含PPFBS超細水霧抑制甲烷爆燃的實驗研究

楊 克，周 越，周 揚，劉光宇，丁昂昂，涂 喆

(常州大學環境與安全工程學院，江蘇 常州 213164)

甲烷主要是作為燃料廣泛應用于民用和工業中。近年來，煤礦瓦斯爆炸事故與城市天然氣管道爆炸事故頻頻發生，使人民生命和國家財產受到巨大威脅，對我國經濟和社會的穩定和諧發展造成不利影響。因此，更為科學、有效地處置甲烷防爆，消除其安全隱患，成為一個熱點研究課題。

細水霧作為一種滅火技術越來越引起人們的關注，但純水的細水霧仍屬于物理作用滅火[1-2]。為了提高細水霧滅火的應用范圍與效率，許多機構研究了含添加劑細水霧的滅火性能。如廖光煊等[3]、況凱騫等[4]研究了含氯化亞鐵添加劑細水霧在不同燃料種類、添加劑濃度、壓力下撲滅池火的有效性,以及自制復合型添加劑對細水霧滅火性能的影響;余明高等[5]對含MgCl2、FeCl2、NaHCO3添加劑的細水霧抑制瓦斯爆炸的有效性進行了實驗研究，發現不同添加劑的體積分數越大，析解的陰陽離子越多，其抑制瓦斯爆炸的效果越好，但都應有添加劑的最佳體積分數，含體積分數為0.8%的FeCl2和體積分數為2.5%的MgCl2的細水霧抑制瓦斯爆炸的有效性最好[5]。

相較細水霧而言，純水的超細水霧因具有高效的吸熱、冷卻，阻隔、衰減熱輻射的特性，已被公認為是具有良好應用前景的瓦斯爆炸抑制劑。如梁天水等[6]進行了超細水霧熄滅甲烷火焰的臨界滅火質量濃度的相關研究；曹興巖等[7-8]研究了超細水霧的水霧粒徑以及霧化方式對甲烷爆炸過程的影響；余明高等[9]研究了CO2協同超細水霧對瓦斯/煤塵爆炸的抑制特性，發現隨著CO2體積分數和超細水霧質量濃度的增加，火焰傳播速度、爆炸超壓峰值均出現了明顯下降，當CO2的體積分數達到14%時，超細水霧和CO2的共同抑爆效果最為明顯。當前對含添加劑細水霧以及超細水霧抑制甲烷燃燒、爆炸火焰傳播相關機理的研究較多，而針對含添加劑超細水霧對管道中甲烷爆炸火焰傳播抑制有效性的研究較少。為此，本文通過可視化管道實驗，開展了不同工況下含PPFBS超細水霧對管道中甲烷燃燒、爆炸抑制有效性的研究。

1 實驗方案

本實驗的實驗裝置由實驗課題小組自主設計搭建，主要包括超細水霧發生和輸送系統、模擬管道、甲烷輸送系統、點火系統、壓力數據采集系統、高速攝影系統等,其整體構造圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置構造圖Fig.1 Structure diagram of experimental equipment1.甲烷氣瓶；2.超細水霧發生裝置；3.模擬管道；4.甲烷濃度檢測儀；5.點火器；6.壓力數據采集系統；7.計算機；8.氣瓶閥門；9.ALICAT氣體流量控制器；10.超細水霧發生裝置開關；11.流量控制器；12.通氣控制閥；13.抽真空裝置；14.高速攝影儀數據采集裝置；15.高速攝影儀

本次實驗主反應區域為甲烷燃燒、爆炸的模擬管道，管道的材料是透明的有機玻璃，內腔尺寸為5 cm×5 cm×100 cm，容積為2.5 L；管道上有1個壓力傳感器口、1個氣體輸送口、1個點火口、1個泄壓口和1個甲烷濃度檢測口；為了確保實驗安全，管壁厚度為2 cm，管道一端當作泄壓口，使用PVC薄膜進行密封。甲烷輸送系統由1個容量為40 L的甲烷氣瓶、1個ALICAT氣體流量控制器等組成，該氣體流量控制器的讀數精度為0.6%，響應時間為100 ms，實驗設置甲烷的體積流量為0.1 L/min。點火系統采用高頻脈壓高熱能點火器，點火電壓為6 kV。壓力數據采集系統包括上海銘動高頻壓力傳感器、1608FS-Plus數據采集卡、濾波處理系統等，壓力傳感器將壓力信號轉化為電壓輸送至數據采集卡并記錄儲存，其量程為-0.1～0.1 MPa，響應時間小于10 ms。

實驗中，抽真空裝置用來排除上一次實驗燃燒產生的廢氣的影響，兩端用不銹鋼鋼板進行密封；待空氣進入管道后，開口端拆除鋼板并用PVC膜密封。另外，添加劑PPFBS預先與水均勻混合配置成溶液通過超細水霧發生裝置隨水霧進入管道中。由于產生的超細水霧本身壓力較小，本實驗均是預先向管道中通入超細水霧，再通入甲烷氣體。

水霧的粒徑等參數對滅火效果的影響較大。為了排除添加劑對水霧粒徑的影響，使用Winner319C激光粒度儀進行超細水霧粒徑的測量,該儀器量程為1.0～2 000μm。實驗采用的噴霧角度為133°。圖2和圖3分別為純水超細水霧的體積粒度分布曲線和含0.1%全氟丁基磺酸鉀(PPFBS)超細水霧的體積粒度分布曲線。

圖2 純水超細水霧的體積粒度分布曲線Fig.2 Volumetric grain size distribution curve of ultrafine water mist

圖3 含0.1%PPFBS超細水霧的體積粒度分布曲線Fig.3 Volumetric grain size distribution curve of ultrafine water mist with 0.1% PPFBS

通過對比圖2和圖3可以看出，添加劑未對超細水霧粒徑產生明顯的影響，超細水霧的粒徑主要集中分布在1～7 μm。

本實驗主要分為兩個部分：一個部分是單因素實驗；另一個部分是正交實驗。單因素實驗的目的是探究添加劑PPFBS的濃度對超細水霧抑制甲烷燃燒、爆炸火焰傳播以及爆炸超壓的影響。單因素實驗中，甲烷的體積分數選擇爆炸威力最大的濃度9.5%，通霧量統一為2.1 mL即通霧時間為60 s的工況，其他條件均保持不變，僅改變PPFBS的濃度，設置PPFBS的濃度分別為0%、0.03%、0.05%、0.07%、0.10%、0.20%，每組實驗重復3次。正交實驗是為了探究添加劑PPFBS的濃度對管道中甲烷燃燒、爆炸火焰傳播的影響程度并驗證其滅火的有效性。引入了通霧量和甲烷濃度兩個影響因素，所以正交實驗部分選擇通霧量、甲烷濃度和PPFBS濃度3個因素進行探究，以期找到抑制甲烷爆燃效果最佳的實驗組合[8],并通過對比分析來說明添加劑PPFBS的滅火效能。具體實驗方案見表1，每組實驗重復3次。由于每組實驗重復，除了儀器精度造成的設備誤差外，還有一些實驗不確定性因素造成的誤差。如通霧速率固定為2.1 mL/min，但由于噴嘴直徑大，每組通霧時間均較長，因此只能一定程度上使水霧較為均勻地在空間內分布。另外，盡管各種工況實驗條件一致，但甲烷與空氣的預混程度也是造成實驗不確定性的重要原因。

表1 含PPFBS的超細水霧正交實驗方案Table 1 Orthogonal test for ultrafine water mistcontaining PPFBS

2 含PPFBS的超細水霧單因素抑爆實驗

表2為含不同濃度PPFBS的超細水霧抑制甲烷爆燃的單因素實驗數據。

表2 含不同濃度PPFBS的超細水霧抑制甲烷爆燃的 單因素實驗數據Table 2 Data records of single factor experiment ofmethane deflagration suppression by ultrafinewater mist containing different concentrationsof PPFBS

由表2可知，加入含氟碳表面活性劑PPFBS后，管道中甲烷爆燃的最大爆炸超壓、平均升壓速率以及火焰傳播速度都有明顯的下降。其中，含0.10%PPFBS的超細水霧的抑爆效果最優，其最大爆炸超壓和平均升壓速率較9.5%甲烷爆炸分別下降了66.2%、74.19%，同時其火焰傳播速度也為最低值(0.785)。此外，還可以看出PPFBS濃度并不是越高，其抑爆效果越好。

含不同濃度PPFBS的超細水霧抑爆過程中壓力變化曲線，見圖4。

圖4 含不同濃度PPFBS的超細水霧抑爆過程中壓力 變化曲線Fig.4 Change curves of pressure during the deflagration suppression process of ultrafine water mist containing different concentrations of PPFBS

由圖4可見：9.5%甲烷工況與純水超細水霧工況下的壓力曲線變化趨勢十分相似，顯然，純水超細水霧工況下，對管道中甲烷的燃燒、爆炸有較強的抑制作用[7]；含不同濃度PPFBS的超細水霧抑爆過程中壓力隨時間的變化曲線與9.5%甲烷爆炸的壓力隨時間的變化曲線類似，均出現一高一低兩個波峰，且第二個波峰比第一個波峰高。這是因為當管道中的甲烷被引燃，熱量迅速積聚，氣體迅速膨脹導致壓力迅速升高，當PVC膜破裂，氣體從管道末端的泄壓口迅速排出造成了短暫的壓力下降，導致了第一個波峰的出現；而新的空氣進入形成新的混合可燃氣體，燃燒持續進行會導致壓力升高，當其產生的壓力大于泄壓口排出造成的壓降時，壓力曲線會繼續上升，直至壓力上升和壓降達到平衡時，形成第二個波峰，即達到了最大爆炸超壓[9]。

此外，加入了添加劑工況下的壓力變化曲線與對照組也有著明顯的差異，加入了添加劑工況下壓力隨時間變化曲線的第一個波峰均更低，且達到第二個波峰即最大爆炸超壓的時間均有不同程度的延后。可見，加入PPFBS的超細水霧比純水超細水霧的抑爆效果好，即使PPFBS濃度很低也可以達到較好的抑爆效果。表面活性劑主要通過改變水的物理性質來發揮作用，可提高超細水霧的霧化效果、起泡能力等。PPFBS可以降低水的表面張力，降低水形成水霧所需的能量，因而相同霧化條件下形成的超細水霧具備更強的吸熱蒸發能力。分散體系中，分子傾向相互聚結進而縮小界面面積。表面活性劑具有兩親分子結構，吸附于兩相界面處，可降低體系的界面能，形成致密的吸附分子層，阻礙其聚結，進而使熱交換面積增大，傳熱能力提高。另外，添加表面活性劑一定程度上會增加超細水霧的質量濃度。相關研究表明：隨著細水霧質量濃度的增加，火焰傳播速度會隨之減小[10-11]。但當表面活性劑濃度過高時，憎水基的疏水作用會使表面活性劑分子無法富集在水表面，從而聚集形成內核，組成膠團，溶液表面張力會比臨界膠束濃度時更大[12]。因此，當PPFBS濃度為0.20%時，最大爆炸超壓和平均升壓速率開始變大。依據含不同濃度PPFBS的超細水霧抑爆過程中的壓力曲線，并根據最大爆炸超壓、平均升壓速率、火焰傳播速度3個指標可以看出，含0.10%PPFBS濃度的超細水霧抑爆效果最好，其次依次為0.07%、0.20%、0.03%、0.05%PPFBS濃度的超細水霧。

含0.10%PPFBS的超細水霧抑爆效果最優，因此就該工況進行火焰傳播抑制效果的分析。圖5至圖7分別為含0.10%PPFBS超細水霧、超細水霧以及不含超細水霧的9.5%甲烷爆炸火焰傳播圖。

圖5 含0.10%PPFBS超細水霧作用下的9.5%甲烷 爆炸火焰傳播圖Fig.5 Flame propagation image of 9.5% methane explosion under the action of superfine water mist containing 0.10%PPFBS

圖6 超細水霧作用下的9.5%甲烷爆炸火焰傳播圖Fig.6 Flame propagation image of 9.5% methane explosion under the action of superfine water mist

圖7 不含超細水霧的9.5%甲烷爆炸火焰傳播圖Fig.7 Flame propagation image of 9.5% methane explosion containing no ultrafine water mist

由圖5至圖7可以清晰地觀察到，9.5%甲烷爆炸的火焰呈現淡藍色，而在超細水霧或含0.10%PPFBS的超細水霧作用下的同濃度甲烷爆炸的火焰呈現為橙黃色。

無論是否含氟碳表面活性劑，在超細水霧作用下的同濃度甲烷爆炸均出現了郁金香形火焰[11]，火焰都是由球形火焰到指形火焰，并隨著火焰裙邊觸壁，邊緣火焰傳播速度增加，形成近似平面的火焰形態；接著軸線處火焰傳播速度驟減引起了郁金香形火焰的形成[12-16]。隨著反應繼續進行，郁金香形火焰消失，受火焰不穩定性的影響，火焰伴隨褶皺繼續傳播直至PVC膜破裂[11]。對比圖5和圖6可知，含添加劑工況下甲烷爆炸火焰傳播速度變慢，表現在相同時間內其火焰前鋒傳播距離較短；另外含添加劑工況下甲烷爆炸燃燒強度明顯更弱，但兩者火焰結構變化在時間和空間上均有較好的對應，表明含添加劑的超細水霧并未影響甲烷爆炸火焰傳播過程的發展階段，而是減弱了其燃燒強度與火焰傳播速度。

3 含PPFBS的超細水霧三因素三水平正交抑爆實驗

表3為含不同濃度PPFBS的超細水霧抑制甲烷爆燃的正交實驗中最大爆炸超壓、平均升壓速率和火焰傳播速度的實驗結果。

表3 含不同濃度PPFBS的超細水霧抑制甲烷爆燃的 正交實驗數據Table 3 Data records of orthogonal experiment of methanedeflagration suppression by ultrafine water mistcontaining different concentrations of PPFBS

由表3可知，工況2和工況4的甲烷濃度都是9.5%，且工況4的通霧量是工況2的3倍(為2.1 mL)，但工況2的PPFBS濃度為0.07%，較工況4提高了0.02%，結果工況2的最大爆炸超壓、平均升壓速率、火焰傳播速度均低于工況4；同樣的情況也出現在工況6與工況8之間。上述實驗結果表明，PPFBS對管道中甲烷燃燒、爆炸火焰傳播過程有著顯著的抑制效能，即在一定的PPFBS濃度下，其濃度的微小變化對提高超細水霧對甲烷爆燃的抑爆滅火效能的影響程度較大。

圖8為含不同濃度PPFBS的超細水霧抑制甲烷爆燃的正交實驗不同工況下壓力隨時間的變化曲線圖，圖9至圖11為正交實驗不同工況下最大爆炸超壓、平均升壓速率和火焰傳播速度3個指標變化的折線圖。

圖8 正交實驗不同工況下壓力隨時間的變化曲線圖Fig.8 Change curves of pressure under different working conditions of the orthogonal experiment

圖9 正交實驗不同工況下最大爆炸超壓變化折線圖Fig.9 Change curve of maximum explosion overp- ressure under different working conditions of the orthogonal experiment

圖10 正交實驗不同工況下平均升壓速率變化折線線Fig.10 Change curve of average boost rate under different working conditions of the orthogonal experiment

圖11 正交實驗不同工況下的火焰傳播速度變化曲線圖Fig.11 Change curve of flame propagation velocity under different working conditions of the orthogonal experiment

由圖8可見，當PPFBS濃度在較低水平時，如工況1、2、4、7下，均出現了較大的最大爆炸超壓，其值遠大于其他工況；當通霧量維持在較低水平時，如工況1、2、3下，壓力較早開始出現上升的趨勢，表明通霧量的水平對甲烷燃燒初期壓力的上升有顯著的影響。

由圖9至圖11可以直觀看出，不同工況下最大爆炸超壓、平均升壓速率、火焰傳播速度出現了相似的變化趨勢，表明這3個參數均與甲烷爆炸火焰傳播發展情況有較強的跟隨性，尤其與甲烷燃燒火焰表面積的變化情況密切相關[16-18]。

為了分析通霧量(A)、PPFBS濃度(B)和甲烷濃度(C)3個因素分別對甲烷燃燒、爆炸產生的最大爆炸超壓、平均升壓速率以及火焰傳播速度影響的顯著性水平，本文分別以最大爆炸超壓作為實驗指標X，平均升壓速率作為實驗指標Y，火焰傳播速度作為實驗指標Z，計算這3個因素所對應的i水平最大爆炸超壓之和Mji和平均值mji，并計算出極差Rj后進行極差分析，結果見表4[12]。

表4 正交抑爆實驗數據的極差分析Table 4 Range analysis of the orthogonal explosionsuppression experimental data

由表4可知，對于最大爆炸超壓X和火焰傳播速度Z來說，B因素的極差明顯較A、C因素的大，這說明在甲烷燃燒、爆炸過程中對最大爆炸超壓和火焰傳播速度影響最大的因素是PPFBS的濃度，且其影響程度遠超過其他兩個因素，同時驗證了PPFBS對管道中甲烷燃燒、爆炸的有效性；而對于平均升壓速率Y來說，A因素相對于B、C因素的影響較小，影響最大的因素是C即甲烷濃度，這也就解釋了工況2和工況5在PPFBS濃度相同的情況下，即使工況2的超細水霧通霧量小于工況5，但由于工況2的甲烷濃度為9.5%，因此工況2的平均升壓速率更大。

4 結 論

本文通過單因素實驗和三因素三水平正交實驗，研究了含氟碳表面活性劑PPFBS的超細水霧抑制管道中甲烷燃燒、爆炸以及火焰傳播的效果，并對實驗數據進行了分析，得到的結論如下：

(1) 單因素實驗結果表明：保持通霧量為2.1 mL、甲烷濃度為9.5%的條件下，只需加入少量的氟碳表面活性劑PPFBS就可以達到較優的抑爆效果，溶液達到臨界膠束濃度時，其抑制效果最好。本實驗中，含0.10%PPFBS的超細水霧的抑爆效果最優，最大爆炸超壓和平均升壓速率分別下降了66.2%、74.19%。

(2) 三因素三水平正交實驗結果表明：對管道中甲烷燃燒、爆炸產生最大爆炸超壓的影響因素按影響程度從大到小排列依次為PPFBS的濃度、通霧量和甲烷濃度；對甲烷爆炸平均升壓速率的影響因素按影響程度從大到小排列依次為甲烷濃度、PPFBS濃度和通霧量；對甲烷爆炸火焰傳播速度的影響因素按影響程度從大到小排列依次為PPFBS濃度、甲烷濃度和通霧量。

(3) 本文實驗結果驗證了含氟碳表面活性劑全氟丁基磺酸鉀(PPFBS)的超細水霧抑制管道中甲烷燃燒、爆炸以及火焰傳播的有效性，且對甲烷爆炸的最大爆炸超壓、平均升壓速率、火焰傳播速度3個參數均有顯著影響。一定的PPFBS濃度下，其濃度的微小變化對提高超細水霧對甲烷爆燃的抑爆滅火效能的影響顯著，表明氟碳表面活性劑PPFBS可有效改善超細水霧的物理性質，提高其抑制管道中甲烷燃燒、爆炸的效能。