薛少谦，黄子超

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

细水雾粒度对瓦斯抑爆效果的影响研究

薛少谦，黄子超

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

细水雾作为抑爆介质具有高效、环保等优点，受到越来越多的重视。以透明管道为基础搭建了细水雾抑制瓦斯爆炸的实验平台，通过改变喷嘴个数、喷雾压力研究了不同细水雾流量、粒度对瓦斯爆炸上限的影响。根据实验物理模型，进行了细水雾与瓦斯燃烧爆炸相互作用过程的数值模拟。结果表明：随着细水雾粒度变小，瓦斯爆炸上限降低，水雾粒度与爆炸上限呈一阶增加指数关系；细水雾粒度相对水雾流量在抑制瓦斯爆炸过程中起主导作用，190 μm左右的细水雾粒度具有更好的抑爆效果。研究得出的规律性结论可以为细水雾抑爆技术及装备的研究提供理论基础。

细水雾粒度；喷雾压力；爆炸上限；抑爆效果；数值模拟

0 引 言

中国是世界第一产煤大国，据统计，2014年原煤产量38.7亿t，目前共有煤矿1.1万余处。同时，中国也是煤矿灾害较为严重的国家之一，瓦斯问题尤为突出，爆炸灾害事故造成了大量人员伤亡。虽然随着煤矿安全监察体系的逐步健全与完善，安全投入的逐年增加，煤矿百万吨死亡率逐年下降，但是瓦斯煤尘爆炸事故仍时常发生，全国共发生一次死亡10人以上的重特大事故起数、死亡人数都没有明显的下降。

隔抑爆技术是防治瓦斯煤尘爆炸的有效措施之一，而水是目前应用最为广泛也最为有效的抑爆介质之一。水作为抑爆介质具有清洁、高效、低成本的特点，受到越来越多的重视。现有煤矿井下大量使用的被动式隔（抑）爆设备，如水袋棚、水槽棚，都以水为抑爆介质；低浓度瓦斯管道输送中使用的水封阻火装置也利用水作为介质阻断瓦斯爆炸冲击波及火焰的传播。水以细水雾形式作为抑爆介质有着更好的隔抑爆效果，英国研制的MK-Ⅱ型自动抑爆装置以压缩空气推动活塞喷水进行抑爆[1-2]。国内以往的研究主要关注爆炸发生后细水雾对爆炸传播火焰、冲击波及温度等传播参数影响及影响规律，很少有人对细水雾抑制爆炸的产生作较深入的研究[3-5]。

1 实验系统及装置

论文自行设计了一套细水雾抑爆系统，该实验系统主要由透明管道、水雾发生器、高速摄影仪及供水设施组成，如图1所示。

透明管道采用特种玻璃加工成方形试验管道，管道长1.2 m，外边长400 mm，壁厚40 mm，承压2.5 MPa.管道一端为封闭端，另一端与水雾发生器相连。管道上壁面开有充气孔，两侧壁面连接搅拌循环系统。

水雾发生器外壳是长约200 mm的方形钢管，钢管一端连接透明管道，另一端用聚乙烯塑料膜封闭形成爆炸室。水雾发生器开孔布置3个无缝钢管分管，通过转接口分别安装喷嘴，喷嘴在管道横截面均匀布置，喷嘴口与管道方向一致，朝向点火源。水雾发生器安装电子流量计、压力表，可观测、调节单个喷嘴喷雾的流量、压力。

高速摄像仪拍摄燃烧、爆炸产生及传播过程，拍摄速率为1 000 fps.供水设施主要由水池、水泵及高压胶管等组成，满足试验水雾流量需求。

图1 细水雾抑爆系统示意图Fig.1 Diagrammatic sketch for explosion suppression system of water mist

2 实验结果及分析

2.1 细水雾粒度对爆炸上限的影响

根据已建立的实验系统，研究细水雾粒度对瓦斯爆炸上限的影响。首先研究单个喷嘴在0.5 MPa喷雾压力下瓦斯爆炸上限值。常规条件下爆炸极限范围是5%～16%，但在甲烷浓度为16%时，试验3次均发生了爆炸，在浓度18%时3次试验均未发生爆炸。递减瓦斯浓度，17.7%浓度的混合气体试验3次均未发生爆炸；17.5%浓度的气体试验3次发生1次爆炸，计算得出爆炸极限为17.6%.表1为单个喷嘴、0.5 MPa喷雾压力下的试验数据。

表1 单个喷嘴、0.5 MPa喷雾压力下瓦斯爆炸上限试验数据

采用同样的实验方法，分别实验测试单个喷嘴1.0，1.5，2.0，2.5 MPa喷雾压力下瓦斯爆炸上限值，同时把喷雾压力对应成水雾粒度，见表2.

表2 单个喷嘴、不同喷雾压力（不同粒度）下瓦斯爆炸上限

根据表2中实验数据，将不同粒度下的瓦斯爆炸上限绘制于坐标轴，并将数据拟合。

图2 细水雾粒度与瓦斯爆炸上限关系变化曲线Fig.2 Relation curve between water mist particle diameter and gas explosion upper limit

y=y0+A1e-x/t1,R2=0.989 9（x<269 μm）.

（1）

式中y0为瓦斯爆炸上限，%；x为细水雾粒度，μm；A1为指数函数系数（0.546 18）；t1为线性函数系数（-126.275）；R2为相关性系数。

表3 拟合函数各参数对照表

从图2可以看出，随着喷雾压力的增大，水雾粒度变小，瓦斯爆炸上限降低。粒度和爆炸上限之间呈一阶指数函数增加关系。通常认为标准条件瓦斯爆炸上限为16%，试验中0.5MPa（粒度269μm）、1MPa（粒度245μm）及1.5MPa（粒度228μm）喷雾压力下爆炸上限值均超过了16%，说明在一定条件细水雾喷雾下，爆炸反应在上限附近得到了加剧。

当细水雾粒度减小到一定界限时，细水雾蒸发速度更快，水蒸气隔绝甲烷、氧气速率更快，氧气浓度已降低至能使瓦斯爆炸的界限之外，失去爆炸性。所以，喷雾压力大于2.0MPa（粒度210μm）时，瓦斯爆炸上限均在16%以下。

2.2 细水雾粒度与流量对瓦斯爆炸上限影响的对比分析

研究细水雾流量对爆炸上限的影响，在1.0MPa喷雾压力下，水雾粒度不变，分别试验1个喷嘴、2个喷嘴及3个喷嘴喷雾时流量变化引起的瓦斯爆炸上限变化。见表4.

表4 1 MPa喷雾压力、不同喷嘴数目瓦斯浓度爆炸上限

从表4可知，在水雾流量较小时范围内，瓦斯爆炸上限大于16%，然后随着水雾流量增大，爆炸上限逐渐下降到低于16%.为了对比细水雾粒度与流量对爆炸上限的影响关系，将表2和表4的实验数据绘制于同一坐标轴内，进行对比分析，如图3所示。

图3 改变喷雾压力、喷嘴个数对瓦斯爆炸上限的影响对比Fig.3 Contrast of upper explosive limit influenced by pressure or nozzle number

从图3可看出，增加喷雾压力导致的流量变化使瓦斯爆炸上限下降很快，而增加喷嘴个数导致的流量变化使瓦斯爆炸上限下降较慢。因为增加喷雾压力，流量增大的同时伴随着水雾粒度变小。2.5 MPa喷雾压力下水雾流量为21.77 L/min，爆炸上限为15.5%；1.0 MPa喷雾压力下，2个喷嘴的流量为25.58 L/min，爆炸上限为16.2%.前一种水雾作用方式比后一种的水雾流量小，确使“爆炸上限”下降超过第二种0.7%.主要原因是水雾粒度的差异，前者为190 μm，后者为245 μm.相同水雾粒度下，1个喷嘴的流量为13.64 L/min，爆炸上限为16.8%，2个喷嘴的流量 25.58 L/min，爆炸上限为16.2%，流量增加了一倍，但“爆炸上限”仅下降0.6%.通过两方面的比较，说明细水雾粒度在使爆炸上限下降过程起了重要作用，粒度越小，爆炸上限越低。细水雾影响瓦斯爆炸上限水雾参数中，粒度起主要作用，流量起次要作用。

3 数值模拟研究及结果分析

3.1 细水雾抑制瓦斯爆炸作用过程

根据已搭建的实验平台创建作为物理模型，通过数值模拟研究可以清晰的看出瓦斯燃烧爆炸火焰周围水蒸气的分布状况[7-10]。图4为浓度为8%的瓦斯气体在爆炸过程中与细水雾的相互作用过程，从点火开始到点火后150 ms选取了6个时间点来分析细水雾的抑爆过程，其中（a）～（f）为瓦斯爆炸过程火焰温度的变化过程。模拟过程在右端压力出口处设置面射流源，射流源从高温点火时刻以20 m/s速度、质量流率为0.5 kg/s开始喷射平均直径为269 μm的细水雾颗粒。

图4 细水雾抑制瓦斯爆炸过程Fig.4 Process of water mist inhibiting gas explosion

从图4中火焰发展变化过程可以看出，在点火初级阶段，火焰以点火区域为中心向四周开始蔓延，由于管道右端是开口，受湍流机制的影响，火焰向开口端发展的趋势要更强烈一些，因此右端的火焰区域要更大。在点火60 ms时刻，细水雾颗粒与爆炸火焰前端区域产生作用，前端火焰温度由2 600 K左右快速下降到1 700 K左右。随着喷射源持续喷射细水雾，火焰前端区域细水雾质量分数增加，单位时间蒸发掉的细水雾颗粒迅速增加，火焰温度迅速下降，在90 ms时刻火焰最高温度下降到1 300 K左右。在爆炸反应120 ms后，火焰最高温度下降到650 K左右，瓦斯爆炸基本被抑制，在150 ms时，管道内气体温度降为300 K左右，远低于瓦斯发生燃烧爆炸的最低着火温度。在90 ms以后，细水雾颗粒轨迹到达管道封闭端，颗粒在封闭端及两帮壁面发生反射，反射细水雾、持续推进细水雾与连续相发生作用，使连续相温度分布产生褶皱和扰动。

3.2 细水雾粒度对抑爆效果的影响

在射流源速度为20 m/s，质量流率为0.5 kg/s的条件下考察了100，190，228，269 μm等4种条件细水雾粒度直径的抑爆效果，比较不同条件不同时刻火焰温度变化情况。

从图5可以看出，不同细水雾粒度直径作用下爆炸火焰温度均快速下降，但细水雾在不同的粒度条件下抑爆灭火效果不同，在模拟的工况条件下，细水雾粒度为190 μm时，抑爆灭火效果优于其他细水雾粒度条件。

图5 不同细水雾粒度条件下火焰温度变化曲线图Fig.5 Flame temperature change curve under conditions of different water mist particle size

在相同的作用时间、作用方式条件下，细水雾的粒度越小，火焰温度降低得越快，抑爆效果越好，反之亦然。考虑到离散相介质的重力作用，细水雾颗粒在火焰区停留的时间是一定的，直径越小的雾滴在火焰区的停留时间越长，越有利于细水雾发挥抑爆灭火效果。而且细水雾粒度越小，越有利于雾滴的蒸发吸热，从而降低火焰区的温度，而粒度较大的细水雾颗粒蒸发吸热相对较慢[11-14]。

细水雾的生存时间是影响细水雾抑爆效果的另一个重要指标参数，根据 Andersson提出的经验式[15]，直径100 μm到1 000 μm 的细水雾雾滴的生存时间如式

（2）

式中 D为细水雾粒度，m；Le为水的蒸发潜热，kJ/kg；ΔT为细水雾雾滴与爆炸后流场的温差，℃；ρ为水的密度，kg/m3； Kg为环境空气的热导率，W/m·℃；C2为常数，m-1.

根据上式可知，细水雾的生存时间随雾滴直径的减小和环境温度的升高而快速减小。爆炸火焰的热力作用会使空气的温度增高而发生膨胀，密度较小的热空气会产生向外扩散的浮力，粒度很小的细水雾会在火焰浮力的高温羽流中完全蒸发掉，从而降低了落入着火区域的细水雾密度，不能起到冷却火焰区内部的作用[16]。故在一定范围内，细水雾粒度越大，生存时间越长，越有利于雾滴蒸发吸热。

细水雾的抑爆效果并非雾滴直径越小越好，也并非越大越好，根据细水雾雾滴在火焰区停留时间、生存时间正反两方面的影响，其存在一个相对最优值，论文在建立的管道模型及模拟工况条件下得出，细水雾抑制瓦斯爆炸的最佳粒度在190μm左右。

4 结 论

1）对单个喷嘴不同细水雾粒度瓦斯爆炸上限进行了实验研究，随着粒度直径的减小，瓦斯爆炸上限降低。在试验条件下一定范围内，细水雾粒度与爆炸上限呈一阶指数增加函数关系。细水雾粒度≥228μm时爆炸上限值均超过了16%，粒度≤210μm时爆炸上限低于16%；

2） 分别通过改变喷雾压力、喷嘴个数来改变喷雾流量对比研究细水雾粒度与流量对瓦斯爆炸上限的影响。研究得出，水雾粒度在抑制爆炸反应中起主要作用，流量起次要作用；

3）细水雾颗粒在火焰锋面迅速蒸发，火焰温度随之迅速下降。质量流为0.5kg/s，喷射速度为20m/s的细水雾与浓度8.0%的瓦斯爆炸相互作用，在120ms时火焰最高温度下降到650K左右，低于瓦斯爆炸的最低着火温度，在150ms时爆炸区域温度分布在300K左右；

4）细水雾粒度大小决定了雾滴穿透火焰区的能力和在火焰区中滞留的时间。粒度大小对瓦斯爆炸的灭火效果存在正反2方面的作用，在模拟的工况条件下，细水雾粒度在 190μm左右时抑爆灭火效果最好。

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Impact of water mist particle size on gas explosion suppression effect

XUE Shao-qian，HUANG Zi-chao

（ChongqingResearchInstituteofChinaCoalTechnologyEngineeringGroup，Chongqing400037,China）

Explosion suppression medium water mist has the advantages of high efficiency and environmental protection，receiving more and more attention.In this paper，we build the experimental platform on water mist suppressing gas explosion，based on the transparent pipeline.We studied the impact of gas upper explosion limit under different water mist flow and particle size，by changing the number of nozzles and spray pressure.According to experimental physics model，we did numerical simulation on the interaction process of water mist and gas explosion.Study found that with the decrease of water mist particle size，gas upper explosion limit reduce，water mist particle size and the gas upper explosion limit have first-order increasing exponential relationship.Relative to water mist flow，water mist particle size plays a dominant role in the process of suppressing gas explosion.Water mist particle size of about 190 μm has better explosion suppression effect.The regularity conclusions of the study can provide a theoretical basis for the study of mist explosion suppression technology and equipment.

water mist particle size；spray pressure；upper explosion limit；explosion suppression effect；numerical simulation

2015-05-10 责任编辑：刘 洁

薛少谦（1980-），男，陕西韩城人，副研究员，E-mail:460755817@qq.com

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0519

1672-9315（2015）05-0644-06

TD 712

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