典型盐粉及盐溶液对甲烷爆燃火焰传播特性的影响研究

徐小猛，汪 泉，2，张 军，李志敏，李 瑞，2，汪凤祺，李孝臣，杨礼澳，常弘毅

(1.安徽理工大学 化学工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽省爆破器材与技术工程实验室，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大 学力学与光电物理学院，安徽 淮南 232001)

随着现代工业的发展，瓦斯得到广泛应用，但其在开采、运输、贮藏和使用过程中存在许多安全隐患。近年来，国内外许多学者对添加不同介质抑制瓦斯爆炸开展了研究[1-3]。文虎[4]发现在瓦斯中加入磷酸盐(ABC干粉NH4H2PO4)可以有效降低瓦斯爆燃压力，当粉体的浓度为 0.10g/L 时，其抑爆的效果最好；谢波[5]研究了ABC干粉和岩粉的浓度、粒度对抑制瓦斯爆炸的影响，提出可能由于大直径颗粒弧形激波点火影响瓦斯爆炸的观点；余明高等[6]利用自制的瓦斯抑爆系统，研究并分析了改性赤泥粉体抑制瓦斯爆炸的抑爆机理；J.Amrogowicz等[7]对比研究了碳酸盐和惰性二氧化硅颗粒对抑制瓦斯层流火焰的影响； H.K.Chelliah等[8]研究了不同粒径的碳酸氢钠对瓦斯爆炸的抑制效果，当粒度为10～20μm时的抑制能力最强。

除了固体抑爆剂外，许多学者使用细水雾来抑制爆燃火焰的传播[9-13]。陆守香等[14]研究了细水雾对管道内瓦斯爆燃火焰传播特性的影响，并发现了火焰驻停现象；刘江虹等[15]利用同轴流动燃烧装置，研究含CaCl2、NaCl、KCl、FeCl2细水雾的灭火性能，发现其灭火性能随着添加剂含量的增加而减小；Ingram等[16-18]研究超细水雾对氢-氧-氮爆炸抑制作用，发现其不仅提高了氢-氧的爆炸下限，还对燃烧速度和压升速率有显著抑制作用；Joseph等[19]发现在超细水雾中加入NaCl、KCl或KHCO3，能够提高超细水雾对瓦斯爆炸的抑制效果。

上述研究中大多以点火前预喷粉的形式，在反应容器中提前形成气粉两相混合体系。实际环境中，往往在巷道底部铺设一层矿物盐粉或者盐溶液，用以抑制瓦斯的爆燃反应，减少可能产生的危害。为探究实际工程效果，本文在不锈钢火焰加速管道内铺设了不同面密度、铺粉长度的NaCl、KCl粉末及不同浓度、铺液长度的NaCl溶液，以探究其对瓦斯爆燃火焰特性参数的影响。研究结果对预防和减轻瓦斯爆炸灾害的发生具有参考价值。

1 试验方案

1.1 试验装置与试验材料

试验装置由火焰加速管、配气系统和消爆炸系统组成，如图1所示。火焰加速管道是∅120mm×5.5m的圆柱形管道，并在距离管道点火端130cm处开设40cm×7cm的观察窗。管道点火端封闭，开口端用2层厚度为0.02mm的聚乙烯(PE)薄膜封闭。在管道点火端141cm处布置一支PCB压力传感器(响应时间小于1μs)用于采集管道中的爆燃压力。同时还在距离点火端水平距离为226～476cm(间隔50cm)的管道上布置6支光电传感器用于采集爆燃火焰传播速度。

图1 试验测试系统

试验名义点火能量为3J，甲烷体积分数为9.5%，试验所用NaCl、KCl粉末为天津致远公司的分析纯产品，纯度超过99%，分别将样品过200～300目筛，选择粒径为48～75μm。溶液用水为实验室蒸馏水。

1.2 试验条件及过程

将NaCl、KCl粉末和NaCl溶液铺设在长度为75cm，宽度为10cm的铁盘中，并根据实验条件选择不同铺设长度d来改变粉体与预混气的接触面积。空白对照组是将空铁盘放于管道内进行的实验。为探究在铺设长度d相同时，粉体质量和铺设厚度对火焰抑制的耦合效果，实验选择以面密度ρ作为特征参数表征，公式为：

ρ=m/S

(1)

式中，m为盐粉的质量，mg；S为盐粉铺设面积，cm2。

试验时先将预制的粉体或溶液铺设于管内，按图1所示组装实验系统。确保气密性后，将管内抽至真空，加入预混气至一个大气压，更换开口端为PE膜，点火引燃预混气，火焰压力及光信号由传感器捕捉并记录到存储记录仪。

2 甲烷爆燃火焰传播抑制效果

2.1 NaCl粉末

NaCl粉末铺设长度d=40cm时不同面密度ρ下的火焰传播速度曲线和爆燃火焰压力如图2所示。由图2(a)可知，火焰平均传播速度分别为153.45m/s，123.97m/s和160.22m/s，均低于实验空白对照组的平均传播速度172.44m/s，火焰平均速度最大衰减比分别为28.11%。火焰平均传播速度是指火焰运动的距离与火焰运动时间的比值，其中运动时间为第一个光电传感器开始接收信号到最后一个光电传感器开始接收信号时的时间差。随着铺设面密度的增加，火焰平均传播速度呈现先减小后增大趋势，面密度为150mg/cm2时的抑制效果最佳。但粉末铺设面密度的改变对于爆燃火焰压力的影响不明显，爆燃压力第一峰值仅略微下降，面密度为150mg/cm2时取得最低峰值压力7.41kPa，相比第一压力峰值最大的空白对照组为8.49kPa对应第一压力峰值最大衰减率12.75%。

图2 NaCl铺粉长度d=40cm时不同面密度对爆燃火焰传播速度和压力的影响

由于面密度为150mg/cm2时，爆燃火焰传播抑制效果最佳，所以在探究长度对火焰传播的影响时，保持面密度为150mg/cm2。NaCl粉末铺设面密度ρ=150mg/cm2时不同铺粉长度d下的火焰传播速度曲线和爆燃火焰压力如图3所示。由图3(a)可知，对于NaCl粉末，铺设长度为20cm、40cm和60cm时对应的火焰传播平均速度分别为121.04m/s，123.97m/s和150.79m/s，均低于实验空白对照组的平均传播速度172.44m/s，火焰平均速度最大衰减比为29.81%。随着铺设长度的增加，火焰平均传播速度均持续增加，铺设长度为20cm时对爆燃火焰传播的抑制效果最佳，爆燃火焰第一、二压力峰无明显变化，但第三峰值压力逐渐降低。

图3 NaCl面密度ρ=150mg/cm2时不同铺设长度对爆燃火焰传播速度和压力的影响

火焰传播速度出现衰减是由于NaCl粉末对管道内甲烷/空气预混气体火焰爆燃的抑制起主导作用。具体表现为固体粉末与爆燃火焰之间的异相化学作用降低了空间温度，以及固体粉末与气体燃烧反应产生的自由基发生碰撞，导致部分链式反应终止，从而达到抑制爆燃火焰传播的效果[20]。其作用机理如图4所示。

图4 NaCl粉末抑制甲烷/空气预混气体爆燃火焰机理分析

随着NaCl粉末铺设面密度和铺粉长度的增加，火焰速度也会有升高的趋势，这是由于铺设面密度和长度的增加，未被爆燃火焰前驱压力波扬起的粉末堆积在管内，形成不规则的障碍物，造成火焰出现拉伸与弯曲，火焰湍流程度加大，由于受到Kelvin-Helmholtz不稳定性和Rayleigh-Taylor不稳定性[21]的作用而出现扰动，速度提升；另外，粉末的“团聚效应”会使得部分粉末团聚形成大颗粒，其中一部分颗粒与火焰相互作用形成扰动，并进一步演化为大尺度涡流，实现加速作用，另一部分大颗粒因压力波作用撞击到管道后段时分散并粘附在内壁上，增加管道内壁粗糙度，根据Shchelkin等人的理论[16]，火焰与管壁之间会产生边界层，且随着管道内壁粗糙度的增加，边界层的形成会加快、厚度也增大，从而起到了促进爆燃火焰传播的效果。

由图2(b)和图3(b)可知，各工况下爆燃压力时程曲线的发展趋势基本相同，均形成了三个峰。第一个峰值即破膜压力是气体被点燃直到发生破膜前产生，之后气体冲破或烧灼PE膜导致压力下降；破膜后冲出管道的未燃气体被燃烧波阵面赶上并点燃，形成“外部爆炸”，爆炸产生的压力波反向传播到管道内部产生第二压力峰值；此后已燃气体产物向管外快速泄放，造成管内出现负压并引发可燃气体的振荡[11]，再加上爆炸产物的高温和气体流动惯性，使得管内湍流加剧最终出现第三个压力峰值。

2.2 KCl粉末

KCl粉末铺设长度d=40cm时不同面密度ρ下的火焰传播速度曲线和爆燃火焰压力如图5所示。由图5(a)可知，火焰平均传播速度分别为98.67m/s，93.91m/s和106.64m/s，均低于实验空白对照组的平均传播速度145.69m/s，火焰平均速度最大衰减比为45.54%。对于KCl粉末，随着铺设面密度的增加，火焰平均传播速度均表现为先减小后增大，面密度为150mg/cm2时的抑制效果最佳。加入KCl对爆燃压力的影响大致与NaCl工况相同，铺设面密度的改变对爆燃压力的影响都很小。

图5 KCl铺粉长度d=40cm时不同面密度对爆燃火焰传播速度和压力的影响

KCl粉末铺设面密度ρ为150mg/cm2时不同铺粉长度d下的火焰传播速度曲线和爆燃火焰压力如图6所示。由图6(a)可知，三种粉末铺设长度20cm、40cm和60cm，对应的火焰传播平均速度分别为96.26m/s，93.91m/s和87.46m/s，均低于实验空白对照组的平均传播速度145.69m/s，火焰平均速度最大衰减比为49.28%。随着铺设长度的增加，火焰平均传播速度均表现为持续降低，铺设长度为60cm时的抑制效果最佳。

图6 KCl面密度ρ=150mg/cm2时不同铺设长度对火焰传播速度的影响

不同于NaCl工况，随着铺设长度的增加，KCl工况的火焰速度表现为持续降低。这是因为KCl的物理冷却作用与对管内流场的干扰作用优于NaCl。且由于惰性粉末的作用主要是在火焰传播的中后期，铺粉长度的增加使得盐粉作用时间延长，所以仅第三个峰爆燃压力有明显影响。

总体看来，加入了NaCl、KCl两种盐粉对火焰传播均起到了抑制作用，爆燃压力及火焰平均传播速度均低于空白对照组。其中对火焰传播速度的影响较大，对火焰爆燃压力的影响较小。因为NaCl更易吸附自由基，使链式反应中自由基的销毁速率增大。因此NaCl工况下的爆燃压力第一峰值、第二峰值普遍低于KCl工况。NaCl铺设长度的增加，导致第三压力峰值降低，但火焰速度增加；KCl铺设长度的增加，导致第三压力峰值降低，同时火焰速度降低。说明盐粉的加入对爆燃火焰的传播存在促进和抑制两种作用。NaCl的物理降温作用有限，当铺设长度增加，对火焰传播的促进作用大于抑制作用，因而导致火焰传播速度增加。KCl的物理降温性能更强，当铺设长度增加，意味着KCl的冷却作用时间延长，火焰速度因此降低。

2.3 NaCl溶液

铺设长度d=60cm时不同浓度NaCl溶液的火焰传播速度曲线和爆燃火焰压力如图7所示。由图7(a)可知，空白对照组火焰平均传播速度为180.8m/s。随着NaCl浓度的增加，火焰平均传播速度呈持续降低趋势，分别为192.2m/s、186.3m/s和163.2m/s。铺液浓度的增加，意味着相同溶液体积中参与反应的NaCl的有效量提高，即抑制作用相对加强，因此火焰速度逐渐降低。随着浓度增加，爆燃火焰与管道内扬起的液滴中参与抑制反应的离子浓度增加，盐溶液对爆燃火焰的抑制作用增强。其中第一、第二峰值压力呈现先略微升高后降低的趋势，此时第一峰值压力分别为7.10kPa、7.79kPa和6.76kPa，在溶液体积浓度26.5%时，达到第一峰值压力最大衰减率31.51%。

图7 NaCl铺液长度d=60cm时不同铺液浓度对爆燃火焰传播速度和压力的影响

NaCl溶液对甲烷/空气预混气体爆燃火焰传播同样有两方面的影响，一个是抑制作用，一个是促进作用。促进作用是因为NaCl溶液中的水蒸发产生了大量的蒸汽，加大了气流的扰动和气体燃烧面积，而且蒸汽的膨胀也会推动火焰波阵面加速运动，另外液面因爆燃压力的影响会出现波动，这种波动也会影响管内流场。抑制作用则包括NaCl溶液作为冷壁会阻断链式反应中的链传递；NaCl溶液中的水汽化吸热以及饱和溶液内的晶体析出吸热，降低了化学反应温度，抑制了反应的进行；溶液中的水汽化间接稀释了管道内的氧含量，减少了氧气与燃料的接触可能；汽化的水雾也会衰减热辐射降低热反馈。

由于溶液浓度为26.5%时，爆燃火焰传播抑制效果最佳，所以在探究铺液长度对火焰传播的影响时，保持浓度为26.5%。NaCl溶液浓度为26.5%时不同铺液长度d下的的火焰传播速度曲线和爆燃火焰压力如图8所示。由图8(a)可知，当铺液长度由40cm，增加至60cm、75cm时，对应的火焰平均传播速度呈现出现降低后增加的趋势，分别为173.9m/s，163.2m/s和171.2m/s。铺液长度较短时，溶液对于火焰传播的抑制效果较弱，当铺液长度增加至60cm，溶液的的抑制能力显著提高，强于对火焰的促进效果，故火焰速度降低，当铺液长度过长，液面的波动增加，水蒸气的量也增多，对流场的扰动能力增强，因此火焰速度又提高。

图8 26.5%NaCl溶液不同铺液长度对爆燃火焰传播速度和压力的影响

随着盐溶液的铺设长度的增加，作用距离、作用时间得以延长，爆燃压力第一峰值表现为持续降低，分别为7.55kPa、6.75kPa和4.67kPa，最大衰减比54.91%。第二峰值先增大后减小，这种现象的出现与管口薄膜发生破裂时的破损程度有关，破膜压力越大，薄膜破损越完全，参与外部反应的气体量增多，导致第二峰值压力增加。第三峰值压力虽未表现出明显的变化规律，但整体均低于空白组，说明加入了NaCl的溶液对爆燃火焰的冷却效果更好。

3 结 论

1)NaCl、KCl两种盐粉在铺设面密度为150mg/cm2时，对火焰传播速度的抑制效果相对较优；对于20cm、40cm、60cm三种铺设长度，布设NaCl粉末时的火焰平均传播速度表现为依次增加，而KCl工况的火焰平均传播速度表现为依次降低。NaCl、KCl两种盐粉的粉末铺设面密度对爆燃火焰压力的影响均不明显；随着铺设长度的增加，爆燃火焰第三峰值压力都逐渐降低。

2)加入NaCl、KCl两种盐粉后，爆燃压力与火焰平均传播速度均出现一定程度的降低；相较于NaCl工况，KCl工况的火焰平均传播速度较低，而爆燃压力较高，即KCl对火焰传播速度的影响更大，NaCl对火焰爆燃压力的影响相对较大。

3)NaCl溶液浓度的增加对火焰爆燃压力的影响较小，但爆燃火焰压力均低于空白组，在三种NaCl溶液浓度下，随着NaCl浓度溶液铺设长度的增加，火焰平均传播速度呈持续降低趋势。