CO2-双流体细水雾抑制管道甲烷爆炸实验

裴　蓓，余明高，陈立伟，杨　勇，牛　攀，朱新娜



CO2-双流体细水雾抑制管道甲烷爆炸实验

裴蓓1,2，余明高1,2，陈立伟1,2，杨勇1,2，牛攀1,2，朱新娜1,2

（1煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454003；2河南理工大学安全科学与工程学院，河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454003）

摘要:搭建了尺寸为120 mm×120 mm×840 mm透明有机玻璃瓦斯爆炸管道实验平台，采用双流体喷嘴将二氧化碳和细水雾送入实验系统，从火焰速度、瓦斯爆炸超压两个方面探讨双流体细水雾的抑爆有效性。实验结果表明CO2双流体细水雾抑制瓦斯爆炸效果显著。随着喷雾时间的延长，火焰传播速度呈缓慢增加趋势，火焰传播速度峰值大幅降低；爆炸超压曲线呈先增大后缓慢减小的趋势，超压峰值大幅降低；当CO2压力增至0.4 MPa喷雾时间大于3 s时，经多次点火无法引爆, 说明CO2-双流体细水雾抑制甲烷爆炸时具有协同效应，有利于提高细水雾的抑爆效率。

关键词:气液两相流；二氧化碳；甲烷；爆炸抑制；协同效应；安全

引 言

瓦斯爆炸是煤矿开采过程中重要灾害之一，同时，瓦斯作为煤层气的主要成分，又是一种潜在的清洁能源，若未经处理或回收直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，而合理利用瓦斯能有效避免严重的生态污染和资源浪费[1]。因此研究管道瓦斯爆炸抑制对减少煤矿瓦斯爆炸事故和促进清洁能源安全利用有着重要的现实意义。

细水雾主要通过汽化稀释、冷却降温等效应降低化学反应速率[2]，达到爆炸抑制的作用，成为当今国内外可燃气体爆炸抑制研究热门。例如，Acton 等[3]进行了水雾抑制爆炸的研究，认为使用水雾后爆炸所产生的超压显著降低，到达爆炸超压峰值的时间缩短。Medvedev等[4]发现超细水雾能降低氢-氧爆炸极限，雾滴越小抑爆作用越明显。刘晅亚等[5]对不同水雾条件下的气体火焰传播现象进行了实验研究，认为由于水雾降低了反应区内火焰温度和气体燃烧速度，减缓了火焰阵面传热与传质，从而使传播火焰得以抑制。秦文茜等[6-10]研究了超细水雾对煤尘与瓦斯爆炸的抑制作用，发现超细水雾在降低甲烷爆炸温度、延长爆炸延迟时间、降低火焰传播速度和降低爆炸压力方面作用明显。然而Zhang等[11]针对超细水雾抑制矩形密闭管道瓦斯爆炸进行了实验研究，结果表明随着通雾量的增加，抑制效果逐渐增强；但当超细水雾不足时会有爆炸增强效果。

为进一步提高细水雾的抑爆效率，目前国内外学者主要从含添加剂的（超）细水雾[12]、荷电（超）细水雾[13]等方面进行了研究。例如，Chelliah 等[14-15]系统地实验研究了NaHCO3和水雾抑制瓦斯/空气混合气体燃烧的效果，得出NaHCO3对瓦斯/空气混合气体的抑制效果远比水雾更有效，水中加入NaOH等添加剂的抑制效果较纯水更好。余明高等[16]、陈晓坤等[17]分别在细水雾与超细水雾中添加不同浓度 MgCl2、FeCl2、KCl、NaCO3等碱金属盐类，结果表明可以提高细水雾的抑制瓦斯爆效果。余明高等[13]研究了荷电细水雾对管道瓦斯爆炸超压的影响规律，提出荷电细水雾由于其雾滴带有同种电荷，存在互斥的电场力作用，使得雾滴的分布更为弥散，加强雾滴对火焰的冷却降温效果。

另外，英国南岸大学展开了N2与超细水雾抑制氢气爆炸研究，Ingram等[18-19]利用超声振动雾化器产生了索太尔平均直径（SMD）为6 μm的超细水雾，进行了小型圆管内对氢-氧-氮爆炸抑制作用，发现其对燃烧速度和压升速率有显著抑制作用，并提高了氢-氧的爆炸下限，提出细水雾和氧气稀释(氮气)产生了加性效应，但其并没有进一步对管道内火焰传播的影响进行相关研究。

综上，惰性气体与细水雾都是常见的经济、环保的灭火控爆材料。然而，由于惰性气体抑爆、防灭火时需要较高的浓度，例如CO2灭火系统的设计浓度高达34%；细水雾应用于抑爆工程中受到雾化效果影响，以及用水量大应用于某些实际工程中存在排水困难等，这些因素限制了惰性气体与细水雾抑爆技术的应用。为此，本文搭建了双流体细水雾惰化抑制管道瓦斯爆炸实验平台，气相选取二氧化碳，旨在研究惰化浓度、水雾量等参数对管道内瓦斯爆炸抑制效果的影响，为研究清洁、高效的适用于煤矿巷道、工业管道等受限空间的双流体惰化细水雾抑爆技术奠定科学基础。

1　实验设计

1.1 实验装置

本文所用的惰化双流体细水雾抑制甲烷爆炸的实验系统如图1所示，主要由实验腔体、配气系统、双流体喷雾系统、高频脉冲点火系统、高速摄像系统、信号采集与控制系统等6部分构成。

实验腔体为120 mm×120 mm×840 mm的横向有机玻璃管，有效容积为12.096 L，即长径比为7的管道。左端用一钢板封闭，通过法兰螺钉固定。为了保证实验的安全性，钢板正中设置了一个直径为40 mm的泄爆孔，由20 mm厚的PVC薄膜密封，爆炸时破裂达到泄压的作用。

点火电极设置在右端封闭钢板的中部，点火电极端部间距5 mm。点火系统为高频脉冲点火，由点火控制器和高热能点火器组成，输出电压为 6 kV，点火能量为2.5 J。信号采集和控制系统由红外电传感器、高频压力传感器和数据采集卡组成。压力传感器为上海铭动公司生产的MD-HF型高频压力传感器，量程(-1～1)×105Pa，响应时间0.2 ms，综合精度为0.25%，安装于管道顶部中心线距右端11 cm处。红外光电传感器型号为RL-1型，安装于爆炸管道外部，光电探头正对点火电极，用于扑捉爆炸起始时间。数据采集卡为数据采集使用的是MC公司生产的USB-1608FS Plus型数据采集卡，最大采样率为400 kS·s-1，通过Labview软件采集红外光数据和压力数据。火焰传播过程由德国LaVision公司生产的High Speed Star 4G型高速摄像机以 2000 fps的速度进行拍摄，像素为 1024× 1024，用于捕捉爆炸火焰的形状与火焰前锋的位置。双流体喷头为购置虹吸式微雾喷嘴，安装于距离管道左侧20 cm处，喷雾宽幅0.13～0.17 m，其雾滴粒径范围20～40 μm。双流体细水雾喷头参数具体见表1。

表1　双流体细水雾喷头参数Table 1 Twin fluid water mist nozzle parameters

图1　实验系统Fig.1 Schematic of experimental system

配气系统为直接配气，由甲烷气瓶、惰性气体气瓶、空压机和质量流量控制器组成，质量流量控制器精度为2.5%。实验中为了排除爆炸腔体内的空气，在管道右端靠近出口位置开一个排气阀，从管道左端通入4倍管道容器体积的预配气体[20]，整个充气过程持续7 min。

1.2 实验工况

实验过程中惰性气体选取了较为常用的二氧化碳，双流体细水雾的通雾时间分别为1、2、3 s，喷雾压力分别为0.2、0.3、0.4 MPa，每个工况均进行3～5次实验，以保证实验的可靠性。其中，根据通入时间，可以得到惰性气体占有机玻璃管体积分数，具体结果如表2所示。

表3　双流体细水雾喷嘴通入惰性气体占管道体积分数Table 2 Fraction of CO2in pipeline transported by twin fluid water mist nozzle

实验中预先配比化学当量比的甲烷/空气预混气体，甲烷浓度体积浓度为9.5%。为了比较双流体惰化细水雾的抑爆效果，将其抑爆实验结果与纯CO2抑制 9.5%的甲烷/空气预混气的爆炸参数进行比较。具体实验工况如表3所示。

表3　实验工况Table 3 Setting of experimental conditions

2　实验结果与分析

2.1 CO2-双流体细水雾对瓦斯爆炸火焰传播的影响

根据图2(a)、(c)、(e)、(g)和图3可以看出，体积浓度为 9.5%的甲烷/空气预混气爆炸的爆炸超压曲线和火焰速度曲线均呈现了双峰特点。火焰传播第一峰是由于点火成功后，点火源附近瞬间会发生小范围内的气体爆炸，形成一定能量的激波；随着反应速率的增长，爆炸管道内短时间积聚了大量的热量，这些热量使管道内的气体快速膨胀，但由于燃烧气体受到上管壁的约束，爆炸超压的第一峰出现，火焰传播开始加速；当火焰受到上下管壁的约束后，压力波与燃烧波相互作用，形成正反馈，火焰传播迅速加速。因此第二峰是燃烧波和压力波共同作用的结果，此时爆炸超压和火焰传播速度均达到最大值。当封闭膜破裂后，超压迅速下降，火焰传播也随之减小。

当在爆炸管道内施加当CO2浓度小于10%时，火焰传播曲线仍呈现了双峰特点，且对火焰传播峰值的影响较小；当CO2浓度超过14%时，对火焰传播速度的抑制才得到了较大改善；当CO2浓度超过18%时，甲烷爆炸火焰传播缓慢。

当在爆炸管道内施加CO2-双流体细水雾时，除了CO2压力为0.2 MPa喷雾时间为1 s工况抑爆效果不佳外，随着通入CO2总量的增加和喷雾时间的延长，在CO2和超细水雾的共同作用下，对初期火焰加速的抑制非常明显，火焰传播速度曲线呈逐渐缓慢增加趋势。当CO2压力增加至0.4 MPa且喷雾时间增至3 s时，经过多次点火无法引燃。

CO2作为稀释气体，其热力学效应和火焰动力学效应会导致最小点火能变大[21]，不利于点火中心的形成以及火焰传播。水雾液滴具有高热容(2450 kJ·kg-1)，雾滴分散在管道内，在遇到爆炸火焰时蒸发对火焰阵面有较强的稀释、冷却作用[22]，而本实验中超细水雾的粒径为20～40 μm，在遇到火焰时甚至遇到之前就可以快速蒸发吸收大量热量，降低了爆炸体系的温度。另外，根据爆炸支链反应理论，在爆炸体系内，CO2和雾滴作为惰性单元，提高了与自由基或自由原子的碰撞概率，使支链反应的活化中心浓度大大降低。两者的协同作用导致了燃烧反应速率的降低，降低了火焰传播速度；而同一喷雾压力下延长喷雾时间，又增加了惰性气体的浓度和水雾量，增强了两者的抑制作用。因此，随着喷雾时间的延长，火焰传播速度逐渐减小。

表4　CO2-双流体细水雾对甲烷爆炸最大火焰传播速度的影响Table 4 Influence of CO2-twin fluid water mist on the maximum flame propagation speed

表4为CO2-双流体惰化细水雾对甲烷爆炸最大火焰传播速度的影响，可以看出，随着喷雾时间的延长，爆炸火焰的速度峰值逐渐下降。其中，除了在CO2压力为0.2 MPa喷雾时间为1 s工况下瓦斯爆炸最大火焰速度的下降幅度较低，仅为14.35%，其他工况下瓦斯爆炸最大火焰传播速度的下降幅度均接近甚至远超50%，这说明延长喷雾时间可以很好地抑制火焰传播。

图2　纯CO2与CO2-双流体细水雾抑制最大火焰传播速度与火焰位置示意图Fig.2 Measured flame front position and flame propagation speed with pure CO2and CO2- twin fluid water mist

图2(b)、(d)、(f)、(h)为纯CO2与CO2-双流体细水雾作用下火焰位置示意图。可以看出，9.5%的甲烷空-气预混气爆炸火焰达到出口的时间为 84 ms。当CO2浓度超过14%后，对火焰传播的影响明显改善。当向爆炸腔体通入CO2双流体细水雾时，在气体压力条件相同的情况下，火焰位置曲线随着喷雾时间的增加呈缓慢上升趋势，火焰前沿到达管道出口的时间大幅增加。例如CO2压力为0.4 MPa下喷雾时间分别为1、2 s时，火焰前沿到达管道出口的时间增至236、345 ms。

2.2 CO2-双流体细水雾对瓦斯爆炸超压的影响

图3(a)为纯CO2抑制甲烷/空气预混气爆炸的爆炸超压曲线，可以看出当充入CO2浓度超过14%后对爆炸超压才出现明显下降。当充入CO2浓度超过18%时爆炸超压曲线双峰特征消失。

对比图3(a)和图3(b)～(d)，即纯CO2与CO2-双流体细水雾抑制甲烷/空气预混气爆炸的爆炸超压曲线，可以看出在CO2与细水雾的共同作用下，爆炸超压曲线呈先增大后缓慢减小趋势；同一气体压力下，随着喷雾时间的延长，爆炸超压峰值显著下降，尤其是超压峰值的来临时间明显延迟；同时，爆炸超压曲线的双峰特征消失，呈单峰特征。但由于雾滴蒸发、水雾沉降不均匀等因素的影响，泄压期间管道内压力稍高于纯 CO2作用的情况。

图3　纯CO2与CO2-双流体细水雾工况下爆炸超压曲线Fig. 3 Measured overpressure versus time with pure CO2and CO2- twin fluid water mist

表 5 为 CO2-双流体细水雾对甲烷爆炸超压峰值的影响。可看出，在管道内施加CO2-双流体细水雾对甲烷爆炸抑压效果显著。例如 9.5%甲烷/空气预混气的最大爆炸超压为 292.3407×102Pa，CO2压力为0.3 MPa下喷雾时间分别为1、2、3 s的最大爆炸超压分别为197.9285、146.0949、105.8967× 102Pa，相比较不喷雾时最大爆炸超压分别下降了35.43%、52.34%、65.45%，表现了出较好的抑压效果。

3　结 论

本文对 CO2-双流体细水雾抑制管道瓦斯爆炸的抑爆效果进行了实验研究，CO2和超细水雾的抑爆协同作用主要表现在对火焰传播速度、爆炸超压的抑制，主要结论如下。

（1）当通入CO2浓度超过14%时，对甲烷爆炸火焰传播的抑制才能得到较大改善。

（2）在管道内施加 CO2-双流体细水雾时，对初期火焰加速的抑制明显。随着通入CO2的增加或喷雾时间的延长，双峰特点逐渐消失，火焰传播速度呈缓慢增加趋势，火焰传播速度峰值大幅降低，说明CO2和细水雾抑制瓦斯爆炸产生了协同效应。

表5　CO2-双流体细水雾对甲烷爆炸超压峰值的影响Table 5 Influence of CO2- twin fluid water mist on overpressure

（3）在管道内施加CO2-双流体细水雾时，超压峰值大幅降低，爆炸超压曲线呈先增大后缓慢减小趋势；当CO2压力增至0.4 MPa喷雾时间大于3 s时，经多次点火无法引爆。

（4）CO2-双流体惰化细水雾抑爆技术不仅能发挥惰性气体与细水雾的抑爆优势，而且大大降低了惰性气体和细水雾的用量，迅速、高效，对于管道等受限空间的抑爆具有一定现实价值。

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2015-09-02收到初稿，2016-04-11收到修改稿。

联系人及第一作者:裴蓓(1982—)，女，博士研究生。

Received date: 2015-09-02.

中图分类号:TD 712

文献标志码:A

文章编号:0438—1157（2016）07—3101—08

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20151388

基金项目:国家自然科学基金项目(U1361205)；河南省科技厅基础与前沿基金项目 (152300410100)；河南省教育厅科学技术研究重点项目基础研究计划项目（14A620001）。

Corresponding author:PEI Bei, pb128@hpu.edu.cn supported by the National Natural Science Foundation of China (U1361205), the Basic and Frontier Research Project of Henan Province in China (152300410100) and the Basic and Advanced Technology Research Project of Henan Province in China (14A620001).

Suppression effect of CO2-twin fluid water mist on methane/air explosion in vented duct

PEI Bei1,2, YU Minggao1,2, CHEN Liwei1,2, YANG Yong1,2, NIU Pan1,2, ZHU Xinna1,2
(1Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production of Henan Province, Jiaozuo 454003, Henan, China;2State Key Laboratory Cultivation Bases Gas Geology and Gas Control, School of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, Henan, China)

Abstract:The experimental study on the synergistic suppression effect of carbon dioxide and ultrafine water mist on stoichiometric premixed methane/air mixture in a vented duct was carried out in this paper. The ultrafine water mist was generated from a twin fluid nozzle. The results indicated that CO2and water mist had a synergistic suppression effect on methane/air explosion and the efficiency of explosion suppression was significantly improved. With the increase of mist spraying time, the peak flame propagation speed and peak overpressure decreased obviously. When the pressure of CO2increased to 0.4 MPa and mist spraying time was more than 3 s, the methane/air mixture cannot be detonated after several times of ignition. It was beneficial to improve the explosion suppression efficiency of water mist.

Key words:gas-liquid flow; carbon dioxide; methane; explosion suppression; synergistic effect; safety