CO2-超細水霧對CH4/Air初期爆炸特性的影響

裴 蓓,韋雙明,陳立偉,潘榮錕,王 燕,余明高,李 杰

(1.河南理工大學煤炭安全生產河南省協同創新中心,河南 焦作 454003;2.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室,重慶 400044)

天然氣具有清潔、熱值高、價格低等優點，已在生活和汽車燃料方面得到了廣泛的應用[1]。然而，天然氣的儲存和運輸仍是一大安全問題，一旦泄漏遇火爆炸，會造成嚴重人員傷亡和財產損失。因此，研究抑爆劑對甲烷爆炸的抑制作用，對天然氣的安全儲存和運輸具有重要意義。

超細水霧是一種常見的抑爆劑，由于其高效、環保、來源范圍廣等優點而被關注。在超細水霧的抑爆機理方面，人們采用實驗和數值模擬的方法對此進行了詳細探討[2-4]。Lentati等[5]、Yoshida等[6]指出，細水霧主要通過熱冷卻效應削弱爆炸火焰，化學抑制作用小于10%。然而，除了物理效應，水分子作為第三體，會中斷爆炸的鏈式反應，導致更多的爆炸反應自由基失活和主要活性物種的減少[7]。另外，超細水霧粒徑、濃度會影響其抑爆效果。Gu等[8]、Holborn等[9]利用小型實驗平臺，檢測了不同水霧粒徑大小，發現超細水霧能有效降低爆炸溫度。Modak等[10]發現，有效抑制爆炸能量的最小細水霧粒徑是10 μm，再減小細水霧粒徑并不會顯著增強抑爆效果。Boeck等[11]、Battersby等[12]、Ingram等[13]、Vollmer等[14]發現，當細水霧處于一定濃度狀態時，液滴尺寸分布會影響預混可燃氣體爆炸火焰。然而，有些學者發現超細水霧還能增強可燃氣體爆炸強度。Gieras[15]指出，噴霧與火焰/壁面相互作用過程中產生的湍流，會增加爆炸效果，加速火焰傳播。余明高等[16]指出，充足的細水霧能夠有效降低爆炸強度，但是當細水霧不足時會增強爆炸強度。曹興巖等[17]對超細水霧增強甲烷/空氣爆炸的機理進行了分析，指出超細水霧吸熱和汽化膨脹兩種效應的共同作用導致增強和抑制爆炸兩種相反效果。

另外，許多學者為了提高超細水霧的抑爆效果，做了很多改良。Cao等[18]往超細水霧中添加NaCl，用以研究對不同甲烷濃度的抑爆效果，結果表明，NaCl的加入可以提高超細水霧對甲烷爆炸的抑制效果。Pei等[19]研究了氮氣和超細水霧抑制管道瓦斯爆炸壓力衰減特性，發現超細水霧與氮氣共同抑制瓦斯爆炸氣體時，存在明顯協同作用，且能降低超細水霧和惰性氣體的用量。Chelliah等[20]研究了含KOH、NaOH和NaCl細水霧對甲烷/空氣預混燃燒和非預混燃燒的影響，實驗結果表明，當超細水霧粒徑小于13 μm時，NaOH并不能明顯抑制預混火焰，NaCl比NaOH更有效地抑制甲烷爆炸。

綜上可見，現有超細水霧抑爆研究主要側重對傳播階段火焰波和壓力波的宏觀抑制效果，忽略了抑爆劑對初期爆炸特性的影響，而爆炸初期抑爆劑對整個爆炸過程又具有重要影響。

因此，本文中，進行密閉容器內部超細水霧和CO2對9.5%甲烷/空氣初期爆炸特性的實驗研究，得出超細水霧和CO2對9.5%甲烷/空氣初期爆炸特性的變化規律，以期為不同行業場合噴霧抑爆系統的設計提供理論依據。

1 實 驗

1.1 裝置

實驗系統如圖1所示，主要由定容燃燒彈、配氣系統、超細水霧生成系統、數據采集與控制系統、點火系統、光學紋影系統和高速攝像系統等組成。

燃燒彈為密閉不銹鋼焊接而成的圓柱體，壁厚30 mm，耐壓可達2 MPa，半徑145 mm，高365 mm，體積24.1 L。為了實現爆炸過程的可視化，在定容燃燒彈兩側和一側筒壁中間位置，共裝有3面直徑110 mm、厚度50 mm的精加工光學石英玻璃視窗，為觀察火焰提供光學通道。

筒壁上裝有光電傳感器和壓力傳感器。RL-1光電傳感器對準點火電極用以確定點火時間；MD-HF壓力傳感器測量范圍為-0.1～1 MPa，誤差為0.25%，動態響應時間為1 ms；光電傳感器和壓力傳感器通過USB-1608FS Plus數據采集卡與電腦相連，數據采集卡記錄數據工作頻率為15 kHz。

兩根點火電極正對燃燒彈的中心，電極間距為3 mm，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 kV。

配氣系統包括空氣壓縮機、氣閥、氣管、氣瓶、Alicat質量流量控制器(MFC)、真空泵和精密數字式壓力表等。

超細水霧發生與輸送系統，主要由超聲波霧化裝置、密閉方形儲水盒、出入管道等組成。其中超聲霧化裝置采用的是三頭全銅霧化器，霧化片工作頻率為1 700 kHz。

紋影儀型號為CQW300，高速攝像機型號為High Speed Star 4G，像素設置為1 280×800，拍攝頻度為2 000 s-1。實驗的環境壓力為100 kPa，環境溫度為10 ℃。

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

1.2 方法

為了保證定容燃燒彈氣密性良好，在每次實驗前都要檢查氣密性。在氣密性符合要求的情況下，首先，對定容燃燒彈抽真空至-0.08 MPa；然后，根據道爾頓分壓定律依次通入CO2、CH4和空氣所占的分壓，超細水霧隨空氣進入定容燃燒彈，并由質量流量控制計控制進氣速率。為使超細水霧與各組分氣體混合均勻，通氣完畢后需要靜置30 s后再點火，同時觸發高速攝像機記錄爆炸火焰圖像，數據采集系統記錄爆炸過程中的壓力數據，實驗結束后保存實驗數據。為保證數據的準確性，每組實驗重復5次。

2 結果與分析

2.1 對火焰傳播過程的影響

圖2為9.5%甲烷/空氣爆炸球形火焰傳播過程的部分紋影圖片。為簡化起見，本文中選取了幾個特殊時刻來說明球形火焰發展過程。9.5%甲烷/空氣引爆后的一段時間內球形火焰是以層流狀態向外傳播，此時火焰鋒面光滑，24 ms時火焰到達視窗邊緣，但由于甲烷為低活性可燃氣，燃燒速度較低，因此在火焰鋒面到達視窗邊緣前沒有胞狀化。此外，在火焰形成初期火焰面上有兩道裂紋，這可能是因為點火電極對火焰鋒面所造成的。隨著球形火焰繼續傳播，65 ms時火焰表面產生不規則的裂紋，隨后這些裂紋繼續發展，83 ms時火焰形成均勻的完全胞狀化狀態。

圖2 9.5%甲烷/空氣球形火焰的傳播過程Fig.2 9.5% methane/air spherical flame propagation process

圖3為CO2對9.5%甲烷/空氣球形火焰傳播過程的影響。首先，隨著CO2體積分數的增加，點火后相同時刻的火焰半徑逐漸減小，這表明CO2濃度越高，火焰傳播速度越小。其次，CO2濃度越高，球形火焰越光滑，胞狀面出現的時刻越晚，這表明CO2能夠減弱球形火焰不穩定性。最后，當CO2體積分數達到14%時球形火焰出現上浮現象，這是由于已燃氣的密度小于未燃氣的密度，而CO2降低了火焰傳播速度，延長了球形火焰所受浮力的作用時間，使得火焰產生上浮現象[21]，當CO2體積分數為18%時這種現象更為明顯，形成橢球形的火焰鋒面。

圖3 CO2對9.5%甲烷/空氣球形火焰傳播過程的影響Fig.3 Effect of CO2 on propagation of 9.5% methane/air spherical flame

圖4為超細水霧對9.5%甲烷/空氣球形火焰傳播過程的影響。隨著超細水霧質量濃度的增加，點火后相同時刻的火焰半徑先增加后減小，通入58.3 g/m3超細水霧時的火焰半徑大于不通超細水霧時的火焰半徑，此后隨著超細水霧質量濃度的增加火焰半徑逐漸減小。同時，加入58.3 g/m3超細水霧后火焰亮度增加，這是由于超細水霧參與了爆炸反應，導致火焰亮度增加[22]。對比86 ms時的紋影圖片還可以發現，58.3 g/m3超細水霧的胞狀面發展最充分，其次是不加超細水霧、174.9 g/m3超細水霧、262.5 g/m3超細水霧和350 g/m3超細水霧。這表明，通入少量超細水霧不能抑制甲烷爆炸，反而會參與爆炸反應，導致火焰傳播速度增加，只有當超細水霧質量濃度充足時才會抑制甲烷爆炸。

圖4 超細水霧對9.5%甲烷/空氣球形火焰傳播過程的影響Fig.4 Effect of ultrafine water mist on propagation of 9.5% methane/air spherical flame

圖5為CO2和質量濃度為174.9 g/m3超細水霧共同作用對9.5%甲烷/空氣球形火焰傳播過程的影響。與174.9 g/m3超細水霧相比，加入CO2后火焰表面變得更光滑，火焰不穩定性減弱，如110 ms時，隨著CO2體積分數的增加，火焰胞狀面逐漸變大，數量逐漸減小，在加入10%CO2后胞狀面消失。此外，在點火后110 ms時，通入174.9 g/m3超細水霧的火焰最明亮，而在通入CO2后火焰亮度變暗，這表明加入的CO2有助于抑制超細水霧參與爆炸反應。

圖5 CO2-超細水霧對9.5%甲烷/空氣球形火焰傳播過程的影響Fig.5 Effect of CO2 and ultrafine water mist on propagation of 9.5% methane/air spherical flame

2.2 對火焰傳播速度的影響

火焰傳播速度是反應火焰前沿傳播快慢的一個指標，計算公式為：

(1)

式中：R1和R2分別為t1時刻和t2時刻的火焰半徑。

圖6為CO2-超細水霧對火焰傳播速度的影響圖像。

圖6 CO2-超細水霧對9.5%甲烷/空氣火焰傳播速度的影響Fig.6 Effect of CO2-ultrafine water mist on flame propagation speed of 9.5% methane/air

圖6(a)為不同超細水霧質量濃度下火焰傳播速度隨火焰半徑的變化關系。

點火后火焰傳播速度的變化可以分為2個時期：(1)火核形成期；(2)火焰發展期。火核形成期的火焰傳播速度隨火焰半徑增大而減小，在半徑約4 mm時火焰傳播速度最小，然后開始上升，在半徑約7 mm時火焰傳播速度趨于穩定，因而在半徑7 mm后測得火焰傳播速度較為準確，這主要是因為火核形成期火焰發展受到點火能量的影響較大[23]。火核形成后以膨脹球形火焰向外傳播，火焰表面逐漸遠離點火位置，火焰表面受點火作用的影響逐漸減小，火焰傳播速度幾乎不發生變化，這個時期是火焰發展期。

圖6(b)為超細水霧質量濃度對火焰傳播速度變化曲線的影響。

隨著超細水霧質量濃度的增加，9.5%甲烷/空氣球形火焰傳播速度先增加后減小，通入58.3 g/m3超細水霧時的火焰傳播速度增加了20%，這是由于超細水霧對爆炸火焰流場產生明顯影響，使爆炸火焰流場結構發生改變，這會使球形層流火焰表面產生褶皺，增大了燃燒面積，從而使火焰傳播速度增加。當超細水霧質量濃度增至116.6 g/m3時，球形火焰的傳播速度降低并不明顯，只下降了5.0%；當超細水霧質量濃度達到350 g/m3時有了明顯降低，下降了50%。

這表明，超細水霧量不足時其火焰傳播速度降低并不明顯，甚至有可能會造成火焰加速，只有當超細水霧量充足時才會有明顯的抑爆作用。

圖6(c)為在不同體積分數CO2作用下火焰傳播速度隨火焰半徑的變化關系。

隨著CO2體積分數的增加，火焰傳播速度逐漸減小。此外，CO2對火核形成期的影響也比較大，隨著CO2體積分數的增加，點火對火焰傳播速度的影響越來越小，這可能是因為此時火焰傳播速度較小造成的。

圖6(d)為CO2對火焰傳播速度變化的影響曲線。

CO2能夠明顯降低火焰傳播速度，并且CO2濃度越高抑制作用越明顯，當加入體積分數為18%的CO2時，火焰傳播速度下降了81.3%。

圖6(e)～(f)為350 g/m3超細水霧和不同體積分數CO2共同作用對火焰傳播速度的影響。

火焰傳播速度的變化趨勢沒有發生明顯變化，但是當超細水霧和CO2共同作用時，火焰傳播速度的下降更加明顯。加入350 g/m3超細水霧時的火焰傳播速度下降了50%，只加入18%CO2時的火焰傳播速度下降了81.3%，而350 g/m3超細水霧和18%CO2共同作用時火焰傳播速度下降了91%，抑爆效果有小幅增高，這是因為加入的水霧量較少。

2.3 對爆炸超壓的影響

圖7為CO2體積分數和超細水霧質量濃度對爆炸超壓的影響。

圖7(a)是不同體積分數CO2對9.5%甲烷/空氣爆炸超壓影響的對比曲線。

首先，不同體積分數CO2影響下的爆炸超壓曲線具有相似的變化趨勢，可以把點火后定容彈內的壓力變化分為3個時期：(1)壓力滯后期；(2)壓力增長期；(3)壓力衰減期。

在甲烷被點燃后，球形火焰是以層流狀態向外傳播，此時的火焰傳播速度較小，定容彈內的壓力變化不大，這個時期稱為壓力滯后期；當火焰繼續向外發展時，火焰不穩定造成火焰加速，形成爆炸沖擊波導致定容彈內壓力增大，這個時期稱為壓力增長期；火焰繼續發展，定容彈內的甲烷即將燃盡，燃燒速度減慢直至火焰熄滅，造成定容彈內的壓力衰減，這個時期是壓力衰減期。

其次，隨著CO2體積分數的增加，壓力滯后期和壓力增長期所用時間均有所增加，爆炸超壓曲線上升時刻明顯延遲，例如9.5%甲烷/空氣爆炸時的壓力滯后期為41.6 ms，在加入18%CO2后滯后期延長到185.0 ms，增加了344.7%。

再次，CO2對超壓峰值和超壓峰值到達時間也有很大影響，CO2濃度越高，超壓峰值越低，超壓峰值到達時間越長，例如9.5%甲烷/空氣爆炸超壓峰值為0.660 2 MPa，而在18%CO2作用下，超壓峰值下降到了0.408 5 MPa，下降了38.1%；9.5%甲烷/空氣爆炸超壓峰值到達時間為189.1 ms，而在18%CO2作用下爆炸超壓峰值到達時間增加到了1 040.1 ms，增加了450.0%。

最后，在爆炸壓力增長期，隨著CO2體積分數的增加爆炸超壓曲線斜率明顯降低，這表明壓升速率減小。因為CO2對9.5%甲烷/空氣爆炸具有明顯的抑制作用，并且CO2濃度越高抑制作用越明顯，這是由于甲烷爆炸本質上是一個鏈式反應過程，而CO2稀釋了甲烷氣體，抑制了活化自由基的解離，降低了活化自由基的濃度，使爆炸強度減小，爆炸反應速率減慢。

圖7(b)是不同超細水霧質量濃度對9.5%甲烷/空氣爆炸超壓的影響曲線。變化曲線與圖7(a)有相似的變化趨勢，即定容彈內的爆炸壓力也經歷了3個階段。

但是，在超細水霧質量濃度為58.3 g/m3時，爆炸超壓峰值增加到了0.697 7 MPa，增加了5.7%。這是因為：

(1)超細水霧的加入會使爆炸流場湍流化，湍流化會使火焰表面失穩造成火焰表面與預混未燃氣的接觸面積增加，這會造成火焰燃燒增強，火焰傳播速度增加，爆炸超壓增加，從而產生促爆作用；

(2)在密閉容器內部，少量超細水霧在高溫火焰作用下會發生氣化，氣化的超細水霧體積會有所增加，造成定容燃燒彈內的壓力升高，這就是超細水霧的氣化升壓作用；在超細水霧質量濃度58.3 g/m3時，超細水霧的氣化升壓作用大于冷卻降溫作用，從而造成了定容燃燒彈內的壓力升高[22]。

此后，隨著超細水霧質量濃度的增加，爆炸超壓峰值逐漸降低。這表明，少量的超細水霧并不能抑制甲烷爆炸，只有當超細水霧達到一定質量濃度時才能抑制甲烷爆炸。

圖7 CO2和超細水霧對9.5%甲烷/空氣爆炸超壓的影響Fig.7 Influences of CO2 and ultrafine water mist on explosion overpressure of 9.5% methane/air

為了說明超細水霧和CO2共同作用對9.5%甲烷/空氣爆炸超壓的影響，選取質量濃度為350 g/m3的超細水霧和CO2共同作用的情況來進行分析。

圖8是質量濃度為350 g/m3的超細水霧和不同體積分數CO2共同作用對9.5%甲烷/空氣爆炸超壓的抑制效果圖像。

由圖8(a)和圖7對比，可以看出超細水霧和CO2共同作用時的抑爆效果更加明顯，當往超細水霧中加入CO2后爆炸超壓峰值明顯降低，爆炸超壓峰值來臨時間顯著增加，并且隨著CO2體積分數的增加，超細水霧和CO2的綜合抑爆能力越強。

根據圖8(b)，9.5%甲烷/空氣爆炸的平均壓升速率為3.0 MPa/s，而350 g/m3超細水霧和18%CO2共同作用下，平均壓升速率下降到了0.25 MPa/s，下降了91.7%；超壓峰值來臨時間增加到了1 395.7 ms，增加了638.1%，這比超細水霧或CO2單獨作用時具有更好的抑爆效果，并且350 g/m3超細水霧和18%CO2綜合作用時的抑爆效果最明顯。

圖8 CO2-超細水霧對9.5%甲烷/空氣的抑爆效果Fig.8 Effect of CO2-ultrafine water mist on explosion suppression of 9.5% methane/air

3 結 論

通過自行搭建的實驗平臺研究了CO2-超細水霧對9.5%甲烷/空氣初期爆炸特性的影響，主要得到以下結論。

(1) CO2和超細水霧的濃度是影響其單獨抑爆效果的主要原因，且要達到理想的抑爆水平，抑爆劑的使用濃度要求很高，且超細水霧質量濃度不足時有促爆作用，只有當超細水霧質量濃度充足時才會有效抑制甲烷爆炸。

(2) CO2和超細水霧共同作用時對爆炸初期火焰傳播有顯著影響，火焰胞狀面逐漸變大，數量逐漸減小，在加入10%CO2后胞狀面消失，同時火焰亮度變暗，體現出二者共同作用時能夠降低火焰不穩定性，抑制少量超細水霧誘發的抑爆不穩定現象。

(3) CO2和超細水霧共同作用時，明顯降低了球形火焰傳播速度、甲烷爆炸超壓峰值和平均壓升速率，推遲超壓峰值來臨時間，有助于抑制爆炸初期的火焰加速。