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(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116)

荷電細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)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(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116)

為了研究荷電細(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸的抑制效果以及抑爆機(jī)理,根據(jù)靜電感應(yīng)原理,自行設(shè)計(jì)了小尺寸的荷電細(xì)水霧發(fā)生裝置,并開(kāi)展了荷電細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)分析了在不同荷電極性、荷電電壓以及霧通量下,荷電細(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憽＝Y(jié)果表明:荷電細(xì)水霧較普通細(xì)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(xì)水霧的抑爆效果顯著增強(qiáng)。同時(shí)荷負(fù)電荷的細(xì)水霧較荷正電荷的細(xì)水霧抑爆效果更好。當(dāng)荷電電壓為8 kV時(shí),荷電細(xì)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(xì)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(duì)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(shí)驗(yàn)研究表明,一定條件下的水霧對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑ネ瑯泳哂泻芎玫囊种菩Ч?/p>

為了進(jìn)一步提高細(xì)水霧的利用效率,改善細(xì)水霧的理化特性,王喜世、余明高等[1-2]對(duì)細(xì)水霧抑制火焰擴(kuò)散做了深入的研究。劉江虹等[3]就含添加劑的細(xì)水霧對(duì)甲烷空氣預(yù)混火焰的抑制效果進(jìn)行了研究,結(jié)果表明通過(guò)在細(xì)水霧中加入一定的添加劑可以提高細(xì)水霧對(duì)火焰的抑制能力。徐峰等[4]對(duì)細(xì)水霧應(yīng)用在抑制瓦斯爆炸方面進(jìn)行了研究。趙楓、王旭[5]對(duì)帶電細(xì)水霧的滅火效果進(jìn)行了研究,表明帶電細(xì)水霧較普通細(xì)水霧對(duì)油池火的熄滅效果更好。此外R．G．Maghirang等[6]用荷電細(xì)水霧進(jìn)行煙氣擴(kuò)散過(guò)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(dá)到除塵的目的。陳匯龍等[8]對(duì)感應(yīng)荷電噴霧靜電場(chǎng)與荷電特性進(jìn)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(duì)荷電細(xì)水霧應(yīng)用在抑制煤礦瓦斯爆炸領(lǐng)域的研究鮮見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。本文利用自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置,開(kāi)展荷電細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸有效性的試驗(yàn)研究,以分析荷電細(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸的影響。本研究對(duì)提高荷電細(xì)水霧瓦斯抑爆效率、促進(jìn)荷電細(xì)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(shí)意義。

1 荷電細(xì)水霧的發(fā)生方法

荷電細(xì)水霧即帶電細(xì)水霧,主要是通過(guò)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(shí)現(xiàn)其在特定領(lǐng)域的應(yīng)用。在本實(shí)驗(yàn)條件下所采用的細(xì)水霧荷電方法是通過(guò)感應(yīng)荷電法使霧滴荷上與放電電極極性相反的電荷。實(shí)驗(yàn)所用水霧霧滴平均粒徑為50 μm,標(biāo)準(zhǔn)狀況下荷電細(xì)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(shí)荷電細(xì)水霧的荷電效果最佳[9],同時(shí)避免了由于電極放電帶來(lái)的安全問(wèn)題。

在實(shí)驗(yàn)中由于選擇8 kV以上電壓值時(shí),電極發(fā)生放電現(xiàn)象,無(wú)法實(shí)現(xiàn)細(xì)水霧荷電,所以實(shí)驗(yàn)荷電電壓在0～8 kV之間調(diào)節(jié)。荷電細(xì)水霧感應(yīng)電壓的正負(fù)可以通過(guò)改變電極的不同接地方式實(shí)現(xiàn)。在本實(shí)驗(yàn)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(chǎng)區(qū),當(dāng)細(xì)水霧在通過(guò)電場(chǎng)時(shí)由于電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)離子的碰撞帶上一定量與放電電極極性相反的正負(fù)電荷,從而改變細(xì)水霧液滴的理化特性來(lái)提高抑爆效果。

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

2 荷電細(xì)水霧抑爆模擬系統(tǒng)

2.1 模擬裝置及系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)管道由長(zhǎng)為500 mm,壁厚為20 mm,截面為100 mm×100 mm的兩段方形的有機(jī)玻璃材質(zhì)管道組成。管道一端為電火花點(diǎn)火端,用法蘭螺釘密閉。另一端為活動(dòng)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(guò)一層0．31 mm的隔膜和法蘭螺釘將兩段管道分割開(kāi)。近點(diǎn)火端的B管段充入實(shí)驗(yàn)所需濃度的甲烷空氣預(yù)混氣體,隔膜后的A管段充入實(shí)驗(yàn)所要求的細(xì)水霧。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由管道、荷電細(xì)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(xì)水霧發(fā)生噴頭固定于A管道距活動(dòng)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(shí)間為0．1 ms,測(cè)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(hào),控制壓力和圖像采集初始時(shí)間點(diǎn),型號(hào)為RL-1。由德國(guó)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(xì)水霧下的傳播圖像特征,高速攝像速度為2 000幀/s。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中初始?jí)毫?．1 MPa,環(huán)境溫度為25℃。

2.2 測(cè)試步驟及過(guò)程

實(shí)驗(yàn)選取爆炸強(qiáng)度最大,放出熱量最多的甲烷體積分?jǐn)?shù)為9．5%的甲烷空氣預(yù)混氣體作為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中重點(diǎn)研究了進(jìn)入霧區(qū)的瓦斯爆炸火焰陣面的圖像特征。測(cè)試具體流程如下:

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置Fig．2 Schematic of the experimental system

(1)計(jì)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(jì)算甲烷體積分?jǐn)?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(jì)的流速分別為甲烷0．475 L/min和空氣4．525 L/min。打開(kāi)排氣閥門(mén)使充氣總量達(dá)到管道有效瓦斯容積的4倍左右,設(shè)定通氣時(shí)間為4 min。待達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的預(yù)混氣體濃度后關(guān)閉質(zhì)量流量計(jì)電源和排氣閥門(mén),同時(shí)斷開(kāi)管道與氣瓶的連接管。

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

(3)通過(guò)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(lái)獲得不同荷電效果的荷電細(xì)水霧。

通過(guò)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù),分析對(duì)比細(xì)水霧的荷電極性和荷電電壓值的不同對(duì)瓦斯爆炸燃燒火焰的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 荷電細(xì)水霧作用時(shí)瓦斯爆炸火焰圖像特征

通過(guò)高速攝像儀拍攝到瓦斯爆炸火焰經(jīng)過(guò)不同特性細(xì)水霧霧區(qū)時(shí)的火焰陣面圖像特征,實(shí)驗(yàn)選取32 ms時(shí)火焰在霧區(qū)中的傳播圖像進(jìn)行對(duì)比分析,如圖3,4所示。實(shí)驗(yàn)采集圖片的背景色為深藍(lán)色。通過(guò)對(duì)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(shí)放出長(zhǎng)波長(zhǎng)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(lán)色到紫色到最后看不見(jiàn)的紫外線,顏色在不斷的改變。

圖3 普通細(xì)水霧作用時(shí)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(xì)水霧荷不同負(fù)、正電壓時(shí)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(xì)水霧時(shí),瓦斯爆炸火焰通過(guò)霧場(chǎng)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(xì)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(shuō)明普通細(xì)水霧雖然對(duì)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(xì)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(fù)電荷和正電荷細(xì)水霧時(shí),瓦斯爆炸火焰通過(guò)霧場(chǎng)區(qū)時(shí)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(shuō)明爆炸火焰在通過(guò)荷電細(xì)水霧霧場(chǎng)區(qū)時(shí)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(xì)水霧通過(guò)荷不同電壓的電場(chǎng)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(shí)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(chǎng)力的作用,以及火焰的卷吸作用使霧滴更易進(jìn)入火焰內(nèi)部活性反應(yīng)區(qū)對(duì)火焰的蒸發(fā)吸熱作用增強(qiáng)。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(jìn)一步起到抑制瓦斯爆炸火焰的作用。

對(duì)比圖3,4會(huì)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(shuō)明荷電細(xì)水霧較普通細(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸火焰內(nèi)部溫度有更加明顯的降低作用,同時(shí)火焰鋒面的拉伸、撕裂現(xiàn)象更加突出。并且荷負(fù)電荷的細(xì)水霧較荷正電荷的細(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸火焰的抑制效果更加顯著,同時(shí)隨著荷電電壓的增大,荷電細(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸火焰的抑制作用明顯增強(qiáng)。這主要是由于霧滴通過(guò)電場(chǎng)后使細(xì)水霧霧滴的理化特性發(fā)生改變,荷負(fù)電荷的細(xì)水霧對(duì)爆炸火焰中的帶電離子的結(jié)合作用更強(qiáng),并且隨著荷電電壓值的增大,細(xì)水霧霧滴的荷電量逐漸增加。荷電細(xì)水霧的荷電特性越來(lái)越明顯,使得其對(duì)瓦斯爆炸火焰的抑制作用增強(qiáng)。

3.2 荷電細(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸壓力的影響

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)對(duì)所采集到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,研究不同荷電電壓值對(duì)荷電細(xì)水霧的抑爆效果的影響,如圖5所示。

圖5 荷電細(xì)水霧作用下瓦斯爆炸壓力隨時(shí)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(yàn)過(guò)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(jìn)入管段A時(shí)的壓力波動(dòng)造成的。從圖5可以明顯看出,荷電細(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸壓力衰減作用較普通細(xì)水霧更明顯,且荷負(fù)電荷的細(xì)水霧又較荷正電荷的細(xì)水霧對(duì)爆炸壓力的衰減作用明顯。

通過(guò)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(duì)瓦斯爆炸火焰施加普通細(xì)水霧時(shí)瓦斯爆炸壓力峰值為35．356 kPa,當(dāng)施加荷正電荷的細(xì)水霧時(shí),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(xì)水霧分別下降了27．5%,36．5%,37．4%,63．3%。當(dāng)施加荷負(fù)電荷的細(xì)水霧時(shí),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(xì)水霧下降 32．2%, 38．8%,41．9%,64．7%。通過(guò)計(jì)算得出施加普通細(xì)水霧時(shí)瓦斯爆炸波平均升壓速率為599．31 kPa/s,施加荷正電荷的細(xì)水霧時(shí)瓦斯爆炸波最大平均升壓速率為428．77 kPa/s,施加荷負(fù)電荷的細(xì)水霧時(shí)瓦斯爆炸波最大平均升壓速率為401．35 kPa/s。荷正、負(fù)電荷的細(xì)水霧較普通細(xì)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(xì)水霧不僅具有普通細(xì)水霧對(duì)爆炸壓力波的阻礙作用[11],而且荷電細(xì)水霧較普通細(xì)水霧對(duì)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(fù)電荷的水霧時(shí),爆炸壓力沖擊波在進(jìn)入管段A時(shí)壓力曲線有一個(gè)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(duì)瓦斯爆炸燃燒起著重要的作用。恰恰荷負(fù)電荷的細(xì)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(shí)消耗了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程所需要的大量自由基,從而降低瓦斯爆炸反應(yīng)強(qiáng)度。

3.3 荷電細(xì)水霧對(duì)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(shí)間高速攝像儀拍攝的火焰陣面的位置變化,以及拍攝時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)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(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸的抑制效果逐漸增強(qiáng)。所以通過(guò)計(jì)算分別研究了普通細(xì)水霧與荷±8 kV電壓的荷電細(xì)水霧分別作用時(shí)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?guī)律,如圖6所示。

圖6 荷電細(xì)水霧作用下瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時(shí)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(méi)有發(fā)生重合主要是因?yàn)閿?shù)據(jù)采集開(kāi)始時(shí)發(fā)生的偏差造成的。圖6(a)中曲線1為普通細(xì)水霧作用下,瓦斯爆炸火焰通過(guò)隔膜后進(jìn)入細(xì)水霧霧場(chǎng)區(qū)時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€。由圖6(a)可知爆炸火焰波在未進(jìn)入霧區(qū)時(shí)爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到71．03 m/s,而進(jìn)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(guò)中間隔膜后進(jìn)入細(xì)水霧霧區(qū)后速度突然有一個(gè)下降。這說(shuō)明細(xì)水霧對(duì)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(guò)荷正電荷的細(xì)水霧霧場(chǎng)區(qū)時(shí)火焰速度的趨勢(shì)。由此可知在荷正電荷的細(xì)水霧作用下,瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆档?3．47 m/s。對(duì)比曲線1可以發(fā)現(xiàn)火焰進(jìn)入荷正電荷的細(xì)水霧霧場(chǎng)區(qū)后速度明顯下降,下降幅度達(dá)到16．28%,同時(shí)對(duì)比圖6(b)曲線3會(huì)發(fā)現(xiàn)瓦斯爆炸火焰經(jīng)過(guò)荷負(fù)電荷的細(xì)水霧霧場(chǎng)區(qū)時(shí),火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆禐?1．58 m/s,較普通細(xì)水霧下降了34．90%。

荷電細(xì)水霧較普通細(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种谱饔酶黠@,這主要是因?yàn)楹呻娂?xì)水霧較普通細(xì)水霧不僅阻止已燃區(qū)火焰熱量對(duì)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?xì)怏w與氧氣結(jié)合的機(jī)會(huì)減慢化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行,而且由于荷負(fù)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(kuò)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(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸壓力影響分析

為了對(duì)荷電細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸的有效性進(jìn)行更加全面的研究,試驗(yàn)對(duì)0,1,2,3,4,5 L六種不同體積的細(xì)水霧分別在未施加荷電電壓和施加+8 kV荷電電壓時(shí)對(duì)瓦斯爆炸壓力峰值的影響進(jìn)行了研究,觀察不同霧通量對(duì)同一體積瓦斯爆炸的抑制效果,用Origin軟件對(duì)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(xì)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(duì)應(yīng)的參數(shù)見(jiàn)表1。

圖7 不同細(xì)水霧作用時(shí)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(xì)水霧作用時(shí)對(duì)應(yīng)參數(shù)Table 1 Parameters at different water mist

從圖7可以看出,隨著細(xì)水霧霧通量的增加,相同霧通量的荷電細(xì)水霧較普通細(xì)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(shuō)明隨著細(xì)水霧霧通量的增加,相同霧通量的荷電細(xì)水霧的抑爆性能較普通細(xì)水霧明顯增強(qiáng),在實(shí)際應(yīng)用中隨著爆炸瓦斯體積的增大,為了實(shí)現(xiàn)一定的抑制效果施加的細(xì)水霧霧通量相應(yīng)增加,但由于荷電細(xì)水霧的抑爆效果隨著霧通量的增加而增強(qiáng),所以荷電細(xì)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(duì)爆炸波的吸熱和阻擋作用明顯。另一方面由于荷電細(xì)水霧的單個(gè)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(shí)霧滴群對(duì)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(qiáng),對(duì)燃燒反應(yīng)區(qū)中自由基的原有分布擾動(dòng)作用增強(qiáng)。自由基與霧滴的碰撞銷毀作用更加明顯,荷電霧滴對(duì)爆炸燃燒火焰的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的干預(yù)作用增強(qiáng),從而降低瓦斯爆炸反應(yīng)強(qiáng)度。

5 荷電細(xì)水霧抑爆機(jī)理探討

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

實(shí)驗(yàn)研究表明在瓦斯爆炸和燃燒過(guò)程中帶電粒子的形成主要由以下幾個(gè)途徑:

在瓦斯爆炸燃燒化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的帶未成對(duì)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(guò)程[14],促進(jìn)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(xì)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(shí)由于在瓦斯爆炸過(guò)程中生成的初級(jí)正離子CHO+對(duì)爆炸燃燒進(jìn)程有重要的作用,而荷負(fù)電荷的細(xì)水霧會(huì)與初級(jí)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(jìn)行。

根據(jù)瓦斯爆炸、燃燒過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)變化,同時(shí)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(guò)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(chǎng)中正、負(fù)電荷的總量是平衡的這一理論。通過(guò)施加荷電細(xì)水霧打破火焰?zhèn)鞑ブ械恼?、?fù)離子以及電子、帶電中間粒子的平衡分布,加速荷電細(xì)水霧對(duì)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(chǎng)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(dá)到抑制瓦斯爆炸的效果。

此外由于電場(chǎng)力的相互作用使荷電細(xì)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(duì)反應(yīng)過(guò)程中熱量的吸收,減少反應(yīng)過(guò)程中的熱量。同時(shí)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(chǎng)力作用以及火焰的卷吸作用,使水霧更易進(jìn)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(guò)程中活化分子的生成,進(jìn)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(jì)搭建了荷電細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并且將細(xì)水霧發(fā)生噴頭改裝為荷電細(xì)水霧發(fā)生噴頭。

(2)荷電細(xì)水霧較普通細(xì)水霧對(duì)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(duì)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(xì)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(fù)電荷的細(xì)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(shí),隨著荷電細(xì)水霧霧通量的增加,荷電細(xì)水霧對(duì)瓦斯爆炸燃燒的抑制作用增強(qiáng)。

(4)由于受到霧滴本身以及火焰中帶電粒子靜電場(chǎng)力的作用,荷電細(xì)水霧霧滴分布更加均勻、粒徑更小,更易進(jìn)入爆炸燃燒火焰內(nèi)部,霧滴對(duì)火焰波中熱量的吸收增強(qiáng)。同時(shí)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(jìn)行,從而抑制爆炸燃燒火焰的傳播,降低爆炸反應(yīng)強(qiáng)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1361205);河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(122300413210);中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金資助項(xiàng)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(xì)水霧抑制瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)研究[J]．煤炭學(xué)報(bào),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