荷電細水霧抑制瓦斯爆炸實驗研究

余明高,梁棟林,2,徐永亮,2,鄭 凱,紀(jì)文濤

(1．河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作 454003;2．中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州 221116)

荷電細水霧抑制瓦斯爆炸實驗研究

余明高1,梁棟林1,2,徐永亮1,2,鄭 凱1,紀(jì)文濤1

(1．河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作 454003;2．中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州 221116)

為了研究荷電細水霧對瓦斯爆炸的抑制效果以及抑爆機理,根據(jù)靜電感應(yīng)原理,自行設(shè)計了小尺寸的荷電細水霧發(fā)生裝置,并開展了荷電細水霧抑制瓦斯爆炸的實驗研究。實驗分析了在不同荷電極性、荷電電壓以及霧通量下,荷電細水霧對瓦斯爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?。結(jié)果表明:荷電細水霧較普通細水霧能更有效地降低瓦斯爆炸壓力峰值以及火焰?zhèn)鞑ニ俣?且隨著荷電電壓的增大,荷電細水霧的抑爆效果顯著增強。同時荷負電荷的細水霧較荷正電荷的細水霧抑爆效果更好。當(dāng)荷電電壓為8 kV時,荷電細水霧使瓦斯爆炸壓力峰值下降64．7%,升壓速率下降33．03%,火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?4．9%。

感應(yīng)荷電;荷電細水霧;瓦斯爆炸;抑制

瓦斯抑爆是有效減弱和控制瓦斯爆炸災(zāi)害的重要手段,目前對于抑制爆炸的原理有降溫、惰性化、中止反應(yīng)、阻隔、淬熄等;采用的常規(guī)手段有高壓水幕、巖粉棚、水袋、干粉滅火劑、隔火柵淬熄等。近幾年水霧由于其所具有的理化特性在不同類型的火災(zāi)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,且經(jīng)實驗研究表明,一定條件下的水霧對爆炸火焰?zhèn)鞑ネ瑯泳哂泻芎玫囊种菩Ч?/p>

為了進一步提高細水霧的利用效率,改善細水霧的理化特性,王喜世、余明高等[1-2]對細水霧抑制火焰擴散做了深入的研究。劉江虹等[3]就含添加劑的細水霧對甲烷空氣預(yù)混火焰的抑制效果進行了研究,結(jié)果表明通過在細水霧中加入一定的添加劑可以提高細水霧對火焰的抑制能力。徐峰等[4]對細水霧應(yīng)用在抑制瓦斯爆炸方面進行了研究。趙楓、王旭[5]對帶電細水霧的滅火效果進行了研究,表明帶電細水霧較普通細水霧對油池火的熄滅效果更好。此外R．G．Maghirang等[6]用荷電細水霧進行煙氣擴散過程中的消煙。E．Almuhanna等[7]利用預(yù)荷電水霧技術(shù),將水霧預(yù)先荷電,提高水霧與工業(yè)粉塵接觸能力,從而達到除塵的目的。陳匯龍等[8]對感應(yīng)荷電噴霧靜電場與荷電特性進行了分析研究,結(jié)果表明較高充電電壓和較小的電極間距有利于霧化效果影響和噴霧質(zhì)量。

然而針對荷電細水霧應(yīng)用在抑制煤礦瓦斯爆炸領(lǐng)域的研究鮮見相關(guān)報道。本文利用自行設(shè)計的實驗裝置,開展荷電細水霧抑制瓦斯爆炸有效性的試驗研究,以分析荷電細水霧對瓦斯爆炸的影響。本研究對提高荷電細水霧瓦斯抑爆效率、促進荷電細水霧在防治煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害方面的應(yīng)用具有現(xiàn)實意義。

1 荷電細水霧的發(fā)生方法

荷電細水霧即帶電細水霧,主要是通過接觸荷電、感應(yīng)荷電和電暈荷電使水霧帶上某種電荷,從而實現(xiàn)其在特定領(lǐng)域的應(yīng)用。在本實驗條件下所采用的細水霧荷電方法是通過感應(yīng)荷電法使霧滴荷上與放電電極極性相反的電荷。實驗所用水霧霧滴平均粒徑為50 μm,標(biāo)準(zhǔn)狀況下荷電細水霧發(fā)生器產(chǎn)霧體積為1．32 L/min。電極為橫截面積2．5 mm2、內(nèi)徑30 mm的環(huán)狀銅絲導(dǎo)線,噴頭與銅環(huán)電極間距離為12 mm,此時荷電細水霧的荷電效果最佳[9],同時避免了由于電極放電帶來的安全問題。

在實驗中由于選擇8 kV以上電壓值時,電極發(fā)生放電現(xiàn)象,無法實現(xiàn)細水霧荷電,所以實驗荷電電壓在0～8 kV之間調(diào)節(jié)。荷電細水霧感應(yīng)電壓的正負可以通過改變電極的不同接地方式實現(xiàn)。在本實驗中將銅環(huán)電極接地,噴霧端卡套接高壓電源電壓輸出端如圖1(a)所示,或者高壓電源電壓輸出端和接地端分別接到銅環(huán)電極和噴霧端卡套處如圖1(b)所示。使銅環(huán)與噴霧卡套之間形成電場區(qū),當(dāng)細水霧在通過電場時由于電場中運動離子的碰撞帶上一定量與放電電極極性相反的正負電荷,從而改變細水霧液滴的理化特性來提高抑爆效果。

圖1 荷電細水霧發(fā)生噴頭Fig．1 Sprinkler of charged water mist

2 荷電細水霧抑爆模擬系統(tǒng)

2.1 模擬裝置及系統(tǒng)

實驗管道由長為500 mm,壁厚為20 mm,截面為100 mm×100 mm的兩段方形的有機玻璃材質(zhì)管道組成。管道一端為電火花點火端,用法蘭螺釘密閉。另一端為活動端用厚度為0．31 mm的雙層泄壓薄膜封閉。管道中間部分通過一層0．31 mm的隔膜和法蘭螺釘將兩段管道分割開。近點火端的B管段充入實驗所需濃度的甲烷空氣預(yù)混氣體,隔膜后的A管段充入實驗所要求的細水霧。

整個實驗系統(tǒng)由管道、荷電細水霧發(fā)生裝置、可調(diào)高壓直流電源、配氣裝置、高速攝像儀、數(shù)據(jù)采集裝置等組成。荷電細水霧發(fā)生噴頭固定于A管道距活動端200 mm處。在管道封閉端上布置MD-HF型高頻壓力傳感器,量程為-0．1～0．1 MPa,響應(yīng)時間為0．1 ms,測量精度為0．25%FS。壓力采集設(shè)備為采樣頻率15 kHz的USB-1208型數(shù)據(jù)采集卡。光電傳感器用于記錄瓦斯起爆瞬間光信號,控制壓力和圖像采集初始時間點,型號為RL-1。由德國尼康公司生產(chǎn)的Davis．7．2高速攝像系統(tǒng)采集瓦斯爆炸火焰在不同工況細水霧下的傳播圖像特征,高速攝像速度為2 000幀/s。實驗裝置如圖2所示。實驗過程中初始壓力為0．1 MPa,環(huán)境溫度為25℃。

2.2 測試步驟及過程

實驗選取爆炸強度最大,放出熱量最多的甲烷體積分數(shù)為9．5%的甲烷空氣預(yù)混氣體作為實驗用氣,在圖2中的管道A端統(tǒng)一通入標(biāo)準(zhǔn)狀況下5 L的霧量。在實驗過程中重點研究了進入霧區(qū)的瓦斯爆炸火焰陣面的圖像特征。測試具體流程如下:

圖2 實驗系統(tǒng)裝置Fig．2 Schematic of the experimental system

(1)計算管道容積約10 L,有效瓦斯充入體積為5 L(圖2管道B端)。計算甲烷體積分數(shù)為9．5%的預(yù)混氣體中甲烷和空氣所占的體積,根據(jù)其體積比設(shè)定出質(zhì)量流量計的流速分別為甲烷0．475 L/min和空氣4．525 L/min。打開排氣閥門使充氣總量達到管道有效瓦斯容積的4倍左右,設(shè)定通氣時間為4 min。待達到實驗要求的預(yù)混氣體濃度后關(guān)閉質(zhì)量流量計電源和排氣閥門,同時斷開管道與氣瓶的連接管。

(2)待氣體靜置1 min后,進行點火預(yù)爆。通過光電傳感器采集的數(shù)據(jù)確定爆炸初始階段的時間點,利用高速攝像儀記錄瓦斯爆炸火焰從點火點開始經(jīng)過A,B管段的隔膜傳播進入荷電細水霧霧區(qū)的全過程。

(3)通過改變電極的不同接地方式和高壓電源的輸出電壓值,使感應(yīng)荷電電壓值分別為0,±2,±4, ±6,±8 kV,以此來獲得不同荷電效果的荷電細水霧。

通過高頻壓力傳感器、光電傳感器以及高速攝像儀采集到的瓦斯爆炸壓力、光電以及圖像的實時數(shù)據(jù),分析對比細水霧的荷電極性和荷電電壓值的不同對瓦斯爆炸燃燒火焰的影響。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 荷電細水霧作用時瓦斯爆炸火焰圖像特征

通過高速攝像儀拍攝到瓦斯爆炸火焰經(jīng)過不同特性細水霧霧區(qū)時的火焰陣面圖像特征,實驗選取32 ms時火焰在霧區(qū)中的傳播圖像進行對比分析,如圖3,4所示。實驗采集圖片的背景色為深藍色。通過對比不同工況下火焰的顏色可確定火焰溫度的范圍,關(guān)于色溫的變化大致有如下規(guī)律:當(dāng)火焰溫度較低時放出長波長的光較多,以紅、橙光為主,且火焰顏色偏黃偏暖。隨著溫度的上升,火焰從紅色橙色到白色到青色藍色到紫色到最后看不見的紫外線,顏色在不斷的改變。

圖3 普通細水霧作用時霧區(qū)的瓦斯爆炸火焰圖像特征Fig．3 Image characteristics of gas explosion flame under normal water mist

圖4 細水霧荷不同負、正電壓時瓦斯爆炸火焰圖像特征Fig．4 Image characteristics of gas explosion flame under charged water mist of different negative and positive voltage

圖3是施加普通細水霧時,瓦斯爆炸火焰通過霧場區(qū)的火焰圖像特征。從圖3可以看出,火焰中心發(fā)出白熾光,只有火焰前鋒部分受細水霧作用火焰顏色變橙色且成破碎、不連續(xù)狀,火焰整體陣面以較規(guī)則、完整的形狀在管道內(nèi)傳播,說明普通細水霧雖然對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑テ鸬揭欢ǖ囊种谱饔?但其火焰中心區(qū)域溫度仍然很高,火焰鋒面的穩(wěn)定性依然很高。這主要是由于普通細水霧大部分霧滴只是作用于火焰外部汽化吸熱、隔絕空氣、消耗部分火焰外部自由基,使火焰溫度降低,抑制火焰波的傳播,而瓦斯燃燒反應(yīng)區(qū)內(nèi)部仍然存在大量的活性自由基,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)仍然很劇烈[10]。

圖4是分別施加荷負電荷和正電荷細水霧時,瓦斯爆炸火焰通過霧場區(qū)時的火焰圖像特征。從圖4很明顯看出,火焰中心顏色由白熾光逐漸變橙紅色且火焰的規(guī)則完整性被完全破壞,火焰的陣面變的更加破碎不連續(xù)、火焰燃燒面積逐漸減小。說明爆炸火焰在通過荷電細水霧霧場區(qū)時火焰鋒面形狀和火焰內(nèi)部溫度都有很大的變化。這主要是由于普通細水霧通過荷不同電壓的電場區(qū)后,在霧滴表面荷上一定極性的電荷,荷上不同極性電荷的霧滴受到火焰中帶同種極性電荷的粒子、中間產(chǎn)物的排斥作用,使火焰的穩(wěn)定性降低,火焰拉伸和振蕩加劇。同時受到火焰反應(yīng)區(qū)內(nèi)部帶異種電荷的粒子、中間產(chǎn)物、瞬間產(chǎn)物電場力的作用,以及火焰的卷吸作用使霧滴更易進入火焰內(nèi)部活性反應(yīng)區(qū)對火焰的蒸發(fā)吸熱作用增強。此外由于霧滴中極性相同的霧滴之間相互排斥,使水霧在空間的彌散程度增大,霧滴的粒徑更小,增加了霧滴與火焰的接觸面積,分散的霧滴更易蒸發(fā)吸熱,進一步起到抑制瓦斯爆炸火焰的作用。

對比圖3,4會發(fā)現(xiàn),火焰色溫的變化明顯,火焰陣面的破碎程度增加,火焰燃燒面積減少,說明荷電細水霧較普通細水霧對瓦斯爆炸火焰內(nèi)部溫度有更加明顯的降低作用,同時火焰鋒面的拉伸、撕裂現(xiàn)象更加突出。并且荷負電荷的細水霧較荷正電荷的細水霧對瓦斯爆炸火焰的抑制效果更加顯著,同時隨著荷電電壓的增大,荷電細水霧對瓦斯爆炸火焰的抑制作用明顯增強。這主要是由于霧滴通過電場后使細水霧霧滴的理化特性發(fā)生改變,荷負電荷的細水霧對爆炸火焰中的帶電離子的結(jié)合作用更強,并且隨著荷電電壓值的增大,細水霧霧滴的荷電量逐漸增加。荷電細水霧的荷電特性越來越明顯,使得其對瓦斯爆炸火焰的抑制作用增強。

3.2 荷電細水霧對瓦斯爆炸壓力的影響

在實驗過程中通過對所采集到的壓力數(shù)據(jù)進行處理分析,研究不同荷電電壓值對荷電細水霧的抑爆效果的影響,如圖5所示。

圖5 荷電細水霧作用下瓦斯爆炸壓力隨時間變化曲線Fig．5 Changes of explosion pressure with time under charged water mist

從圖5可以看出,在試驗過程中爆炸壓力曲線出現(xiàn)“雙峰”結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象主要是由于瓦斯爆炸火焰在從管段B沖破兩管段之間的隔膜進入管段A時的壓力波動造成的。從圖5可以明顯看出,荷電細水霧對瓦斯爆炸壓力衰減作用較普通細水霧更明顯,且荷負電荷的細水霧又較荷正電荷的細水霧對爆炸壓力的衰減作用明顯。

通過高頻壓力傳感器采集到的爆炸瞬間壓力數(shù)據(jù),可知當(dāng)對瓦斯爆炸火焰施加普通細水霧時瓦斯爆炸壓力峰值為35．356 kPa,當(dāng)施加荷正電荷的細水霧時,隨著所荷電壓值的增大,瓦斯爆炸壓力峰值逐漸降低為25．638,22．450,22．142,12．970 kPa,較普通細水霧分別下降了27．5%,36．5%,37．4%,63．3%。當(dāng)施加荷負電荷的細水霧時,隨著所荷電壓值的增大,瓦斯爆炸壓力峰值分別下降為23．972,21．654, 20．544,12．468 kPa,較普通細水霧下降 32．2%, 38．8%,41．9%,64．7%。通過計算得出施加普通細水霧時瓦斯爆炸波平均升壓速率為599．31 kPa/s,施加荷正電荷的細水霧時瓦斯爆炸波最大平均升壓速率為428．77 kPa/s,施加荷負電荷的細水霧時瓦斯爆炸波最大平均升壓速率為401．35 kPa/s。荷正、負電荷的細水霧較普通細水霧使瓦斯爆炸波平均升壓速率分別下降了28．46%和33．03%。

這種現(xiàn)象主要是由于荷電細水霧不僅具有普通細水霧對爆炸壓力波的阻礙作用[11],而且荷電細水霧較普通細水霧對火焰的降溫作用更加明顯,從而減少爆炸壓力波傳播所需要的能量。在施加荷負電荷的水霧時,爆炸壓力沖擊波在進入管段A時壓力曲線有一個大的下降幅度。這主要是由于瓦斯爆炸火焰中正離子數(shù)目較多,這些為數(shù)不多的正離子對瓦斯爆炸燃燒起著重要的作用。恰恰荷負電荷的細水霧霧滴不僅中和了爆炸燃燒反應(yīng)中的正離子,使爆炸火焰中正離子的濃度梯度降低[12],同時消耗了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程所需要的大量自由基,從而降低瓦斯爆炸反應(yīng)強度。

3.3 荷電細水霧對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

根據(jù)高速攝像儀記錄的瓦斯爆炸火焰陣面圖像的分幅照片,火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢愿鶕?jù)不同時間高速攝像儀拍攝的火焰陣面的位置變化,以及拍攝時間間隔進行計算。根據(jù)壓力變化曲線可以明顯看出,隨著荷電電壓的增大,荷電細水霧對瓦斯爆炸的抑制效果逐漸增強。所以通過計算分別研究了普通細水霧與荷±8 kV電壓的荷電細水霧分別作用時瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?guī)律,如圖6所示。

圖6 荷電細水霧作用下瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時間變化曲線Fig．6 Changes of gas explosion flame speed with time under charged water mist

圖6中起始階段火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€沒有發(fā)生重合主要是因為數(shù)據(jù)采集開始時發(fā)生的偏差造成的。圖6(a)中曲線1為普通細水霧作用下,瓦斯爆炸火焰通過隔膜后進入細水霧霧場區(qū)時的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€。由圖6(a)可知爆炸火焰波在未進入霧區(qū)時爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到71．03 m/s,而進入霧區(qū)后火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆档?3．87 m/s。從圖6(a)中可以明顯看出,當(dāng)瓦斯爆炸火焰經(jīng)過中間隔膜后進入細水霧霧區(qū)后速度突然有一個下降。這說明細水霧對瓦斯爆炸起到一定的抑制作用。圖6(a)中曲線2為瓦斯爆炸火焰波通過荷正電荷的細水霧霧場區(qū)時火焰速度的趨勢。由此可知在荷正電荷的細水霧作用下,瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆档?3．47 m/s。對比曲線1可以發(fā)現(xiàn)火焰進入荷正電荷的細水霧霧場區(qū)后速度明顯下降,下降幅度達到16．28%,同時對比圖6(b)曲線3會發(fā)現(xiàn)瓦斯爆炸火焰經(jīng)過荷負電荷的細水霧霧場區(qū)時,火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆禐?1．58 m/s,較普通細水霧下降了34．90%。

荷電細水霧較普通細水霧對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种谱饔酶黠@,這主要是因為荷電細水霧較普通細水霧不僅阻止已燃區(qū)火焰熱量對未燃區(qū)預(yù)混氣體的預(yù)熱,稀釋燃燒區(qū)的氧氣濃度,減少可燃氣體與氧氣結(jié)合的機會減慢化學(xué)反應(yīng)的進行,而且由于荷負電荷的水霧霧滴和瓦斯爆炸火焰中的帶電粒子以及自由基更加容易結(jié)合,從而降低已燃區(qū)的自由基以及帶電粒子向未燃區(qū)的擴散,降低粒子間的碰撞幾率,阻斷瓦斯氣體鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生,使火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@降低,火焰鋒面出現(xiàn)明顯的撕裂和卷曲[13]。

4 不同霧通量的荷電細水霧對瓦斯爆炸壓力影響分析

為了對荷電細水霧抑制瓦斯爆炸的有效性進行更加全面的研究,試驗對0,1,2,3,4,5 L六種不同體積的細水霧分別在未施加荷電電壓和施加+8 kV荷電電壓時對瓦斯爆炸壓力峰值的影響進行了研究,觀察不同霧通量對同一體積瓦斯爆炸的抑制效果,用Origin軟件對圖像處理得到3次擬合函數(shù),即

Y=A+B1X+B2X2+B3X3(1)

其中,X為不同細水霧通入體積;Y為瓦斯爆炸壓力峰值。并得到擬合曲線如圖7所示,擬合函數(shù)中不同字母對應(yīng)的參數(shù)見表1。

圖7 不同細水霧作用時瓦斯爆炸壓力峰值擬合曲線Fig．7 Polynomial fit of gas explosion pressure peak with different water mist

表1 不同細水霧作用時對應(yīng)參數(shù)Table 1 Parameters at different water mist

從圖7可以看出,隨著細水霧霧通量的增加,相同霧通量的荷電細水霧較普通細水霧使瓦斯爆炸壓力峰值分別下降了 12．44%,13．20%,21．69%, 30．22%,47．08%。說明隨著細水霧霧通量的增加,相同霧通量的荷電細水霧的抑爆性能較普通細水霧明顯增強,在實際應(yīng)用中隨著爆炸瓦斯體積的增大,為了實現(xiàn)一定的抑制效果施加的細水霧霧通量相應(yīng)增加,但由于荷電細水霧的抑爆效果隨著霧通量的增加而增強,所以荷電細水霧的施加量將更少。這主要是一方面由于隨著霧通量的增加,瓦斯氣體中水霧霧滴密度增大,單位體積內(nèi)與火焰鋒面作用的霧滴增多,霧滴對爆炸波的吸熱和阻擋作用明顯。另一方面由于荷電細水霧的單個霧滴所荷電荷量一定。隨著霧通量的增加,霧區(qū)中霧滴密度增大,霧滴整體荷電量明顯增加,受到靜電力的作用霧滴分散度更大。同時霧滴群對爆炸火焰反應(yīng)區(qū)中間產(chǎn)物以及帶電粒子的吸附作用增強,對燃燒反應(yīng)區(qū)中自由基的原有分布擾動作用增強。自由基與霧滴的碰撞銷毀作用更加明顯,荷電霧滴對爆炸燃燒火焰的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的干預(yù)作用增強,從而降低瓦斯爆炸反應(yīng)強度。

5 荷電細水霧抑爆機理探討

荷電細水霧的抑爆效果不僅具有傳統(tǒng)細水霧的冷卻、窒息、隔離等優(yōu)點,而且還具備了化學(xué)抑制效果和動力學(xué)效應(yīng)。

實驗研究表明在瓦斯爆炸和燃燒過程中帶電粒子的形成主要由以下幾個途徑:

在瓦斯爆炸燃燒化學(xué)反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量的帶未成對電子的自由基以及中間產(chǎn)物,這些中間產(chǎn)物和自由基作為活化中心參與瓦斯爆炸燃燒過程[14],促進基元的自由基反應(yīng)使爆炸反應(yīng)延續(xù)、加速和終止。荷電細水霧由于其特殊的理化特性,增加了自由基與霧滴的碰撞,同時由于在瓦斯爆炸過程中生成的初級正離子CHO+對爆炸燃燒進程有重要的作用,而荷負電荷的細水霧會與初級正離子發(fā)生中和作用,阻斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生,干擾燃燒爆炸反應(yīng)的進行。

根據(jù)瓦斯爆炸、燃燒過程是一個復(fù)雜的物理化學(xué)變化,同時伴隨著各種氧化還原反應(yīng)引起的火焰反應(yīng)區(qū)電子的得失和轉(zhuǎn)移[15]。本研究基于爆炸燃燒過程中產(chǎn)生的自由基,總體上均帶有電荷,且在燃燒或爆炸場中正、負電荷的總量是平衡的這一理論。通過施加荷電細水霧打破火焰?zhèn)鞑ブ械恼?、負離子以及電子、帶電中間粒子的平衡分布,加速荷電細水霧對極性不同的中間反應(yīng)粒子、瞬間產(chǎn)物、電子等的捕獲、吸附和中和作用,以及在微電場力作用下使火焰化學(xué)反應(yīng)區(qū)內(nèi)的粒子濃度和分布梯度減小,從而擾亂自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)達到抑制瓦斯爆炸的效果。

此外由于電場力的相互作用使荷電細水霧霧滴表面的黏滯阻力和張力減小,霧滴粒徑更小,霧滴在爆炸火焰中的分布更加均勻,與火焰鋒面的接觸面積更大,從而加速霧滴對反應(yīng)過程中熱量的吸收,減少反應(yīng)過程中的熱量。同時受到火焰化學(xué)反應(yīng)區(qū)中間產(chǎn)物和帶電粒子的電場力作用以及火焰的卷吸作用,使水霧更易進入爆炸火焰波中心,有效提高了霧滴與火焰中反應(yīng)粒子的結(jié)合,從而阻止反應(yīng)過程中活化分子的生成,進一步抑制燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生。

6 結(jié) 論

(1)自行設(shè)計搭建了荷電細水霧抑制瓦斯爆炸實驗平臺,并且將細水霧發(fā)生噴頭改裝為荷電細水霧發(fā)生噴頭。

(2)荷電細水霧較普通細水霧對瓦斯爆炸壓力、升壓速率以及火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种谱饔酶用黠@,對傳播火焰鋒面的抑制作用更加突出。并且隨著荷電電壓的增大,荷正電荷的細水霧使瓦斯爆炸壓力下降了63．3%、升壓速率下降了28．46%、火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆盗?6．28%。荷負電荷的細水霧使瓦斯爆炸壓力下降了64．7%、升壓速率下降了33．03%、火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆盗?4．9%。

(3)當(dāng)荷電電壓一定時,隨著荷電細水霧霧通量的增加,荷電細水霧對瓦斯爆炸燃燒的抑制作用增強。

(4)由于受到霧滴本身以及火焰中帶電粒子靜電場力的作用,荷電細水霧霧滴分布更加均勻、粒徑更小,更易進入爆炸燃燒火焰內(nèi)部,霧滴對火焰波中熱量的吸收增強。同時霧滴更易與火焰中的中間反應(yīng)物和活化自由基結(jié)合,干擾燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進行,從而抑制爆炸燃燒火焰的傳播,降低爆炸反應(yīng)強度。

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Experimental study on inhibiting the gas explosion by charged water mist

YU Ming-gao1,LIANG Dong-lin1,2,XU Yong-liang1,2,ZHENG Kai1,JI Wen-tao1
(1.School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China;2.State Key Laboratory of Coal Resource and Safe Mining,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

In order to study the inhibiting effect of charged water mist on gas explosion and the mechanism of explosion suppression,according to the principle of electrostatic induction,the small size generator of charged water mist was designed,and the inhibition of gas explosion by the charged water mist was experimentally investigated．The influence of speed and pressure on gas explosion was investigated under the charged water mist with the different charged polarity, charged voltage,and mist flux．The experimental results show that the charged water mist can effectively reduce the pressure peak of gas explosion and the propagation speed of flame than normal water mist,and with the increase of the charged voltage,the inhibiting effect of charged water mist on gas explosion is significantly enhanced．The negatively charged water mist has a better inhibitory effect on gas explosion than the positively charged water mist．When the charged voltage is 8 kV,the value of gas explosion pressure peak was reduced by 64．7%,the rate of pressure rise was reduced by 33．03%,and the propagation speed of flame was reduced by 34．9%under the charged water mist．

induction charging;charged water mist;gas explosion;inhibition

TD712．7

A

0253-9993(2014)11-2232-07

2013-11-11 責(zé)任編輯:畢永華

國家自然科學(xué)基金資助項目(U1361205);河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃資助項目(122300413210);中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室開放研究基金資助項目(12KF02)

余明高(1963—),男,四川瀘州人,教授,博士生導(dǎo)師。通訊作者:徐永亮(1983—),男,河南上蔡人,博士。E-mail:xylcumt@gmail．com

余明高,梁棟林,徐永亮,等．荷電細水霧抑制瓦斯爆炸實驗研究[J]．煤炭學(xué)報,2014,39(11):2232-2238．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1645

Yu Minggao,Liang Donglin,Xu Yongliang,et al．Experimental study on inhibiting the gas explosion by charged water mist[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(11):2232-2238．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2013．1645