惰性氣體抑制瓦斯爆燃火焰傳播特性實驗研究*

胡 洋，吳秋遐，龐 磊，楊雨欣，闞瑞峰，梁金虎，徐景德

(1.華北科技學院 安全工程學院，北京 101601； 2.北京石油化工學院 安全工程學院，北京 102617；3.中國科學院合肥物質科學研究院，安徽 合肥 230031； 4.中北大學 環境與安全工程學院，山西 太原030051)

0 引言

煤炭在我國一次能源消費中所占比例約為67%，而95%的煤炭生產來源于井工開采。每年我國工業生產所發生的重特大事故中，瓦斯事故和頂板事故所造成的人員死亡人數占全體事故1/2以上，其中瓦斯事故中最主要的形式就是瓦斯爆燃[1]，一旦發生事故往往造成嚴重的人員傷亡和經濟損失。因此，阻燃抑爆技術和裝備的研究一直處于重要地位，對煤礦安全生產、防災減災救災、應急救援具有重要意義，目前學者們對惰性氣體抑制瓦斯爆燃的方法較為認可。

煤礦發生的瓦斯爆燃現象是沖擊波與火焰及產物分離，先于火焰在巷道中傳播，誘導激波的能量、火焰的高溫及氣體的有毒性造成嚴重的人員傷亡和經濟損失[2]。為降低瓦斯爆燃的危害，國內外學者進行了大量研究，對瓦斯爆燃過程中施加滅火劑、抑爆劑來達到阻燃抑爆效果[3-4]，但阻燃抑爆效果并不理想。由于惰性氣體相比于其他防治措施具有更加高效、便捷的效果，因此，采用惰性氣體在不會阻斷巷道通風的前提下抑制瓦斯爆燃，是一個可取的研究方向。賈寶山等[5]通過對CH4/空氣混合氣體充入10%，15%，20% 3種不同濃度的N2，結果發現：隨著N2濃度增大，瓦斯引爆時間延遲且爆炸強度減弱；楊春麗等[6]用數值模擬研究了不同濃度N2對CH4預混氣體爆炸的影響，結果發現：造成抑爆性強弱的原因在于影響鏈式反應的速率不同；張迎新等[7]借助中尺度的爆炸實驗裝置研究N2對瓦斯爆炸的影響，結果發現：隨著N2在瓦斯預混氣體中的濃度不斷增加，瓦斯爆炸的超壓都有大幅度的下降。綜上所述，選用N2進行抑制瓦斯爆燃的研究很多，但目前的研究主要集中于N2與預混氣體因不同濃度的配比，對瓦斯爆燃超壓變化、爆炸壓力上升速度變化及支鏈反應的抑制作用[8-9]。通常情況下N2的主要抑爆機理是借助N2降低預混氣體中O2濃度，減少O2分子與可燃氣體分子的接觸概率，使火焰熄滅[10-11]。

N2抑制瓦斯爆燃過程是一個動態、立體的三維結構變化，僅采用傳統的宏觀測量方法無法全面準確地反映整個過程。本文結合壓電式傳感器、火焰傳感器和激光紋影測試系統，通過研究N2在不同噴射壓力下對瓦斯爆燃火焰傳播的影響，得出N2對礦井瓦斯爆燃火焰傳播的抑制特性，為該類事故預防研究奠定基礎。

1 實驗設計

1.1 實驗系統介紹

圖1為N2抑制瓦斯/空氣預混氣體爆燃的實驗系統圖。實驗系統包括爆炸激波管系統、高壓點火系統、真空系統、預混系統、數據采集系統、壓電式傳感器、火焰傳感器、同步控制系統、N2噴射裝置和激光紋影測試系統組成。本實驗采用6節激波管和1節實驗段搭建爆炸激波管系統，激波管截面形狀為200 mm×200 mm的方形，實驗管道每節為2.5 m，實驗段長為1 m。實驗段距端面長為500 mm的位置開有直徑為300 mm的圓形可視化窗口，在可視化窗口安裝有機玻璃并借助高速攝影或者激光紋影技術觀察激波管中的流場變化情況。為滿足N2抑制瓦斯爆燃的實驗設計，在可視化窗口的底部設計留有直徑為15 mm的圓形小孔作為噴射N2的入口。高壓點火系統利用電容充電，通過外觸發控制電極產生高壓放電火花，完成點火，通過點火能量公式得到點火能量為100 mJ；真空系統由旋片泵和羅茨泵組成，其中旋片泵抽速為90 m3/h，極限真空度0.7 Pa、羅茨泵抽氣速度為500 m3/h，極限真空度0.4 Pa；預混系統利用管道外預混的思想，將CH4和空氣分別按照預定的體積百分數充入密閉罐中，靜止6～8 h后充入激波管內作為實驗氣體；壓力傳感器為ICP型高頻響壓電傳感器，靈敏度為0.145 mV/kPa，采樣頻率為1 MHz；火焰傳感器為光纖、光電二極管制成，核心部件為硅PIN光電二極管，型號為GT101，將火焰產生的光信號由光纖導入并轉化為電信號；同步控制系統[12]為多通道同步控制器連接，實現1個信號控制點火、噴射N2及數據采集。

1-激光紋影系統；2-數據采集系統；3-固體繼電器；4-DG645;5-同步控制系統；6-高壓點火系統；7-空壓機；8-瓦斯氣瓶；9-控制柜；10-N2噴射裝置；11-羅茨泵；12-預混氣罐圖1 實驗系統Fig.1 Experimental system diagram

N2噴射裝置是本實驗的關鍵裝置，射流時間要控制好，實驗的關鍵就是要控制射流的壓力，這對惰性氣體阻燃定量分析也有很大意義[13]，為此設計了噴射裝置(如圖2)和同步控制電磁閥裝置。

1-N2氣瓶；2-減壓閥；3-單向閥；4-電磁閥；5-進氣閥門；6-N2噴射入口圖2 N2噴射裝置Fig.2 Nitrogen injection plant

N2噴射系統由N2氣瓶、減壓閥、單向閥、電磁閥和進氣閥門組成。實驗采用美國制造的TESCOM系列減壓閥，出口壓力可控制在0～4.0 MPa之間；電磁閥采用歐文凱利系列的高壓電磁閥，工作壓力為0～4.0 MPa。在實驗中通過調節減壓閥來達到實驗設計所需的噴射壓力，并在實驗過程中保持恒定開啟狀態，當同步控制系統給出控制信號開啟電磁閥后，輸送惰性氣體的管路與激波管噴射入口連通，惰性氣體以恒定的噴射壓力進入激波管中與火焰陣面進行作用。另外，為了確保安全，防止預混氣體在激波管中爆燃時因超壓過高發生氣體倒流進入氣瓶發生危險，在輸氣管路上安裝1個單向閥確保安全。

1.2 工況設計

為測得整個實驗過程中壓力和火焰變化的詳細過程，在每節激波管道中部的同一軸向位置分別安裝壓力、火焰傳感器，其中在實驗段觀察窗前后各安裝8組壓力、火焰傳感器，布置情況如圖3所示，壓力、火焰傳感器距點火端的位置見表1。

圖3 實驗測點布置Fig.3 Layout of experimental measuring points

表1 壓力和火焰傳感器距點火端的位置Table 1 Position of pressure and flame sensors from ignition end

N2從實驗段的中部，即觀察窗的下方噴射進入管道。先進行基礎實驗工況，以預混濃度為9.5%的CH4氣體填充整個管道，在沒有惰性氣體作用的情況下獲得預混濃度為9.5%的CH4氣體在管道中的爆燃傳播規律，為后面N2的抑制效果提供實驗判據。緊接著設計不同噴射壓力的N2對比實驗，實驗又分為4種噴射壓力，其對應的噴口流量分別為2.53，4.38，5.65,6.69 m3/s。為了減少由系統誤差帶來的數據差異，每組實驗至少重復3組以上，以獲得具有代表性的實驗數據。具體實驗工況設計見表2。

表2 N2噴射壓力的實驗工況設計Table 2 Design of experimental conditions of N2

2 實驗數據分析

選擇噴射壓力為0(即無N2)，0.5，1.5，2.5，3.5 MPa的N2與火焰陣面相互作用，根據管道上的8個火焰傳感器，依次記錄火焰陣面經過的時間，得到在不同的N2噴射壓力下火焰陣面與時間之間的關系，如圖4所示。

通過1號火焰傳感器(F1)可以發現，不同噴射壓力下火焰陣面經過F1的時間相同，為0.102 s。這是因為F1位于管道上游，距點火端最近，N2在管道中擴散速度較慢，在很短的時間內無法影響到F1位置的未反應預混氣體靜止狀態，因此，噴射出的N2并沒有對F1產生影響。

根據不同噴射壓力下火焰陣面的傳播過程可知，從噴射入口進入管道的N2受管壁約束向兩端擴散并影響管道中未反應預混氣體的靜止狀態，從F3開始，火焰陣面的傳播開始受到噴射N2的影響，根據圖4得到不同噴射壓力下火焰陣面經過傳感器的時間，見表3。

為保證實驗數據的準確性，每組實驗至少重復3組以上，因此,得到多組平行實驗數據，現羅列其中1組平行數據見表4。

表4 火焰陣面經過傳感器時間的驗證實驗Table 4 Time of flame front passing through sensor s

F4和F5位于觀察窗前后，離噴射N2的噴口最近，未反應的預混氣體受到擾動最大，因此，需進一步分析這2個位置的數據。

將噴射N2的壓力為0(即無N2)與噴射N2的壓力為0.5 MPa的實驗組進行對比。結合圖4和表3可發現，在噴射N2的壓力為0(即無N2)時火焰陣面經過時間為0.441 s，火焰信號強度較為平緩。在噴射N2的壓力為0.5 MPa時火焰陣面時間為0.39 s，時間提前了0.051 s，同時火焰信號強度有明顯增強，出現了1個信號高峰。這是靜止的未反應預混氣體受到擴散N2擾動影響的結果，火焰陣面變形同時卷吸更多的預混氣體參與反應，加劇瓦斯/空氣預混氣體的反應進程。

圖4 不同位置火焰陣面傳播過程Fig.4 Propagation process of flame array at different positions

將噴射N2的壓力為0(即無N2)，0.5，1.5,2.5 MPa的實驗組進行對比，結合圖4和表3可發現，噴射N2的壓力為1.5 MPa時，火焰陣面時間相對于噴射N2的壓力為0.5 MPa進一步提前，時間為0.38 s，同時可發現火焰信號強度繼續增強，可知噴射N2的壓力為1.5 MPa時，促進瓦斯/空氣預混氣體爆燃的效果要強于噴射N2的壓力為0.5 MPa。噴射N2的壓力為2.5 MPa時，火焰陣面經過時間為0.389 s，相對于噴射N2的壓力為1.5 MPa時時間略有滯后，但相比于噴射N2的壓力為0(即無N2)時時間仍然有所加快。

表3 火焰陣面經過傳感器時間的初次實驗Table 3 Time of flame front passing through sensor s

噴射N2的壓力為3.5 MPa時，結合圖4、圖5和表3可發現，火焰陣面經過時間為0.482 s，火焰陣面經過時間和火焰信號強度都有大幅度的滯后和降低。同時從6號傳感器實時數據可知，火焰被N2分割成2部分，前段被分割的小火焰團1經過傳感器6，隨后較大的火焰團2再經過，火焰團2帶有明顯的三維凹陷結構特征，經過N2分割后的火焰陣面，傳播速度明顯降低。可知噴射N2的壓力為3.5 MPa時，N2有明顯的抑制效果。

圖5 噴射N2壓力為3.5 MPa的火焰信號Fig.5 Flame signal of nitrogen injection pressure of 3.5 MPa

根據已知不同火焰傳感器之間的精確距離和數據采集系統得到的火焰陣面經過不同火焰傳感器的時間差，得到不同噴射壓力下火焰陣面在管道中的傳播速度，如圖6所示。可發現，噴射壓力為0的N2(即無N2)后，火焰傳播速度相對較穩定，而噴射壓力為0.5,1.5 MPa的N2后，火焰傳播速度明顯增強，噴射壓力為2.5 MPa的N2后，火焰傳播速度呈現先增強后減弱的趨勢，但傳播速度依舊要高于噴射壓力為0(即無N2)的N2。噴射壓力為3.5 MPa的N2后，火焰傳播速度明顯減弱，預混氣體的爆燃受到抑制。當噴射N2壓力為0.5,1.5 MPa時，進入管道的N2相對較少，造成擾動影響大于稀釋作用，使上游的預混氣體受擾動被加劇，火焰陣面以極快的速度經過N2噴射入口，火焰陣面的傳播速度最高達到250 m/s。噴射N2壓力為2.5 MPa時，火焰傳播速度為5.8 m/s，上游火焰陣面受擾動進一步加劇，但同時下游N2的稀釋作用也不斷加劇，反應物濃度逐漸降低，火焰陣面能卷吸到的未燃氣體減少，鏈式反應中產生的自由基粒子被抑制，火焰傳播速度不斷減低，在管道末端時速度低于噴射壓力為0(即無N2)的火焰傳播速度7.96 m/s，爆燃逐漸被抑制。當噴射N2壓力為3.5 MPa時，由于噴射壓力高，N2向兩端擴散的距離更長，管道中的預混氣體被不斷稀釋，火焰傳播受到抑制效果最明顯，速度為5.4 m/s。

圖6 不同噴射壓力下火焰的傳播速度Fig.6 Flame propagation velocity under different injection pressures

3 激光紋影技術的初步結果

激光紋影技術是建立以光學激光技術為主要光源的紋影儀系統，在線同時獲取并監測不同的紋影現象，通過拍攝得到并保存相應的紋影圖像。其作為能夠研究復雜流場的一項重要技術，非常適合應用到流場結構內部包含許多有用信息的煤礦瓦斯爆燃流場。從微觀這一新的研究角度研究瓦斯/空氣預混氣體爆燃，“看得到”爆燃流場結構內部的信息。

結合實驗室的現狀，選擇“Z”型光路布置?！癦”型光路布置相比于其他光路布置具有尺寸緊湊，光線自身不會對成像產生影響的優點[14-15]?，F將激光紋影技術在實驗管道上進行布置，得到初步紋影圖像如圖7所示。

圖7 不同噴射壓力下的紋影圖像Fig.7 Schlieren images at different injection pressures

選擇噴射N2壓力為0(即無N2)，0.5,3.5 MPa的實驗組進行對比，結果表明，圖7各噴射壓力下1號位置處對比可發現，噴射N2壓力為0.5 MPa時，火焰陣面受噴射N2的沖擊，火焰邊界線被向上拉升約5.2%；噴射N2壓力為3.5 MPa時，火焰陣面受噴射N2的沖擊發生形變而無法保持完整的指尖形狀，火焰邊界線變得凹凸不平。同時，火焰前鋒面在不同噴射壓力下到達的時間不同，噴射N2壓力為0.5 MPa與噴射N2壓力為0(即無N2)相比，N2在管道中擴散加劇預混氣體的湍流狀態，時間提前約0.30 s；噴射N2壓力為0.5 MPa與噴射N2壓力為0(即無N2)相比，管道中的N2不斷稀釋預混氣體，時間滯后約0.10 s。噴射進入管道中的N2受火焰的推動不斷向管道的后方擴散，在管道后端的預混氣體受擴散的N2的稀釋和隔熱作用，使火焰傳播供應不足，促使火焰傳播被抑制。

4 結論

1)選用N2做為惰性介質，抑制爆燃效果與N2的噴射壓力密切相關，火焰傳播速度隨著噴射壓力的增加呈現先增加后減弱的趨勢，其中噴射N2壓力為1.5 MPa時，火焰陣面拉升、變形最強，火焰傳播速度提高，最高可達到250 m/s。噴射壓力為3.5 MPa時，火焰陣面出現明顯三維凹陷結構，運動發生明顯滯后現象，火焰傳播速度大幅度降低至5.4 m/s，惰性氣體抑制火焰傳播效果明顯，實現抑制瓦斯/空氣預混氣體爆燃。

2)N2抑制瓦斯/空氣預混氣體爆燃特性的本質是使流場中的O2含量降低，達到熄滅火焰的目的。因此，在瓦斯/空氣預混氣體爆燃火焰傳播到達之前，N2的含量越高，越有利于對預混氣體進行稀釋，越有利于抑制預混氣體爆燃。當噴射N2壓力為0.5～2.5 MPa時，噴射出的N2較少，相應的N2的含量較低，不利于抑制瓦斯/空氣預混氣體爆燃。相應的，當噴射壓力為3.5 MPa時，噴射出的N2多，相應的N2的含量高，更有利于抑制瓦斯/空氣預混氣體爆燃，使火焰有明顯的滯后。

3)瓦斯/空氣預混氣體爆燃過程中，當N2的噴射壓力相對較低時，N2在管道中擴散加劇了未反應預混氣體的擾動狀態，造成火焰陣面褶皺的卷吸能力增強，進而加速化學反應進程，促進預混氣體燃燒。噴射N2壓力為0.5 MPa時火焰的傳播速度增幅為157.2%，噴射N2壓力為1.5 MPa時火焰的傳播速度增幅為549.5%，噴射N2壓力為2.5 MPa時火焰的傳播速度增幅為137.4%,其中噴射N2壓力為1.5 MPa時火焰的傳播速度增幅最強，為549.5%。當噴射N2壓力為3.5 MPa時，由于噴射壓力高，N2向兩端擴散的距離更長，管道中的預混氣體被不斷稀釋，火焰傳播速度明顯開始降低，爆燃受到抑制。

4)實驗管道結合井下巷道按照1∶10的比例進行設計，因此，所得實驗數據均可按照比例應用于井下巷道。當噴口的噴射壓力為3.5 MPa時，火焰陣面出現明顯三維凹陷結構，運動發生明顯滯后現象，火焰傳播速度大幅度降低至5.4 m/s，惰性氣體抑制火焰傳播效果明顯。可將此結論推廣至井下巷道，抑制火焰傳播，進而抑制瓦斯爆炸，減少人員傷亡和經濟損失。