典型鹽粉及鹽溶液對甲烷爆燃火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懷芯?/h1>
2022-03-23 06:47徐小猛李志敏汪鳳祺李孝臣楊禮澳常弘毅
煤炭工程 2022年3期
徐小猛，汪 泉，2，張 軍，李志敏，李 瑞，2，汪鳳祺，李孝臣，楊禮澳，常弘毅
(1.安徽理工大學 化學工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽省爆破器材與技術工程實驗室，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大 學力學與光電物理學院，安徽 淮南 232001)
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，瓦斯得到廣泛應用，但其在開采、運輸、貯藏和使用過程中存在許多安全隱患。近年來，國內(nèi)外許多學者對添加不同介質(zhì)抑制瓦斯爆炸開展了研究[1-3]。文虎[4]發(fā)現(xiàn)在瓦斯中加入磷酸鹽(ABC干粉NH4H2PO4)可以有效降低瓦斯爆燃壓力，當粉體的濃度為 0.10g/L 時，其抑爆的效果最好；謝波[5]研究了ABC干粉和巖粉的濃度、粒度對抑制瓦斯爆炸的影響，提出可能由于大直徑顆?；⌒渭げc火影響瓦斯爆炸的觀點；余明高等[6]利用自制的瓦斯抑爆系統(tǒng)，研究并分析了改性赤泥粉體抑制瓦斯爆炸的抑爆機理；J.Amrogowicz等[7]對比研究了碳酸鹽和惰性二氧化硅顆粒對抑制瓦斯層流火焰的影響； H.K.Chelliah等[8]研究了不同粒徑的碳酸氫鈉對瓦斯爆炸的抑制效果，當粒度為10～20μm時的抑制能力最強。
除了固體抑爆劑外，許多學者使用細水霧來抑制爆燃火焰的傳播[9-13]。陸守香等[14]研究了細水霧對管道內(nèi)瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，并發(fā)現(xiàn)了火焰駐?，F(xiàn)象；劉江虹等[15]利用同軸流動燃燒裝置，研究含CaCl2、NaCl、KCl、FeCl2細水霧的滅火性能，發(fā)現(xiàn)其滅火性能隨著添加劑含量的增加而減??；Ingram等[16-18]研究超細水霧對氫-氧-氮爆炸抑制作用，發(fā)現(xiàn)其不僅提高了氫-氧的爆炸下限，還對燃燒速度和壓升速率有顯著抑制作用；Joseph等[19]發(fā)現(xiàn)在超細水霧中加入NaCl、KCl或KHCO3，能夠提高超細水霧對瓦斯爆炸的抑制效果。
上述研究中大多以點火前預噴粉的形式，在反應容器中提前形成氣粉兩相混合體系。實際環(huán)境中，往往在巷道底部鋪設一層礦物鹽粉或者鹽溶液，用以抑制瓦斯的爆燃反應，減少可能產(chǎn)生的危害。為探究實際工程效果，本文在不銹鋼火焰加速管道內(nèi)鋪設了不同面密度、鋪粉長度的NaCl、KCl粉末及不同濃度、鋪液長度的NaCl溶液，以探究其對瓦斯爆燃火焰特性參數(shù)的影響。研究結(jié)果對預防和減輕瓦斯爆炸災害的發(fā)生具有參考價值。
1 試驗方案
1.1 試驗裝置與試驗材料
試驗裝置由火焰加速管、配氣系統(tǒng)和消爆炸系統(tǒng)組成，如圖1所示?；鹧婕铀俟艿朗?120mm×5.5m的圓柱形管道，并在距離管道點火端130cm處開設40cm×7cm的觀察窗。管道點火端封閉，開口端用2層厚度為0.02mm的聚乙烯(PE)薄膜封閉。在管道點火端141cm處布置一支PCB壓力傳感器(響應時間小于1μs)用于采集管道中的爆燃壓力。同時還在距離點火端水平距離為226～476cm(間隔50cm)的管道上布置6支光電傳感器用于采集爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
圖1 試驗測試系統(tǒng)
試驗名義點火能量為3J，甲烷體積分數(shù)為9.5%，試驗所用NaCl、KCl粉末為天津致遠公司的分析純產(chǎn)品，純度超過99%，分別將樣品過200～300目篩，選擇粒徑為48～75μm。溶液用水為實驗室蒸餾水。
1.2 試驗條件及過程
將NaCl、KCl粉末和NaCl溶液鋪設在長度為75cm，寬度為10cm的鐵盤中，并根據(jù)實驗條件選擇不同鋪設長度d來改變粉體與預混氣的接觸面積?？瞻讓φ战M是將空鐵盤放于管道內(nèi)進行的實驗。為探究在鋪設長度d相同時，粉體質(zhì)量和鋪設厚度對火焰抑制的耦合效果，實驗選擇以面密度ρ作為特征參數(shù)表征，公式為：
ρ=m/S
(1)
式中，m為鹽粉的質(zhì)量，mg；S為鹽粉鋪設面積，cm2。
試驗時先將預制的粉體或溶液鋪設于管內(nèi)，按圖1所示組裝實驗系統(tǒng)。確保氣密性后，將管內(nèi)抽至真空，加入預混氣至一個大氣壓，更換開口端為PE膜，點火引燃預混氣，火焰壓力及光信號由傳感器捕捉并記錄到存儲記錄儀。
2 甲烷爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ种菩Ч?/h2>2.1 NaCl粉末
NaCl粉末鋪設長度d=40cm時不同面密度ρ下的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖2所示。由圖2(a)可知，火焰平均傳播速度分別為153.45m/s，123.97m/s和160.22m/s，均低于實驗空白對照組的平均傳播速度172.44m/s，火焰平均速度最大衰減比分別為28.11%?；鹧嫫骄鶄鞑ニ俣仁侵富鹧孢\動的距離與火焰運動時間的比值，其中運動時間為第一個光電傳感器開始接收信號到最后一個光電傳感器開始接收信號時的時間差。隨著鋪設面密度的增加，火焰平均傳播速度呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，面密度為150mg/cm2時的抑制效果最佳。但粉末鋪設面密度的改變對于爆燃火焰壓力的影響不明顯，爆燃壓力第一峰值僅略微下降，面密度為150mg/cm2時取得最低峰值壓力7.41kPa，相比第一壓力峰值最大的空白對照組為8.49kPa對應第一壓力峰值最大衰減率12.75%。
圖2 NaCl鋪粉長度d=40cm時不同面密度對爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫Φ挠绊?/p>
由于面密度為150mg/cm2時，爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ种菩Ч罴?，所以在探究長度對火焰?zhèn)鞑サ挠绊憰r，保持面密度為150mg/cm2。NaCl粉末鋪設面密度ρ=150mg/cm2時不同鋪粉長度d下的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖3所示。由圖3(a)可知，對于NaCl粉末，鋪設長度為20cm、40cm和60cm時對應的火焰?zhèn)鞑テ骄俣确謩e為121.04m/s，123.97m/s和150.79m/s，均低于實驗空白對照組的平均傳播速度172.44m/s，火焰平均速度最大衰減比為29.81%。隨著鋪設長度的增加，火焰平均傳播速度均持續(xù)增加，鋪設長度為20cm時對爆燃火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Ч罴?，爆燃火焰第一、二壓力峰無明顯變化，但第三峰值壓力逐漸降低。
圖3 NaCl面密度ρ=150mg/cm2時不同鋪設長度對爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫Φ挠绊?/p>
火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)衰減是由于NaCl粉末對管道內(nèi)甲烷/空氣預混氣體火焰爆燃的抑制起主導作用。具體表現(xiàn)為固體粉末與爆燃火焰之間的異相化學作用降低了空間溫度，以及固體粉末與氣體燃燒反應產(chǎn)生的自由基發(fā)生碰撞，導致部分鏈式反應終止，從而達到抑制爆燃火焰?zhèn)鞑サ男Ч鸞20]。其作用機理如圖4所示。
圖4 NaCl粉末抑制甲烷/空氣預混氣體爆燃火焰機理分析
隨著NaCl粉末鋪設面密度和鋪粉長度的增加，火焰速度也會有升高的趨勢，這是由于鋪設面密度和長度的增加，未被爆燃火焰前驅(qū)壓力波揚起的粉末堆積在管內(nèi)，形成不規(guī)則的障礙物，造成火焰出現(xiàn)拉伸與彎曲，火焰湍流程度加大，由于受到Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性和Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性[21]的作用而出現(xiàn)擾動，速度提升；另外，粉末的“團聚效應”會使得部分粉末團聚形成大顆粒，其中一部分顆粒與火焰相互作用形成擾動，并進一步演化為大尺度渦流，實現(xiàn)加速作用，另一部分大顆粒因壓力波作用撞擊到管道后段時分散并粘附在內(nèi)壁上，增加管道內(nèi)壁粗糙度，根據(jù)Shchelkin等人的理論[16]，火焰與管壁之間會產(chǎn)生邊界層，且隨著管道內(nèi)壁粗糙度的增加，邊界層的形成會加快、厚度也增大，從而起到了促進爆燃火焰?zhèn)鞑サ男Ч?/p>
由圖2(b)和圖3(b)可知，各工況下爆燃壓力時程曲線的發(fā)展趨勢基本相同，均形成了三個峰。第一個峰值即破膜壓力是氣體被點燃直到發(fā)生破膜前產(chǎn)生，之后氣體沖破或燒灼PE膜導致壓力下降；破膜后沖出管道的未燃氣體被燃燒波陣面趕上并點燃，形成“外部爆炸”，爆炸產(chǎn)生的壓力波反向傳播到管道內(nèi)部產(chǎn)生第二壓力峰值；此后已燃氣體產(chǎn)物向管外快速泄放，造成管內(nèi)出現(xiàn)負壓并引發(fā)可燃氣體的振蕩[11]，再加上爆炸產(chǎn)物的高溫和氣體流動慣性，使得管內(nèi)湍流加劇最終出現(xiàn)第三個壓力峰值。
2.2 KCl粉末
KCl粉末鋪設長度d=40cm時不同面密度ρ下的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖5所示。由圖5(a)可知，火焰平均傳播速度分別為98.67m/s，93.91m/s和106.64m/s，均低于實驗空白對照組的平均傳播速度145.69m/s，火焰平均速度最大衰減比為45.54%。對于KCl粉末，隨著鋪設面密度的增加，火焰平均傳播速度均表現(xiàn)為先減小后增大，面密度為150mg/cm2時的抑制效果最佳。加入KCl對爆燃壓力的影響大致與NaCl工況相同，鋪設面密度的改變對爆燃壓力的影響都很小。
圖5 KCl鋪粉長度d=40cm時不同面密度對爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫Φ挠绊?/p>
KCl粉末鋪設面密度ρ為150mg/cm2時不同鋪粉長度d下的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖6所示。由圖6(a)可知，三種粉末鋪設長度20cm、40cm和60cm，對應的火焰?zhèn)鞑テ骄俣确謩e為96.26m/s，93.91m/s和87.46m/s，均低于實驗空白對照組的平均傳播速度145.69m/s，火焰平均速度最大衰減比為49.28%。隨著鋪設長度的增加，火焰平均傳播速度均表現(xiàn)為持續(xù)降低，鋪設長度為60cm時的抑制效果最佳。
圖6 KCl面密度ρ=150mg/cm2時不同鋪設長度對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>
不同于NaCl工況，隨著鋪設長度的增加，KCl工況的火焰速度表現(xiàn)為持續(xù)降低。這是因為KCl的物理冷卻作用與對管內(nèi)流場的干擾作用優(yōu)于NaCl。且由于惰性粉末的作用主要是在火焰?zhèn)鞑サ闹泻笃?，鋪粉長度的增加使得鹽粉作用時間延長，所以僅第三個峰爆燃壓力有明顯影響。
總體看來，加入了NaCl、KCl兩種鹽粉對火焰?zhèn)鞑ゾ鸬搅艘种谱饔?，爆燃壓力及火焰平均傳播速度均低于空白對照組。其中對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戄^大，對火焰爆燃壓力的影響較小。因為NaCl更易吸附自由基，使鏈式反應中自由基的銷毀速率增大。因此NaCl工況下的爆燃壓力第一峰值、第二峰值普遍低于KCl工況。NaCl鋪設長度的增加，導致第三壓力峰值降低，但火焰速度增加；KCl鋪設長度的增加，導致第三壓力峰值降低，同時火焰速度降低。說明鹽粉的加入對爆燃火焰的傳播存在促進和抑制兩種作用。NaCl的物理降溫作用有限，當鋪設長度增加，對火焰?zhèn)鞑サ拇龠M作用大于抑制作用，因而導致火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?。KCl的物理降溫性能更強，當鋪設長度增加，意味著KCl的冷卻作用時間延長，火焰速度因此降低。
2.3 NaCl溶液
鋪設長度d=60cm時不同濃度NaCl溶液的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖7所示。由圖7(a)可知，空白對照組火焰平均傳播速度為180.8m/s。隨著NaCl濃度的增加，火焰平均傳播速度呈持續(xù)降低趨勢，分別為192.2m/s、186.3m/s和163.2m/s。鋪液濃度的增加，意味著相同溶液體積中參與反應的NaCl的有效量提高，即抑制作用相對加強，因此火焰速度逐漸降低。隨著濃度增加，爆燃火焰與管道內(nèi)揚起的液滴中參與抑制反應的離子濃度增加，鹽溶液對爆燃火焰的抑制作用增強。其中第一、第二峰值壓力呈現(xiàn)先略微升高后降低的趨勢，此時第一峰值壓力分別為7.10kPa、7.79kPa和6.76kPa，在溶液體積濃度26.5%時，達到第一峰值壓力最大衰減率31.51%。
圖7 NaCl鋪液長度d=60cm時不同鋪液濃度對爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫Φ挠绊?/p>
NaCl溶液對甲烷/空氣預混氣體爆燃火焰?zhèn)鞑ネ瑯佑袃煞矫娴挠绊?，一個是抑制作用，一個是促進作用。促進作用是因為NaCl溶液中的水蒸發(fā)產(chǎn)生了大量的蒸汽，加大了氣流的擾動和氣體燃燒面積，而且蒸汽的膨脹也會推動火焰波陣面加速運動，另外液面因爆燃壓力的影響會出現(xiàn)波動，這種波動也會影響管內(nèi)流場。抑制作用則包括NaCl溶液作為冷壁會阻斷鏈式反應中的鏈傳遞；NaCl溶液中的水汽化吸熱以及飽和溶液內(nèi)的晶體析出吸熱，降低了化學反應溫度，抑制了反應的進行；溶液中的水汽化間接稀釋了管道內(nèi)的氧含量，減少了氧氣與燃料的接觸可能；汽化的水霧也會衰減熱輻射降低熱反饋。
由于溶液濃度為26.5%時，爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ种菩Ч罴眩栽谔骄夸佉洪L度對火焰?zhèn)鞑サ挠绊憰r，保持濃度為26.5%。NaCl溶液濃度為26.5%時不同鋪液長度d下的的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖8所示。由圖8(a)可知，當鋪液長度由40cm，增加至60cm、75cm時，對應的火焰平均傳播速度呈現(xiàn)出現(xiàn)降低后增加的趨勢，分別為173.9m/s，163.2m/s和171.2m/s。鋪液長度較短時，溶液對于火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Ч^弱，當鋪液長度增加至60cm，溶液的的抑制能力顯著提高，強于對火焰的促進效果，故火焰速度降低，當鋪液長度過長，液面的波動增加，水蒸氣的量也增多，對流場的擾動能力增強，因此火焰速度又提高。
圖8 26.5%NaCl溶液不同鋪液長度對爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫Φ挠绊?/p>
隨著鹽溶液的鋪設長度的增加，作用距離、作用時間得以延長，爆燃壓力第一峰值表現(xiàn)為持續(xù)降低，分別為7.55kPa、6.75kPa和4.67kPa，最大衰減比54.91%。第二峰值先增大后減小，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與管口薄膜發(fā)生破裂時的破損程度有關，破膜壓力越大，薄膜破損越完全，參與外部反應的氣體量增多，導致第二峰值壓力增加。第三峰值壓力雖未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，但整體均低于空白組，說明加入了NaCl的溶液對爆燃火焰的冷卻效果更好。
3 結(jié) 論
1)NaCl、KCl兩種鹽粉在鋪設面密度為150mg/cm2時，對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩Ч鄬^優(yōu)；對于20cm、40cm、60cm三種鋪設長度，布設NaCl粉末時的火焰平均傳播速度表現(xiàn)為依次增加，而KCl工況的火焰平均傳播速度表現(xiàn)為依次降低。NaCl、KCl兩種鹽粉的粉末鋪設面密度對爆燃火焰壓力的影響均不明顯；隨著鋪設長度的增加，爆燃火焰第三峰值壓力都逐漸降低。
2)加入NaCl、KCl兩種鹽粉后，爆燃壓力與火焰平均傳播速度均出現(xiàn)一定程度的降低；相較于NaCl工況，KCl工況的火焰平均傳播速度較低，而爆燃壓力較高，即KCl對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懜?，NaCl對火焰爆燃壓力的影響相對較大。
3)NaCl溶液濃度的增加對火焰爆燃壓力的影響較小，但爆燃火焰壓力均低于空白組，在三種NaCl溶液濃度下，隨著NaCl濃度溶液鋪設長度的增加，火焰平均傳播速度呈持續(xù)降低趨勢。
猜你喜歡
Fe基非晶粉末降解性能研究民族文匯(2022年14期)2022-05-10 喜迎春天中國慈善家(2020年2期)2020-09-09 我國海底管線鋪設創(chuàng)水深新紀錄文萃報·周五版(2020年23期)2020-06-11 PREP法和AA法制取Inconel718粉末對比分析中國新技術新產(chǎn)品(2019年19期)2019-11-27 新雷作文周刊·小學一年級版(2018年13期)2018-05-22 一類廣義canmassa—Holm方程的無限傳播速度與漸近行為上海師范大學學報·自然科學版(2018年3期)2018-05-14 新聞客戶端傳播優(yōu)勢分析魅力中國(2016年45期)2017-07-20 巧開銹鎖伴侶(2017年7期)2017-07-11 沉香詩林(2016年5期)2016-10-25 某污水廠排放管與雨水管放置方案分析科技視界(2016年15期)2016-06-30
徐小猛，汪 泉，2，張 軍，李志敏，李 瑞，2，汪鳳祺，李孝臣，楊禮澳，常弘毅
(1.安徽理工大學 化學工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽省爆破器材與技術工程實驗室，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大 學力學與光電物理學院，安徽 淮南 232001)
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，瓦斯得到廣泛應用，但其在開采、運輸、貯藏和使用過程中存在許多安全隱患。近年來，國內(nèi)外許多學者對添加不同介質(zhì)抑制瓦斯爆炸開展了研究[1-3]。文虎[4]發(fā)現(xiàn)在瓦斯中加入磷酸鹽(ABC干粉NH4H2PO4)可以有效降低瓦斯爆燃壓力，當粉體的濃度為 0.10g/L 時，其抑爆的效果最好；謝波[5]研究了ABC干粉和巖粉的濃度、粒度對抑制瓦斯爆炸的影響，提出可能由于大直徑顆?；⌒渭げc火影響瓦斯爆炸的觀點；余明高等[6]利用自制的瓦斯抑爆系統(tǒng)，研究并分析了改性赤泥粉體抑制瓦斯爆炸的抑爆機理；J.Amrogowicz等[7]對比研究了碳酸鹽和惰性二氧化硅顆粒對抑制瓦斯層流火焰的影響； H.K.Chelliah等[8]研究了不同粒徑的碳酸氫鈉對瓦斯爆炸的抑制效果，當粒度為10～20μm時的抑制能力最強。
除了固體抑爆劑外，許多學者使用細水霧來抑制爆燃火焰的傳播[9-13]。陸守香等[14]研究了細水霧對管道內(nèi)瓦斯爆燃火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，并發(fā)現(xiàn)了火焰駐?，F(xiàn)象；劉江虹等[15]利用同軸流動燃燒裝置，研究含CaCl2、NaCl、KCl、FeCl2細水霧的滅火性能，發(fā)現(xiàn)其滅火性能隨著添加劑含量的增加而減??；Ingram等[16-18]研究超細水霧對氫-氧-氮爆炸抑制作用，發(fā)現(xiàn)其不僅提高了氫-氧的爆炸下限，還對燃燒速度和壓升速率有顯著抑制作用；Joseph等[19]發(fā)現(xiàn)在超細水霧中加入NaCl、KCl或KHCO3，能夠提高超細水霧對瓦斯爆炸的抑制效果。
上述研究中大多以點火前預噴粉的形式，在反應容器中提前形成氣粉兩相混合體系。實際環(huán)境中，往往在巷道底部鋪設一層礦物鹽粉或者鹽溶液，用以抑制瓦斯的爆燃反應，減少可能產(chǎn)生的危害。為探究實際工程效果，本文在不銹鋼火焰加速管道內(nèi)鋪設了不同面密度、鋪粉長度的NaCl、KCl粉末及不同濃度、鋪液長度的NaCl溶液，以探究其對瓦斯爆燃火焰特性參數(shù)的影響。研究結(jié)果對預防和減輕瓦斯爆炸災害的發(fā)生具有參考價值。
1 試驗方案
1.1 試驗裝置與試驗材料
試驗裝置由火焰加速管、配氣系統(tǒng)和消爆炸系統(tǒng)組成，如圖1所示?；鹧婕铀俟艿朗?120mm×5.5m的圓柱形管道，并在距離管道點火端130cm處開設40cm×7cm的觀察窗。管道點火端封閉，開口端用2層厚度為0.02mm的聚乙烯(PE)薄膜封閉。在管道點火端141cm處布置一支PCB壓力傳感器(響應時間小于1μs)用于采集管道中的爆燃壓力。同時還在距離點火端水平距離為226～476cm(間隔50cm)的管道上布置6支光電傳感器用于采集爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
圖1 試驗測試系統(tǒng)
試驗名義點火能量為3J，甲烷體積分數(shù)為9.5%，試驗所用NaCl、KCl粉末為天津致遠公司的分析純產(chǎn)品，純度超過99%，分別將樣品過200～300目篩，選擇粒徑為48～75μm。溶液用水為實驗室蒸餾水。
1.2 試驗條件及過程
將NaCl、KCl粉末和NaCl溶液鋪設在長度為75cm，寬度為10cm的鐵盤中，并根據(jù)實驗條件選擇不同鋪設長度d來改變粉體與預混氣的接觸面積?？瞻讓φ战M是將空鐵盤放于管道內(nèi)進行的實驗。為探究在鋪設長度d相同時，粉體質(zhì)量和鋪設厚度對火焰抑制的耦合效果，實驗選擇以面密度ρ作為特征參數(shù)表征，公式為：
ρ=m/S
(1)
式中，m為鹽粉的質(zhì)量，mg；S為鹽粉鋪設面積，cm2。
試驗時先將預制的粉體或溶液鋪設于管內(nèi)，按圖1所示組裝實驗系統(tǒng)。確保氣密性后，將管內(nèi)抽至真空，加入預混氣至一個大氣壓，更換開口端為PE膜，點火引燃預混氣，火焰壓力及光信號由傳感器捕捉并記錄到存儲記錄儀。
2 甲烷爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ种菩Ч?/h2>2.1 NaCl粉末
NaCl粉末鋪設長度d=40cm時不同面密度ρ下的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖2所示。由圖2(a)可知，火焰平均傳播速度分別為153.45m/s，123.97m/s和160.22m/s，均低于實驗空白對照組的平均傳播速度172.44m/s，火焰平均速度最大衰減比分別為28.11%?；鹧嫫骄鶄鞑ニ俣仁侵富鹧孢\動的距離與火焰運動時間的比值，其中運動時間為第一個光電傳感器開始接收信號到最后一個光電傳感器開始接收信號時的時間差。隨著鋪設面密度的增加，火焰平均傳播速度呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，面密度為150mg/cm2時的抑制效果最佳。但粉末鋪設面密度的改變對于爆燃火焰壓力的影響不明顯，爆燃壓力第一峰值僅略微下降，面密度為150mg/cm2時取得最低峰值壓力7.41kPa，相比第一壓力峰值最大的空白對照組為8.49kPa對應第一壓力峰值最大衰減率12.75%。
圖2 NaCl鋪粉長度d=40cm時不同面密度對爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫Φ挠绊?/p>
由于面密度為150mg/cm2時，爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ种菩Ч罴?，所以在探究長度對火焰?zhèn)鞑サ挠绊憰r，保持面密度為150mg/cm2。NaCl粉末鋪設面密度ρ=150mg/cm2時不同鋪粉長度d下的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖3所示。由圖3(a)可知，對于NaCl粉末，鋪設長度為20cm、40cm和60cm時對應的火焰?zhèn)鞑テ骄俣确謩e為121.04m/s，123.97m/s和150.79m/s，均低于實驗空白對照組的平均傳播速度172.44m/s，火焰平均速度最大衰減比為29.81%。隨著鋪設長度的增加，火焰平均傳播速度均持續(xù)增加，鋪設長度為20cm時對爆燃火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Ч罴?，爆燃火焰第一、二壓力峰無明顯變化，但第三峰值壓力逐漸降低。
圖3 NaCl面密度ρ=150mg/cm2時不同鋪設長度對爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫Φ挠绊?/p>
火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸霈F(xiàn)衰減是由于NaCl粉末對管道內(nèi)甲烷/空氣預混氣體火焰爆燃的抑制起主導作用。具體表現(xiàn)為固體粉末與爆燃火焰之間的異相化學作用降低了空間溫度，以及固體粉末與氣體燃燒反應產(chǎn)生的自由基發(fā)生碰撞，導致部分鏈式反應終止，從而達到抑制爆燃火焰?zhèn)鞑サ男Ч鸞20]。其作用機理如圖4所示。
圖4 NaCl粉末抑制甲烷/空氣預混氣體爆燃火焰機理分析
隨著NaCl粉末鋪設面密度和鋪粉長度的增加，火焰速度也會有升高的趨勢，這是由于鋪設面密度和長度的增加，未被爆燃火焰前驅(qū)壓力波揚起的粉末堆積在管內(nèi)，形成不規(guī)則的障礙物，造成火焰出現(xiàn)拉伸與彎曲，火焰湍流程度加大，由于受到Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性和Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性[21]的作用而出現(xiàn)擾動，速度提升；另外，粉末的“團聚效應”會使得部分粉末團聚形成大顆粒，其中一部分顆粒與火焰相互作用形成擾動，并進一步演化為大尺度渦流，實現(xiàn)加速作用，另一部分大顆粒因壓力波作用撞擊到管道后段時分散并粘附在內(nèi)壁上，增加管道內(nèi)壁粗糙度，根據(jù)Shchelkin等人的理論[16]，火焰與管壁之間會產(chǎn)生邊界層，且隨著管道內(nèi)壁粗糙度的增加，邊界層的形成會加快、厚度也增大，從而起到了促進爆燃火焰?zhèn)鞑サ男Ч?/p>
由圖2(b)和圖3(b)可知，各工況下爆燃壓力時程曲線的發(fā)展趨勢基本相同，均形成了三個峰。第一個峰值即破膜壓力是氣體被點燃直到發(fā)生破膜前產(chǎn)生，之后氣體沖破或燒灼PE膜導致壓力下降；破膜后沖出管道的未燃氣體被燃燒波陣面趕上并點燃，形成“外部爆炸”，爆炸產(chǎn)生的壓力波反向傳播到管道內(nèi)部產(chǎn)生第二壓力峰值；此后已燃氣體產(chǎn)物向管外快速泄放，造成管內(nèi)出現(xiàn)負壓并引發(fā)可燃氣體的振蕩[11]，再加上爆炸產(chǎn)物的高溫和氣體流動慣性，使得管內(nèi)湍流加劇最終出現(xiàn)第三個壓力峰值。
2.2 KCl粉末
KCl粉末鋪設長度d=40cm時不同面密度ρ下的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖5所示。由圖5(a)可知，火焰平均傳播速度分別為98.67m/s，93.91m/s和106.64m/s，均低于實驗空白對照組的平均傳播速度145.69m/s，火焰平均速度最大衰減比為45.54%。對于KCl粉末，隨著鋪設面密度的增加，火焰平均傳播速度均表現(xiàn)為先減小后增大，面密度為150mg/cm2時的抑制效果最佳。加入KCl對爆燃壓力的影響大致與NaCl工況相同，鋪設面密度的改變對爆燃壓力的影響都很小。
圖5 KCl鋪粉長度d=40cm時不同面密度對爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫Φ挠绊?/p>
KCl粉末鋪設面密度ρ為150mg/cm2時不同鋪粉長度d下的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖6所示。由圖6(a)可知，三種粉末鋪設長度20cm、40cm和60cm，對應的火焰?zhèn)鞑テ骄俣确謩e為96.26m/s，93.91m/s和87.46m/s，均低于實驗空白對照組的平均傳播速度145.69m/s，火焰平均速度最大衰減比為49.28%。隨著鋪設長度的增加，火焰平均傳播速度均表現(xiàn)為持續(xù)降低，鋪設長度為60cm時的抑制效果最佳。
圖6 KCl面密度ρ=150mg/cm2時不同鋪設長度對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>
不同于NaCl工況，隨著鋪設長度的增加，KCl工況的火焰速度表現(xiàn)為持續(xù)降低。這是因為KCl的物理冷卻作用與對管內(nèi)流場的干擾作用優(yōu)于NaCl。且由于惰性粉末的作用主要是在火焰?zhèn)鞑サ闹泻笃?，鋪粉長度的增加使得鹽粉作用時間延長，所以僅第三個峰爆燃壓力有明顯影響。
總體看來，加入了NaCl、KCl兩種鹽粉對火焰?zhèn)鞑ゾ鸬搅艘种谱饔?，爆燃壓力及火焰平均傳播速度均低于空白對照組。其中對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戄^大，對火焰爆燃壓力的影響較小。因為NaCl更易吸附自由基，使鏈式反應中自由基的銷毀速率增大。因此NaCl工況下的爆燃壓力第一峰值、第二峰值普遍低于KCl工況。NaCl鋪設長度的增加，導致第三壓力峰值降低，但火焰速度增加；KCl鋪設長度的增加，導致第三壓力峰值降低，同時火焰速度降低。說明鹽粉的加入對爆燃火焰的傳播存在促進和抑制兩種作用。NaCl的物理降溫作用有限，當鋪設長度增加，對火焰?zhèn)鞑サ拇龠M作用大于抑制作用，因而導致火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?。KCl的物理降溫性能更強，當鋪設長度增加，意味著KCl的冷卻作用時間延長，火焰速度因此降低。
2.3 NaCl溶液
鋪設長度d=60cm時不同濃度NaCl溶液的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖7所示。由圖7(a)可知，空白對照組火焰平均傳播速度為180.8m/s。隨著NaCl濃度的增加，火焰平均傳播速度呈持續(xù)降低趨勢，分別為192.2m/s、186.3m/s和163.2m/s。鋪液濃度的增加，意味著相同溶液體積中參與反應的NaCl的有效量提高，即抑制作用相對加強，因此火焰速度逐漸降低。隨著濃度增加，爆燃火焰與管道內(nèi)揚起的液滴中參與抑制反應的離子濃度增加，鹽溶液對爆燃火焰的抑制作用增強。其中第一、第二峰值壓力呈現(xiàn)先略微升高后降低的趨勢，此時第一峰值壓力分別為7.10kPa、7.79kPa和6.76kPa，在溶液體積濃度26.5%時，達到第一峰值壓力最大衰減率31.51%。
圖7 NaCl鋪液長度d=60cm時不同鋪液濃度對爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫Φ挠绊?/p>
NaCl溶液對甲烷/空氣預混氣體爆燃火焰?zhèn)鞑ネ瑯佑袃煞矫娴挠绊?，一個是抑制作用，一個是促進作用。促進作用是因為NaCl溶液中的水蒸發(fā)產(chǎn)生了大量的蒸汽，加大了氣流的擾動和氣體燃燒面積，而且蒸汽的膨脹也會推動火焰波陣面加速運動，另外液面因爆燃壓力的影響會出現(xiàn)波動，這種波動也會影響管內(nèi)流場。抑制作用則包括NaCl溶液作為冷壁會阻斷鏈式反應中的鏈傳遞；NaCl溶液中的水汽化吸熱以及飽和溶液內(nèi)的晶體析出吸熱，降低了化學反應溫度，抑制了反應的進行；溶液中的水汽化間接稀釋了管道內(nèi)的氧含量，減少了氧氣與燃料的接觸可能；汽化的水霧也會衰減熱輻射降低熱反饋。
由于溶液濃度為26.5%時，爆燃火焰?zhèn)鞑ヒ种菩Ч罴眩栽谔骄夸佉洪L度對火焰?zhèn)鞑サ挠绊憰r，保持濃度為26.5%。NaCl溶液濃度為26.5%時不同鋪液長度d下的的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€和爆燃火焰壓力如圖8所示。由圖8(a)可知，當鋪液長度由40cm，增加至60cm、75cm時，對應的火焰平均傳播速度呈現(xiàn)出現(xiàn)降低后增加的趨勢，分別為173.9m/s，163.2m/s和171.2m/s。鋪液長度較短時，溶液對于火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Ч^弱，當鋪液長度增加至60cm，溶液的的抑制能力顯著提高，強于對火焰的促進效果，故火焰速度降低，當鋪液長度過長，液面的波動增加，水蒸氣的量也增多，對流場的擾動能力增強，因此火焰速度又提高。
圖8 26.5%NaCl溶液不同鋪液長度對爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛪毫Φ挠绊?/p>
隨著鹽溶液的鋪設長度的增加，作用距離、作用時間得以延長，爆燃壓力第一峰值表現(xiàn)為持續(xù)降低，分別為7.55kPa、6.75kPa和4.67kPa，最大衰減比54.91%。第二峰值先增大后減小，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與管口薄膜發(fā)生破裂時的破損程度有關，破膜壓力越大，薄膜破損越完全，參與外部反應的氣體量增多，導致第二峰值壓力增加。第三峰值壓力雖未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，但整體均低于空白組，說明加入了NaCl的溶液對爆燃火焰的冷卻效果更好。
3 結(jié) 論
1)NaCl、KCl兩種鹽粉在鋪設面密度為150mg/cm2時，對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩Ч鄬^優(yōu)；對于20cm、40cm、60cm三種鋪設長度，布設NaCl粉末時的火焰平均傳播速度表現(xiàn)為依次增加，而KCl工況的火焰平均傳播速度表現(xiàn)為依次降低。NaCl、KCl兩種鹽粉的粉末鋪設面密度對爆燃火焰壓力的影響均不明顯；隨著鋪設長度的增加，爆燃火焰第三峰值壓力都逐漸降低。
2)加入NaCl、KCl兩種鹽粉后，爆燃壓力與火焰平均傳播速度均出現(xiàn)一定程度的降低；相較于NaCl工況，KCl工況的火焰平均傳播速度較低，而爆燃壓力較高，即KCl對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懜?，NaCl對火焰爆燃壓力的影響相對較大。
3)NaCl溶液濃度的增加對火焰爆燃壓力的影響較小，但爆燃火焰壓力均低于空白組，在三種NaCl溶液濃度下，隨著NaCl濃度溶液鋪設長度的增加，火焰平均傳播速度呈持續(xù)降低趨勢。
猜你喜歡
民族文匯(2022年14期)2022-05-10
中國慈善家(2020年2期)2020-09-09
文萃報·周五版(2020年23期)2020-06-11
中國新技術新產(chǎn)品(2019年19期)2019-11-27
作文周刊·小學一年級版(2018年13期)2018-05-22
上海師范大學學報·自然科學版(2018年3期)2018-05-14
魅力中國(2016年45期)2017-07-20
伴侶(2017年7期)2017-07-11
詩林(2016年5期)2016-10-25
科技視界(2016年15期)2016-06-30
