細(xì)水霧粒度對瓦斯抑爆效果的影響研究

薛少謙，黃子超

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

細(xì)水霧粒度對瓦斯抑爆效果的影響研究

薛少謙，黃子超

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

細(xì)水霧作為抑爆介質(zhì)具有高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多的重視。以透明管道為基礎(chǔ)搭建了細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過改變噴嘴個(gè)數(shù)、噴霧壓力研究了不同細(xì)水霧流量、粒度對瓦斯爆炸上限的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)物理模型，進(jìn)行了細(xì)水霧與瓦斯燃燒爆炸相互作用過程的數(shù)值模擬。結(jié)果表明：隨著細(xì)水霧粒度變小，瓦斯爆炸上限降低，水霧粒度與爆炸上限呈一階增加指數(shù)關(guān)系；細(xì)水霧粒度相對水霧流量在抑制瓦斯爆炸過程中起主導(dǎo)作用，190 μm左右的細(xì)水霧粒度具有更好的抑爆效果。研究得出的規(guī)律性結(jié)論可以為細(xì)水霧抑爆技術(shù)及裝備的研究提供理論基礎(chǔ)。

細(xì)水霧粒度；噴霧壓力；爆炸上限；抑爆效果；數(shù)值模擬

0 引 言

中國是世界第一產(chǎn)煤大國，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年原煤產(chǎn)量38.7億t，目前共有煤礦1.1萬余處。同時(shí)，中國也是煤礦災(zāi)害較為嚴(yán)重的國家之一，瓦斯問題尤為突出，爆炸災(zāi)害事故造成了大量人員傷亡。雖然隨著煤礦安全監(jiān)察體系的逐步健全與完善，安全投入的逐年增加，煤礦百萬噸死亡率逐年下降，但是瓦斯煤塵爆炸事故仍時(shí)常發(fā)生，全國共發(fā)生一次死亡10人以上的重特大事故起數(shù)、死亡人數(shù)都沒有明顯的下降。

隔抑爆技術(shù)是防治瓦斯煤塵爆炸的有效措施之一，而水是目前應(yīng)用最為廣泛也最為有效的抑爆介質(zhì)之一。水作為抑爆介質(zhì)具有清潔、高效、低成本的特點(diǎn)，受到越來越多的重視?，F(xiàn)有煤礦井下大量使用的被動(dòng)式隔（抑）爆設(shè)備，如水袋棚、水槽棚，都以水為抑爆介質(zhì)；低濃度瓦斯管道輸送中使用的水封阻火裝置也利用水作為介質(zhì)阻斷瓦斯爆炸沖擊波及火焰的傳播。水以細(xì)水霧形式作為抑爆介質(zhì)有著更好的隔抑爆效果，英國研制的MK-Ⅱ型自動(dòng)抑爆裝置以壓縮空氣推動(dòng)活塞噴水進(jìn)行抑爆[1-2]。國內(nèi)以往的研究主要關(guān)注爆炸發(fā)生后細(xì)水霧對爆炸傳播火焰、沖擊波及溫度等傳播參數(shù)影響及影響規(guī)律，很少有人對細(xì)水霧抑制爆炸的產(chǎn)生作較深入的研究[3-5]。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及裝置

論文自行設(shè)計(jì)了一套細(xì)水霧抑爆系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由透明管道、水霧發(fā)生器、高速攝影儀及供水設(shè)施組成，如圖1所示。

透明管道采用特種玻璃加工成方形試驗(yàn)管道，管道長1.2 m，外邊長400 mm，壁厚40 mm，承壓2.5 MPa.管道一端為封閉端，另一端與水霧發(fā)生器相連。管道上壁面開有充氣孔，兩側(cè)壁面連接攪拌循環(huán)系統(tǒng)。

水霧發(fā)生器外殼是長約200 mm的方形鋼管，鋼管一端連接透明管道，另一端用聚乙烯塑料膜封閉形成爆炸室。水霧發(fā)生器開孔布置3個(gè)無縫鋼管分管，通過轉(zhuǎn)接口分別安裝噴嘴，噴嘴在管道橫截面均勻布置，噴嘴口與管道方向一致，朝向點(diǎn)火源。水霧發(fā)生器安裝電子流量計(jì)、壓力表，可觀測、調(diào)節(jié)單個(gè)噴嘴噴霧的流量、壓力。

高速攝像儀拍攝燃燒、爆炸產(chǎn)生及傳播過程，拍攝速率為1 000 fps.供水設(shè)施主要由水池、水泵及高壓膠管等組成，滿足試驗(yàn)水霧流量需求。

圖1 細(xì)水霧抑爆系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch for explosion suppression system of water mist

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 細(xì)水霧粒度對爆炸上限的影響

根據(jù)已建立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究細(xì)水霧粒度對瓦斯爆炸上限的影響。首先研究單個(gè)噴嘴在0.5 MPa噴霧壓力下瓦斯爆炸上限值。常規(guī)條件下爆炸極限范圍是5%～16%，但在甲烷濃度為16%時(shí)，試驗(yàn)3次均發(fā)生了爆炸，在濃度18%時(shí)3次試驗(yàn)均未發(fā)生爆炸。遞減瓦斯?jié)舛龋?7.7%濃度的混合氣體試驗(yàn)3次均未發(fā)生爆炸；17.5%濃度的氣體試驗(yàn)3次發(fā)生1次爆炸，計(jì)算得出爆炸極限為17.6%.表1為單個(gè)噴嘴、0.5 MPa噴霧壓力下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 單個(gè)噴嘴、0.5 MPa噴霧壓力下瓦斯爆炸上限試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用同樣的實(shí)驗(yàn)方法，分別實(shí)驗(yàn)測試單個(gè)噴嘴1.0，1.5，2.0，2.5 MPa噴霧壓力下瓦斯爆炸上限值，同時(shí)把噴霧壓力對應(yīng)成水霧粒度，見表2.

表2 單個(gè)噴嘴、不同噴霧壓力（不同粒度）下瓦斯爆炸上限

根據(jù)表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將不同粒度下的瓦斯爆炸上限繪制于坐標(biāo)軸，并將數(shù)據(jù)擬合。

圖2 細(xì)水霧粒度與瓦斯爆炸上限關(guān)系變化曲線Fig.2 Relation curve between water mist particle diameter and gas explosion upper limit

y=y0+A1e-x/t1,R2=0.989 9（x<269 μm）.

（1）

式中y0為瓦斯爆炸上限，%；x為細(xì)水霧粒度，μm；A1為指數(shù)函數(shù)系數(shù)（0.546 18）；t1為線性函數(shù)系數(shù)（-126.275）；R2為相關(guān)性系數(shù)。

表3 擬合函數(shù)各參數(shù)對照表

從圖2可以看出，隨著噴霧壓力的增大，水霧粒度變小，瓦斯爆炸上限降低。粒度和爆炸上限之間呈一階指數(shù)函數(shù)增加關(guān)系。通常認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)條件瓦斯爆炸上限為16%，試驗(yàn)中0.5MPa（粒度269μm）、1MPa（粒度245μm）及1.5MPa（粒度228μm）噴霧壓力下爆炸上限值均超過了16%，說明在一定條件細(xì)水霧噴霧下，爆炸反應(yīng)在上限附近得到了加劇。

當(dāng)細(xì)水霧粒度減小到一定界限時(shí)，細(xì)水霧蒸發(fā)速度更快，水蒸氣隔絕甲烷、氧氣速率更快，氧氣濃度已降低至能使瓦斯爆炸的界限之外，失去爆炸性。所以，噴霧壓力大于2.0MPa（粒度210μm）時(shí)，瓦斯爆炸上限均在16%以下。

2.2 細(xì)水霧粒度與流量對瓦斯爆炸上限影響的對比分析

研究細(xì)水霧流量對爆炸上限的影響，在1.0MPa噴霧壓力下，水霧粒度不變，分別試驗(yàn)1個(gè)噴嘴、2個(gè)噴嘴及3個(gè)噴嘴噴霧時(shí)流量變化引起的瓦斯爆炸上限變化。見表4.

表4 1 MPa噴霧壓力、不同噴嘴數(shù)目瓦斯?jié)舛缺ㄉ舷?/p>

從表4可知，在水霧流量較小時(shí)范圍內(nèi)，瓦斯爆炸上限大于16%，然后隨著水霧流量增大，爆炸上限逐漸下降到低于16%.為了對比細(xì)水霧粒度與流量對爆炸上限的影響關(guān)系，將表2和表4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制于同一坐標(biāo)軸內(nèi)，進(jìn)行對比分析，如圖3所示。

圖3 改變噴霧壓力、噴嘴個(gè)數(shù)對瓦斯爆炸上限的影響對比Fig.3 Contrast of upper explosive limit influenced by pressure or nozzle number

從圖3可看出，增加噴霧壓力導(dǎo)致的流量變化使瓦斯爆炸上限下降很快，而增加噴嘴個(gè)數(shù)導(dǎo)致的流量變化使瓦斯爆炸上限下降較慢。因?yàn)樵黾訃婌F壓力，流量增大的同時(shí)伴隨著水霧粒度變小。2.5 MPa噴霧壓力下水霧流量為21.77 L/min，爆炸上限為15.5%；1.0 MPa噴霧壓力下，2個(gè)噴嘴的流量為25.58 L/min，爆炸上限為16.2%.前一種水霧作用方式比后一種的水霧流量小，確使“爆炸上限”下降超過第二種0.7%.主要原因是水霧粒度的差異，前者為190 μm，后者為245 μm.相同水霧粒度下，1個(gè)噴嘴的流量為13.64 L/min，爆炸上限為16.8%，2個(gè)噴嘴的流量 25.58 L/min，爆炸上限為16.2%，流量增加了一倍，但“爆炸上限”僅下降0.6%.通過兩方面的比較，說明細(xì)水霧粒度在使爆炸上限下降過程起了重要作用，粒度越小，爆炸上限越低。細(xì)水霧影響瓦斯爆炸上限水霧參數(shù)中，粒度起主要作用，流量起次要作用。

3 數(shù)值模擬研究及結(jié)果分析

3.1 細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸作用過程

根據(jù)已搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)創(chuàng)建作為物理模型，通過數(shù)值模擬研究可以清晰的看出瓦斯燃燒爆炸火焰周圍水蒸氣的分布狀況[7-10]。圖4為濃度為8%的瓦斯氣體在爆炸過程中與細(xì)水霧的相互作用過程，從點(diǎn)火開始到點(diǎn)火后150 ms選取了6個(gè)時(shí)間點(diǎn)來分析細(xì)水霧的抑爆過程，其中（a）～（f）為瓦斯爆炸過程火焰溫度的變化過程。模擬過程在右端壓力出口處設(shè)置面射流源，射流源從高溫點(diǎn)火時(shí)刻以20 m/s速度、質(zhì)量流率為0.5 kg/s開始噴射平均直徑為269 μm的細(xì)水霧顆粒。

圖4 細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸過程Fig.4 Process of water mist inhibiting gas explosion

從圖4中火焰發(fā)展變化過程可以看出，在點(diǎn)火初級階段，火焰以點(diǎn)火區(qū)域?yàn)橹行南蛩闹荛_始蔓延，由于管道右端是開口，受湍流機(jī)制的影響，火焰向開口端發(fā)展的趨勢要更強(qiáng)烈一些，因此右端的火焰區(qū)域要更大。在點(diǎn)火60 ms時(shí)刻，細(xì)水霧顆粒與爆炸火焰前端區(qū)域產(chǎn)生作用，前端火焰溫度由2 600 K左右快速下降到1 700 K左右。隨著噴射源持續(xù)噴射細(xì)水霧，火焰前端區(qū)域細(xì)水霧質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，單位時(shí)間蒸發(fā)掉的細(xì)水霧顆粒迅速增加，火焰溫度迅速下降，在90 ms時(shí)刻火焰最高溫度下降到1 300 K左右。在爆炸反應(yīng)120 ms后，火焰最高溫度下降到650 K左右，瓦斯爆炸基本被抑制，在150 ms時(shí)，管道內(nèi)氣體溫度降為300 K左右，遠(yuǎn)低于瓦斯發(fā)生燃燒爆炸的最低著火溫度。在90 ms以后，細(xì)水霧顆粒軌跡到達(dá)管道封閉端，顆粒在封閉端及兩幫壁面發(fā)生反射，反射細(xì)水霧、持續(xù)推進(jìn)細(xì)水霧與連續(xù)相發(fā)生作用，使連續(xù)相溫度分布產(chǎn)生褶皺和擾動(dòng)。

3.2 細(xì)水霧粒度對抑爆效果的影響

在射流源速度為20 m/s，質(zhì)量流率為0.5 kg/s的條件下考察了100，190，228，269 μm等4種條件細(xì)水霧粒度直徑的抑爆效果，比較不同條件不同時(shí)刻火焰溫度變化情況。

從圖5可以看出，不同細(xì)水霧粒度直徑作用下爆炸火焰溫度均快速下降，但細(xì)水霧在不同的粒度條件下抑爆滅火效果不同，在模擬的工況條件下，細(xì)水霧粒度為190 μm時(shí)，抑爆滅火效果優(yōu)于其他細(xì)水霧粒度條件。

圖5 不同細(xì)水霧粒度條件下火焰溫度變化曲線圖Fig.5 Flame temperature change curve under conditions of different water mist particle size

在相同的作用時(shí)間、作用方式條件下，細(xì)水霧的粒度越小，火焰溫度降低得越快，抑爆效果越好，反之亦然?？紤]到離散相介質(zhì)的重力作用，細(xì)水霧顆粒在火焰區(qū)停留的時(shí)間是一定的，直徑越小的霧滴在火焰區(qū)的停留時(shí)間越長，越有利于細(xì)水霧發(fā)揮抑爆滅火效果。而且細(xì)水霧粒度越小，越有利于霧滴的蒸發(fā)吸熱，從而降低火焰區(qū)的溫度，而粒度較大的細(xì)水霧顆粒蒸發(fā)吸熱相對較慢[11-14]。

細(xì)水霧的生存時(shí)間是影響細(xì)水霧抑爆效果的另一個(gè)重要指標(biāo)參數(shù)，根據(jù) Andersson提出的經(jīng)驗(yàn)式[15]，直徑100 μm到1 000 μm 的細(xì)水霧霧滴的生存時(shí)間如式

（2）

式中 D為細(xì)水霧粒度，m；Le為水的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg；ΔT為細(xì)水霧霧滴與爆炸后流場的溫差，℃；ρ為水的密度，kg/m3； Kg為環(huán)境空氣的熱導(dǎo)率，W/m·℃；C2為常數(shù)，m-1.

根據(jù)上式可知，細(xì)水霧的生存時(shí)間隨霧滴直徑的減小和環(huán)境溫度的升高而快速減小。爆炸火焰的熱力作用會(huì)使空氣的溫度增高而發(fā)生膨脹，密度較小的熱空氣會(huì)產(chǎn)生向外擴(kuò)散的浮力，粒度很小的細(xì)水霧會(huì)在火焰浮力的高溫羽流中完全蒸發(fā)掉，從而降低了落入著火區(qū)域的細(xì)水霧密度，不能起到冷卻火焰區(qū)內(nèi)部的作用[16]。故在一定范圍內(nèi)，細(xì)水霧粒度越大，生存時(shí)間越長，越有利于霧滴蒸發(fā)吸熱。

細(xì)水霧的抑爆效果并非霧滴直徑越小越好，也并非越大越好，根據(jù)細(xì)水霧霧滴在火焰區(qū)停留時(shí)間、生存時(shí)間正反兩方面的影響，其存在一個(gè)相對最優(yōu)值，論文在建立的管道模型及模擬工況條件下得出，細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸的最佳粒度在190μm左右。

4 結(jié) 論

1）對單個(gè)噴嘴不同細(xì)水霧粒度瓦斯爆炸上限進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，隨著粒度直徑的減小，瓦斯爆炸上限降低。在試驗(yàn)條件下一定范圍內(nèi)，細(xì)水霧粒度與爆炸上限呈一階指數(shù)增加函數(shù)關(guān)系。細(xì)水霧粒度≥228μm時(shí)爆炸上限值均超過了16%，粒度≤210μm時(shí)爆炸上限低于16%；

2） 分別通過改變噴霧壓力、噴嘴個(gè)數(shù)來改變噴霧流量對比研究細(xì)水霧粒度與流量對瓦斯爆炸上限的影響。研究得出，水霧粒度在抑制爆炸反應(yīng)中起主要作用，流量起次要作用；

3）細(xì)水霧顆粒在火焰鋒面迅速蒸發(fā)，火焰溫度隨之迅速下降。質(zhì)量流為0.5kg/s，噴射速度為20m/s的細(xì)水霧與濃度8.0%的瓦斯爆炸相互作用，在120ms時(shí)火焰最高溫度下降到650K左右，低于瓦斯爆炸的最低著火溫度，在150ms時(shí)爆炸區(qū)域溫度分布在300K左右；

4）細(xì)水霧粒度大小決定了霧滴穿透火焰區(qū)的能力和在火焰區(qū)中滯留的時(shí)間。粒度大小對瓦斯爆炸的滅火效果存在正反2方面的作用，在模擬的工況條件下，細(xì)水霧粒度在 190μm左右時(shí)抑爆滅火效果最好。

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Impact of water mist particle size on gas explosion suppression effect

XUE Shao-qian，HUANG Zi-chao

（ChongqingResearchInstituteofChinaCoalTechnologyEngineeringGroup，Chongqing400037,China）

Explosion suppression medium water mist has the advantages of high efficiency and environmental protection，receiving more and more attention.In this paper，we build the experimental platform on water mist suppressing gas explosion，based on the transparent pipeline.We studied the impact of gas upper explosion limit under different water mist flow and particle size，by changing the number of nozzles and spray pressure.According to experimental physics model，we did numerical simulation on the interaction process of water mist and gas explosion.Study found that with the decrease of water mist particle size，gas upper explosion limit reduce，water mist particle size and the gas upper explosion limit have first-order increasing exponential relationship.Relative to water mist flow，water mist particle size plays a dominant role in the process of suppressing gas explosion.Water mist particle size of about 190 μm has better explosion suppression effect.The regularity conclusions of the study can provide a theoretical basis for the study of mist explosion suppression technology and equipment.

water mist particle size；spray pressure；upper explosion limit；explosion suppression effect；numerical simulation

2015-05-10 責(zé)任編輯：劉 潔

薛少謙（1980-），男，陜西韓城人，副研究員，E-mail:460755817@qq.com

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0519

1672-9315（2015）05-0644-06

TD 712

A