CO2-超細水霧對CH4/Air初期爆炸特性的影響

裴 蓓,韋雙明,陳立偉,潘榮錕,王 燕,余明高,李 杰

(1.河南理工大學(xué)煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454003;2.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室,重慶 400044)

天然氣具有清潔、熱值高、價格低等優(yōu)點，已在生活和汽車燃料方面得到了廣泛的應(yīng)用[1]。然而，天然氣的儲存和運輸仍是一大安全問題，一旦泄漏遇火爆炸，會造成嚴重人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，研究抑爆劑對甲烷爆炸的抑制作用，對天然氣的安全儲存和運輸具有重要意義。

超細水霧是一種常見的抑爆劑，由于其高效、環(huán)保、來源范圍廣等優(yōu)點而被關(guān)注。在超細水霧的抑爆機理方面，人們采用實驗和數(shù)值模擬的方法對此進行了詳細探討[2-4]。Lentati等[5]、Yoshida等[6]指出，細水霧主要通過熱冷卻效應(yīng)削弱爆炸火焰，化學(xué)抑制作用小于10%。然而，除了物理效應(yīng)，水分子作為第三體，會中斷爆炸的鏈式反應(yīng)，導(dǎo)致更多的爆炸反應(yīng)自由基失活和主要活性物種的減少[7]。另外，超細水霧粒徑、濃度會影響其抑爆效果。Gu等[8]、Holborn等[9]利用小型實驗平臺，檢測了不同水霧粒徑大小，發(fā)現(xiàn)超細水霧能有效降低爆炸溫度。Modak等[10]發(fā)現(xiàn)，有效抑制爆炸能量的最小細水霧粒徑是10 μm，再減小細水霧粒徑并不會顯著增強抑爆效果。Boeck等[11]、Battersby等[12]、Ingram等[13]、Vollmer等[14]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細水霧處于一定濃度狀態(tài)時，液滴尺寸分布會影響預(yù)混可燃氣體爆炸火焰。然而，有些學(xué)者發(fā)現(xiàn)超細水霧還能增強可燃氣體爆炸強度。Gieras[15]指出，噴霧與火焰/壁面相互作用過程中產(chǎn)生的湍流，會增加爆炸效果，加速火焰?zhèn)鞑ァＳ嗝鞲叩萚16]指出，充足的細水霧能夠有效降低爆炸強度，但是當(dāng)細水霧不足時會增強爆炸強度。曹興巖等[17]對超細水霧增強甲烷/空氣爆炸的機理進行了分析，指出超細水霧吸熱和汽化膨脹兩種效應(yīng)的共同作用導(dǎo)致增強和抑制爆炸兩種相反效果。

另外，許多學(xué)者為了提高超細水霧的抑爆效果，做了很多改良。Cao等[18]往超細水霧中添加NaCl，用以研究對不同甲烷濃度的抑爆效果，結(jié)果表明，NaCl的加入可以提高超細水霧對甲烷爆炸的抑制效果。Pei等[19]研究了氮氣和超細水霧抑制管道瓦斯爆炸壓力衰減特性，發(fā)現(xiàn)超細水霧與氮氣共同抑制瓦斯爆炸氣體時，存在明顯協(xié)同作用，且能降低超細水霧和惰性氣體的用量。Chelliah等[20]研究了含KOH、NaOH和NaCl細水霧對甲烷/空氣預(yù)混燃燒和非預(yù)混燃燒的影響，實驗結(jié)果表明，當(dāng)超細水霧粒徑小于13 μm時，NaOH并不能明顯抑制預(yù)混火焰，NaCl比NaOH更有效地抑制甲烷爆炸。

綜上可見，現(xiàn)有超細水霧抑爆研究主要側(cè)重對傳播階段火焰波和壓力波的宏觀抑制效果，忽略了抑爆劑對初期爆炸特性的影響，而爆炸初期抑爆劑對整個爆炸過程又具有重要影響。

因此，本文中，進行密閉容器內(nèi)部超細水霧和CO2對9.5%甲烷/空氣初期爆炸特性的實驗研究，得出超細水霧和CO2對9.5%甲烷/空氣初期爆炸特性的變化規(guī)律，以期為不同行業(yè)場合噴霧抑爆系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 裝置

實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要由定容燃燒彈、配氣系統(tǒng)、超細水霧生成系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、光學(xué)紋影系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)等組成。

燃燒彈為密閉不銹鋼焊接而成的圓柱體，壁厚30 mm，耐壓可達2 MPa，半徑145 mm，高365 mm，體積24.1 L。為了實現(xiàn)爆炸過程的可視化，在定容燃燒彈兩側(cè)和一側(cè)筒壁中間位置，共裝有3面直徑110 mm、厚度50 mm的精加工光學(xué)石英玻璃視窗，為觀察火焰提供光學(xué)通道。

筒壁上裝有光電傳感器和壓力傳感器。RL-1光電傳感器對準點火電極用以確定點火時間；MD-HF壓力傳感器測量范圍為-0.1～1 MPa，誤差為0.25%，動態(tài)響應(yīng)時間為1 ms；光電傳感器和壓力傳感器通過USB-1608FS Plus數(shù)據(jù)采集卡與電腦相連，數(shù)據(jù)采集卡記錄數(shù)據(jù)工作頻率為15 kHz。

兩根點火電極正對燃燒彈的中心，電極間距為3 mm，點火系統(tǒng)由HEI19系列高熱能點火器、點火電極組成，點火電壓為6 kV。

配氣系統(tǒng)包括空氣壓縮機、氣閥、氣管、氣瓶、Alicat質(zhì)量流量控制器(MFC)、真空泵和精密數(shù)字式壓力表等。

超細水霧發(fā)生與輸送系統(tǒng)，主要由超聲波霧化裝置、密閉方形儲水盒、出入管道等組成。其中超聲霧化裝置采用的是三頭全銅霧化器，霧化片工作頻率為1 700 kHz。

紋影儀型號為CQW300，高速攝像機型號為High Speed Star 4G，像素設(shè)置為1 280×800，拍攝頻度為2 000 s-1。實驗的環(huán)境壓力為100 kPa，環(huán)境溫度為10 ℃。

圖1 實驗系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic of experimental system

1.2 方法

為了保證定容燃燒彈氣密性良好，在每次實驗前都要檢查氣密性。在氣密性符合要求的情況下，首先，對定容燃燒彈抽真空至-0.08 MPa；然后，根據(jù)道爾頓分壓定律依次通入CO2、CH4和空氣所占的分壓，超細水霧隨空氣進入定容燃燒彈，并由質(zhì)量流量控制計控制進氣速率。為使超細水霧與各組分氣體混合均勻，通氣完畢后需要靜置30 s后再點火，同時觸發(fā)高速攝像機記錄爆炸火焰圖像，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄爆炸過程中的壓力數(shù)據(jù)，實驗結(jié)束后保存實驗數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)的準確性，每組實驗重復(fù)5次。

2 結(jié)果與分析

2.1 對火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響

圖2為9.5%甲烷/空氣爆炸球形火焰?zhèn)鞑ミ^程的部分紋影圖片。為簡化起見，本文中選取了幾個特殊時刻來說明球形火焰發(fā)展過程。9.5%甲烷/空氣引爆后的一段時間內(nèi)球形火焰是以層流狀態(tài)向外傳播，此時火焰鋒面光滑，24 ms時火焰到達視窗邊緣，但由于甲烷為低活性可燃氣，燃燒速度較低，因此在火焰鋒面到達視窗邊緣前沒有胞狀化。此外，在火焰形成初期火焰面上有兩道裂紋，這可能是因為點火電極對火焰鋒面所造成的。隨著球形火焰繼續(xù)傳播，65 ms時火焰表面產(chǎn)生不規(guī)則的裂紋，隨后這些裂紋繼續(xù)發(fā)展，83 ms時火焰形成均勻的完全胞狀化狀態(tài)。

圖2 9.5%甲烷/空氣球形火焰的傳播過程Fig.2 9.5% methane/air spherical flame propagation process

圖3為CO2對9.5%甲烷/空氣球形火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響。首先，隨著CO2體積分數(shù)的增加，點火后相同時刻的火焰半徑逐漸減小，這表明CO2濃度越高，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍叫?。其次，CO2濃度越高，球形火焰越光滑，胞狀面出現(xiàn)的時刻越晚，這表明CO2能夠減弱球形火焰不穩(wěn)定性。最后，當(dāng)CO2體積分數(shù)達到14%時球形火焰出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，這是由于已燃氣的密度小于未燃氣的密度，而CO2降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，延長了球形火焰所受浮力的作用時間，使得火焰產(chǎn)生上浮現(xiàn)象[21]，當(dāng)CO2體積分數(shù)為18%時這種現(xiàn)象更為明顯，形成橢球形的火焰鋒面。

圖3 CO2對9.5%甲烷/空氣球形火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響Fig.3 Effect of CO2 on propagation of 9.5% methane/air spherical flame

圖4為超細水霧對9.5%甲烷/空氣球形火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響。隨著超細水霧質(zhì)量濃度的增加，點火后相同時刻的火焰半徑先增加后減小，通入58.3 g/m3超細水霧時的火焰半徑大于不通超細水霧時的火焰半徑，此后隨著超細水霧質(zhì)量濃度的增加火焰半徑逐漸減小。同時，加入58.3 g/m3超細水霧后火焰亮度增加，這是由于超細水霧參與了爆炸反應(yīng)，導(dǎo)致火焰亮度增加[22]。對比86 ms時的紋影圖片還可以發(fā)現(xiàn)，58.3 g/m3超細水霧的胞狀面發(fā)展最充分，其次是不加超細水霧、174.9 g/m3超細水霧、262.5 g/m3超細水霧和350 g/m3超細水霧。這表明，通入少量超細水霧不能抑制甲烷爆炸，反而會參與爆炸反應(yīng)，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?，只有?dāng)超細水霧質(zhì)量濃度充足時才會抑制甲烷爆炸。

圖4 超細水霧對9.5%甲烷/空氣球形火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響Fig.4 Effect of ultrafine water mist on propagation of 9.5% methane/air spherical flame

圖5為CO2和質(zhì)量濃度為174.9 g/m3超細水霧共同作用對9.5%甲烷/空氣球形火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響。與174.9 g/m3超細水霧相比，加入CO2后火焰表面變得更光滑，火焰不穩(wěn)定性減弱，如110 ms時，隨著CO2體積分數(shù)的增加，火焰胞狀面逐漸變大，數(shù)量逐漸減小，在加入10%CO2后胞狀面消失。此外，在點火后110 ms時，通入174.9 g/m3超細水霧的火焰最明亮，而在通入CO2后火焰亮度變暗，這表明加入的CO2有助于抑制超細水霧參與爆炸反應(yīng)。

圖5 CO2-超細水霧對9.5%甲烷/空氣球形火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響Fig.5 Effect of CO2 and ultrafine water mist on propagation of 9.5% methane/air spherical flame

2.2 對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

火焰?zhèn)鞑ニ俣仁欠磻?yīng)火焰前沿傳播快慢的一個指標，計算公式為：

(1)

式中：R1和R2分別為t1時刻和t2時刻的火焰半徑。

圖6為CO2-超細水霧對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憟D像。

圖6 CO2-超細水霧對9.5%甲烷/空氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慒ig.6 Effect of CO2-ultrafine water mist on flame propagation speed of 9.5% methane/air

圖6(a)為不同超細水霧質(zhì)量濃度下火焰?zhèn)鞑ニ俣入S火焰半徑的變化關(guān)系。

點火后火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓梢苑譃?個時期：(1)火核形成期；(2)火焰發(fā)展期?；鸷诵纬善诘幕鹧?zhèn)鞑ニ俣入S火焰半徑增大而減小，在半徑約4 mm時火焰?zhèn)鞑ニ俣茸钚?，然后開始上升，在半徑約7 mm時火焰?zhèn)鞑ニ俣融呌诜€(wěn)定，因而在半徑7 mm后測得火焰?zhèn)鞑ニ俣容^為準確，這主要是因為火核形成期火焰發(fā)展受到點火能量的影響較大[23]。火核形成后以膨脹球形火焰向外傳播，火焰表面逐漸遠離點火位置，火焰表面受點火作用的影響逐漸減小，火焰?zhèn)鞑ニ俣葞缀醪话l(fā)生變化，這個時期是火焰發(fā)展期。

圖6(b)為超細水霧質(zhì)量濃度對火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓€的影響。

隨著超細水霧質(zhì)量濃度的增加，9.5%甲烷/空氣球形火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍黾雍鬁p小，通入58.3 g/m3超細水霧時的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾恿?0%，這是由于超細水霧對爆炸火焰流場產(chǎn)生明顯影響，使爆炸火焰流場結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這會使球形層流火焰表面產(chǎn)生褶皺，增大了燃燒面積，從而使火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?。?dāng)超細水霧質(zhì)量濃度增至116.6 g/m3時，球形火焰的傳播速度降低并不明顯，只下降了5.0%；當(dāng)超細水霧質(zhì)量濃度達到350 g/m3時有了明顯降低，下降了50%。

這表明，超細水霧量不足時其火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档筒⒉幻黠@，甚至有可能會造成火焰加速，只有當(dāng)超細水霧量充足時才會有明顯的抑爆作用。

圖6(c)為在不同體積分數(shù)CO2作用下火焰?zhèn)鞑ニ俣入S火焰半徑的變化關(guān)系。

隨著CO2體積分數(shù)的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u減小。此外，CO2對火核形成期的影響也比較大，隨著CO2體積分數(shù)的增加，點火對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懺絹碓叫。@可能是因為此時火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小造成的。

圖6(d)為CO2對火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓挠绊懬€。

CO2能夠明顯降低火焰?zhèn)鞑ニ俣龋⑶褻O2濃度越高抑制作用越明顯，當(dāng)加入體積分數(shù)為18%的CO2時，火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆盗?1.3%。

圖6(e)～(f)為350 g/m3超細水霧和不同體積分數(shù)CO2共同作用對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憽?/p>

火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓厔輿]有發(fā)生明顯變化，但是當(dāng)超細水霧和CO2共同作用時，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊南陆蹈用黠@。加入350 g/m3超細水霧時的火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆盗?0%，只加入18%CO2時的火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆盗?1.3%，而350 g/m3超細水霧和18%CO2共同作用時火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆盗?1%，抑爆效果有小幅增高，這是因為加入的水霧量較少。

2.3 對爆炸超壓的影響

圖7為CO2體積分數(shù)和超細水霧質(zhì)量濃度對爆炸超壓的影響。

圖7(a)是不同體積分數(shù)CO2對9.5%甲烷/空氣爆炸超壓影響的對比曲線。

首先，不同體積分數(shù)CO2影響下的爆炸超壓曲線具有相似的變化趨勢，可以把點火后定容彈內(nèi)的壓力變化分為3個時期：(1)壓力滯后期；(2)壓力增長期；(3)壓力衰減期。

在甲烷被點燃后，球形火焰是以層流狀態(tài)向外傳播，此時的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小，定容彈內(nèi)的壓力變化不大，這個時期稱為壓力滯后期；當(dāng)火焰繼續(xù)向外發(fā)展時，火焰不穩(wěn)定造成火焰加速，形成爆炸沖擊波導(dǎo)致定容彈內(nèi)壓力增大，這個時期稱為壓力增長期；火焰繼續(xù)發(fā)展，定容彈內(nèi)的甲烷即將燃盡，燃燒速度減慢直至火焰熄滅，造成定容彈內(nèi)的壓力衰減，這個時期是壓力衰減期。

其次，隨著CO2體積分數(shù)的增加，壓力滯后期和壓力增長期所用時間均有所增加，爆炸超壓曲線上升時刻明顯延遲，例如9.5%甲烷/空氣爆炸時的壓力滯后期為41.6 ms，在加入18%CO2后滯后期延長到185.0 ms，增加了344.7%。

再次，CO2對超壓峰值和超壓峰值到達時間也有很大影響，CO2濃度越高，超壓峰值越低，超壓峰值到達時間越長，例如9.5%甲烷/空氣爆炸超壓峰值為0.660 2 MPa，而在18%CO2作用下，超壓峰值下降到了0.408 5 MPa，下降了38.1%；9.5%甲烷/空氣爆炸超壓峰值到達時間為189.1 ms，而在18%CO2作用下爆炸超壓峰值到達時間增加到了1 040.1 ms，增加了450.0%。

最后，在爆炸壓力增長期，隨著CO2體積分數(shù)的增加爆炸超壓曲線斜率明顯降低，這表明壓升速率減小。因為CO2對9.5%甲烷/空氣爆炸具有明顯的抑制作用，并且CO2濃度越高抑制作用越明顯，這是由于甲烷爆炸本質(zhì)上是一個鏈式反應(yīng)過程，而CO2稀釋了甲烷氣體，抑制了活化自由基的解離，降低了活化自由基的濃度，使爆炸強度減小，爆炸反應(yīng)速率減慢。

圖7(b)是不同超細水霧質(zhì)量濃度對9.5%甲烷/空氣爆炸超壓的影響曲線。變化曲線與圖7(a)有相似的變化趨勢，即定容彈內(nèi)的爆炸壓力也經(jīng)歷了3個階段。

但是，在超細水霧質(zhì)量濃度為58.3 g/m3時，爆炸超壓峰值增加到了0.697 7 MPa，增加了5.7%。這是因為：

(1)超細水霧的加入會使爆炸流場湍流化，湍流化會使火焰表面失穩(wěn)造成火焰表面與預(yù)混未燃氣的接觸面積增加，這會造成火焰燃燒增強，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?，爆炸超壓增加，從而產(chǎn)生促爆作用；

(2)在密閉容器內(nèi)部，少量超細水霧在高溫火焰作用下會發(fā)生氣化，氣化的超細水霧體積會有所增加，造成定容燃燒彈內(nèi)的壓力升高，這就是超細水霧的氣化升壓作用；在超細水霧質(zhì)量濃度58.3 g/m3時，超細水霧的氣化升壓作用大于冷卻降溫作用，從而造成了定容燃燒彈內(nèi)的壓力升高[22]。

此后，隨著超細水霧質(zhì)量濃度的增加，爆炸超壓峰值逐漸降低。這表明，少量的超細水霧并不能抑制甲烷爆炸，只有當(dāng)超細水霧達到一定質(zhì)量濃度時才能抑制甲烷爆炸。

圖7 CO2和超細水霧對9.5%甲烷/空氣爆炸超壓的影響Fig.7 Influences of CO2 and ultrafine water mist on explosion overpressure of 9.5% methane/air

為了說明超細水霧和CO2共同作用對9.5%甲烷/空氣爆炸超壓的影響，選取質(zhì)量濃度為350 g/m3的超細水霧和CO2共同作用的情況來進行分析。

圖8是質(zhì)量濃度為350 g/m3的超細水霧和不同體積分數(shù)CO2共同作用對9.5%甲烷/空氣爆炸超壓的抑制效果圖像。

由圖8(a)和圖7對比，可以看出超細水霧和CO2共同作用時的抑爆效果更加明顯，當(dāng)往超細水霧中加入CO2后爆炸超壓峰值明顯降低，爆炸超壓峰值來臨時間顯著增加，并且隨著CO2體積分數(shù)的增加，超細水霧和CO2的綜合抑爆能力越強。

根據(jù)圖8(b)，9.5%甲烷/空氣爆炸的平均壓升速率為3.0 MPa/s，而350 g/m3超細水霧和18%CO2共同作用下，平均壓升速率下降到了0.25 MPa/s，下降了91.7%；超壓峰值來臨時間增加到了1 395.7 ms，增加了638.1%，這比超細水霧或CO2單獨作用時具有更好的抑爆效果，并且350 g/m3超細水霧和18%CO2綜合作用時的抑爆效果最明顯。

圖8 CO2-超細水霧對9.5%甲烷/空氣的抑爆效果Fig.8 Effect of CO2-ultrafine water mist on explosion suppression of 9.5% methane/air

3 結(jié) 論

通過自行搭建的實驗平臺研究了CO2-超細水霧對9.5%甲烷/空氣初期爆炸特性的影響，主要得到以下結(jié)論。

(1) CO2和超細水霧的濃度是影響其單獨抑爆效果的主要原因，且要達到理想的抑爆水平，抑爆劑的使用濃度要求很高，且超細水霧質(zhì)量濃度不足時有促爆作用，只有當(dāng)超細水霧質(zhì)量濃度充足時才會有效抑制甲烷爆炸。

(2) CO2和超細水霧共同作用時對爆炸初期火焰?zhèn)鞑ビ酗@著影響，火焰胞狀面逐漸變大，數(shù)量逐漸減小，在加入10%CO2后胞狀面消失，同時火焰亮度變暗，體現(xiàn)出二者共同作用時能夠降低火焰不穩(wěn)定性，抑制少量超細水霧誘發(fā)的抑爆不穩(wěn)定現(xiàn)象。

(3) CO2和超細水霧共同作用時，明顯降低了球形火焰?zhèn)鞑ニ俣?、甲烷爆炸超壓峰值和平均壓升速率，推遲超壓峰值來臨時間，有助于抑制爆炸初期的火焰加速。