典型鹽粉及鹽溶液對(duì)甲烷爆燃火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懷芯?/h1>

2022-03-23 06:47:16徐小猛李志敏汪鳳祺李孝臣楊禮澳常弘毅

煤炭工程訂閱 2022年3期 收藏

關(guān)鍵詞：面密度傳播速度鋪設(shè)

徐小猛，汪 泉，2，張 軍，李志敏，李 瑞，2，汪鳳祺，李孝臣，楊禮澳，常弘毅

(1.安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽省爆破器材與技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大 學(xué)力學(xué)與光電物理學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，瓦斯得到廣泛應(yīng)用，但其在開采、運(yùn)輸、貯藏和使用過程中存在許多安全隱患。近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)添加不同介質(zhì)抑制瓦斯爆炸開展了研究[1-3]。文虎[4]發(fā)現(xiàn)在瓦斯中加入磷酸鹽(ABC干粉NH4H2PO4)可以有效降低瓦斯爆燃?jí)毫?，?dāng)粉體的濃度為 0.10g/L 時(shí)，其抑爆的效果最好；謝波[5]研究了ABC干粉和巖粉的濃度、粒度對(duì)抑制瓦斯爆炸的影響，提出可能由于大直徑顆?；⌒渭げc(diǎn)火影響瓦斯爆炸的觀點(diǎn)；余明高等[6]利用自制的瓦斯抑爆系統(tǒng)，研究并分析了改性赤泥粉體抑制瓦斯爆炸的抑爆機(jī)理；J.Amrogowicz等[7]對(duì)比研究了碳酸鹽和惰性二氧化硅顆粒對(duì)抑制瓦斯層流火焰的影響； H.K.Chelliah等[8]研究了不同粒徑的碳酸氫鈉對(duì)瓦斯爆炸的抑制效果，當(dāng)粒度為10～20μm時(shí)的抑制能力最強(qiáng)。

除了固體抑爆劑外，許多學(xué)者使用細(xì)水霧來抑制爆燃火焰的傳播[9-13]。陸守香等[14]研究了細(xì)水霧對(duì)管道內(nèi)瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，并發(fā)現(xiàn)了火焰駐?，F(xiàn)象；劉江虹等[15]利用同軸流動(dòng)燃燒裝置，研究含CaCl2、NaCl、KCl、FeCl2細(xì)水霧的滅火性能，發(fā)現(xiàn)其滅火性能隨著添加劑含量的增加而減??；Ingram等[16-18]研究超細(xì)水霧對(duì)氫-氧-氮爆炸抑制作用，發(fā)現(xiàn)其不僅提高了氫-氧的爆炸下限，還對(duì)燃燒速度和壓升速率有顯著抑制作用；Joseph等[19]發(fā)現(xiàn)在超細(xì)水霧中加入NaCl、KCl或KHCO3，能夠提高超細(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸的抑制效果。

上述研究中大多以點(diǎn)火前預(yù)噴粉的形式，在反應(yīng)容器中提前形成氣粉兩相混合體系。實(shí)際環(huán)境中，往往在巷道底部鋪設(shè)一層礦物鹽粉或者鹽溶液，用以抑制瓦斯的爆燃反應(yīng)，減少可能產(chǎn)生的危害。為探究實(shí)際工程效果，本文在不銹鋼火焰加速管道內(nèi)鋪設(shè)了不同面密度、鋪粉長(zhǎng)度的NaCl、KCl粉末及不同濃度、鋪液長(zhǎng)度的NaCl溶液，以探究其對(duì)瓦斯爆燃火焰特性參數(shù)的影響。研究結(jié)果對(duì)預(yù)防和減輕瓦斯爆炸災(zāi)害的發(fā)生具有參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)裝置由火焰加速管、配氣系統(tǒng)和消爆炸系統(tǒng)組成，如圖1所示?；鹧婕铀俟艿朗?120mm×5.5m的圓柱形管道，并在距離管道點(diǎn)火端130cm處開設(shè)40cm×7cm的觀察窗。管道點(diǎn)火端封閉，開口端用2層厚度為0.02mm的聚乙烯(PE)薄膜封閉。在管道點(diǎn)火端141cm處布置一支PCB壓力傳感器(響應(yīng)時(shí)間小于1μs)用于采集管道中的爆燃?jí)毫?。同時(shí)還在距離點(diǎn)火端水平距離為226～476cm(間隔50cm)的管道上布置6支光電傳感器用于采集爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

圖1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)名義點(diǎn)火能量為3J，甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%，試驗(yàn)所用NaCl、KCl粉末為天津致遠(yuǎn)公司的分析純產(chǎn)品，純度超過99%，分別將樣品過200～300目篩，選擇粒徑為48～75μm。溶液用水為實(shí)驗(yàn)室蒸餾水。

1.2 試驗(yàn)條件及過程

將NaCl、KCl粉末和NaCl溶液鋪設(shè)在長(zhǎng)度為75cm，寬度為10cm的鐵盤中，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件選擇不同鋪設(shè)長(zhǎng)度d來改變粉體與預(yù)混氣的接觸面積?？瞻讓?duì)照組是將空鐵盤放于管道內(nèi)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。為探究在鋪設(shè)長(zhǎng)度d相同時(shí)，粉體質(zhì)量和鋪設(shè)厚度對(duì)火焰抑制的耦合效果，實(shí)驗(yàn)選擇以面密度ρ作為特征參數(shù)表征，公式為：

ρ=m/S

(1)

式中，m為鹽粉的質(zhì)量，mg；S為鹽粉鋪設(shè)面積，cm2。

試驗(yàn)時(shí)先將預(yù)制的粉體或溶液鋪設(shè)于管內(nèi)，按圖1所示組裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。確保氣密性后，將管內(nèi)抽至真空，加入預(yù)混氣至一個(gè)大氣壓，更換開口端為PE膜，點(diǎn)火引燃預(yù)混氣，火焰壓力及光信號(hào)由傳感器捕捉并記錄到存儲(chǔ)記錄儀。

2 甲烷爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ种菩Ч?/h2>

2.1 NaCl粉末

NaCl粉末鋪設(shè)長(zhǎng)度d=40cm時(shí)不同面密度ρ下的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖2所示。由圖2(a)可知，火焰平均傳播速度分別為153.45m/s，123.97m/s和160.22m/s，均低于實(shí)驗(yàn)空白對(duì)照組的平均傳播速度172.44m/s，火焰平均速度最大衰減比分別為28.11%?；鹧嫫骄鶄鞑ニ俣仁侵富鹧孢\(yùn)動(dòng)的距離與火焰運(yùn)動(dòng)時(shí)間的比值，其中運(yùn)動(dòng)時(shí)間為第一個(gè)光電傳感器開始接收信號(hào)到最后一個(gè)光電傳感器開始接收信號(hào)時(shí)的時(shí)間差。隨著鋪設(shè)面密度的增加，火焰平均傳播速度呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，面密度為150mg/cm2時(shí)的抑制效果最佳。但粉末鋪設(shè)面密度的改變對(duì)于爆燃火焰壓力的影響不明顯，爆燃?jí)毫Φ谝环逯祪H略微下降，面密度為150mg/cm2時(shí)取得最低峰值壓力7.41kPa，相比第一壓力峰值最大的空白對(duì)照組為8.49kPa對(duì)應(yīng)第一壓力峰值最大衰減率12.75%。

圖2 NaCl鋪粉長(zhǎng)度d=40cm時(shí)不同面密度對(duì)爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫Φ挠绊?/p>

由于面密度為150mg/cm2時(shí)，爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ种菩Ч罴眩栽谔骄块L(zhǎng)度對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊憰r(shí)，保持面密度為150mg/cm2。NaCl粉末鋪設(shè)面密度ρ=150mg/cm2時(shí)不同鋪粉長(zhǎng)度d下的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖3所示。由圖3(a)可知，對(duì)于NaCl粉末，鋪設(shè)長(zhǎng)度為20cm、40cm和60cm時(shí)對(duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑テ骄俣确謩e為121.04m/s，123.97m/s和150.79m/s，均低于實(shí)驗(yàn)空白對(duì)照組的平均傳播速度172.44m/s，火焰平均速度最大衰減比為29.81%。隨著鋪設(shè)長(zhǎng)度的增加，火焰平均傳播速度均持續(xù)增加，鋪設(shè)長(zhǎng)度為20cm時(shí)對(duì)爆燃火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Ч罴?，爆燃火焰第一、二壓力峰無明顯變化，但第三峰值壓力逐漸降低。

圖3 NaCl面密度ρ=150mg/cm2時(shí)不同鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫Φ挠绊?/p>

火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)衰減是由于NaCl粉末對(duì)管道內(nèi)甲烷/空氣預(yù)混氣體火焰爆燃的抑制起主導(dǎo)作用。具體表現(xiàn)為固體粉末與爆燃火焰之間的異相化學(xué)作用降低了空間溫度，以及固體粉末與氣體燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的自由基發(fā)生碰撞，導(dǎo)致部分鏈?zhǔn)椒磻?yīng)終止，從而達(dá)到抑制爆燃火焰?zhèn)鞑サ男Ч鸞20]。其作用機(jī)理如圖4所示。

圖4 NaCl粉末抑制甲烷/空氣預(yù)混氣體爆燃火焰機(jī)理分析

隨著NaCl粉末鋪設(shè)面密度和鋪粉長(zhǎng)度的增加，火焰速度也會(huì)有升高的趨勢(shì)，這是由于鋪設(shè)面密度和長(zhǎng)度的增加，未被爆燃火焰前驅(qū)壓力波揚(yáng)起的粉末堆積在管內(nèi)，形成不規(guī)則的障礙物，造成火焰出現(xiàn)拉伸與彎曲，火焰湍流程度加大，由于受到Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性和Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性[21]的作用而出現(xiàn)擾動(dòng)，速度提升；另外，粉末的“團(tuán)聚效應(yīng)”會(huì)使得部分粉末團(tuán)聚形成大顆粒，其中一部分顆粒與火焰相互作用形成擾動(dòng)，并進(jìn)一步演化為大尺度渦流，實(shí)現(xiàn)加速作用，另一部分大顆粒因壓力波作用撞擊到管道后段時(shí)分散并粘附在內(nèi)壁上，增加管道內(nèi)壁粗糙度，根據(jù)Shchelkin等人的理論[16]，火焰與管壁之間會(huì)產(chǎn)生邊界層，且隨著管道內(nèi)壁粗糙度的增加，邊界層的形成會(huì)加快、厚度也增大，從而起到了促進(jìn)爆燃火焰?zhèn)鞑サ男Ч?/p>

由圖2(b)和圖3(b)可知，各工況下爆燃?jí)毫r(shí)程曲線的發(fā)展趨勢(shì)基本相同，均形成了三個(gè)峰。第一個(gè)峰值即破膜壓力是氣體被點(diǎn)燃直到發(fā)生破膜前產(chǎn)生，之后氣體沖破或燒灼PE膜導(dǎo)致壓力下降；破膜后沖出管道的未燃?xì)怏w被燃燒波陣面趕上并點(diǎn)燃，形成“外部爆炸”，爆炸產(chǎn)生的壓力波反向傳播到管道內(nèi)部產(chǎn)生第二壓力峰值；此后已燃?xì)怏w產(chǎn)物向管外快速泄放，造成管內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓并引發(fā)可燃?xì)怏w的振蕩[11]，再加上爆炸產(chǎn)物的高溫和氣體流動(dòng)慣性，使得管內(nèi)湍流加劇最終出現(xiàn)第三個(gè)壓力峰值。

2.2 KCl粉末

KCl粉末鋪設(shè)長(zhǎng)度d=40cm時(shí)不同面密度ρ下的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖5所示。由圖5(a)可知，火焰平均傳播速度分別為98.67m/s，93.91m/s和106.64m/s，均低于實(shí)驗(yàn)空白對(duì)照組的平均傳播速度145.69m/s，火焰平均速度最大衰減比為45.54%。對(duì)于KCl粉末，隨著鋪設(shè)面密度的增加，火焰平均傳播速度均表現(xiàn)為先減小后增大，面密度為150mg/cm2時(shí)的抑制效果最佳。加入KCl對(duì)爆燃?jí)毫Φ挠绊懘笾屡cNaCl工況相同，鋪設(shè)面密度的改變對(duì)爆燃?jí)毫Φ挠绊懚己苄　?/p>

圖5 KCl鋪粉長(zhǎng)度d=40cm時(shí)不同面密度對(duì)爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫Φ挠绊?/p>

KCl粉末鋪設(shè)面密度ρ為150mg/cm2時(shí)不同鋪粉長(zhǎng)度d下的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖6所示。由圖6(a)可知，三種粉末鋪設(shè)長(zhǎng)度20cm、40cm和60cm，對(duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑テ骄俣确謩e為96.26m/s，93.91m/s和87.46m/s，均低于實(shí)驗(yàn)空白對(duì)照組的平均傳播速度145.69m/s，火焰平均速度最大衰減比為49.28%。隨著鋪設(shè)長(zhǎng)度的增加，火焰平均傳播速度均表現(xiàn)為持續(xù)降低，鋪設(shè)長(zhǎng)度為60cm時(shí)的抑制效果最佳。

圖6 KCl面密度ρ=150mg/cm2時(shí)不同鋪設(shè)長(zhǎng)度對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

不同于NaCl工況，隨著鋪設(shè)長(zhǎng)度的增加，KCl工況的火焰速度表現(xiàn)為持續(xù)降低。這是因?yàn)镵Cl的物理冷卻作用與對(duì)管內(nèi)流場(chǎng)的干擾作用優(yōu)于NaCl。且由于惰性粉末的作用主要是在火焰?zhèn)鞑サ闹泻笃?，鋪粉長(zhǎng)度的增加使得鹽粉作用時(shí)間延長(zhǎng)，所以僅第三個(gè)峰爆燃?jí)毫τ忻黠@影響。

總體看來，加入了NaCl、KCl兩種鹽粉對(duì)火焰?zhèn)鞑ゾ鸬搅艘种谱饔茫級(jí)毫盎鹧嫫骄鶄鞑ニ俣染陀诳瞻讓?duì)照組。其中對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戄^大，對(duì)火焰爆燃?jí)毫Φ挠绊戄^小。因?yàn)镹aCl更易吸附自由基，使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中自由基的銷毀速率增大。因此NaCl工況下的爆燃?jí)毫Φ谝环逯?、第二峰值普遍低于KCl工況。NaCl鋪設(shè)長(zhǎng)度的增加，導(dǎo)致第三壓力峰值降低，但火焰速度增加；KCl鋪設(shè)長(zhǎng)度的增加，導(dǎo)致第三壓力峰值降低，同時(shí)火焰速度降低。說明鹽粉的加入對(duì)爆燃火焰的傳播存在促進(jìn)和抑制兩種作用。NaCl的物理降溫作用有限，當(dāng)鋪設(shè)長(zhǎng)度增加，對(duì)火焰?zhèn)鞑サ拇龠M(jìn)作用大于抑制作用，因而導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?。KCl的物理降溫性能更強(qiáng)，當(dāng)鋪設(shè)長(zhǎng)度增加，意味著KCl的冷卻作用時(shí)間延長(zhǎng)，火焰速度因此降低。

2.3 NaCl溶液

鋪設(shè)長(zhǎng)度d=60cm時(shí)不同濃度NaCl溶液的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖7所示。由圖7(a)可知，空白對(duì)照組火焰平均傳播速度為180.8m/s。隨著NaCl濃度的增加，火焰平均傳播速度呈持續(xù)降低趨勢(shì)，分別為192.2m/s、186.3m/s和163.2m/s。鋪液濃度的增加，意味著相同溶液體積中參與反應(yīng)的NaCl的有效量提高，即抑制作用相對(duì)加強(qiáng)，因此火焰速度逐漸降低。隨著濃度增加，爆燃火焰與管道內(nèi)揚(yáng)起的液滴中參與抑制反應(yīng)的離子濃度增加，鹽溶液對(duì)爆燃火焰的抑制作用增強(qiáng)。其中第一、第二峰值壓力呈現(xiàn)先略微升高后降低的趨勢(shì)，此時(shí)第一峰值壓力分別為7.10kPa、7.79kPa和6.76kPa，在溶液體積濃度26.5%時(shí)，達(dá)到第一峰值壓力最大衰減率31.51%。

圖7 NaCl鋪液長(zhǎng)度d=60cm時(shí)不同鋪液濃度對(duì)爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫Φ挠绊?/p>

NaCl溶液對(duì)甲烷/空氣預(yù)混氣體爆燃火焰?zhèn)鞑ネ瑯佑袃煞矫娴挠绊?，一個(gè)是抑制作用，一個(gè)是促進(jìn)作用。促進(jìn)作用是因?yàn)镹aCl溶液中的水蒸發(fā)產(chǎn)生了大量的蒸汽，加大了氣流的擾動(dòng)和氣體燃燒面積，而且蒸汽的膨脹也會(huì)推動(dòng)火焰波陣面加速運(yùn)動(dòng)，另外液面因爆燃?jí)毫Φ挠绊憰?huì)出現(xiàn)波動(dòng)，這種波動(dòng)也會(huì)影響管內(nèi)流場(chǎng)。抑制作用則包括NaCl溶液作為冷壁會(huì)阻斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中的鏈傳遞；NaCl溶液中的水汽化吸熱以及飽和溶液內(nèi)的晶體析出吸熱，降低了化學(xué)反應(yīng)溫度，抑制了反應(yīng)的進(jìn)行；溶液中的水汽化間接稀釋了管道內(nèi)的氧含量，減少了氧氣與燃料的接觸可能；汽化的水霧也會(huì)衰減熱輻射降低熱反饋。

由于溶液濃度為26.5%時(shí)，爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ种菩Ч罴?，所以在探究鋪液長(zhǎng)度對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊憰r(shí)，保持濃度為26.5%。NaCl溶液濃度為26.5%時(shí)不同鋪液長(zhǎng)度d下的的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖8所示。由圖8(a)可知，當(dāng)鋪液長(zhǎng)度由40cm，增加至60cm、75cm時(shí)，對(duì)應(yīng)的火焰平均傳播速度呈現(xiàn)出現(xiàn)降低后增加的趨勢(shì)，分別為173.9m/s，163.2m/s和171.2m/s。鋪液長(zhǎng)度較短時(shí)，溶液對(duì)于火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Ч^弱，當(dāng)鋪液長(zhǎng)度增加至60cm，溶液的的抑制能力顯著提高，強(qiáng)于對(duì)火焰的促進(jìn)效果，故火焰速度降低，當(dāng)鋪液長(zhǎng)度過長(zhǎng)，液面的波動(dòng)增加，水蒸氣的量也增多，對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)能力增強(qiáng)，因此火焰速度又提高。

圖8 26.5%NaCl溶液不同鋪液長(zhǎng)度對(duì)爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫Φ挠绊?/p>

隨著鹽溶液的鋪設(shè)長(zhǎng)度的增加，作用距離、作用時(shí)間得以延長(zhǎng)，爆燃?jí)毫Φ谝环逯当憩F(xiàn)為持續(xù)降低，分別為7.55kPa、6.75kPa和4.67kPa，最大衰減比54.91%。第二峰值先增大后減小，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與管口薄膜發(fā)生破裂時(shí)的破損程度有關(guān)，破膜壓力越大，薄膜破損越完全，參與外部反應(yīng)的氣體量增多，導(dǎo)致第二峰值壓力增加。第三峰值壓力雖未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，但整體均低于空白組，說明加入了NaCl的溶液對(duì)爆燃火焰的冷卻效果更好。

3 結(jié) 論

1)NaCl、KCl兩種鹽粉在鋪設(shè)面密度為150mg/cm2時(shí)，對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩Ч鄬?duì)較優(yōu)；對(duì)于20cm、40cm、60cm三種鋪設(shè)長(zhǎng)度，布設(shè)NaCl粉末時(shí)的火焰平均傳播速度表現(xiàn)為依次增加，而KCl工況的火焰平均傳播速度表現(xiàn)為依次降低。NaCl、KCl兩種鹽粉的粉末鋪設(shè)面密度對(duì)爆燃火焰壓力的影響均不明顯；隨著鋪設(shè)長(zhǎng)度的增加，爆燃火焰第三峰值壓力都逐漸降低。

2)加入NaCl、KCl兩種鹽粉后，爆燃?jí)毫εc火焰平均傳播速度均出現(xiàn)一定程度的降低；相較于NaCl工況，KCl工況的火焰平均傳播速度較低，而爆燃?jí)毫^高，即KCl對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懜?，NaCl對(duì)火焰爆燃?jí)毫Φ挠绊懴鄬?duì)較大。

3)NaCl溶液濃度的增加對(duì)火焰爆燃?jí)毫Φ挠绊戄^小，但爆燃火焰壓力均低于空白組，在三種NaCl溶液濃度下，隨著NaCl濃度溶液鋪設(shè)長(zhǎng)度的增加，火焰平均傳播速度呈持續(xù)降低趨勢(shì)。

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