惰性氣體抑制瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑ヌ匦詫嶒炑芯?

胡 洋，吳秋遐，龐 磊，楊雨欣，闞瑞峰，梁金虎，徐景德

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601； 2.北京石油化工學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 102617；3.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽 合肥 230031； 4.中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，山西 太原030051)

0 引言

煤炭在我國一次能源消費中所占比例約為67%，而95%的煤炭生產(chǎn)來源于井工開采。每年我國工業(yè)生產(chǎn)所發(fā)生的重特大事故中，瓦斯事故和頂板事故所造成的人員死亡人數(shù)占全體事故1/2以上，其中瓦斯事故中最主要的形式就是瓦斯爆燃[1]，一旦發(fā)生事故往往造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此，阻燃抑爆技術(shù)和裝備的研究一直處于重要地位，對煤礦安全生產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)、應(yīng)急救援具有重要意義，目前學(xué)者們對惰性氣體抑制瓦斯爆燃的方法較為認(rèn)可。

煤礦發(fā)生的瓦斯爆燃現(xiàn)象是沖擊波與火焰及產(chǎn)物分離，先于火焰在巷道中傳播，誘導(dǎo)激波的能量、火焰的高溫及氣體的有毒性造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟損失[2]。為降低瓦斯爆燃的危害，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究，對瓦斯爆燃過程中施加滅火劑、抑爆劑來達到阻燃抑爆效果[3-4]，但阻燃抑爆效果并不理想。由于惰性氣體相比于其他防治措施具有更加高效、便捷的效果，因此，采用惰性氣體在不會阻斷巷道通風(fēng)的前提下抑制瓦斯爆燃，是一個可取的研究方向。賈寶山等[5]通過對CH4/空氣混合氣體充入10%，15%，20% 3種不同濃度的N2，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著N2濃度增大，瓦斯引爆時間延遲且爆炸強度減弱；楊春麗等[6]用數(shù)值模擬研究了不同濃度N2對CH4預(yù)混氣體爆炸的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：造成抑爆性強弱的原因在于影響鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速率不同；張迎新等[7]借助中尺度的爆炸實驗裝置研究N2對瓦斯爆炸的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著N2在瓦斯預(yù)混氣體中的濃度不斷增加，瓦斯爆炸的超壓都有大幅度的下降。綜上所述，選用N2進行抑制瓦斯爆燃的研究很多，但目前的研究主要集中于N2與預(yù)混氣體因不同濃度的配比，對瓦斯爆燃超壓變化、爆炸壓力上升速度變化及支鏈反應(yīng)的抑制作用[8-9]。通常情況下N2的主要抑爆機理是借助N2降低預(yù)混氣體中O2濃度，減少O2分子與可燃?xì)怏w分子的接觸概率，使火焰熄滅[10-11]。

N2抑制瓦斯爆燃過程是一個動態(tài)、立體的三維結(jié)構(gòu)變化，僅采用傳統(tǒng)的宏觀測量方法無法全面準(zhǔn)確地反映整個過程。本文結(jié)合壓電式傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱图す饧y影測試系統(tǒng)，通過研究N2在不同噴射壓力下對瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，得出N2對礦井瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑サ囊种铺匦?，為該類事故預(yù)防研究奠定基礎(chǔ)。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗系統(tǒng)介紹

圖1為N2抑制瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃的實驗系統(tǒng)圖。實驗系統(tǒng)包括爆炸激波管系統(tǒng)、高壓點火系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、預(yù)混系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、壓電式傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、同步控制系統(tǒng)、N2噴射裝置和激光紋影測試系統(tǒng)組成。本實驗采用6節(jié)激波管和1節(jié)實驗段搭建爆炸激波管系統(tǒng)，激波管截面形狀為200 mm×200 mm的方形，實驗管道每節(jié)為2.5 m，實驗段長為1 m。實驗段距端面長為500 mm的位置開有直徑為300 mm的圓形可視化窗口，在可視化窗口安裝有機玻璃并借助高速攝影或者激光紋影技術(shù)觀察激波管中的流場變化情況。為滿足N2抑制瓦斯爆燃的實驗設(shè)計，在可視化窗口的底部設(shè)計留有直徑為15 mm的圓形小孔作為噴射N2的入口。高壓點火系統(tǒng)利用電容充電，通過外觸發(fā)控制電極產(chǎn)生高壓放電火花，完成點火，通過點火能量公式得到點火能量為100 mJ；真空系統(tǒng)由旋片泵和羅茨泵組成，其中旋片泵抽速為90 m3/h，極限真空度0.7 Pa、羅茨泵抽氣速度為500 m3/h，極限真空度0.4 Pa；預(yù)混系統(tǒng)利用管道外預(yù)混的思想，將CH4和空氣分別按照預(yù)定的體積百分?jǐn)?shù)充入密閉罐中，靜止6～8 h后充入激波管內(nèi)作為實驗氣體；壓力傳感器為ICP型高頻響壓電傳感器，靈敏度為0.145 mV/kPa，采樣頻率為1 MHz；火焰?zhèn)鞲衅鳛楣饫w、光電二極管制成，核心部件為硅PIN光電二極管，型號為GT101，將火焰產(chǎn)生的光信號由光纖導(dǎo)入并轉(zhuǎn)化為電信號；同步控制系統(tǒng)[12]為多通道同步控制器連接，實現(xiàn)1個信號控制點火、噴射N2及數(shù)據(jù)采集。

1-激光紋影系統(tǒng)；2-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；3-固體繼電器；4-DG645;5-同步控制系統(tǒng)；6-高壓點火系統(tǒng)；7-空壓機；8-瓦斯氣瓶；9-控制柜；10-N2噴射裝置；11-羅茨泵；12-預(yù)混氣罐圖1 實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system diagram

N2噴射裝置是本實驗的關(guān)鍵裝置，射流時間要控制好，實驗的關(guān)鍵就是要控制射流的壓力，這對惰性氣體阻燃定量分析也有很大意義[13]，為此設(shè)計了噴射裝置(如圖2)和同步控制電磁閥裝置。

1-N2氣瓶；2-減壓閥；3-單向閥；4-電磁閥；5-進氣閥門；6-N2噴射入口圖2 N2噴射裝置Fig.2 Nitrogen injection plant

N2噴射系統(tǒng)由N2氣瓶、減壓閥、單向閥、電磁閥和進氣閥門組成。實驗采用美國制造的TESCOM系列減壓閥，出口壓力可控制在0～4.0 MPa之間；電磁閥采用歐文凱利系列的高壓電磁閥，工作壓力為0～4.0 MPa。在實驗中通過調(diào)節(jié)減壓閥來達到實驗設(shè)計所需的噴射壓力，并在實驗過程中保持恒定開啟狀態(tài)，當(dāng)同步控制系統(tǒng)給出控制信號開啟電磁閥后，輸送惰性氣體的管路與激波管噴射入口連通，惰性氣體以恒定的噴射壓力進入激波管中與火焰陣面進行作用。另外，為了確保安全，防止預(yù)混氣體在激波管中爆燃時因超壓過高發(fā)生氣體倒流進入氣瓶發(fā)生危險，在輸氣管路上安裝1個單向閥確保安全。

1.2 工況設(shè)計

為測得整個實驗過程中壓力和火焰變化的詳細(xì)過程，在每節(jié)激波管道中部的同一軸向位置分別安裝壓力、火焰?zhèn)鞲衅?，其中在實驗段觀察窗前后各安裝8組壓力、火焰?zhèn)鞲衅?，布置情況如圖3所示，壓力、火焰?zhèn)鞲衅骶帱c火端的位置見表1。

圖3 實驗測點布置Fig.3 Layout of experimental measuring points

表1 壓力和火焰?zhèn)鞲衅骶帱c火端的位置Table 1 Position of pressure and flame sensors from ignition end

N2從實驗段的中部，即觀察窗的下方噴射進入管道。先進行基礎(chǔ)實驗工況，以預(yù)混濃度為9.5%的CH4氣體填充整個管道，在沒有惰性氣體作用的情況下獲得預(yù)混濃度為9.5%的CH4氣體在管道中的爆燃傳播規(guī)律，為后面N2的抑制效果提供實驗判據(jù)。緊接著設(shè)計不同噴射壓力的N2對比實驗，實驗又分為4種噴射壓力，其對應(yīng)的噴口流量分別為2.53，4.38，5.65,6.69 m3/s。為了減少由系統(tǒng)誤差帶來的數(shù)據(jù)差異，每組實驗至少重復(fù)3組以上，以獲得具有代表性的實驗數(shù)據(jù)。具體實驗工況設(shè)計見表2。

表2 N2噴射壓力的實驗工況設(shè)計Table 2 Design of experimental conditions of N2

2 實驗數(shù)據(jù)分析

選擇噴射壓力為0(即無N2)，0.5，1.5，2.5，3.5 MPa的N2與火焰陣面相互作用，根據(jù)管道上的8個火焰?zhèn)鞲衅鳎来斡涗浕鹧骊嚸娼?jīng)過的時間，得到在不同的N2噴射壓力下火焰陣面與時間之間的關(guān)系，如圖4所示。

通過1號火焰?zhèn)鞲衅?F1)可以發(fā)現(xiàn)，不同噴射壓力下火焰陣面經(jīng)過F1的時間相同，為0.102 s。這是因為F1位于管道上游，距點火端最近，N2在管道中擴散速度較慢，在很短的時間內(nèi)無法影響到F1位置的未反應(yīng)預(yù)混氣體靜止?fàn)顟B(tài)，因此，噴射出的N2并沒有對F1產(chǎn)生影響。

根據(jù)不同噴射壓力下火焰陣面的傳播過程可知，從噴射入口進入管道的N2受管壁約束向兩端擴散并影響管道中未反應(yīng)預(yù)混氣體的靜止?fàn)顟B(tài)，從F3開始，火焰陣面的傳播開始受到噴射N2的影響，根據(jù)圖4得到不同噴射壓力下火焰陣面經(jīng)過傳感器的時間，見表3。

為保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組實驗至少重復(fù)3組以上，因此,得到多組平行實驗數(shù)據(jù)，現(xiàn)羅列其中1組平行數(shù)據(jù)見表4。

表4 火焰陣面經(jīng)過傳感器時間的驗證實驗Table 4 Time of flame front passing through sensor s

F4和F5位于觀察窗前后，離噴射N2的噴口最近，未反應(yīng)的預(yù)混氣體受到擾動最大，因此，需進一步分析這2個位置的數(shù)據(jù)。

將噴射N2的壓力為0(即無N2)與噴射N2的壓力為0.5 MPa的實驗組進行對比。結(jié)合圖4和表3可發(fā)現(xiàn)，在噴射N2的壓力為0(即無N2)時火焰陣面經(jīng)過時間為0.441 s，火焰信號強度較為平緩。在噴射N2的壓力為0.5 MPa時火焰陣面時間為0.39 s，時間提前了0.051 s，同時火焰信號強度有明顯增強，出現(xiàn)了1個信號高峰。這是靜止的未反應(yīng)預(yù)混氣體受到擴散N2擾動影響的結(jié)果，火焰陣面變形同時卷吸更多的預(yù)混氣體參與反應(yīng)，加劇瓦斯/空氣預(yù)混氣體的反應(yīng)進程。

圖4 不同位置火焰陣面?zhèn)鞑ミ^程Fig.4 Propagation process of flame array at different positions

將噴射N2的壓力為0(即無N2)，0.5，1.5,2.5 MPa的實驗組進行對比，結(jié)合圖4和表3可發(fā)現(xiàn)，噴射N2的壓力為1.5 MPa時，火焰陣面時間相對于噴射N2的壓力為0.5 MPa進一步提前，時間為0.38 s，同時可發(fā)現(xiàn)火焰信號強度繼續(xù)增強，可知噴射N2的壓力為1.5 MPa時，促進瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃的效果要強于噴射N2的壓力為0.5 MPa。噴射N2的壓力為2.5 MPa時，火焰陣面經(jīng)過時間為0.389 s，相對于噴射N2的壓力為1.5 MPa時時間略有滯后，但相比于噴射N2的壓力為0(即無N2)時時間仍然有所加快。

表3 火焰陣面經(jīng)過傳感器時間的初次實驗Table 3 Time of flame front passing through sensor s

噴射N2的壓力為3.5 MPa時，結(jié)合圖4、圖5和表3可發(fā)現(xiàn)，火焰陣面經(jīng)過時間為0.482 s，火焰陣面經(jīng)過時間和火焰信號強度都有大幅度的滯后和降低。同時從6號傳感器實時數(shù)據(jù)可知，火焰被N2分割成2部分，前段被分割的小火焰團1經(jīng)過傳感器6，隨后較大的火焰團2再經(jīng)過，火焰團2帶有明顯的三維凹陷結(jié)構(gòu)特征，經(jīng)過N2分割后的火焰陣面，傳播速度明顯降低。可知噴射N2的壓力為3.5 MPa時，N2有明顯的抑制效果。

圖5 噴射N2壓力為3.5 MPa的火焰信號Fig.5 Flame signal of nitrogen injection pressure of 3.5 MPa

根據(jù)已知不同火焰?zhèn)鞲衅髦g的精確距離和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的火焰陣面經(jīng)過不同火焰?zhèn)鞲衅鞯臅r間差，得到不同噴射壓力下火焰陣面在管道中的傳播速度，如圖6所示。可發(fā)現(xiàn)，噴射壓力為0的N2(即無N2)后，火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄬^穩(wěn)定，而噴射壓力為0.5,1.5 MPa的N2后，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@增強，噴射壓力為2.5 MPa的N2后，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸尸F(xiàn)先增強后減弱的趨勢，但傳播速度依舊要高于噴射壓力為0(即無N2)的N2。噴射壓力為3.5 MPa的N2后，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@減弱，預(yù)混氣體的爆燃受到抑制。當(dāng)噴射N2壓力為0.5,1.5 MPa時，進入管道的N2相對較少，造成擾動影響大于稀釋作用，使上游的預(yù)混氣體受擾動被加劇，火焰陣面以極快的速度經(jīng)過N2噴射入口，火焰陣面的傳播速度最高達到250 m/s。噴射N2壓力為2.5 MPa時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.8 m/s，上游火焰陣面受擾動進一步加劇，但同時下游N2的稀釋作用也不斷加劇，反應(yīng)物濃度逐漸降低，火焰陣面能卷吸到的未燃?xì)怏w減少，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中產(chǎn)生的自由基粒子被抑制，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粩鄿p低，在管道末端時速度低于噴射壓力為0(即無N2)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?.96 m/s，爆燃逐漸被抑制。當(dāng)噴射N2壓力為3.5 MPa時，由于噴射壓力高，N2向兩端擴散的距離更長，管道中的預(yù)混氣體被不斷稀釋，火焰?zhèn)鞑ナ艿揭种菩Ч蠲黠@，速度為5.4 m/s。

圖6 不同噴射壓力下火焰的傳播速度Fig.6 Flame propagation velocity under different injection pressures

3 激光紋影技術(shù)的初步結(jié)果

激光紋影技術(shù)是建立以光學(xué)激光技術(shù)為主要光源的紋影儀系統(tǒng)，在線同時獲取并監(jiān)測不同的紋影現(xiàn)象，通過拍攝得到并保存相應(yīng)的紋影圖像。其作為能夠研究復(fù)雜流場的一項重要技術(shù)，非常適合應(yīng)用到流場結(jié)構(gòu)內(nèi)部包含許多有用信息的煤礦瓦斯爆燃流場。從微觀這一新的研究角度研究瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃，“看得到”爆燃流場結(jié)構(gòu)內(nèi)部的信息。

結(jié)合實驗室的現(xiàn)狀，選擇“Z”型光路布置?！癦”型光路布置相比于其他光路布置具有尺寸緊湊，光線自身不會對成像產(chǎn)生影響的優(yōu)點[14-15]?，F(xiàn)將激光紋影技術(shù)在實驗管道上進行布置，得到初步紋影圖像如圖7所示。

圖7 不同噴射壓力下的紋影圖像Fig.7 Schlieren images at different injection pressures

選擇噴射N2壓力為0(即無N2)，0.5,3.5 MPa的實驗組進行對比，結(jié)果表明，圖7各噴射壓力下1號位置處對比可發(fā)現(xiàn)，噴射N2壓力為0.5 MPa時，火焰陣面受噴射N2的沖擊，火焰邊界線被向上拉升約5.2%；噴射N2壓力為3.5 MPa時，火焰陣面受噴射N2的沖擊發(fā)生形變而無法保持完整的指尖形狀，火焰邊界線變得凹凸不平。同時，火焰前鋒面在不同噴射壓力下到達的時間不同，噴射N2壓力為0.5 MPa與噴射N2壓力為0(即無N2)相比，N2在管道中擴散加劇預(yù)混氣體的湍流狀態(tài)，時間提前約0.30 s；噴射N2壓力為0.5 MPa與噴射N2壓力為0(即無N2)相比，管道中的N2不斷稀釋預(yù)混氣體，時間滯后約0.10 s。噴射進入管道中的N2受火焰的推動不斷向管道的后方擴散，在管道后端的預(yù)混氣體受擴散的N2的稀釋和隔熱作用，使火焰?zhèn)鞑ス?yīng)不足，促使火焰?zhèn)鞑ケ灰种啤?/p>

4 結(jié)論

1)選用N2做為惰性介質(zhì)，抑制爆燃效果與N2的噴射壓力密切相關(guān)，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著噴射壓力的增加呈現(xiàn)先增加后減弱的趨勢，其中噴射N2壓力為1.5 MPa時，火焰陣面拉升、變形最強，火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣?，最高可達到250 m/s。噴射壓力為3.5 MPa時，火焰陣面出現(xiàn)明顯三維凹陷結(jié)構(gòu)，運動發(fā)生明顯滯后現(xiàn)象，火焰?zhèn)鞑ニ俣却蠓冉档椭?.4 m/s，惰性氣體抑制火焰?zhèn)鞑バЧ黠@，實現(xiàn)抑制瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃。

2)N2抑制瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃特性的本質(zhì)是使流場中的O2含量降低，達到熄滅火焰的目的。因此，在瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃火焰?zhèn)鞑サ竭_之前，N2的含量越高，越有利于對預(yù)混氣體進行稀釋，越有利于抑制預(yù)混氣體爆燃。當(dāng)噴射N2壓力為0.5～2.5 MPa時，噴射出的N2較少，相應(yīng)的N2的含量較低，不利于抑制瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃。相應(yīng)的，當(dāng)噴射壓力為3.5 MPa時，噴射出的N2多，相應(yīng)的N2的含量高，更有利于抑制瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃，使火焰有明顯的滯后。

3)瓦斯/空氣預(yù)混氣體爆燃過程中，當(dāng)N2的噴射壓力相對較低時，N2在管道中擴散加劇了未反應(yīng)預(yù)混氣體的擾動狀態(tài)，造成火焰陣面褶皺的卷吸能力增強，進而加速化學(xué)反應(yīng)進程，促進預(yù)混氣體燃燒。噴射N2壓力為0.5 MPa時火焰的傳播速度增幅為157.2%，噴射N2壓力為1.5 MPa時火焰的傳播速度增幅為549.5%，噴射N2壓力為2.5 MPa時火焰的傳播速度增幅為137.4%,其中噴射N2壓力為1.5 MPa時火焰的傳播速度增幅最強，為549.5%。當(dāng)噴射N2壓力為3.5 MPa時，由于噴射壓力高，N2向兩端擴散的距離更長，管道中的預(yù)混氣體被不斷稀釋，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@開始降低，爆燃受到抑制。

4)實驗管道結(jié)合井下巷道按照1∶10的比例進行設(shè)計，因此，所得實驗數(shù)據(jù)均可按照比例應(yīng)用于井下巷道。當(dāng)噴口的噴射壓力為3.5 MPa時，火焰陣面出現(xiàn)明顯三維凹陷結(jié)構(gòu)，運動發(fā)生明顯滯后現(xiàn)象，火焰?zhèn)鞑ニ俣却蠓冉档椭?.4 m/s，惰性氣體抑制火焰?zhèn)鞑バЧ黠@?？蓪⒋私Y(jié)論推廣至井下巷道，抑制火焰?zhèn)鞑?，進而抑制瓦斯爆炸，減少人員傷亡和經(jīng)濟損失。