯爆炸實驗研究*

余明高楊 勇裴 蓓牛 攀朱新娜

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

N2雙流體細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.河南理工大學安全科學與工程學院,河南焦作454003; 2.河南省瓦斯地質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水霧,降低噴霧抑爆系統的運行成本,提高系統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和細水霧送入試驗管道,通過調節噴霧壓力和噴霧時間開展了雙流體細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水霧的抑爆有效性。實驗結果表明:N2雙流體細水霧抑爆效果明顯,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。由于受地質條件影響,鉆孔抽放的瓦斯濃度并不達標,甚至在爆炸范圍內,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防瓦斯爆炸事故的發生具有重要的理論和現實意義。

細水霧因其具有高效、清潔、適用范圍廣等特點,在滅火、抑爆等方面的研究與應用受到眾多學者的關注。陸守香等[1]分析了水參與瓦斯爆炸的化學反應動力學機理,結果表明,細水霧對氣體爆炸火焰傳播的抑制效果與水霧濃度、水霧流量以及火焰到達水霧區時的傳播速度有關。余明高等[2]通過壓力噴頭霧化方式使用細水霧抑制瓦斯爆炸,實驗表明細水霧量充足時可有效降低火焰傳播速度和火焰溫度。畢明樹等[3]研究發現,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]研究發現,采用主動水霧抑爆時,在水霧區及其后的一定距離內激波均出現不同程度的衰減,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,并結合數值模擬分析表明初始瑞流會促進瓦斯爆炸,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水霧抑制甲烷爆炸,當超細水霧量充足時抑爆效果較好。余明高等[8]研究發現超細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]研究發現細水霧抑爆效果與霧滴粒徑有關,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壓等機電設備,增加了系統的不穩定性和運行成本。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生較小粒徑細水霧,其良好的空間分散性也可使細水霧分布更加均勻[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水霧對瓦斯爆炸抑制的有效性。

1 實驗設計

1.1 實驗裝置

搭建的雙流體細水霧抑制管道瓦斯爆炸實驗平臺由管道、配氣系統、雙流體噴頭、數據采集卡、高速攝像機、點火器等組成,實驗系統如圖1所示。

圖1 實驗系統圖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;配氣系統由甲烷、空氣氣瓶和質量流量計組成;雙流體噴霧系統包括雙流體噴頭、水槽和N2氣瓶,在爆炸前可向管道內噴入N2和細水霧,其中細水霧粒徑為10～20μm;數據采集系統由MD-HF型壓力傳感器、RL-1型光電傳感器、USB-1608FS數據采集卡組成;高速攝像圖像采集系統由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到2 000 s-1;點火系統由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,調試相關設備,使用PVC薄膜封住管道泄爆口。為了排盡管道內原有的空氣,采用通入4倍體積的預混氣體的辦法[13],設定好各質量流量控制器的參數后開始向管道內充入預混氣體,預混氣體為CH4體積分數為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,同時關閉進氣閥和排氣閥,打開電磁閥控制開關雙流體噴頭開始噴霧,到設定的噴霧時間后電磁閥關閉噴霧結束。以上過程完成后按下高能點火器開關點燃預混氣體。瞬間光電傳感器捕捉點火電極發出的電火花并轉換成電信號,隨后就會觸發高速攝像機拍攝圖片和數據采集系統開關。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 實驗結果及分析

2.1N2雙流體細水霧對火焰傳播的影響

圖2是相同時刻下N2壓力為0.4 MPa,噴霧時間為1、2、3 s時與不噴霧時火焰傳播距離的對比圖。從圖2可看出,點火后火焰以“半球形”向上傳播[14],隨后火焰變為“指形”傳播。施加N2雙流體細水霧后,相同時刻火焰傳播距離較不噴霧時減小。增加噴霧時間后相同時刻火焰傳播距離也逐漸減小。不噴霧時火焰傳播到出口端的時間為73 ms;N2壓力為0.4 MPa,噴霧時間為1、2、3s時,火焰傳播到出口端的時間分別為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,火焰傳播速度與時間成反比,即N2雙流體細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-空氣的火焰傳播速度對比圖,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。基于Matlab圖像處理計算爆炸火焰傳播速度,對圖像進行灰度化及二值化處理,檢測火焰邊緣,獲取火焰區域的邊界。對得到的實際火焰鋒面位置進行分析,采用下式計算平均火焰傳播速度v[15]:

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

從圖3中可看出噴霧條件下火焰傳播速度與不噴霧條件下變化趨勢一樣,火焰傳播速度均出現了先增大后減小,這是由于點火電極點燃管內甲烷后放出熱量,在極短時間內積聚大量熱量,管內溫度升高,火焰傳播速度受溫度較大,火焰出現加速。隨著管內甲烷濃度降低,瓦斯燃燒釋放的熱量逐漸減少,火焰傳播速度也隨之逐漸降低。不噴霧時火焰傳播峰值速度為16.99 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傳播速度相比,噴霧條件下的火焰傳播速度峰值均有不同程度的降低,其中火焰傳播速度最大下降比例達到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雙流體細水霧火焰傳播速度Fig.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

從火焰傳播速度角度分析,隨初始溫度增加,燃燒爆炸反應速率隨之增加[16],火焰傳播速度也與甲烷爆炸過程中的溫度有關。試驗管道內甲烷被引爆后會形成兩波三區結構,即前驅沖擊波陣面和火焰波陣面,前驅沖擊波前無擾區、預熱區和火焰后區[17]。火焰波陣面也就是化學反應區,此區域內能夠產生大量熱量和自由基。預熱區是前驅沖擊波已經經過但是火焰陣面還沒到達,這一區域內的混合氣體受到火焰波陣面熱輻射作用溫度升高,此時預熱區內的混合氣所具有的起爆條件要強于初始狀態,相當于混合氣體的“初始溫度”變高,在遇到火焰波時就能夠更快的被點燃。火焰波內反應速度加快,也就是在更短的時間內放出更多的熱量,溫度也就增加的越快,正反饋于燃燒速度,促進了火焰傳播速度。

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

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

2.2N2雙流體細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,化學反應產生的自由基使反應速率快速提高,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,在受限空間內快速膨脹的氣體導致管道內壓力上升,產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。在管道內施加雙流體細水霧時,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水霧可以有效抑制爆炸超壓。

圖5 N2雙流體細水霧壓力曲線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。這是由于細水霧蒸發吸熱,降低了管道內的溫度[22]。甲烷爆炸化學反應的速率受溫度的影響很大,根據阿侖尼烏斯公式[19]:K=ce-E/RT,氧化反應速率常數K隨著溫度T的降低而減小,從而導致熱釋放速率的減小。而加入的N2會參與爆炸鏈式反應中的三元碰撞反應,吸收自由基能量,從而使自由基濃度進一步降低。細水霧與N2的作用形成正反饋,大大降低了甲烷氧化反應速率。爆炸化學反應速率和熱釋放速率的降低導致管內氣體吸熱膨脹速度的降低,減小了爆炸升壓速率。

管道內壓力的上升與燃燒產物體積的增加和未燃氣體的移動的差異有關:

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。

預混氣體在有水存在的情況下將會改變平衡影響膨脹系數α[23]。而甲烷爆炸的最終化學反應式可表示為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存在的。本實驗中細水霧粒徑為10～20μm極易蒸發,爆炸過程中霧滴遇火焰蒸發形成水蒸氣,根據勒夏特列原理(平衡移動原理)水蒸氣的增多相當于增加了生成物的量,會促使甲烷爆炸化學反應向逆方向進行,從而減少了參與反應的甲烷的量,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 論

自行設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雙流體細水霧對9.5%CH4-空氣爆炸抑制效果的影響進行了研究,得出了以下結論。(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N2壓力為0.4 MPa噴霧時間3 s時,火焰傳播速度峰值最降低了60.42%。(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國標學科代碼:13035

:A

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

(責任編輯 王小飛)

2015-08-14;

:2015-11-03

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

余明高(1963- ),男,教授,博士生導師;

:裴 蓓,pb128@hpu.edu.cn。