超細水霧協(xié)同甲烷氧化菌降解與抑制甲烷爆炸的實驗研究

紀虹，楊克，黃維秋，王宇，左嘉琦

（1常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2江蘇省油氣儲運重點實驗室，江蘇 常州 213164；3常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164）

超細水霧協(xié)同甲烷氧化菌降解與抑制甲烷爆炸的實驗研究

紀虹1,2，楊克3，黃維秋1,2，王宇3，左嘉琦3

（1常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2江蘇省油氣儲運重點實驗室，江蘇 常州 213164；3常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164）

搭建了半封閉的實驗管道平臺，開展了不同噴霧量的超細水霧降解與抑制甲烷爆炸的實驗研究，分析了甲烷氧化菌的形態(tài)，抑爆過程中火焰變化，管道內(nèi)部最大爆炸超壓，平均升壓速率的變化規(guī)律。結(jié)果表明：含甲烷氧化菌-無機鹽的超細水霧能夠有效降解甲烷，噴霧量越大，降解甲烷的速率越快，當甲烷的體積分數(shù)為 9.5%，在噴霧量達到0.7 ml，立即引爆后的火焰亮度和火焰?zhèn)鞑ニ俾拭黠@高于降解時間為360 min且二次噴霧量為0.7 ml的工況。噴霧量從0.7 ml增加至4.9 ml，無論近端還是遠端最大爆炸超壓均呈現(xiàn)下降的趨勢，對于近端的平均升壓速率也呈現(xiàn)下降的趨勢。以無機鹽為培養(yǎng)基的甲烷氧化菌和超細水霧降解與抑制甲烷爆炸具有協(xié)同作用，能夠在一定時間內(nèi)有效降解甲烷。

甲烷；甲烷氧化菌；超細水霧；爆炸抑制；安全

引 言

近年來，煤礦瓦斯爆炸事故與城市天然氣管道爆炸事故頻發(fā)，給人們的生命財產(chǎn)造成嚴重的損失。因此研究瓦斯和天然氣的主要成分甲烷爆炸抑制對減少相關(guān)爆炸事故和促進清潔能源安全利用有著重要的現(xiàn)實意義。

超細水霧外觀呈現(xiàn)為彌散型煙霧狀的細顆粒，霧滴粒徑小于20 μm，更易于懸浮在周圍空間，具有很好的流動性，能夠繞過障礙物直達火源[1-3]。其霧滴的比表面積遠大于一般的細水霧，這種特性決定了其蒸發(fā)吸收的熱量相對更高，具備良好的吸熱性能[4]。制造超細水霧的耗水量要遠少于制造一般細水霧耗水量，其節(jié)能性更加明顯[5]。超細水霧作為一種新型水系滅火劑，對環(huán)境無任何污染，阻燃抑爆性能優(yōu)良而備受關(guān)注。如何提高超細水霧的阻燃抑爆性能，是超細水霧滅火技術(shù)走向工業(yè)化應(yīng)用的核心與難點問題。為了更好地改善超細水霧的抑爆性能，目前最常用的是添加阻礙甲烷爆炸鏈式反應(yīng)進行的化學(xué)添加劑。Chelliah等[6]研究了NaHCO3和純水超細水霧抑制瓦斯/空氣混合氣體燃燒的效果，得出NaHCO3或者NaOH添加劑對瓦斯/空氣混合氣體的爆炸具有更好的抑制效果。Lazzarini等[7]研究了含 NaOH添加劑的超細水霧抑制甲烷/空氣的預(yù)混氣體爆炸的實驗，結(jié)果表明添加質(zhì)量分數(shù)為17.5%的NaOH溶液能夠增強抑爆效果，其中NaOH起到了化學(xué)催化強化重組作用。余明高等[8]、陳曉坤等[9]分別在細水霧與超細水霧中添加不同濃度MgCl2、FeCl2、KCl、Na2CO3等堿金屬鹽類，結(jié)果表明這些堿金屬的添加可以提高細水霧抑制瓦斯爆炸的效果。Liu等[10]進行了多種氯化物抑制甲烷爆炸的有效性研究，結(jié)果表明金屬氯化物的添加能夠有效增強抑爆效果，抑爆過程中吸熱冷卻，化學(xué)抑制與傳熱阻力三者共同作用同時存在。Bi等[11-14]在深入研究超細水霧抑制甲烷爆炸機理的基礎(chǔ)上，采用含氯化鈉的超細水霧開展了抑制甲烷爆炸的實驗研究，結(jié)果表明含氯化鈉添加劑的超細水霧抑制效果較純水超細水霧更好，并指出抑爆效果是由物理與化學(xué)的協(xié)同抑制作用決定的。余明高等[15]開展不同氣霧比二氧化碳-超細水霧對化學(xué)當量比甲烷-空氣預(yù)混氣體的抑爆研究，實驗結(jié)果表明二氧化碳和超細水霧結(jié)合的抑爆效果要優(yōu)于單獨使用任何一種抑制劑效果之和，二氧化碳-超細水霧抑制甲烷爆炸時具有協(xié)同效應(yīng)。

甲烷氧化菌作為一種生物添加劑，由于其具備氧化降解甲烷的生化作用而受到關(guān)注。該菌以NMS培養(yǎng)基為生存載體，其水溶液含有大量的無機鹽。這就為研究其降解與抑制甲烷爆炸奠定了基礎(chǔ)?；谔岣叱毸F抑爆效果的目的，本文選擇含甲烷氧化菌-無機鹽的超細水霧對9.5%的甲烷/空氣混合氣體進行降解與抑爆實驗。第1階段噴霧后先降解一定時間，研究含菌-無機鹽超細水霧噴入后對甲烷濃度的影響；然后第2階段繼續(xù)噴霧，立刻引爆，研究含菌-無機鹽的超細水霧對甲烷爆炸的影響，為煤礦巷道、天然氣管道等受限空間的超細水霧抑爆技術(shù)奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗裝置

圖1 實驗平臺Fig. 1 Schematic diagram of experimental platform

本文所采用的實驗裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括超細水霧發(fā)生裝置、降解與抑爆實驗管道、氣體輸送系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)及信號采集與處理系統(tǒng) 5部分。降解與抑爆實驗管道由 50 mm×50 mm×1000 mm的橫向有機玻璃制成，有效容積為2.5 L，管道左端采用邊長50 mm的密封墊和矩形法蘭封裝，其中左側(cè)中心留孔25 mm以便連接氣體輸送系統(tǒng)，右端采用PVC薄膜封裝，爆炸時破裂以便完成泄壓。氣體輸送系統(tǒng)包括40 L的高純度壓縮甲烷氣體鋼瓶1個，空氣壓縮泵1個，通過相應(yīng)的管道通入左側(cè)中心留孔，采用日本山武 D08-3B/ZM 型氣體質(zhì)量流量控制器獲取一定體積分數(shù)的甲烷-空氣混合氣體，氣體流量控制閥可以調(diào)節(jié)通入氣體流量控制器的氣體流量。高頻脈沖點火系統(tǒng)由點火控制器和高熱能點火器組成，點火電壓為6 kV。壓力傳感器為上海銘動公司生產(chǎn)的MD-HF型高頻壓力傳感器，量程（-1×105～1×105Pa），響應(yīng)時間0.2 ms，綜合精度為0.25%。信號采集和處理系統(tǒng)包括紅外光電傳感器與高頻壓力傳感器，兩者配合使用可以精準地采集甲烷爆炸過程中的火焰前鋒和壓力變化數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分別通過攝像數(shù)據(jù)采集卡和壓力數(shù)據(jù)采集卡傳輸給計算機。高速攝像系統(tǒng)采用日本奧林巴斯i-SPEED TR高速攝像機捕捉甲烷爆炸過程中的火焰結(jié)構(gòu)及火焰鋒面位置。數(shù)據(jù)采集卡為美國MC公司生產(chǎn)的USB-1208FS Plus 型數(shù)據(jù)采集卡，最大采樣率為400 kS·s-1，通過Minteq軟件采集紅外數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)。超細水霧發(fā)生系統(tǒng)主要由超聲霧化片、超細水霧儲存箱體及相應(yīng)管道等組成。超聲霧化片可以產(chǎn)生粒徑為 10 μm 以內(nèi)的超細水霧，實驗霧化器平均噴霧率約為4.2 ml·min-1。為了減少誤差和排除偶然性，采取3～5次重復(fù)實驗。

1.2 實驗過程及工況

在實驗時，采用排氣法向降解與抑爆管道中通入大于4倍管道體積的新鮮空氣，排凈管道中的殘余氣體。超細水霧儲存箱體注入配制好的甲烷氧化菌溶液，啟動后產(chǎn)生彌散性的含甲烷氧化菌的超細水霧；打開甲烷氣瓶閥門和空氣壓縮泵開關(guān)，開啟氣體質(zhì)量流量控制器，調(diào)節(jié)氣體流量控制閥，確保實驗工況所規(guī)定的甲烷體積分數(shù)，采用直接配氣方式向?qū)嶒灩艿乐型ㄈ爰淄?空氣預(yù)混氣體，同時，利用預(yù)混氣體將超細水霧發(fā)生裝置產(chǎn)生的超細水霧輸送到爆炸管道中，通氣結(jié)束后，關(guān)閉氣體質(zhì)量流量控制器和控制閥,即刻啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其相關(guān)工作站，按照表1不同實驗組的降解時間要求開啟超細水霧發(fā)生系統(tǒng)電源，噴霧量按照噴霧時間確定后，實時監(jiān)測管道中甲烷濃度的變化，達到相關(guān)的降解時間后，繼續(xù)噴入等量的含菌-無機鹽超細水霧，立刻啟動引爆系統(tǒng)，實時測量管道內(nèi)部火焰變化及壓力變化狀況。實驗結(jié)束后，實驗管道內(nèi)部通風(fēng)15 min，再開始第2次實驗。實驗中初始壓力為0.1 MPa，初始環(huán)境溫度為15℃。

表1 工況實驗參數(shù)Table 1 Setting of experimental conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 甲烷氧化菌的形貌

甲烷氧化菌是以甲烷作為唯一碳源和能源進行同化和異化代謝的微生物，可以在有氧條件下，通過以甲烷單加氧酶將甲烷氧化代謝成 CO2和H2O，并在此過程中獲得生長所需的能量，而且甲烷氧化菌的分布范圍廣泛，耐受性強，能夠在酸、堿、鹽、高溫、低溫、缺乏營養(yǎng)等極端條件下生存[16-17]。這些特點為其降解瓦斯，降低瓦斯?jié)舛?，間接抑制瓦斯爆炸提供了科學(xué)支撐。圖2(a)為甲烷氧化菌菌落的固態(tài)培養(yǎng)基，肉眼可見甲烷氧化菌菌落為乳白色，圓形，微突起，直徑約為0.5 mm，不透明，較濕潤，菌落邊緣較整齊。從圖2(b)可以看出甲烷氧化菌菌株外觀呈現(xiàn)長橢圓狀，菌體直徑為0.5～2.0 μm。

由于甲烷氧化菌的生存需要無機鹽養(yǎng)分來提供保障。實驗室通常采用NMS培養(yǎng)基富集與培養(yǎng)甲烷氧化菌，NMS培養(yǎng)基成分如表2所示，從表2可以看出該培養(yǎng)基中含有大量的無機鹽，尤其是鈉鹽。

2.2 不同噴霧量的含菌-無機鹽超細水霧條件下甲烷的降解時間

圖2 甲烷氧化菌菌落形態(tài)與超細水霧中細菌SEM圖Fig.2 Colony picture and SEM image of methane oxidative bacteria

表2 NMS培養(yǎng)基Table 2 NMS culture medium

圖3展示了甲烷的體積分數(shù)為9.5%時，5種工況的噴霧量分別為0.7、2.1、3.5、4.9、6.3 ml，甲烷體積分數(shù)隨著降解時間的變化規(guī)律。從圖中可以看出，工況1霧化量在0.7 ml時，噴霧90 min后，管道內(nèi)部甲烷體積分數(shù)開始出現(xiàn)下降，90～360 min，甲烷的體積分數(shù)逐漸下降，最終降至7.7%。當施加噴霧量達到2.1 ml時，甲烷體積分數(shù)在第60 min時刻降至9.4%，60～360 min，甲烷的體積分數(shù)逐漸下降，最終降至7.4%。當噴霧量為3.5 ml時，甲烷體積分數(shù)在第60 min時刻降至9.1%，下降幅度較噴霧量為0.7 ml和2.1 ml時更大，隨后從第60 min到第360 min逐漸降至6.5%。工況4時，噴霧量為4.9 ml，甲烷的體積分數(shù)在第60 min下降幅度更大，當噴霧量為6.3 ml時，甲烷的體積分數(shù)在第30 min就下降了1%，可以看出，噴霧量的增大可以縮短含菌超細水霧降解甲烷的時間，這是由于噴霧量增大的同時增加了實驗管道內(nèi)甲烷氧化菌的含量，等體積的反應(yīng)空間內(nèi)，甲烷氧化菌的數(shù)量越多降解甲烷的速度越快，降解時間就越短，降解率就越高。甲烷氧化菌降解甲烷主要依賴的是該細菌中的甲烷單加氧酶，它能夠在氧分子的作用下將甲烷氧化為甲醇，在甲醇脫氫酶的氧化作用下進一步轉(zhuǎn)化為甲醛，在甲酸脫氫酶和甲醛脫氫酶的作用下通過戊糖磷酸和絲氨酸循環(huán)，被進一步氧化成為甲酸，最終轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。

圖3 甲烷體積分數(shù)與降解時間的關(guān)系Fig. 3 Relationship between volume fraction of methane and degradation time

2.3 含菌-無機鹽超細水霧作用下甲烷爆炸火焰的變化

圖4 (a)展示了工況0甲烷濃度為9.5%時，僅噴霧一次0.7 ml，立刻引爆后，甲烷爆炸管道內(nèi)部火焰變化狀況。圖4 (b)展示了工況1，一次噴霧量為0.7 ml，降解360 min，二次噴霧量為0.7 ml，立刻引爆后，甲烷爆炸管道內(nèi)部火焰變化狀況。對比兩者可以發(fā)現(xiàn)，工況0火焰爆炸產(chǎn)生的火焰亮度和火焰?zhèn)鞑ニ俾拭黠@高于工況1，這是由于工況1在一次噴霧0.7 ml并降解360 min，二次噴霧0.7 ml時甲烷的體積分數(shù)從9.5%下降至7.7%。從圖4 (a)、(b)中均可以看出，在引爆后第40 ms之前為“指形”火焰，隨后45～55 ms，火焰前端出現(xiàn)明顯的變形，形成了“郁金香”火焰，最終又變?yōu)椤爸感巍被鹧?，而火焰的變形形成“郁金香”火焰可歸因于火焰前鋒，火焰引起的反向氣流和火焰前部后面的渦流之間的相互作用。在Ponizy等[18-19]的實驗中，PIV圖像證明了燃燒氣體中反向流動和渦流的存在，并且爆炸流場的演化過程也在數(shù)值模擬中描述。在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，在火焰前緣后面出現(xiàn)逆流，其外觀在靠近底端的兩個對稱渦流之前。反向流動隨著火焰加速傳播變強，導(dǎo)致兩個對稱的小渦流被引發(fā)并以相對于火焰前緣更高的速度朝向火焰前緣移動，然后發(fā)展成在火焰前緣后面的兩個大的對稱渦流?；鹧媲熬壍那拾霃诫S著靠近側(cè)壁的對稱渦流向前移動并逐漸接近火焰前緣而增加，這將導(dǎo)致“指形”火焰表面轉(zhuǎn)變?yōu)椤捌矫嫘巍被鹧嫱庥^。隨著渦流強度的增強，側(cè)壁附近的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀哂诨鹧媲爸行膮^(qū)，導(dǎo)致最終形成“郁金香”火焰。該實驗中，“郁金香”狀的火焰僅存10 ms，時間很短的原因是由于在噴霧后，釋放的燃燒熱量在反應(yīng)區(qū)和燃燒區(qū)被含菌水霧明顯吸收，噴霧濃度相對較高，爆炸強度和氣體燃燒速率明顯減弱，反向流動和渦流強度降低。結(jié)果火焰前中心區(qū)渦流附近的渦流運動速度顯著降低，導(dǎo)致“郁金香”火焰外觀時間持續(xù)較短且并不顯著，進一步證明了“郁金香”火焰的外觀受噴霧濃度的影響[20]。到第100 ms時刻，火焰前鋒變平，直至抵達最左端沖破PVC薄膜。

2.4 含菌超細水霧對爆炸最大超壓和爆炸升壓速率的影響

圖4 甲烷爆炸管道內(nèi)部火焰變化Fig. 4 Flame change of methane explosion in internal pipeline

表3 不同噴霧量條件下甲烷氣體爆炸的最大爆炸超壓Table 3 Maximum explosion overpressure of methane explosion under different spray quantity conditions

圖5 不同噴霧量對9.5%甲烷最大爆炸超壓的影響Fig. 5 Effect of different spray quantity on maximum explosion overpressure of 9.5% methane

表3和圖5展示了不同甲烷體積分數(shù)條件下甲烷爆炸的最大爆炸超壓的分布狀況?？梢钥闯觯到鈺r間為 360 min，當噴霧量不同，甲烷爆炸的最大超壓在近端和遠端分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律。對于工況1，當噴霧量為0.7 ml時，在近端與遠端測得甲烷氣體的爆炸最大超壓分別是0.038 MPa和0.019 MPa；當噴霧量為2.1 ml時，在近端2與遠端1的最大超壓分別是0.034 MPa和0.017 MPa；隨后噴霧量增加到3.5 ml，在近端2與遠端1的最大超壓分別是0.024 MPa和0.015 MPa；當菌液霧化量達到4.9 ml時，在近端2與遠端1的最大超壓達到該組實驗最小值，與工況1相比，使得近端2和遠端1處甲烷的最大爆炸超壓分別下降了0.021 MPa和0.0143 MPa，這表明噴霧量的增加對化學(xué)當量比的甲烷爆炸超壓的降低起到了明顯作用。對于工況5，噴霧量為6.3 ml，經(jīng)歷360 min降解無法引爆，說明含菌超細水霧將體積分數(shù)為 9.5%甲烷降解至爆炸限以下。

爆炸升壓速率是反映爆炸過程強度的重要參數(shù)之一。假設(shè)爆炸傳播過程中的超壓峰值即最大超壓為Pmax，初始壓力為P0，兩者相減后除以達到超壓峰值所需時間t，就得到平均爆炸壓升速率V。

本實驗以距離點火源較近的近端2傳感器采集的最大超壓為對象進行分析。表4和圖6展示了近端平均升壓速率與達到峰值所需時間的關(guān)系。伴隨著噴霧量由0.7 ml增加至4.9 ml，近端2達到超壓峰值所需時間逐漸增加，近端2平均升壓速率逐漸減小。工況0甲烷自由爆炸的近端2平均升壓速率是0.79 kPa·ms-1，工況1的近端2平均升壓速率為0.74 kPa·ms-1，減少了50 Pa，隨著噴霧量的增加，對于工況4，近端平均升壓速率為0.27 kPa·ms-1，相對于工況1，下降了520 Pa，進一步表明了含菌超細水霧噴霧量的增加能夠有效地抑制甲烷爆炸的平均升壓速率。

表4 不同噴霧量條件下甲烷氣體爆炸升壓速率Table 4 Average pressure rise rate of methane explosion under different spray quantity conditions

圖6 近端平均升壓速率與達到峰值所需時間的關(guān)系Fig.6 Relationship between average pressure rise rate and time reaching max value

對于含菌-無機鹽的超細水霧，其中的甲烷氧化菌不會在毫秒級時間內(nèi)發(fā)揮其作用，但是其中的無機鹽與水分子會對甲烷爆炸的鏈式反應(yīng)產(chǎn)生干擾。對無機鹽中的金屬離子的化學(xué)效應(yīng)可以通過以下過程解釋。以 Na為例進行說明，在外界作用下，鈉離子與OH結(jié)合，生成氫氧化物。之后，氫氧化鈉與H和OH進一步反應(yīng)生成H2O和氧化鈉然后氧化鈉將O從原子變成分子[21]?；谝陨匣瘜W(xué)反應(yīng)，甲烷爆炸的主要活性粒子（如H、O、OH）的濃度會降低，所以隨著含鹽溶液噴霧量的增加，爆炸升壓速率會明顯下降，抑制效果明顯增強，表明無機鹽的添加能夠中斷鏈式反應(yīng)。噴霧量的增加導(dǎo)致水分子的量也增加，水分子作為一種化學(xué)試劑也會中斷鏈式反應(yīng)，會導(dǎo)致更多爆炸活性粒子失活。水分子會與爆炸反應(yīng)主要活性物質(zhì)反應(yīng)，導(dǎo)致氫原子減少，同時作為第三體促使H和OH形成在高壓下，3種元素的碰撞頻率高于兩種元素，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)移到水分子上，大大降低了支鏈的反應(yīng)活性。與此同時，隨著噴霧量的增加，產(chǎn)生活性物質(zhì)的主要鏈反應(yīng)也被阻止此外，促進甲烷消耗(CH3+低于促進甲烷生成2CH3(+M))[22]?？傊?，通過與水的反應(yīng)，主要活性物質(zhì)會減少。添加劑無機鹽和水分子的雙重化學(xué)效應(yīng)會使鏈反應(yīng)強度大大降低。

3 結(jié) 論

（1）含甲烷氧化菌-無機鹽的超細水霧能夠有效降解甲烷，對于體積一定的封閉管道，含甲烷氧化菌-無機鹽的超細水霧的噴霧量越大，甲烷氧化菌的數(shù)量越多，降解甲烷的速度越快，降解時間就越短，降解率就越高。

（2）甲烷的體積分數(shù)為 9.5%時，在噴霧量為0.7 ml，立即引爆，火焰亮度和火焰?zhèn)鞑ニ俾拭黠@高于降解時間為360 min，二次噴霧量為0.7 ml的工況。

（3）噴霧量小于4.9 ml，靠近點火電極的近端的最大爆炸超壓始終大于遠端的最大爆炸超壓，噴霧量從0.7 ml增加至4.9 ml，無論近端還是遠端最大爆炸超壓均呈現(xiàn)下降的趨勢，對于近端的平均升壓速率也呈現(xiàn)下降的趨勢。

（4）以無機鹽為培養(yǎng)基的甲烷氧化菌與超細水霧抑制甲烷爆炸具有協(xié)同作用。對于降解過程，能夠在一定時間內(nèi)有效降解甲烷，降低甲烷的體積分數(shù)，使其體積分數(shù)低于其爆炸限。對于抑爆過程，含菌-無機鹽的超細水霧中的甲烷氧化菌不會在毫秒級時間內(nèi)發(fā)揮其作用，但是其中的無機鹽與水分子會對甲烷爆炸的鏈式反應(yīng)產(chǎn)生干擾。

[1] ADIGA K C, ROBERT F, HATCHER J,et al. A computational and experimental study of ultra fine water mist as a total flooding agent[J].Fire Safety Journal, 2007, 42(2): 150-160.

[2] 秦文茜. 超細水霧抑制含障礙物甲烷爆炸的實驗研究[D]. 合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2011.QIN W X. Experimental study on explosion mitigation of methane containing obstacles with ultra-fine water mist[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2011.

[3] 秦文茜, 王喜世, 谷睿, 等. 超細水霧作用下瓦斯的爆炸壓力及升壓速率[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù), 2012, 18(1): 90-95.QIN W X, WANG X S, GU R,et al. Methane explosion overpressure and overpressure rise rate with suppression by ultrafine water mist[J].Journal of Combustion Science and Technology, 2012, 18(1): 90-95.

[4] ADIGA K C, WILLAUER H D, ANANTH R,et al. Implications of droplet breakup and formation of ultra fine mist in blast mitigation[J].Fire Safety Journal, 2009, 44(3):363-369.

[5] 谷睿, 王喜世, 許紅利. 超細水霧抑制甲烷爆炸的實驗研究(英文)[J]. 火災(zāi)科學(xué), 2010, 19(2): 51-59.GU R, WANG X S, XU H L. Experimental study on suppression of methane explosion with ultra-fine water mist[J]. Fire Safety Science,2010, 19(2): 51-59.

[6] CHELLIAH H K, LAZZARINI A K, WANIGARATHNE P C,et al.Inhibition of premixed and non-premixed flames with fine droplets of water and solutions[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2002,29(1): 369-376.

[7] LAZZARINI A K, KRAUSS R H, CHELLIAH H K,et al. Extinction conditions of non-premixed flames with fine droplets of water and water/NaOH solutions[J]. Proceedings of the Combustion Institute,2000, 28(2): 2939-2945.

[8] 余明高, 安安, 趙萬里, 等. 含添加劑細水霧抑制瓦斯爆炸有效性試驗研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報, 2011, 11(4): 149-153.YU M G, AN A, ZHAO W L,et al. On the inhibiting effectiveness of the water mist with additives to the gas explosion[J]. Journal of Safety and Environment, 2011, 11(4): 149-153.

[9] 陳曉坤, 林瀅, 羅振敏, 等. 水系抑制劑控制瓦斯爆炸的實驗研究[J]. 煤炭學(xué)報, 2006, 31(5): 603-606.CHEN X K, LIN Y, LUO Z M,et al. Experiment study on controlling gas explosion by water-depressant[J]. Journal of China Coal Society,2006, 31(5): 603-606.

[10] LIU J H, LIAO G X. Experimental research on CH4/air fire suppression using water mist with additives[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2010, 30(10): 1240-1244.

[11] CAO X Y, REN J J, ZHOU Y H,et al. Suppression of methane/air explosion by ultrafine water mist containing sodium chloride additive[J]. Journal of Hazardous Materials, 2015, 28: 311-319.

[12] ZHANG P P, ZHOU Y H, CAO X Y,et al. Mitigation of methane/air explosion in a closed vessel by ultrafine water fog[J]. Safety Science,2014, 62(56): 1-7.

[13] CAO X Y, REN J J, BI M S,et al. Experimental research on methane/air explosion inhibition using ultrafine water mist containing additive[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2016,43: 352-360.

[14] CAO X Y, REN J J, BI M S,et al. Experimental research on the characteristics of methane/air explosion affected by ultrafine water mist[J]. Journal of Hazardous Materials, 2016, 324: 489-497.

[15] 余明高, 朱新娜, 裴蓓, 等. 二氧化碳-超細水霧抑制甲烷爆炸實驗研究[J]. 煤炭學(xué)報, 2015, 40(12): 2843-2848.YU M G, ZHU X N, PEI B,et al.Experimental study on methane explosion suppression using carbon dioxide and ultra-fine water mist[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(12): 2843-2848.

[16] ROTARU A E, THAMDRUP B. A new diet for methane oxidizers[J].Science, 2016, 351(6274): 658-658.

[17] GILBERT B, FRENZEL P. Methanotrophic bacteria in the rhizosphere of rice microcosms and their effect on porewater methane concentration and methane emission[J]. Biology and Fertility of Soils,1995, 20(2): 93-100.

[18] PONIZY B, CLAVERIE A, VEYSSIèRE B. Tulip flame — the mechanism of flame front inversion[J]. Combustion & Flame, 2014,161(12): 3051-3062.

[19] XIAO H H, WANG Q S, HE X C,et al. Experimental and numerical study on premixed hydrogen/air flame propagation in a horizontal rectangular closed duct[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2010, 35(3): 1367-1376.

[20] CLANET C, SEARBY G. On the “tulip flame” phenomenon[J].Combustion & Flame, 1996, 105(1/2): 225-238.

[21] LIANG Y T, ZENG W. Numerical study of the effect of water addition on gas explosion[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010,174(1/2/3): 386-394.

[22] 梁運濤, 曾文. 封閉空間瓦斯爆炸與抑制機理的反應(yīng)動力學(xué)模擬[J]. 化工學(xué)報, 2009, 60(7): 1700-1706.LIANG Y T, ZENG W. Kinetic simulation of gas explosion and inhibition mechanism in enclosed space[J]. CIESC Journal, 2009,60(7): 1700-1706.

date:2017-05-08.

YANG Ke, yangke728@163.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51704041, 51574044), the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20140264，BK20150269), the Key Technology Project for the Prevention of Serious Accidents in Safety Production (jiangsu-0015-2017AQ), the Major Research Plan of the Oil and Gas Storage and Transportation Laboratory of Jiangsu Province (SCZ1211200004/004), the Changzhou University Fund Project(ZMF14020055) and the Jiangsu University Natural Science Research Surface Project(17KJD620001).

Methane degradation and explosion inhibition by using ultrafine water mist containing methane oxidative bacteria-inorganic salt

JI Hong1,2, YANG Ke3, HUANG Weiqiu1,2, WANG Yu3, ZUO Jiaqi3
(1School of Petroleum Engineering,Changzhou University,Changzhou213164,Jiangsu,China;2Key Laboratory of Oil & Gas Storage and Transportation Technology,Changzhou213164,Jiangsu,China;3School of Environment and Safety Engineering,Changzhou University,Changzhou213164,Jiangsu,China)

A semi-confined chamber was designed and an explosion suppression experiment on the effect of different spraying volume of methane-oxidizing bacteria and ultra-fine water mist on methane-air premixed mixture was studied. The methane-oxidative bacteria morphology, flame change visualization in the explosion suppression process, maximum explosion overpressure and the average pressure rise rate are analyzed. The results show that the ultra fine water mist containing methane-oxidizing bacteria-inorganic salt can effectively degrade methane, the larger the spray amount is, the faster the methane degradation speed is. With the methane volume being 9.5% and the flame propagation rate being 0.7 ml, when the methane had degraded after 360 min,the flame brightness and the flame propagation rate were lower than the situation caused by methane that had not degraded. When the spraying volume was added from 0.7 ml to 4.9 ml, the maximum explosion overpressure in the chamber decreased and the average pressure over the close part of the chamber decreased. The results indicate the synergistic effect of methane oxidizing bacteria-inorganic salt and ultrafine water mist on methane explosion.It can effectively degrade the methane in certain period of time.

methane; methane-oxidizing bacteria; ultrafine water mist; explosion suppression; safety

TD 712

A

0438—1157（2017）11—4461—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20170568

2017-05-08收到初稿，2017-07-23收到修改稿。

聯(lián)系人：楊克。

紀虹（1986—），女，博士，講師。

國家自然科學(xué)基金項目（51704041，51574044）；江蘇自然科學(xué)基金項目(BK20140264，BK20150269)；安全生產(chǎn)重特大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項目(jiangsu-0015-2017AQ)；江蘇省油氣儲運重點實驗室項目（SCZ1211200004/004）；常州大學(xué)?；痦椖浚╖MF14020055）；江蘇高校自然科學(xué)研究面上項目（17KJD620001）。