氮氣阻化細(xì)水霧霧化特性研究

趙乾坤，任萬興，2，石晶泰(.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 226；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室，江蘇 徐州 226)

氮氣阻化細(xì)水霧霧化特性研究

趙乾坤1，任萬興1，2，石晶泰1
(1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

汽霧阻化是使阻化液霧化后進(jìn)入采空區(qū)阻止煤氧化、防止采空區(qū)煤炭自然發(fā)火的技術(shù)。針對現(xiàn)有霧化技術(shù)噴嘴易堵塞、動力不足及霧化量有限的缺點和不足，構(gòu)建新型霧化實驗系統(tǒng)，通過理論和實驗分析，對霧化參數(shù)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：①氣體流量和氣體壓力，水流量和水壓基本為線性關(guān)系，且不同初始設(shè)定壓力下變化趨勢相似；②不同初始壓力下，細(xì)水霧的粒徑隨氣體流量的增大而減小，細(xì)水霧的粒徑隨氣體壓力、水流量和水壓的增大而增大；③在初始壓力P一定條件下，霧化裝置存在霧化的臨界氣壓和水壓，當(dāng)水流量水壓很小時，水壓不足以克服喉管處氣體壓力進(jìn)入霧化裝置霧化，細(xì)水霧產(chǎn)霧量為0的壓力值并非其臨界壓力，氮氣阻化細(xì)水霧臨界水壓要高于正常產(chǎn)霧情況下的最低水壓。本文研究成果將豐富細(xì)水霧防滅火方面的理論和實驗研究，推動氮氣阻化細(xì)水霧在煤礦防滅火領(lǐng)域的應(yīng)用。

汽霧阻化；霧化特性；粒度

汽霧阻化是把阻化液霧化后在漏風(fēng)風(fēng)流的作用下進(jìn)入采空區(qū)阻止煤氧化進(jìn)而防治采空區(qū)煤炭自然發(fā)火的一種技術(shù)。阻化汽霧的作用主要體現(xiàn)在：一是增加漏風(fēng)風(fēng)流中的水分，降低采空區(qū)和煤體的溫度；二是氣霧附著在煤體上，會在其表面形成阻化液膜，增加了煤體的外在水分，抑制煤的氧化[1-4]。雖然該技術(shù)已得到廣泛的應(yīng)用，但是仍然存在一些缺點。一是該技術(shù)通常利用微孔噴嘴在高壓驅(qū)動的條件下產(chǎn)霧，由于井下水質(zhì)較差且阻化液容易腐蝕管路或阻化液箱，造成噴嘴容易堵塞；二是汽霧僅靠漏風(fēng)帶入采空區(qū)，動力不足，水霧擴散范圍有限；三是霧化量有限，針對火勢發(fā)展迅速或者已封閉的火區(qū)，該技術(shù)提供的汽霧量難以滿足滅火降溫的要求[5-8]。

針對以上不足，本文開展了氮氣阻化細(xì)水霧霧化特性研究。首先在實驗室構(gòu)建了由水泵、空壓機、流量計等設(shè)備組成的氮氣細(xì)水霧的制備與實驗系統(tǒng)，然后通過理論和實驗分析，進(jìn)行霧化參數(shù)等實驗研究，本文研究對豐富氮氣阻化細(xì)水霧技術(shù)在煤礦防滅火領(lǐng)域的理論和實驗研究，提高礦井內(nèi)外因防滅火效果，擴大細(xì)水霧的應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要的意義。

1 氮氣阻化細(xì)水霧實驗系統(tǒng)設(shè)計

氮氣阻化細(xì)水霧霧化特性關(guān)鍵參數(shù)為細(xì)水霧的粒度分布，為了實現(xiàn)對細(xì)水霧粒度的實時測量，本文研究建立了細(xì)水霧霧化特性研究實驗系統(tǒng)，氮氣阻化細(xì)水霧動力主要來源于高壓氮氣，由于空氣中78%為氮氣，為了實驗系統(tǒng)更加簡潔方便，直接采用高壓空氣作為氮氣阻化細(xì)水霧的動力，研究氮氣阻化細(xì)水霧霧化特性。

實驗系統(tǒng)由空氣壓(氮氣)縮機、氣體流量計、氣體壓力表、細(xì)水霧發(fā)生裝置，儲水罐、水泵、水壓表以及液體流量計等部件組成，制備系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 氮氣阻化細(xì)水霧實驗系統(tǒng)

實驗區(qū)氮氣阻化細(xì)水霧測試部分采用分體式激光粒度分析儀實時在線測量系統(tǒng)產(chǎn)生細(xì)水霧的粒度分布。

2 氮氣阻化細(xì)水霧粒度分布的實驗研究

本實驗旨在研究氮氣阻化細(xì)水霧霧化程度在水和氣各種參數(shù)變化下的規(guī)律，實驗選取霧化粒度分布作為主要霧化特征參數(shù)，研究入口氣體壓力和流量以及水流量和水壓對氮氣阻化細(xì)水霧的影響規(guī)律。為了研究氮氣阻化細(xì)水霧霧化粒度分布這一關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)圖2所示實驗設(shè)備布置，采用控制變量的方式分別測得氣、液特征參數(shù)的變化以及細(xì)水霧在噴嘴出口處1 m處的粒度分布。

圖2 實驗設(shè)備布置圖

使用inne318c激光粒度分析儀對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由于winner328c儀器測量精度較高，實驗用氣壓表、水壓表以及流量計等測量儀器精度有限，為了試驗數(shù)據(jù)的記錄和后期處理的方便，在實驗精度允許條件下粒徑精度精確到個位數(shù)。

2.1 霧化粒徑以及氣、水特征參數(shù)之間的相互關(guān)系

2.1.1 氣、水特征參數(shù)之間的關(guān)系

從圖3和圖4可以看出，氣體流量和氣體壓力，水流量和水壓基本為線性關(guān)系，且不同初始設(shè)定壓力下變化趨勢相似。氣體流量升高氣體壓力有規(guī)律的下降，水流量升高水壓有規(guī)律下降。這是由于在初始壓力不變條件下(調(diào)壓閥閥門不變)，水流量和水壓增大導(dǎo)致霧化裝置喉管處氣體壓力與水壓的壓差減小，相應(yīng)的氣體流量減小，氣體流量減小情況下在初始調(diào)壓閥閥門不變情況下氣壓就會上升。由于霧化裝置以及實驗管路尺寸并沒有變化，所以流量的變化帶來的是相應(yīng)斷面處流體流速的變化，所以變化關(guān)系基本呈線性變化。

2.1.2 不同初始?xì)鈮簩?xì)水霧霧化粒徑的影響

初始壓力越高，相同流量條件下細(xì)水霧的粒徑越小，這是由于初始壓力較大喉管處氣體氣體壓力就較大，霧化效果越充分。從圖5中可以看出，壓力增大到一定程度時，細(xì)水霧粒徑的變化幅度越來愈小，所以氣體初始壓力越大細(xì)水霧粒徑越小，但是并不是初始壓力越大越好，壓力增大到0.1 MPa以上時細(xì)水霧粒徑變化非常小。

這說明一定流量的液體霧化需要一定能量，當(dāng)霧化裝置內(nèi)壓縮空氣的流量足夠提供一定流量的液柱霧化所需能量時霧化后粒徑基本差別不大，含有大量霧化剩余能量的壓縮空氣通過噴頭噴射到外界空氣中用于水霧的二次和三次霧化以及水霧動能的增加。所以，根據(jù)實驗結(jié)果，本實驗裝置霧化所需初始?xì)怏w壓力大于0.1 MPa即可，水流量不超過600 L/h時其霧化效果非常好。

圖3 氣體流量與氣體壓力的關(guān)系

圖4 水流量與水壓的關(guān)系

2.1.3 不同初始?xì)鈮合录?xì)水霧霧化粒徑與氣體流量之間的關(guān)系

不同初始壓力下，細(xì)水霧的粒徑隨氣體流量的增大而減小，由于氮氣阻化細(xì)水霧其霧化機理是利用高壓氣體撞擊液柱產(chǎn)生細(xì)水霧，因此在裝置管路尺寸不變的條件下氣體流量越大其霧化效果越好，通過圖6中也可以看出，當(dāng)氣體流量在0.2～0.4 m3/min之間變化時細(xì)水霧粒徑變化不大，當(dāng)氣體流量低于0.2 m3/min時，細(xì)水霧粒徑變化趨勢非常大，基本屬于一個突然增大的趨勢，通過V50和V99的值可以看出得當(dāng)氣體流量低0.2 m3/min時，兩者差值變大，水霧霧化不均勻。這是由于氣體流量接近或者低于臨界流量時，霧化裝置喉管處氣體所具有的動能并不能充分霧化水柱，大量未霧化的液柱通過噴頭噴出，所以其霧化粒徑非常不均勻。從圖中可以看出，本實驗霧化裝置隨著初始?xì)鈮涸龃?，其霧化零界流量也會增大，當(dāng)初始?xì)鈮喝?.1 MPa時，氣體流量取0.04 m3/min其霧化效果最好。

圖5 進(jìn)水流量為200 L/h時不同初始壓力下細(xì)水霧的粒徑

圖6 細(xì)水霧粒徑與氣體流量的關(guān)系

2.1.4 不同初始?xì)鈮合录?xì)水霧霧化粒徑與氣體壓力之間的關(guān)系

不同初始壓力下，細(xì)水霧的粒徑隨氣體壓力的增大而增大，氣體壓力對細(xì)水霧粒徑的影響關(guān)系與氣體流量相反，在初始壓力一定條件下，流量的減小壓力就會增大，見圖7。不同初始壓力條件下細(xì)水霧粒徑的變化趨勢基本相同。

圖7 細(xì)水霧粒徑與氣體壓力的關(guān)系

2.1.5 不同初始?xì)鈮合录?xì)水霧霧化粒徑與水的流量之間的關(guān)系

不同初始壓力下，細(xì)水霧的粒徑隨水流量的增大而增大，水流量增大情況下，其霧化所需能量就越大，需要的氣體流量也就越大，所以當(dāng)氣體流量不增大的情況下水流量的增大必然會導(dǎo)致霧化后水霧粒徑的增加，從圖8中可以看出，當(dāng)水流量超過500 L/h以后，這種變化幅度急劇升高。

2.1.6 不同初始?xì)鈮合录?xì)水霧霧化粒徑與水壓之間的關(guān)系

不同初始壓力下，細(xì)水霧的粒徑隨水壓的增大而增大，水壓的影響規(guī)律與水流量相似，因為水流量增大，管徑尺寸不變情況下水壓也會變大，通過圖9中可以發(fā)現(xiàn)，存在一個臨界水壓，當(dāng)壓力大于臨界水壓時才會產(chǎn)生細(xì)水霧。

2.1.7 霧化裝置最佳工作工況參數(shù)

由前面的分析可知，本實驗的霧化裝置在在不同初始壓力下其霧化特性與進(jìn)水特征參數(shù)的變化規(guī)律基本相同，初始進(jìn)氣壓力在超過0.13 MPa以后霧化的最小粒徑隨氣壓增大變化很小，所以霧化裝置的進(jìn)氣壓力在0.1～0.13 MPa之間，進(jìn)水流量在300～550 L/min之間均能產(chǎn)生粒度分布均勻，粒徑較小，擴散性能較好的細(xì)水霧，所以實驗霧化裝置的最佳工作工況參數(shù)為進(jìn)氣壓力在0.1～0.13 MPa之間，進(jìn)水流量在300～550 L/min區(qū)間內(nèi)。

2.2 霧化粒徑沿噴射軸線上的分布規(guī)律

為了揭示氮氣阻化細(xì)水霧在水霧軸向上的分布規(guī)律，研究選取初始壓力0.1 MPa下，水流量為300 L/m3的條件下產(chǎn)生的細(xì)水霧，研究水霧距離噴嘴不同距離處的粒徑分布情況。實驗結(jié)果如圖10所示。

從圖10中可以看出，細(xì)水霧在離開霧化裝置噴嘴后，其V99和V50的值均隨距噴嘴距離的增加而減小，并且達(dá)到一定距離以后粒徑大小幾乎不變，通過前面的射流理論可知，距離噴嘴較近的地方處于射流初始段，該段中軸向速度比較大，紊摻作用較弱，所以除了射流中心線附近的水霧得到較好的霧化外，射流邊緣處的水霧霧化并不好，當(dāng)距離超過在5～20 cm之間時，V99值急劇減小，這是由于此時處于混合區(qū)，縱向的紊摻運動使射流外邊緣水霧得到二次霧化，當(dāng)距離超過50 cm以后，二次霧化基本完成，水霧粒徑變化幅度減小。噴嘴出口處的水霧粒徑大多數(shù)在100 μm左右，通過對比V99和V50可以看出，兩者初始階段差值很大，說明此時水霧霧化不均勻，水霧中有大量粒徑很大的顆粒，隨著水霧距離噴嘴越來越遠(yuǎn)，在據(jù)噴嘴20 cm以后，這種差值急劇減小，水霧粒徑分布變的均勻，而隨著水霧距離噴嘴進(jìn)一步變遠(yuǎn)，兩者差值不斷減小且慢慢固定不變。所以，氮氣阻化細(xì)水霧霧化裝置內(nèi)部只是霧化了部分液柱，這也解釋了實驗中水霧的二次霧化出現(xiàn)的鱗狀波紋現(xiàn)象。

圖8 細(xì)水霧粒徑與水流量的關(guān)系

圖9 細(xì)水霧粒徑與水壓的關(guān)系

2.3 霧化臨界條件

由圖3可知，在初始壓力P一定條件下，氣壓和氣體流量，水壓和水流量之間存在線性關(guān)系，當(dāng)水流量水壓很小時，水壓不足以克服喉管處氣體壓力進(jìn)入霧化裝置霧化。同樣，當(dāng)水壓過高時，由于初始?xì)鈮篜一定，水壓過高，氣體氣壓不足以進(jìn)入霧化裝置使霧化裝置內(nèi)液柱霧化。根據(jù)細(xì)水霧的定義，在最小的噴頭設(shè)計工作壓力情況下，在距離水霧碰頭出口處1m的橫向斷面上，細(xì)水霧在該斷面的霧滴直徑DV0.99不大于1 000 μm[9]。實驗中，當(dāng)V99大于1 000 μm時，則認(rèn)為霧化裝置產(chǎn)生的不是細(xì)水霧。試驗中發(fā)現(xiàn)，氮氣阻化細(xì)水霧產(chǎn)霧量為0的壓力并非其臨界壓力，如當(dāng)初始?xì)鈮篜=0.05 MPa時，當(dāng)水壓增加到0.05 MPa時并沒有細(xì)水霧產(chǎn)生，當(dāng)壓力稍微增加一點，此時就會產(chǎn)生細(xì)水霧，保持進(jìn)水閥門不動時水壓會有一個簡短的下降，最終穩(wěn)定在0.04 MPa，并且此時能夠穩(wěn)定產(chǎn)生細(xì)水霧。說明氮氣阻化細(xì)水霧臨界水壓要高于正常產(chǎn)霧情況下的最低水壓。圖11是實驗實測的實驗裝置的產(chǎn)霧臨界壓力。

所以，進(jìn)氣和進(jìn)水壓力落在兩條臨界線之間就可以產(chǎn)生細(xì)水霧。

圖10 細(xì)水霧粒徑與距噴嘴距離關(guān)系

圖11 霧化裝置臨界壓力

關(guān)于氣體流量對細(xì)水霧霧化的影響，實驗中發(fā)現(xiàn)由前面的理論章節(jié)知識可知，假設(shè)氣體為不可壓縮流體，那么喉管處氣體流速V可用下式表示。

實驗所用的霧化裝置喉管處直徑為10 mm，所以喉管處氣體流速可以表示為：V=12732.77Q2。

實驗中，當(dāng)氣體流量小于0.045 m3/min時，噴頭處基本沒有水霧產(chǎn)生，這個流量帶入上式可以得到V=34 m/s，這與理論部分計算的臨界速度26 m/s差別不大。

3 結(jié) 論

本文研究了細(xì)水霧的霧化特性以及水霧粒度與氣體流量、壓力以及水壓和流量之間的關(guān)系，分析了細(xì)水霧沿噴嘴軸向的粒徑分布規(guī)律，得到如下研究結(jié)論。

1)氣體流量和氣體壓力，水流量和水壓基本為線性關(guān)系，且不同初始設(shè)定壓力下變化趨勢相似。氣體流量升高氣體壓力有規(guī)律的下降，水流量升高水壓有規(guī)律下降。初始壓力越高，相同流量條件下細(xì)水霧的粒徑越小，氣體初始壓力越大細(xì)水霧粒徑越小，但是并不是初始壓力越大越好，壓力增大到0.1 MPa以上時細(xì)水霧粒徑變化非常小。

2)不同初始壓力下，細(xì)水霧的粒徑隨氣體流量的增大而減小，細(xì)水霧的粒徑隨氣體壓力、水流量和水壓的增大而增大，氣體流量取0.04 m3/min時霧化效果最好，當(dāng)水流量超過500 L/h后，細(xì)水霧粒徑迅速變大。細(xì)水霧在噴嘴軸向上，其V99和V50的值均隨距噴嘴距離的變源而減小，當(dāng)距離超過50 cm以后，二次霧化基本完成，水霧粒徑變化幅度減小。實驗霧化裝置最佳工作工況參數(shù)為進(jìn)氣壓力在0.1～0.13 MPa之間，進(jìn)水流量在300～550 L/min區(qū)間內(nèi)。

3)在初始壓力P一定條件下，霧化裝置存在霧化的臨界氣壓和水壓，當(dāng)水流量水壓很小時，水壓不足以克服喉管處氣體壓力進(jìn)入霧化裝置霧化，細(xì)水霧產(chǎn)霧量為0的壓力值并非臨界壓力，氮氣阻化細(xì)水霧臨界水壓要高于正常產(chǎn)霧情況下的最低水壓。實驗擬合了產(chǎn)霧臨界氣壓和臨界水壓曲線。

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[9] National Fire Protection Association.NFPA 750：Standard for Water Mist Fire SuppressionSystems[S].USA：NFPA，2000.

Experimental study on atomization parameter of inhibited water mist with nitrogen

ZHAO Qiankun1，REN Wanxing1，2，SHI Jingtai1
(1.Faculty of Safety Engineering，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China；2.Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，China)

The technology of mist retarder preventing is used extensively for the prevention of coal self-ignition with the inhibited water mist with nitrogen passes into coal mined-out area.Aiming to the easily blocking of atomizing nozzles，underpowered and limited atomization quantity，a new experimental system of inhibited water mist with nitrogen is built to study atomization parameters through theoretical and experimental analysis.The results show that：①the flow and pressure of gas have linear relationship，which is same to the fluid，and the change trend at different initial setting pressure is similar；② under different initial pressure，the water mist particle size decreases with the increase of gas flow and increase with the increase of gas pressure，water flow and water pressure；③the critical pressure and water gage of atomization device exists when the initial pressure P under certain conditions，the fluid won’t atomised for the water pressure is not enough to overcome the gas pressure of the throat when the water pressure is very small，the pressure value is not the critical pressure when the fog saturation of water mist is 0，the critical pressure of inhibited water mist with nitrogen is higher than the minimum water pressure under normal atomization.The research results will provide a new technical means for mine fire control，and promote the development and application of inhibited water mist with nitrogen in the fire prevention and control technology.

mist retarder；atomization characteristics；particle size

2017-03-05 責(zé)任編輯：宋菲

國家自然科學(xué)基金項目資助(編號：51374202)

趙乾坤(1993-)，男，碩士研究生，主要從事礦井通風(fēng)與防滅火研究，E-mail：18337161618@163.com。

任萬興(1980-)，男，河南封丘人，副教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：rwxcom@163.com。

TD75+2.1

A

1004-4051(2017)08-0154-06