木屑颗粒堆积参数对液体渗流特性的影响规律

2024-01-20刘丽艳李金秋

天津大学学报(自然科学与工程技术版) 2024年3期

刘丽艳，李金秋，吕东

(1.天津大学化工学院，天津 300350；2.天津市化工安全与装备技术重点实验室，天津 300350；3.应急管理部天津消防研究所，天津 300381)

生物质能源是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，由于其资源丰富、可再生性、生态环境友好等优点，被视为优质能源，越来越受到世界各国广泛重视[1].利用现代技术可以将生物质能源转化为成型燃料、可燃气、液体燃料等，可用于满足发电、供暖等能源需求[2].随着生物质燃料的应用越来越广泛，其堆积及储运过程中的安全问题也越来越突出，日益引起人们的关注[3].

生物质燃料通常大量储存在筒仓中[4]，因物理化学或生物反应而产生热量，会导致仓筒升温，最终达到失控反应温度而发生阴燃引发深位火灾，特定条件下会转变成有焰燃烧甚至发生爆炸.2014 年，美国的一个谷物筒仓因霉菌代谢引起阴燃火灾并转变为有焰燃烧，点燃了阴燃生成的CO 引发二次爆炸[5].2015 年在波兰发生的一起事故中，由于木屑爆炸，导致预制工业大厅倒塌，堆积的木屑被扬起，又引起二次爆炸[6].2017 年在意大利某个储存锯木屑的筒仓底部的螺旋输送机故障造成了局部高温，引发阴燃，生成大量可燃气体发生爆炸，造成4 名消防员受伤[7].这些事故不仅造成了巨大的经济损失和人员伤亡，还给社会和环境带来严重影响.

水基灭火剂比热容较大，具有冷却稀释作用、水蒸气窒息以及分离乳化等作用[8-11]，对颗粒堆垛具有明显的冷却降温作用.在实际应用过程中，水基灭火剂也面临多项挑战：一方面，生物质颗粒表面疏松多孔，润湿性差，大量水沿堆垛表面流走，在表面停留时间较短，无法持续渗透到堆垛底部，对底部阴燃火灾无益[8,12]；另一方面，一些水流会沿着堆垛中相对疏松的通道流下，很难渗入其他地方，导致阴燃会持续并扩大[10,13].此外，物料堆垛外表面被淋湿而形成黏稠致密的固液混合物，会覆在堆垛外侧，阻碍内部热量扩散，同时，还会增大液体向堆垛内部渗入的阻力[12,14].阴燃火灾的着火点多位于堆垛底部，因此使水快速渗透到底部着火点是灭火的关键.生物质颗粒的可压缩性和吸水后体积膨胀等特性，会影响堆垛孔隙形态及尺寸进而影响液体的渗流过程.

为提高水基灭火剂对堆垛深位火灾的灭火效率，促进液体在颗粒堆积床层内快速均匀地流动，本文拟选取木屑为典型的易自发热可压缩颗粒，进行渗流实验，研究不同粒径分布的颗粒床层在不同压缩高度比和渗透压力下，颗粒床层的湿度变化、渗流速度、床层储水量和透水率等床层渗流特性.为颗粒堆积物的安全存放和灭火提供理论支持.

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

木屑为购自中国四川省的落叶松木屑，木屑的水分含量为7.90%.通过在70 ℃下烘箱干燥12 h 或直到质量没有进一步变化来测定颗粒的水分含量，记录为固有湿度.实验所用材料如图1 所示.木屑试样通过一系列不同筛孔的标准筛，将其分离成若干个粒级，分别称重，求得以质量百分数表示的粒径分布区间，精确至0.1 g，计算时将20 目筛上部分物料粒径统一当作900～1 000µm 处理，120 目筛下物料粒径当作100～150µm 处理，粒径分布如图2 所示.图2(a)为颗粒中径D50＝434.97µm 的全粒径分布；图2(b)为颗粒中径D50＝307.26µm 的不同级配粒径分布；图2(c)为颗粒中径D50＝398.47µm 的小粒径分布.全粒径分布物料为未经过处理的木屑颗粒，730µm 左右的颗粒占比最多为26.51%，不同粒径级配物料通过筛分重组，颗粒分布较均匀，630µm 左右的颗粒占16.57%，260µm 左右的颗粒占14.57%，120µm 左右的颗粒占5.94%，小粒径物料为全粒径物料去除900µm 以上的颗粒所得，700µm 左右的颗粒占比最多为24.19%.

图1 实验材料Fig.1 Experimental materials

图2 粒径分布Fig.2 Particle size distribution

1.2 实验装置

采用自行设计的渗流实验装置如图3 所示.图中渗流筒由一段10 mm 厚的亚克力圆管制成，内径为110 mm，外径为130 mm，高度为500 mm，在圆管上下由4 根螺纹杆链接固定两个圆盘.旋转压缩装置由旋转丝杠和带孔铁盘组成.支撑装置由铁架构成，尺寸为400 mm×400 mm×500 mm.渗流筒底部安装水分传感器(杭州Chenyi 仪器有限公司制造)，测量精度为±3%，每2 s 读1 次数据.水泵功率200 W，电源电压220 V.

图3 实验装置示意Fig.3 Schematic of the experimental setup

不同堆积密度和渗流压力下的实验条件如表1所示.不同堆积密度用压缩高度比表示，定义为压缩后床层的高度对初始床层高度的比值.不同渗透压力用床层上方的注水量表示.渗流筒高度为500 mm，填入材料的初始高度为200 mm.落叶松木屑的自然堆积密度为126.27 kg/m3，即在注入渗流装置时不施加挤压外力.

表1 实验参数Tab.1 Experimental parameters

1.3 实验过程

木屑通过自然下落装填到渗流筒内部，确保每次填料后不会引起沉降，初始装填高度为200 mm.将旋转压缩装置与渗流筒一起固定到支撑装置上，渗流筒底部连接水分传感器及数据采集器，数据采集器的数据显示、存储在电脑上.渗流筒上部的进水盘与水管相连，待供水.实验过程中，通过控制旋转压缩装置压缩木屑，调整木屑堆积密度，控制注水量，改变渗透压强.实验过程中通过记录水分传感器的数据获得木屑床层湿度变化速度和床层湿度；记录液体前沿10 mm 的渗流时间、流过60 mm 高度所用时间以及流过床层的总时间用来计算液体前沿穿透速度、中间床层渗流速度、平均渗流速度等参数；记录渗流筒出水量，计算床层储水量及透水率.研究压缩高度比和注水量对床层湿度变化、渗流速度、床层储水量和透水率的影响，分析颗粒堆积状态对渗流过程的影响规律.

2 结果与讨论

2.1 堆积参数对床层湿度的影响

木屑颗粒床层湿度是研究渗流过程的一个重要指标，颗粒床层湿度变化速度可以间接体现液体在床层中的流动阻力.床层初始润湿时间、湿度变化时间、初始峰值时间是该过程的主要参数.3 种不同粒径分布下的木屑颗粒床层湿度如图4 所示.

图4 不同压缩高度比下木屑颗粒床层湿度随时间变化Fig.4 Variation in moisture of wood chip particle bed with time at different compressed height ratios

从图4 可见，在相同注水量下，600 s 内，3 种粒径分布下的木屑颗粒床层湿度均随着床层压缩高度比减小而减小，且变化时间增加，上(峰值)拐点(图4(c)中G2)及下(初始)拐点(图4(c)中G1)均后移，床层湿度减小，且小粒径分布时，颗粒中径最小，变化时间最长.小粒径分布时，颗粒中径D50＝398.47µm，以压缩高度比0.50 为例，下拐点(G1)时间为242 s，湿度变化时间是G1到 G2的时间为98 s，床层湿度为50.38%，同理，压缩高度比为0.80 时，湿度变化时间为28 s，下拐点(G1)时间为74 s，床层湿度为53.70%.相同粒径分布，注水量为1 500 mL 时，压缩高度比从0.80 降到0.50，木屑颗粒床层湿度变化幅值为3.32%.这是由于压缩高度比减小，床层总体高度较小，而床层堆积密度变大，颗粒粒径小，堆积时相对更均匀，孔隙率减小，因此床层间可进入的水量减小，对应的床层终值湿度减小.图4 中还可以看出，相同压缩高度比和注水量，全粒径分布、不同级配粒径分布及小粒径分布时木屑颗粒床层最大湿度分别为54.4%、54.0%及53.7%，变化幅值为0.7%，粒度分布对床层湿度影响较小.

由达西渗流实验可知，床层上方渗流压力也影响渗流过程[15]，本实验通过用注水量来表示渗透压力的变化，不同注水量时的木屑颗粒床层湿度如图5 所示.从图5(a)和图5(b)可以看出，在压缩高度比较大即床层高度较高、堆积密度较小时，注水量对床层湿度影响较小.这是由于堆积密度小，床层较松散，孔隙率大，流动阻力小，较小的渗透压力也可正常流动，因此湿度随注水量变化不显著.从图5(c)和图5(d)可以看出，在压缩高度比较小即床层高度较小、堆积密度较大时，注水量影响床层湿度.由于堆积密度变大，孔隙率减小，流动阻力较大，渗透压力增大，能够快速渗入床层，木屑颗粒床层湿度开始增加的拐点提前38～72 s，在压缩高度比为0.50 时，注水量从1 500 mL 增加到3 000 mL，木屑颗粒床层湿度开始增加的拐点从220 s 提前至148 s，时间缩短至0.67 倍，木屑颗粒床层湿度变化幅值为2.3%.

图5 不同注水量时木屑颗粒床层湿度随时间变化Fig.5 Variation in moisture of wood chip particle bed with time at different volumes of water injection

压缩高度比越大，压缩后高度越高，堆积密度越小，孔隙率越大，因此不同压缩高度比时木屑颗粒床层湿度变化显著，结果如图6 所示.从图6(a)～(d)可以看出，随着压缩高度比的降低，木屑颗粒床层湿度变化越慢，且终值湿度越小.这是由于压缩高度比越小，压缩后高度越低，床层堆积密度越大，堆积越均匀，床层孔隙率变小，床层间的流动阻力增大，流体流动较为困难，可流过的水量进而减小，从而湿度变化变慢，且床层终值湿度变小.注水量为1 500 mL时，压缩高度比从0.80 减小至0.50 时，木屑颗粒床层湿度拐点时间延长至2.82 倍，床层终值湿度减小为0.89 倍.

图6 不同注水量下不同压缩高度比时木屑颗粒床层湿度随时间变化Fig.6 Variation in moisture of wood chip particle bed with time at different compressed height ratios and different water injection volumes

为具体量化木屑颗粒床层湿度变化情况以及分析粒径分布、压缩高度比和注水量对渗流过程影响的显著性，进一步采用初始润湿时间、湿度变化时间、初始峰值时间3 个评价指标来进行对比分析.初始润湿时间对应湿度曲线标识的第1 个拐点G1(图4(c))，湿度变化时间对应变化梯度及湿度曲线斜率，初始峰值时间对应湿度曲线标识的第2 个拐点G2，具体结果如图7～图9 所示.

图7 不同粒径分布的初始润湿时间、湿度变化时间和初始峰值时间随压缩高度比变化Fig.7 Variation in initial wetting time，humidity change time，and initial peak time with compressed height ratio for different particle size distributions

从图7 可以看到，在相同注水量下，粒径分布对初始润湿时间、湿度变化时间和初始峰值时间影响较不显著，全粒径分布和小粒径分布时变化趋势相近，初始润湿时间波动幅度为-24 s 到18 s，湿度变化时间波动幅度为-12 s 到18 s，初始峰值时间波动幅度为-18 s 到32 s，不同粒径级配时有些许波动，这是由于小粒径分布是由全粒径分布的木屑去掉800µm 以上颗粒所得，其余粒径分布几乎相同，所以结果较接近，不同粒径级配150～200µm 的粒径占比较多，颗粒较均匀，堆积后颗粒床层的孔隙分布较均匀[16]，液体流动阻力相对较大，所以时间相对较长.压缩高度比为0.50 时，全粒径分布、小粒径分布和不同级配粒径分布的木屑颗粒床层初始峰值时间分别为326 s、308 s 以及360 s.

从图8 可以看出，压缩高度比对初始润湿时间、湿度变化时间和初始峰值时间影响显著，随着压缩高度比的增加，3 个时间明显缩短.由于压缩高度比大时，堆积松散，床层堆积密度小，孔隙率大，床层内流动阻力较小，液体穿透快，到达底部水分传感器时间短，因而初始润湿时间、湿度变化时间和初始峰值时间都短.以注水量1 500 mL 为例，压缩高度比从0.50 升至0.80，初始润湿时间从220 s 缩短至78 s，湿度变化时间从140 s 缩短至28 s，初始峰值时间从360 s 缩短至104 s.

图8 不同注水量下初始润湿时间、湿度变化时间和初始峰值时间随压缩高度比变化Fig.8 Variation in initial wetting time，humidity change time，and initial peak time with compressed height ratio at different water injection volumes

从图9 可以看出，初始润湿时间、湿度变化时间和初始峰值时间均随注水量的增加而呈下降趋势.压缩高度比为0.60、0.70 及0.80 时注水量对时间影响不显著，压缩高度比为0.50 时注水量对时间影响最为显著.这是由于压缩高度比为0.50 时，床层压缩过后高度最低，堆积密度最大，孔隙率最小，床层均匀而紧实，内部流动阻力大，注水量的增加，增加了床层上方的渗流压力，更易克服床层内的流动阻力达到床层底部，因此在压缩高度比为0.50 时，注水量增加，初始润湿时间、湿度变化时间和初始峰值时间都短，注水量从1 500 mL 增加至3 000 mL，初始润湿时间缩短至0.67 倍，湿度变化时间缩短至0.44 倍，初始峰值时间缩短至0.59 倍.

图9 不同压缩高度比下初始润湿时间、湿度变化时间和初始峰值时间随注水量变化Fig.9 Variation in initial wetting time，humidity change time，and initial peak time with water injection volume at different compressed height ratios

2.2 堆积参数对床层渗流速度的影响

床层渗流速度能最直接反映颗粒床层的渗流特性，颗粒床层堆积密度大，孔隙率小，液体流通时阻力变大，渗流速度减小，渗流性能较差.液体前沿穿透速度为其穿过床层表面10 mm 高度时的速度，能够反映液体穿透床层表层的能力，中间床层渗流速度为液体穿过表层下方10 mm 至50 mm 高度时的速度，平均渗流速度为液体穿过总体床层、床层下方有液体流出时的速度，为总体渗流速度.3 个速度分别能反映出液体在颗粒床层前沿、中间以及整体内的流动阻力，进一步反映颗粒床层的渗流特性.3 种粒径分布时的渗流速度随压缩高度比的变化如图10 所示.

图10 不同粒径分布下木屑颗粒床层渗流速度随压缩高度比的变化Fig.10 Variation in percolation velocity with compressed height ratio in a bed of wood chip particles for different particle size distributions

从图10 可以看出，在相同注水量下，3 种粒径分布下的渗流速度均随床层压缩高度比的增加而增加且较为接近.相同压缩高度比和注水量，全粒径分布、不同级配粒径分布及小粒径分布时木屑颗粒床层最大渗流速度分别为20.7×10-4m/s、15.4×10-4m/s 及18.2×10-4m/s，变化幅值为5.3×10-4m/s.这是由于压缩高度比增加，床层堆积密度减小，孔隙率增加，总体上流动阻力均减小，渗流速度增加.压缩高度比为0.80 时不同粒径级配床层的前沿穿透速度突增，这是由于颗粒床层上部颗粒分布不均，粒径较大的在床层上方，且压缩后这部分床层较不均匀，从而导致空隙较大，流动阻力较小，液体较易穿过，因此渗流速度较大.图10(b)中全粒径分布压缩高度比为0.70 时中间床层渗流速度的突增，不会对图10(c)的平均渗流速度产生较多影响，这是由于在这种情况下，液体在床层10 mm 至50 mm 处可能存在流动阻力较小的流动通道，渗流速度有所增加，但是在床层下部孔隙均匀，流动阻力较大，渗流速度较慢，因此出现较大波动，不会对平均渗流速度产生过大影响.

压缩高度比、渗透压力也会对渗流速度产生影响，结果如图11 和图12 所示.从图11 可以看到，在相同注水量下，渗流速度随压缩高度比的增加而增加且变化显著.这是由于随着压缩高度比的增加，床层上方所受压力减小，内部堆积密度减小，孔隙率增大，液体流动时所受的流动阻力减小，堆积不均匀的地方也可能出现液体流通短路，液体渗入床层的时间随之变短，渗流速度增大.以注水量2 000 mL 时为例，压缩高度比从0.50 增加到0.80 时，床层平均渗流速度从3.98×10-4m/s 增加到22.9×10-4m/s，变化幅值为18.92×10-4m/s.

图11 不同注水量下木屑颗粒床层渗流速度随压缩高度比的变化Fig.11 Variation in percolation velocity with compressed height ratio in a bed of wood chip particles at different water injection volumes

图12 不同压缩高度比下木屑颗粒床层渗流速度随注水量的变化Fig.12 Variation in percolation velocity of wood chip particle bed with water injection volume at different com-pressed height ratios

从图12 中可以看到，在压缩高度比为0.70、0.60、0.50 时，随着渗透压力即注水量的增加，渗流速度变化不显著趋于平坦.压缩高度比为0.50，注水量从1 500 mL 增加到3 000 mL 时，木屑颗粒床层渗流速度变化幅值仅为1.08×10-4m/s.这是由于压缩高度比较小，床层堆积均匀，内部空气多数被排出，且孔隙分布均匀，床层上方渗透压力的增加量不足以大幅度对抗流动阻力，所以增加注水量时，渗流速度变化不显著.在压缩高度比为0.80 时，随注水量的增加，前沿穿透速度呈下降趋势，平均渗流速度较中间床层渗流速度有较大波动.这是由于压缩高度比大，床层松散，增加注水量时易在流动阻力小的地方优先通过，随着注水量的增加，进一步浸润床层表层，因此前沿穿透速度呈下降趋势，而床层内部分布不均的孔隙，也会形成润湿不均，液体优先在某侧进行渗透、浸润到其他部位，因此速度和平均速度产生较大波动.

综合床层湿度及床层渗流速度考虑，不同粒径级配的木屑颗粒床层，压缩高度比为0.70、注水量为2 000 mL 时木屑颗粒床层中的液体渗流特性较好，此时，床层湿度为52.5%，平均渗流速度为9.86×10-4m/s.

2.3 堆积参数对床层储水量及透水率的影响

液体渗过颗粒床层后，会在颗粒床层内部孔的表面浸润铺展或进入到一些闭孔内部停留，从而使床层内部湿度增加，从而进行灭火时的热量交换及灭火，床层的透水率为床层底部收集的水量与床层顶部注水量的比值，可反映液体流过该床层的效率，综合床层储水量及床层透水率，评价颗粒床层的渗流性能.不同粒径级配和小粒径分布床层下的床层储水量及透水率如图13 所示.

图13 不同粒径分布下床层储水量和床层透水率随压缩高度比的变化Fig.13 Variations in bed water storage capacity and bed permeability with compressed height ratio for different particle size distributions

从图13 可以看出，在相同注水量下，随着压缩高度比的增加，床层储水量增加，床层透水率下降，在压缩高度比0.575 以后，不同粒径级配的床层储水量高于小粒径分布的对应值，而床层透水率低于小粒径分布的对应值.这是由于随着压缩高度比增加，床层堆积密度减小，内部孔隙变大，颗粒表面能够接触并浸润液体的面积增大，能够储水的闭孔也可能增加，液体能够进入到更多孔隙内并留存，因此床层储水量增加，固定注水量时，床层透水率下降.压缩高度比为0.50 及0.575 时，不同粒径级配床层储水量小于小粒径分布的对应值，应是由于不同粒径级配的小尺寸粒径占比较多，堆积均匀时小颗粒填充较大孔隙，使孔隙率降低，储水量减少.

压缩高度比和渗透压力对床层储水量及床层透水率的影响结果如图14 和图15 所示.从图14 可以看到，压缩高度比对床层储水量产生较大影响，随压缩高度比增加，床层储水量增加，渗透压力即注水量对床层储水量影响不显著.这是由于压缩高度比增加，床层堆积密度减小，内部孔隙变大，液体能够进入到更多孔隙内并留存，因此床层储水量增加.而增加注水量，增加床层上方渗流压力，能够增加液体渗流的速度，却对储水量基本没有影响.

图14 木屑颗粒堆积床层储水量随压缩高度比和注水量的变化Fig.14 Variation in water storage capacity of wood chip particle accumulation beds with compressed height ratio and water injection volume

图15 木屑颗粒堆积床层透水率随压缩高度比和注水量变化Fig.15 Variation in water permeability of wood chip particle accumulation beds with compressed height ratio and water injection volume

从图15(a)可以看到，以注水量为1 500 mL 为例，床层透水率随压缩高度比的增加而减少，其余注水量趋势相同.从图15(b)可以看到，以压缩高度比0.80 为例，床层透水率随注水量的增加而增加，其余压缩高度比趋势相同.由上述结果可知，压缩高度比增加，床层内储水量变多，相应的透水率减小，而增加注水量时，床层储水量几乎不变，透水量增加，床层透水率随之增加.

综合床层储水量和床层透水率，压缩高度比为0.70、注水量为2 000 mL 时木屑颗粒床层中的液体渗流特性较好，此时，床层储水量为1 149 mL，床层透水率为42.56%.