含NaCl超細(xì)水霧抑制甲烷爆炸實驗研究*

楊 克，張 平，邢志祥，紀(jì) 虹，周 越，王 壯

(1.常州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164； 2.常州大學(xué) 石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213106)

0 引言

采煤、天然氣輸送等相關(guān)領(lǐng)域經(jīng)常發(fā)生瓦斯爆炸，為防止瓦斯爆炸事故，學(xué)者們對甲烷抑爆技術(shù)進(jìn)行了大量實驗和理論研究。超細(xì)水霧作為1種低成本、無污染的資源，能夠降低火焰溫度，減弱熱傳播[1-3]，而添加劑的引入可以更好地改善超細(xì)純水霧抑爆效果[4]。因此，研究含添加劑的超細(xì)水霧對甲烷爆炸抑制效果具有重要意義。

Cao等[4-5]用質(zhì)量濃度分別為5%，8%，15%的含氯化鈉超細(xì)水霧來進(jìn)行體積分?jǐn)?shù)分別為6.5%，8%，9.5%甲烷的爆炸試驗，研究發(fā)現(xiàn)NaCl可有效提高超細(xì)純水霧抑制甲烷爆炸效果，且含5%氯化鈉超細(xì)水霧抑爆效果較好；Joseph等[6]進(jìn)行了含添加劑超細(xì)水霧抑制甲烷爆炸的試驗研究，發(fā)現(xiàn)添加NaCl，KCl或KHCO3可使超細(xì)純水霧的抑爆效率大幅提高，其中K+消除自由基的能力是Na+的2倍；Zhang等[7]通過試驗研究不同添加劑對甲烷抑爆效果的影響，發(fā)現(xiàn)抑爆效果按照純水、NH4H2PO4，KH2PO4，KCl，CH3COOK，KNO3，K2C2O4的順序增強；Yu等[8-9]進(jìn)行了含NaCl帶電水霧減弱甲烷爆炸超壓的試驗研究，發(fā)現(xiàn)帶電水霧使霧場更分散、更穩(wěn)定，可以延遲超壓峰值到達(dá)時間；劉江虹等[10]比較了分別含CaCl2，NaCl，KCl，F(xiàn)eCl2細(xì)水霧的滅火性能，發(fā)現(xiàn)根據(jù)質(zhì)量比其滅火性能依次減弱；許紅利等[11]進(jìn)行了含添加劑細(xì)水霧高原滅火效果影響的試驗研究，結(jié)果表明在低壓低氧的情況下，質(zhì)量濃度為1.5% FeCl2和10% NaCl的細(xì)水霧對柴油池火的滅火效率較高。前人對含氯化鈉細(xì)水霧研究較多，但主要集中于撲滅各類火災(zāi)，對含氯化鈉超細(xì)水霧抑爆研究較少，且大多未詳盡考慮到氯化鈉濃度對抑爆甲烷效果的影響。

基于此，本文將著重考慮氯化鈉濃度對抑爆甲烷效果的影響。首先，測量含不同濃度氯化鈉超細(xì)水霧粒徑；然后，分析含不同濃度氯化鈉超細(xì)水霧對甲烷爆炸平均火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒈ǔ瑝骸⑵骄龎核俾实戎笜?biāo)的影響；最后，進(jìn)行對比分析，確定最佳濃度。以期進(jìn)一步推動含添加劑超細(xì)水霧抑制甲烷爆炸的研究。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗裝置

此次實驗所用的裝置主要由超細(xì)水霧發(fā)生裝置(平均霧化率為0.035 mL/s)、氣體輸送系統(tǒng)(40 L甲烷氣瓶、40 L壓縮空氣氣瓶)、信號采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(信號采集卡為USB-1608FS-Plus，采集卡最大頻率為400 kS/s)、高速攝像系統(tǒng)(實驗采用1 000 fps，可記錄幀數(shù)為4 896 幀，共4.896 s)、反應(yīng)空間管道(管道內(nèi)腔尺寸為50 mm×50 mm×1 000 mm，內(nèi)部空間容量為2.5 L)、點火裝置(實驗采集高壓脈沖點火器，雙電極點火電壓設(shè)為6 kV)等構(gòu)成。具體構(gòu)造如圖1所示。

1.高壓氣瓶；2.質(zhì)量流量控制器；3.預(yù)混裝置；4.點火裝置；5.壓力傳感器；6.壓力數(shù)據(jù)采集卡；7.超細(xì)水霧系統(tǒng)；8.同步控制器；9.高速攝影儀；10.污水排放口和控制閥；11.爆炸管道；12.控制閥；13.光電傳感器；14.真空計；15.真空泵圖1 實驗系統(tǒng)構(gòu)造Fig.1 Construction of the experimental system

1.2 試驗方法

實驗的目的是研究含不同濃度NaCl超細(xì)水霧對甲烷爆炸抑制效果的影響。實驗內(nèi)容包括粒徑測試和甲烷抑爆實驗，粒徑測試主要為測量超細(xì)純水霧和含不同濃度NaCl超細(xì)水霧粒徑(NaCl濃度分別為2.5%，5%，7.5%，10%，12.5%)；甲烷抑爆試驗中，以通霧量為0.7 mL的含不同濃度NaCl超細(xì)水霧作用于體積分?jǐn)?shù)為9.5%甲烷，每次實驗記錄壓力和火焰數(shù)據(jù)。實驗進(jìn)行2～3次。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 NaCl濃度對超細(xì)水霧粒徑分布的影響

在外界條件不變的情況下，對濃度分別為0%，2.5%，5%，7.5%，10%，12.5%的含氯化鈉超細(xì)水霧進(jìn)行粒徑測試，觀察不同NaCl濃度下，超細(xì)水霧粒徑的變化。

表1為含不同濃度NaCl超細(xì)水霧的粒徑分布。表1中，SMD(Sauter Mean Diameter)為表面積平均直徑，μm；VAD(Volume Average Diameter)為體積平均直徑，μm。由表1可以看出，當(dāng)NaCl濃度為0%～5%時，超細(xì)水霧的SMD，VAD，中徑值(V50)隨NaCl濃度增加而增加；當(dāng)NaCl濃度為5%～10%時，超細(xì)水霧的VAD，SMD，V50隨NaCl濃度的增加而減小；當(dāng)NaCl濃度超過10%時，超細(xì)水霧的VAD，SMD，V50幾乎保持不變。相比于超細(xì)純水霧，含NaCl超細(xì)水霧特征參數(shù)V10，V50，V90略有增加，但總體漲幅不大；當(dāng)NaCl濃度為5%時，超細(xì)水霧特征參數(shù)變化最明顯，從整體上來看，NaCl濃度的變化對水霧粒徑影響較小，含NaCl超細(xì)水霧粒徑主要集中在4.384 μm左右，所以NaCl粒徑的變化并不是抑爆效果增強的主要原因。含氯化鈉超細(xì)水霧抑制甲烷爆炸主要體現(xiàn)在其熱分解的自由基中斷甲烷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)上。

表1 含不同濃度NaCl超細(xì)水霧的粒徑分布Table 1 Particle size distribution of ultrafine water mist with different concentrations of NaCl

2.2 含不同濃度氯化鈉超細(xì)水霧抑爆甲烷效果分析

將通霧量為0.7 mL，分別含0%，2.5%，5%，7.5%，10%，12.5%的NaCl超細(xì)水霧作用于體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷，觀察火焰、最大爆炸超壓、平均火焰?zhèn)鞑ニ俾室约捌骄龎核俾孰S不同濃度含NaCl超細(xì)水霧的變化。表2為含不同濃度NaCl超細(xì)水霧抑爆效果。

表2 含不同濃度NaCl超細(xì)水霧抑爆效果Table 2 Explosion suppression effect of ultra-fine water mist containing different concentrations of NaCl

2.2.1 含不同濃度氯化鈉超細(xì)水霧對火焰影響

火焰?zhèn)鞑討B(tài)如圖2所示。圖2(a)為超細(xì)純水霧作用于體積分?jǐn)?shù)為9.5%甲烷火焰?zhèn)鞑プ兓瘓D。由圖2(a)可以看出，在時間為60～90 ms時，火焰鋒面由持平轉(zhuǎn)為斜平面，靠近管道下方管壁的火焰出現(xiàn)延伸，傳播速度大于管道上方管壁火焰，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小，主要是氣體被點燃初期受熱膨脹，且超細(xì)水霧的受熱蒸發(fā)吸熱降溫作用；在時間為90 ms時，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u增大，主要是水霧進(jìn)入管道反應(yīng)區(qū)，與自由離子發(fā)生碰撞，發(fā)生對流擾動。當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ焦艿懒硪粋?cè)時，由于燃燒能量波的積聚，火焰速度增大，火焰沖破封閉薄膜。圖2(b)為含2.5%NaCl超細(xì)水霧作用于體積分?jǐn)?shù)為9.5%甲烷火焰?zhèn)鞑プ兓瘓D。由圖2(b)可以看出，在時間為30～200 ms階段，火焰?zhèn)鞑フw速度較小，70 ms時為“指形”火焰向“郁金香”火焰轉(zhuǎn)變的臨界點，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸钚。辉诨鹧纥c燃240 ms之后，火焰由“郁金香”轉(zhuǎn)為“指形”。發(fā)生這些變化的原因是，水霧微粒吸熱汽化速度變快后產(chǎn)生的反向氣流對火焰反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生擾動，引發(fā)火焰峰面積增大，火焰由指形轉(zhuǎn)為貼壁兩側(cè)火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓奈夹瓮牧鳌坝艚鹣恪被鹧妫钟捎诤然c超細(xì)水霧微粒吸熱降溫效果，以及阻礙鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的作用機理，火焰?zhèn)鞑サ姆聪驓饬魉俣葴p減慢，致使對稱渦流消失，局部貼壁火焰?zhèn)鞑ニ俣然貧w正常，微凹形“郁金香”火焰短暫出現(xiàn)后再次消失[12]。直至火焰點燃1 100 ms以后，火焰?zhèn)鞑ナ芊忾]薄膜的阻礙，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷杂型诨鹧纥c燃后1 230 ms時，轟破薄膜。由圖2可以看出，在火焰點燃360 ms時，超細(xì)純水霧作用下火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x明顯大于含2.5%NaCl超細(xì)水霧作用下火焰?zhèn)鞑サ木嚯x。因此，含氯化鈉超細(xì)水霧能更好地減小火焰?zhèn)鞑姸取?/p>

圖2 火焰?zhèn)鞑討B(tài)變化Fig.2 Dynamic change of flame propagation

圖3為不同噴霧條件下平均火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓约拜^純甲烷相比下降值變化圖。由圖3可以看出，當(dāng)NaCl濃度為0%～2.5%時，平均火焰?zhèn)鞑ニ俣入S其濃度的增加呈上升趨勢；當(dāng)NaCl濃度為2.5%～12.5%時，平均火焰?zhèn)鞑ニ俣入S其濃度的增加呈下降趨勢。表3為不同濃度NaCl作用下平均火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓Ｓ杀?可以看出，含2.5%NaCl平均火焰?zhèn)鞑ニ俣容^純甲烷爆炸平均火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆盗?3.7%，抑制甲烷火焰?zhèn)鞑バЧ畈畹氖?2.5%氯化鈉，其平均火焰?zhèn)鞑ニ俣容^純甲烷爆炸仍下降了43.6%，遠(yuǎn)超過超細(xì)純水霧作用下降的效果，主要是在吸熱降溫的基礎(chǔ)上，氯化鈉熱分解產(chǎn)生的離子與火焰反應(yīng)區(qū)的自由基發(fā)生反應(yīng)，阻礙甲烷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，降低火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

表3 不同濃度NaCl作用下平均火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓疶able 3 Changes in average flame propagation speed withdifferent concentrations of NaCl

圖3 不同濃度NaCl下平均火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓疐ig.3 Curve of the average flame propagation speed under different concentrations of NaCl

2.2.2 含不同濃度氯化鈉超細(xì)水霧對爆炸超壓的影響

表4是NaCl濃度分別為0%，2.5%，5%，7.5%，10%，12.5%作用下最大爆炸超壓的變化狀況。圖4為不同噴霧條件下最大爆炸超壓變化以及較純甲烷相比下降值變化。從表4中發(fā)現(xiàn)，超細(xì)純水霧的添加使得甲烷最大爆炸超壓較純甲烷自由爆炸的最大爆炸超壓下降了1.168 kPa。針對5個不同的NaCl濃度的甲烷抑爆實驗，其爆炸超壓分別下降了5.786，4.164，5.170，3.144和2.096 kPa，其中，含2.5%NaCl超細(xì)水霧下降幅度最大，最大爆炸超壓較純甲烷自由爆炸下降了63.4%。在濃度大于10%的NaCl作用下，甲烷最大爆炸超壓下降值較小，占純甲烷自由爆炸時最大爆炸超壓的23%，約為是純水霧作用下最大爆炸超壓下降值的2倍。由圖4可知，與純水超細(xì)水霧單獨作用相比，含氯化鈉超細(xì)水霧作用下的最大爆炸超壓更小，抑爆效果更佳。由此可見，添加NaCl能夠大幅提高超細(xì)水霧對甲烷的抑爆能力。

表4 不同濃度NaCl作用下甲烷最大爆炸超壓的變化Table 4 Changes in maximum explosion overpressure with different concentrations of NaCl

圖4 不同濃度NaCl對最大爆炸超壓的變化Fig.4 Curve of the maximum explosion overpressure under different concentrations of NaCl

圖5是NaCl濃度分別為0%，2.5%，5%，7.5%，10%，12.5%超細(xì)水霧作用下對應(yīng)的壓力隨時間變化曲線。由圖5可知，不同濃度NaCl抑爆甲烷的壓力曲線與純甲烷自由爆炸的壓力曲線都呈現(xiàn)雙波峰，其中，僅2.5%NaCl濃度對應(yīng)的甲烷最大爆炸壓力在第1波峰。火焰?zhèn)鞑コ跗冢瘜W(xué)反應(yīng)迅速加劇，燃燒產(chǎn)生的壓縮波較大，導(dǎo)致第1波峰峰值較大；到火焰?zhèn)鞑ブ泻笃冢鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣葴p慢，導(dǎo)致第2波峰的爆炸超壓小于第1波峰的峰值。當(dāng)氯化鈉濃度達(dá)到12.5%，其抑爆效果明顯減弱，但其最大爆炸超壓仍小于超細(xì)純水霧。含12.5%的氯化鈉抑爆效果減弱的主要原因是，隨著氯化鈉濃度的升高，溶液的比熱容升高，超細(xì)水霧微粒吸熱汽化速度變慢，而壓力波傳播速度很快，氣化速度小于壓力波積聚速度，壓力出現(xiàn)顯著上升。

圖5 含不同濃度NaCl超細(xì)水霧對應(yīng)的壓力隨時間變化Fig.5 Curve of pressure versus time for superfine water droplets containing different concentrations of NaCl

2.2.3 含不同濃度NaCl超細(xì)水霧對爆炸升壓速率的影響

平均升壓速率的計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：v為平均升壓速率，kPa/s；Pmax為最大爆炸壓力，kPa；P0為初始壓力，kPa；Δt為由初始壓力增大到最大爆炸壓力所用時間，s。

表5為不同濃度NaCl超細(xì)水霧作用下平均升壓速率變化，圖6為不同濃度NaCl超細(xì)水霧噴霧條件下平均升壓速率變化以及較純甲烷相比下降值變化。當(dāng)NaCl濃度處于0～5%時，隨著NaCl濃度的增大，甲烷爆炸的平均升壓速率較純甲烷自由爆炸的下降值增大；當(dāng)NaCl濃度增大到5%時，甲烷爆炸的平均升壓速率達(dá)到最小值，較純甲烷自由爆炸的平均升壓速率下降了71.7%；當(dāng)NaCl濃度值為5%～12.5%時，隨著NaCl濃度的升高，含NaCl的超細(xì)水霧抑制甲烷爆炸平均升壓速率較純甲烷自由爆炸下降值逐漸降低并趨于平穩(wěn)。其中，純水超細(xì)水霧的平均升壓速率下降幅度要遠(yuǎn)小于抑爆效果較差的含12.5%NaCl超細(xì)水霧的升壓速率下降幅度。

通過上述對含不同濃度NaCl超細(xì)水霧對抑爆性能影響的分析可知，總體而言，含NaCl超細(xì)水霧抑爆性能遠(yuǎn)強于超細(xì)純水霧的抑爆效果，其中抑制甲烷爆炸效果最佳的是含2.5%NaCl超細(xì)水霧。

表5 不同濃度NaCl作用下平均升壓速率的影響Table 5 Changes in average pressure rise rate with different concentrations of NaCl

圖6 不同濃度NaCl對平均升壓速率的變化Fig.6 Curve of the average pressure rise rate under different concentrations of NaCl

3 含NaCl超細(xì)水霧抑爆甲烷機理分析

含NaCl超細(xì)水霧抑爆甲烷是其物理和化學(xué)共同作用的結(jié)果。物理作用體現(xiàn)在含NaCl超細(xì)水霧粒徑小，比熱容較大，汽化潛熱約為2 280 kJ/kg，導(dǎo)熱系數(shù)小，使其蒸發(fā)速度快，減弱熱輻射的傳遞，阻礙鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。化學(xué)作用主要體現(xiàn)在添加劑熱分解產(chǎn)生的離子與火焰反應(yīng)區(qū)的自由基(H原子以及自由基OH)發(fā)生反應(yīng)，阻斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行。

眾所周知，甲烷燃燒的機理如以下關(guān)鍵支鏈反應(yīng)所示[13-14]：

OH·+CH4→CH3·+H2O

H·+CH4→CH3·+H2

O·+CH4→CH3·+OH·

所選用的NaCl受熱分解產(chǎn)生Na·和NaO·自由基與CH4爆炸產(chǎn)生的OH·和H·自由基反應(yīng)[7-8,15-16]，可以中斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)并抑制爆炸：

Na·+OH·+M→NaOH+M

NaOH+H→Na·+H2O

NaOH+OH·=NaO·+H2O

NaO·+H·→Na·+OH·

NaO·+O·→Na·+O2

NaO2+CO→NaO·+CO2

Cl·+Cl·+M→Cl2+M

Cl2+H·→HCl+Cl·

HCl+H·→H2+Cl·

H·+OH·+Cl·→H2O+Cl·

含NaCl超細(xì)水霧抑制甲烷爆炸是水霧微粒的物理作用和NaCl熱分解阻斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的化學(xué)作用充分發(fā)揮協(xié)同抑爆效果，因此其抑爆性能要強于超細(xì)純水霧的抑爆性能。

4 結(jié)論

1)NaCl濃度對超細(xì)水霧粒徑影響不大，粒徑的變化不是含氯化鈉超細(xì)水霧抑爆效果增強的主要原因，主要是由于NaCl受熱分解產(chǎn)生自由基與CH4爆炸產(chǎn)生的OH·和H·自由基反應(yīng)使得抑爆效果顯著增強。

2)通霧量為0.7 mL的超細(xì)純水霧作用于體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷，相比于9.5%純甲烷自由爆炸，其火焰?zhèn)鞑ニ俾省⒆畲蟊ǔ瑝阂约捌骄龎核俾史謩e下降了24.6%，12.8%和10.7%。

3)通霧量為0.7 mL的含NaCl超細(xì)水霧作用于體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷，NaCl濃度為2.5%的超細(xì)水霧對甲烷爆炸的抑制性能最佳，相比于9.5%純甲烷自由爆炸，其火焰?zhèn)鞑ニ俾省⒆畲蟊ǔ瑝阂约捌骄龎核俾史謩e下降了53.7%，63.4%和60.7%，相比于超細(xì)純水霧，分別下降了38.6%，58%和56%。