含NaCl超細水霧抑制甲烷爆炸實驗研究*

楊 克，張 平，邢志祥，紀 虹，周 越，王 壯

(1.常州大學 環境與安全工程學院，江蘇 常州 213164； 2.常州大學 石油工程學院，江蘇 常州 213106)

0 引言

采煤、天然氣輸送等相關領域經常發生瓦斯爆炸，為防止瓦斯爆炸事故，學者們對甲烷抑爆技術進行了大量實驗和理論研究。超細水霧作為1種低成本、無污染的資源，能夠降低火焰溫度，減弱熱傳播[1-3]，而添加劑的引入可以更好地改善超細純水霧抑爆效果[4]。因此，研究含添加劑的超細水霧對甲烷爆炸抑制效果具有重要意義。

Cao等[4-5]用質量濃度分別為5%，8%，15%的含氯化鈉超細水霧來進行體積分數分別為6.5%，8%，9.5%甲烷的爆炸試驗，研究發現NaCl可有效提高超細純水霧抑制甲烷爆炸效果，且含5%氯化鈉超細水霧抑爆效果較好；Joseph等[6]進行了含添加劑超細水霧抑制甲烷爆炸的試驗研究，發現添加NaCl，KCl或KHCO3可使超細純水霧的抑爆效率大幅提高，其中K+消除自由基的能力是Na+的2倍；Zhang等[7]通過試驗研究不同添加劑對甲烷抑爆效果的影響，發現抑爆效果按照純水、NH4H2PO4，KH2PO4，KCl，CH3COOK，KNO3，K2C2O4的順序增強；Yu等[8-9]進行了含NaCl帶電水霧減弱甲烷爆炸超壓的試驗研究，發現帶電水霧使霧場更分散、更穩定，可以延遲超壓峰值到達時間；劉江虹等[10]比較了分別含CaCl2，NaCl，KCl，FeCl2細水霧的滅火性能，發現根據質量比其滅火性能依次減弱；許紅利等[11]進行了含添加劑細水霧高原滅火效果影響的試驗研究，結果表明在低壓低氧的情況下，質量濃度為1.5% FeCl2和10% NaCl的細水霧對柴油池火的滅火效率較高。前人對含氯化鈉細水霧研究較多，但主要集中于撲滅各類火災，對含氯化鈉超細水霧抑爆研究較少，且大多未詳盡考慮到氯化鈉濃度對抑爆甲烷效果的影響。

基于此，本文將著重考慮氯化鈉濃度對抑爆甲烷效果的影響。首先，測量含不同濃度氯化鈉超細水霧粒徑；然后，分析含不同濃度氯化鈉超細水霧對甲烷爆炸平均火焰傳播速度、爆炸超壓、平均升壓速率等指標的影響；最后，進行對比分析，確定最佳濃度。以期進一步推動含添加劑超細水霧抑制甲烷爆炸的研究。

1 實驗設計

1.1 實驗裝置

此次實驗所用的裝置主要由超細水霧發生裝置(平均霧化率為0.035 mL/s)、氣體輸送系統(40 L甲烷氣瓶、40 L壓縮空氣氣瓶)、信號采集與數據處理系統(信號采集卡為USB-1608FS-Plus，采集卡最大頻率為400 kS/s)、高速攝像系統(實驗采用1 000 fps，可記錄幀數為4 896 幀，共4.896 s)、反應空間管道(管道內腔尺寸為50 mm×50 mm×1 000 mm，內部空間容量為2.5 L)、點火裝置(實驗采集高壓脈沖點火器，雙電極點火電壓設為6 kV)等構成。具體構造如圖1所示。

1.高壓氣瓶；2.質量流量控制器；3.預混裝置；4.點火裝置；5.壓力傳感器；6.壓力數據采集卡；7.超細水霧系統；8.同步控制器；9.高速攝影儀；10.污水排放口和控制閥；11.爆炸管道；12.控制閥；13.光電傳感器；14.真空計；15.真空泵圖1 實驗系統構造Fig.1 Construction of the experimental system

1.2 試驗方法

實驗的目的是研究含不同濃度NaCl超細水霧對甲烷爆炸抑制效果的影響。實驗內容包括粒徑測試和甲烷抑爆實驗，粒徑測試主要為測量超細純水霧和含不同濃度NaCl超細水霧粒徑(NaCl濃度分別為2.5%，5%，7.5%，10%，12.5%)；甲烷抑爆試驗中，以通霧量為0.7 mL的含不同濃度NaCl超細水霧作用于體積分數為9.5%甲烷，每次實驗記錄壓力和火焰數據。實驗進行2～3次。

2 實驗結果與分析

2.1 NaCl濃度對超細水霧粒徑分布的影響

在外界條件不變的情況下，對濃度分別為0%，2.5%，5%，7.5%，10%，12.5%的含氯化鈉超細水霧進行粒徑測試，觀察不同NaCl濃度下，超細水霧粒徑的變化。

表1為含不同濃度NaCl超細水霧的粒徑分布。表1中，SMD(Sauter Mean Diameter)為表面積平均直徑，μm；VAD(Volume Average Diameter)為體積平均直徑，μm。由表1可以看出，當NaCl濃度為0%～5%時，超細水霧的SMD，VAD，中徑值(V50)隨NaCl濃度增加而增加；當NaCl濃度為5%～10%時，超細水霧的VAD，SMD，V50隨NaCl濃度的增加而減小；當NaCl濃度超過10%時，超細水霧的VAD，SMD，V50幾乎保持不變。相比于超細純水霧，含NaCl超細水霧特征參數V10，V50，V90略有增加，但總體漲幅不大；當NaCl濃度為5%時，超細水霧特征參數變化最明顯，從整體上來看，NaCl濃度的變化對水霧粒徑影響較小，含NaCl超細水霧粒徑主要集中在4.384 μm左右，所以NaCl粒徑的變化并不是抑爆效果增強的主要原因。含氯化鈉超細水霧抑制甲烷爆炸主要體現在其熱分解的自由基中斷甲烷鏈式反應上。

表1 含不同濃度NaCl超細水霧的粒徑分布Table 1 Particle size distribution of ultrafine water mist with different concentrations of NaCl

2.2 含不同濃度氯化鈉超細水霧抑爆甲烷效果分析

將通霧量為0.7 mL，分別含0%，2.5%，5%，7.5%，10%，12.5%的NaCl超細水霧作用于體積分數為9.5%的甲烷，觀察火焰、最大爆炸超壓、平均火焰傳播速率以及平均升壓速率隨不同濃度含NaCl超細水霧的變化。表2為含不同濃度NaCl超細水霧抑爆效果。

表2 含不同濃度NaCl超細水霧抑爆效果Table 2 Explosion suppression effect of ultra-fine water mist containing different concentrations of NaCl

2.2.1 含不同濃度氯化鈉超細水霧對火焰影響

火焰傳播動態如圖2所示。圖2(a)為超細純水霧作用于體積分數為9.5%甲烷火焰傳播變化圖。由圖2(a)可以看出，在時間為60～90 ms時，火焰鋒面由持平轉為斜平面，靠近管道下方管壁的火焰出現延伸，傳播速度大于管道上方管壁火焰，火焰傳播速度減小，主要是氣體被點燃初期受熱膨脹，且超細水霧的受熱蒸發吸熱降溫作用；在時間為90 ms時，火焰傳播速度逐漸增大，主要是水霧進入管道反應區，與自由離子發生碰撞，發生對流擾動。當火焰傳播到管道另一側時，由于燃燒能量波的積聚，火焰速度增大，火焰沖破封閉薄膜。圖2(b)為含2.5%NaCl超細水霧作用于體積分數為9.5%甲烷火焰傳播變化圖。由圖2(b)可以看出，在時間為30～200 ms階段，火焰傳播整體速度較小，70 ms時為“指形”火焰向“郁金香”火焰轉變的臨界點，火焰傳播速度最小；在火焰點燃240 ms之后，火焰由“郁金香”轉為“指形”。發生這些變化的原因是，水霧微粒吸熱汽化速度變快后產生的反向氣流對火焰反應區產生擾動，引發火焰峰面積增大，火焰由指形轉為貼壁兩側火焰傳播速度快的微凹形湍流“郁金香”火焰，又由于含氯化鈉超細水霧微粒吸熱降溫效果，以及阻礙鏈式反應的作用機理，火焰傳播的反向氣流速度減減慢，致使對稱渦流消失，局部貼壁火焰傳播速度回歸正常，微凹形“郁金香”火焰短暫出現后再次消失[12]。直至火焰點燃1 100 ms以后，火焰傳播受封閉薄膜的阻礙，火焰傳播速度略有停滯，在火焰點燃后1 230 ms時，轟破薄膜。由圖2可以看出，在火焰點燃360 ms時，超細純水霧作用下火焰傳播距離明顯大于含2.5%NaCl超細水霧作用下火焰傳播的距離。因此，含氯化鈉超細水霧能更好地減小火焰傳播強度。

圖2 火焰傳播動態變化Fig.2 Dynamic change of flame propagation

圖3為不同噴霧條件下平均火焰傳播速度變化以及較純甲烷相比下降值變化圖。由圖3可以看出，當NaCl濃度為0%～2.5%時，平均火焰傳播速度隨其濃度的增加呈上升趨勢；當NaCl濃度為2.5%～12.5%時，平均火焰傳播速度隨其濃度的增加呈下降趨勢。表3為不同濃度NaCl作用下平均火焰傳播速度的變化。由表3可以看出，含2.5%NaCl平均火焰傳播速度較純甲烷爆炸平均火焰傳播速度下降了53.7%，抑制甲烷火焰傳播效果最差的是12.5%氯化鈉，其平均火焰傳播速度較純甲烷爆炸仍下降了43.6%，遠超過超細純水霧作用下降的效果，主要是在吸熱降溫的基礎上，氯化鈉熱分解產生的離子與火焰反應區的自由基發生反應，阻礙甲烷鏈式反應，降低火焰傳播速度。

表3 不同濃度NaCl作用下平均火焰傳播速度的變化Table 3 Changes in average flame propagation speed withdifferent concentrations of NaCl

圖3 不同濃度NaCl下平均火焰傳播速度的變化Fig.3 Curve of the average flame propagation speed under different concentrations of NaCl

2.2.2 含不同濃度氯化鈉超細水霧對爆炸超壓的影響

表4是NaCl濃度分別為0%，2.5%，5%，7.5%，10%，12.5%作用下最大爆炸超壓的變化狀況。圖4為不同噴霧條件下最大爆炸超壓變化以及較純甲烷相比下降值變化。從表4中發現，超細純水霧的添加使得甲烷最大爆炸超壓較純甲烷自由爆炸的最大爆炸超壓下降了1.168 kPa。針對5個不同的NaCl濃度的甲烷抑爆實驗，其爆炸超壓分別下降了5.786，4.164，5.170，3.144和2.096 kPa，其中，含2.5%NaCl超細水霧下降幅度最大，最大爆炸超壓較純甲烷自由爆炸下降了63.4%。在濃度大于10%的NaCl作用下，甲烷最大爆炸超壓下降值較小，占純甲烷自由爆炸時最大爆炸超壓的23%，約為是純水霧作用下最大爆炸超壓下降值的2倍。由圖4可知，與純水超細水霧單獨作用相比，含氯化鈉超細水霧作用下的最大爆炸超壓更小，抑爆效果更佳。由此可見，添加NaCl能夠大幅提高超細水霧對甲烷的抑爆能力。

表4 不同濃度NaCl作用下甲烷最大爆炸超壓的變化Table 4 Changes in maximum explosion overpressure with different concentrations of NaCl

圖4 不同濃度NaCl對最大爆炸超壓的變化Fig.4 Curve of the maximum explosion overpressure under different concentrations of NaCl

圖5是NaCl濃度分別為0%，2.5%，5%，7.5%，10%，12.5%超細水霧作用下對應的壓力隨時間變化曲線。由圖5可知，不同濃度NaCl抑爆甲烷的壓力曲線與純甲烷自由爆炸的壓力曲線都呈現雙波峰，其中，僅2.5%NaCl濃度對應的甲烷最大爆炸壓力在第1波峰。火焰傳播初期，化學反應迅速加劇，燃燒產生的壓縮波較大，導致第1波峰峰值較大；到火焰傳播中后期，火焰傳播速度減慢，導致第2波峰的爆炸超壓小于第1波峰的峰值。當氯化鈉濃度達到12.5%，其抑爆效果明顯減弱，但其最大爆炸超壓仍小于超細純水霧。含12.5%的氯化鈉抑爆效果減弱的主要原因是，隨著氯化鈉濃度的升高，溶液的比熱容升高，超細水霧微粒吸熱汽化速度變慢，而壓力波傳播速度很快，氣化速度小于壓力波積聚速度，壓力出現顯著上升。

圖5 含不同濃度NaCl超細水霧對應的壓力隨時間變化Fig.5 Curve of pressure versus time for superfine water droplets containing different concentrations of NaCl

2.2.3 含不同濃度NaCl超細水霧對爆炸升壓速率的影響

平均升壓速率的計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：v為平均升壓速率，kPa/s；Pmax為最大爆炸壓力，kPa；P0為初始壓力，kPa；Δt為由初始壓力增大到最大爆炸壓力所用時間，s。

表5為不同濃度NaCl超細水霧作用下平均升壓速率變化，圖6為不同濃度NaCl超細水霧噴霧條件下平均升壓速率變化以及較純甲烷相比下降值變化。當NaCl濃度處于0～5%時，隨著NaCl濃度的增大，甲烷爆炸的平均升壓速率較純甲烷自由爆炸的下降值增大；當NaCl濃度增大到5%時，甲烷爆炸的平均升壓速率達到最小值，較純甲烷自由爆炸的平均升壓速率下降了71.7%；當NaCl濃度值為5%～12.5%時，隨著NaCl濃度的升高，含NaCl的超細水霧抑制甲烷爆炸平均升壓速率較純甲烷自由爆炸下降值逐漸降低并趨于平穩。其中，純水超細水霧的平均升壓速率下降幅度要遠小于抑爆效果較差的含12.5%NaCl超細水霧的升壓速率下降幅度。

通過上述對含不同濃度NaCl超細水霧對抑爆性能影響的分析可知，總體而言，含NaCl超細水霧抑爆性能遠強于超細純水霧的抑爆效果，其中抑制甲烷爆炸效果最佳的是含2.5%NaCl超細水霧。

表5 不同濃度NaCl作用下平均升壓速率的影響Table 5 Changes in average pressure rise rate with different concentrations of NaCl

圖6 不同濃度NaCl對平均升壓速率的變化Fig.6 Curve of the average pressure rise rate under different concentrations of NaCl

3 含NaCl超細水霧抑爆甲烷機理分析

含NaCl超細水霧抑爆甲烷是其物理和化學共同作用的結果。物理作用體現在含NaCl超細水霧粒徑小，比熱容較大，汽化潛熱約為2 280 kJ/kg，導熱系數小，使其蒸發速度快，減弱熱輻射的傳遞，阻礙鏈式反應。化學作用主要體現在添加劑熱分解產生的離子與火焰反應區的自由基(H原子以及自由基OH)發生反應，阻斷鏈式反應進行。

眾所周知，甲烷燃燒的機理如以下關鍵支鏈反應所示[13-14]：

OH·+CH4→CH3·+H2O

H·+CH4→CH3·+H2

O·+CH4→CH3·+OH·

所選用的NaCl受熱分解產生Na·和NaO·自由基與CH4爆炸產生的OH·和H·自由基反應[7-8,15-16]，可以中斷鏈式反應并抑制爆炸：

Na·+OH·+M→NaOH+M

NaOH+H→Na·+H2O

NaOH+OH·=NaO·+H2O

NaO·+H·→Na·+OH·

NaO·+O·→Na·+O2

NaO2+CO→NaO·+CO2

Cl·+Cl·+M→Cl2+M

Cl2+H·→HCl+Cl·

HCl+H·→H2+Cl·

H·+OH·+Cl·→H2O+Cl·

含NaCl超細水霧抑制甲烷爆炸是水霧微粒的物理作用和NaCl熱分解阻斷鏈式反應的化學作用充分發揮協同抑爆效果，因此其抑爆性能要強于超細純水霧的抑爆性能。

4 結論

1)NaCl濃度對超細水霧粒徑影響不大，粒徑的變化不是含氯化鈉超細水霧抑爆效果增強的主要原因，主要是由于NaCl受熱分解產生自由基與CH4爆炸產生的OH·和H·自由基反應使得抑爆效果顯著增強。

2)通霧量為0.7 mL的超細純水霧作用于體積分數為9.5%的甲烷，相比于9.5%純甲烷自由爆炸，其火焰傳播速率、最大爆炸超壓以及平均升壓速率分別下降了24.6%，12.8%和10.7%。

3)通霧量為0.7 mL的含NaCl超細水霧作用于體積分數為9.5%的甲烷，NaCl濃度為2.5%的超細水霧對甲烷爆炸的抑制性能最佳，相比于9.5%純甲烷自由爆炸，其火焰傳播速率、最大爆炸超壓以及平均升壓速率分別下降了53.7%，63.4%和60.7%，相比于超細純水霧，分別下降了38.6%，58%和56%。