DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.08.046

感应式荷电细水雾对瓦斯爆炸传播速度的影响

徐永亮^{1, 2, 3}，王兰云^{1, 2}，余明高^{1, 3}，万少杰¹，梁栋林¹

(1. 河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作，454003；

2. 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州，221116；

3. 煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作，454003)

摘要：为了研究荷电细水雾对瓦斯爆炸火焰传播速度的抑制效果及抑爆机理，基于静电感应原理，设计荷电细水雾发生及其瓦斯抑爆装置，并开展一系列荷电细水雾抑制瓦斯爆炸的实验研究。分析在不同荷电极性、荷电电压及雾通量下，荷电细水雾对爆炸火焰传播速度的影响。研究结果表明：与普通细水雾相比，荷电细水雾能更有效地降低瓦斯爆炸火焰传播速度，且随着荷电电压的增大，荷电细水雾对火焰传播速度的抑制效果显著增强；同时荷负电荷的细水雾抑爆效果比荷正电荷的细水雾更好。当细水雾加载电压为8 kV时，火焰平均传播速度下降62.12%，火焰瞬时速度下降45.67%。

关键词：感应荷电；火焰速度；瓦斯抑爆；速度峰值

中图分类号：TD712.7             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)08-2884-07

Influence of inductively charged water mist on flame velocity of gas explosion

XU Yongliang^{1, 2, 3}, WANG Lanyun^{1, 2}, YU Minggao^{1, 3}, WAN Shaojie¹, LIANG Donglin¹

(1. College of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China;

2. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,

China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China

3. Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production of Henan Province, Jiaozuo 454003, China)

Abstract: In order to study the suppression effect and mechanism of gas explosion on flame propagation velocity by charged water mist, based on the principle of electrostatic induction, a charged water mist generating device was designed, and the experimental researches of charged water mist on gas explosion suppression were carried out. The effects on flame propagation velocity of gas explosion by charged water mist were analyzed at different charged polarities, charged voltages and mist fluxes. The results show that compared with ordinary water mist, the charged water mist can lower flame propagation velocity of gas explosion effectively, and with the increase of charge voltage, the suppression effect is enhanced significantly; meanwhile, the negatively charged water mist has a better suppression effect on gas explosion than positively charged water mist. When the charged voltage is 8 kV, the average flame propagation speed drops by 62.12%, and instantaneous flame velocity drops by 45.67%.

Key words: induction charging; flame velocity; gas explosion suppression; peak velocity

矿井瓦斯爆炸是煤矿开采过程中破坏力最为严重的灾害之一，采取合理的瓦斯抑爆措施能够有效地削弱或抑制瓦斯爆炸灾害影响。目前多重高压水幕、防爆水袋、岩粉棚和隔火栅等是煤矿主要采用的瓦斯抑爆措施。而细水雾技术由于其本身特殊的物理化学特性，目前已经在井下多种场合得到相应的应用。近年来，国内外学者关于细水雾灭火方法和理论方面进行了大量研究^[1-9]，结果表明细水雾对于燃烧火焰具有一定的抑制作用。GU等^[10]研究了不同体积超细水雾对不同含量甲烷爆炸的抑制现象，并初步确定了超细水雾抑制甲烷爆炸的临界体积通量。秦文茜等^[11]研究了超细水雾作用下的瓦斯爆炸压力变化规律。关于施加外部电场，KIM等^[12-19]研究发现：利用施加的交流或直流电场来改变相关电场参数，进而破坏了喷射火焰的稳定性或使其熄灭，结果显示外加电场能够有效影响火焰的燃烧过程。而荷电细水雾主要是利用接触荷电、感应荷电或电晕荷电3种不同方式将空间内通过的细水雾预先荷电，使其选择性地带有某种电荷，再根据电荷种类实现特定目的的一种新方法。MAGHIRANG等^[20-22]利用荷电细水雾开展了烟气扩散过程中的消烟实验。McCOY等^[23-25]利用水雾预先荷电方法，提高了水雾与工业粉尘的接触能力，有效提高了除尘效率。然而，荷电细水雾在抑制煤矿井下瓦斯爆炸领域的研究尚未展开。本文作者通过自行建立的荷电细水雾发生装置及瓦斯爆炸模拟实验平台，利用荷电细水雾相关参数的变化研究其对瓦斯爆炸传播速度的影响规律，这对提高荷电细水雾瓦斯抑爆效率、保障煤矿安全生产具有重要的理论和现实意义。

1  感应式荷电细水雾发生方法

本实验采用感应式对细水雾实施荷电，即通过静电感应使细水雾雾滴荷上与感应电极极性相反的电荷。实验所用细水雾平均粒径约为100 μm，荷电细水雾发生器产雾速率为1.32 L/min。感应电极为铜环电极，横截面积为2.5 mm²，直径为30 mm，感应荷电效果最好的喷头与电极间距离为12 mm，可以避免由于电极环放电带来的安全问题^[26]。

在本实验中，荷电电压在0~8 kV之间进行调节。根据网状目标法的测试结果，在该范围内，水雾带电能力随荷电电压的升高而线性增加。细水雾的荷电极性可以利用改变感应电极和喷头卡套的接地方式实现。为在特定区域内获得电场，可将高压电源输出端和接地端分别接喷雾端电极卡套和铜环电极上，如图1(a)所示；也可采用铜环电极接高压电源、喷雾端卡套接地的连接方式，如图1(b)所示。本次实验则采用后一种方式。当细水雾通过荷电电场时，在与电场中带电运动离子碰撞后，而部分细水雾表面带上一定量与感应电极极性相反的电荷，进而改变细水雾雾滴本身的物理化学特性，以提高抑爆效率。

图1  荷电细水雾发生喷头

Fig. 1  Sprinkler of charged water mist

2  感应式荷电细水雾瓦斯抑爆实验系统

2.1  瓦斯抑爆实验装置及系统

实验管道由两段相同的方形有机玻璃材质管道(管长为500 mm，方形截面长×宽为100 mm×100 mm，壁厚为20 mm)组成。管道一端用法兰螺钉封闭，为电火花点火端，另一端为活动端，中间由双层PVC薄膜塑料密封。管道中间通过PVC隔膜和法兰将两段管道分开，B管段预先充入体积分数为9.5%的甲烷空气预混气体，A管段充入荷电细水雾。其中，充入B管段的预混气体由质量流量计控制；充入A管段的细水雾是将荷电细水雾发生装置产生的细水雾，通过PVC管道输送至A管道。在A管道的管道壁面上设有电极卡套，细水雾经过电极卡套和感应电极环中间时，由于静电感应，带上电荷。

该实验系统由试验玻璃管道、细水雾荷电装置、高速摄像仪、高压直流电源、配气装置、数据采集装置等组成。A管道中距左端约200 mm处设置有荷电细水雾喷头。B管道右端装设有型号为MD-HF的高频压力传感器，量程为-0.1~0.1 MPa，响应时间为0.1 ms，测量精度为0.25。压力采集通过频率15 kHz的USB-1208型数据采集卡完成。光电传感器为RL-1型，记录瓦斯点火起爆瞬间光电信号，确定火焰传播图像的初始时间点。通过高速摄像仪(Lavision’camer systems-high speed camera)采集瓦斯爆炸火焰在管道内的传播图像，其图像采集频率为2 000帧/s。实验时，初始压力为0.1 MPa，环境温度约为25 ℃。实验装置系统^[27]如图2所示。

图2  实验系统装置

Fig. 2  Schematic of experimental system

2.2  实验步骤及过程

该实验用气体为体积分数为9.5%的甲烷/空气预混气体，而管道A端注入标况下5 L细水雾。试验测试具体步骤如下：

1) 试验管道A和B容积总计约为10 L，图2所示管道B端有效瓦斯充入体积为5 L。预混甲烷气体体积分数(即甲烷与空气的体积比)为9.5%。

2) 在管段B中充入预混气体，待气体静置1 min后，通过控制点火控制器实施点火预爆。并利用光电传感器采集到的光电信号来确定爆炸时刻，高速摄像仪负责拍摄管道火焰图片，记录瓦斯爆炸火焰在管道内进行传播的全过程。

3) 通过改变高压电源的输出电压和电极的接地方式，使荷电电压分别为0，±2，±4，±6和±8 kV，获得不同荷电特性的荷电细水雾。

采用光电传感器和高速摄像仪采集到的光电信号和火焰传播图像，以研究在荷电极性和荷电电压影响下的细水雾对瓦斯爆炸火焰传播速度变化特征。

3  实验结果与分析

不同细水雾作用时对瓦斯爆炸火焰平均传播速度的影响通过高速摄像仪记录瓦斯爆炸传播过程中的火焰阵面图像的分幅照片，典型的爆炸传播图像如图3所示。

本文中的火焰传播速度是根据高速摄像仪在不同时间拍摄的火焰阵面的位置变化以及该位置变化拍摄时间间隔计算出的，如图4所示。

图3  不同时间点火焰传播图像

Fig. 3  Images of gas explosion under various time point

图4中在500 mm之前管道中瓦斯爆炸火焰传播平均速度基本保持不变，在此阶段火焰传播速度曲线部分没有出现重合，主要是数据采集开始时出现的偏差造成的。从图4可以看出：火焰传播速度保持持续的增长，在500 mm处火焰传播平均速度达到7.92 m/s，当通过500 mm后即火焰传播进入水雾雾场区时，火焰传播速度突然出现陡降，爆炸火焰进入不同荷电电压作用时的荷正电荷的细水雾雾场区时，火焰传播平均速度由7.92 m/s分别下降到6.02，5.39，5.36，5.26和5.04 m/s。且随着荷电电压的增大，火焰传播速度降幅逐渐增大，最大降幅达到36.37%。和荷正电荷的细水雾作用时相比，荷负电荷的细水雾使管道火焰传播平均速度分别降为6.02，4.62，4.02，3.65和3.00 m/s，最大降幅达到了62.12%，说明荷电细水雾较普通细水雾能够更显著的抑制瓦斯爆炸火焰传播速度，且荷负电荷的细水雾对火焰的抑制效果较正电荷的细水雾更好。这主要是因为荷电细水雾使得细水雾的理化特性发生了改变，可以增强水雾对火焰的吸热冷却作用，阻止已燃区火焰热量对未燃区预混气体的预热，同时对燃烧火焰中的自由基产生影响作用，扰乱活化中心原有的自由基分布，从而对瓦斯爆炸传播速度有更好地抑制作用。而且，由于荷负电荷的细水雾雾滴更容易受到爆炸火焰反应区内部带异相极性电荷粒子、中间产物、瞬态产物及电场力的作用，因此更容易与爆炸火焰中的带电粒子和自由基融合，从而可更显著地减少已燃区自由基和带电粒子向未燃区域扩散，削弱粒子间的碰撞概率，阻断甲烷气体链式反应进一步发生，进而使得爆炸火焰锋面出现明显的撕裂和卷曲，最终导致瓦斯爆炸火焰传播速度显著降低^[28-30]。

图4  荷电细水雾作用下瓦斯爆炸平均速度随时间变化曲线

Fig. 4  Average velocity of gas explosion over time affected by charged water mist

3.1  不同细水雾作用时各测点的火焰传播瞬时速度

在实验过程中通过对所采集到的图像数据进行处理分析，用相邻2张传播图像中火焰阵面的距离差值除以相邻2张图像间的传播时间(0.000 5 s)，得到火焰传播瞬时速度，来研究荷电细水雾在不同荷电电压值下对爆炸火焰传播瞬时速度的影响，如图5所示。

从图5可以看出：实验过程中加载正负不同电压时，爆炸火焰传播瞬时速度曲线均出现“双峰”结构，这种现象主要是由于爆炸火焰在从管段B突破两管段间隔膜进入A时的压力波动造成的。在爆炸火焰进入荷电细水雾雾场区时爆炸火焰瞬时速度经历了先降后升再降的趋势，造成这种现象的原因是爆炸火焰进入雾场区后受到荷电细水雾的抑制作用，火焰瞬时速度发生陡降，而由于细水雾对瓦斯爆炸气体的压缩使瓦斯气体出现短暂的聚集从而使爆炸火焰传播速度再次出现上升，在接近爆炸结束时爆炸火焰传播瞬时速度再次下降^[31]。从图5还可以看出：荷电细水雾对瓦斯爆炸火焰瞬时速度的衰减作用比常规细水雾更明显，且细水雾携带负电荷比带正电荷更能显著地削弱火焰瞬时传播速度。这是由于荷电细水雾的加入打破了爆炸火焰中的正/负离子分布以及电子/带电中间粒子的空间电荷平衡状态，加速了荷电细水雾雾滴对极性不同的中间过渡态反应粒子、瞬态产物、电子等捕获、吸附和中和作用，并减小了其在微电场力作用下使火焰反应区内粒子浓度和分布梯度，进而有效抑制了自由基的链式反应进程，从而达到抑制瓦斯爆炸的效果。与此同时，由于细水雾雾滴通过高压电场后使其理化特性发生了改变，携带负电荷的细水雾雾滴对火焰中的带电离子结合作用更强，且随着荷电电压的增大，使得雾滴的荷电量逐渐增加^[32]，因此，荷电细水雾本身的荷电特性越发明显，最终使得荷负电细水雾对瓦斯爆炸火焰传播速度具有更加显著的抑制作用。

图5  荷电细水雾作用下瓦斯爆炸瞬时速度随时间变化曲线

Fig. 5  Instantaneous velocity of gas explosion over time affected by charged water mist

3.2  不同雾通量作用下瓦斯爆炸火焰传播峰值速度变化

根据不同荷电电压和荷电极性对瓦斯爆炸火焰传播速度影响的曲线可以看出：随着加载电压的增加，电源加载正电压时细水雾对瓦斯爆炸火焰的抑制效果逐渐增强。为了进一步考察荷电细水雾对瓦斯爆炸的抑制有效性，实验对分别注入0，1，2，3，4和5 L这6种不同体积的细水雾分别在未加载电压和加载电压为8 kV时对瓦斯爆炸速度峰值的变化进行分析，以考察不同雾通量时荷电作用对瓦斯爆炸的抑制效果。并用origin对图像进行处理，得到3次拟合函数：

Y=A+B₁X+B₂X²+B₃X³           (1)

式中：X为细水雾通入体积；Y为瓦斯爆炸火焰传播速度；A，B₁，B₂和B₃为参数。拟合曲线如图6所示。

从图6可以看出：雾通量分别为1，2，3，4和5 L的荷电细水雾较无水雾时可使瓦斯爆炸火焰传播速度分别下降了13.88%，18.09%，18.28%，24.21%和26.77%。当瓦斯爆炸火焰传播速度下降相同时，荷电细水雾的用水量明显低于普通细水雾的用水量，说明相同雾通量的荷电细水雾对瓦斯爆炸的抑制作用较未荷电普通细水雾显著增强。在现场实施中，随着瓦斯爆炸体积增大，为了实现相应的抑爆效果，需要施加的细水雾雾通量相应增加，由于荷电细水雾的瓦斯抑爆能力随着细水雾雾通量的增加而增强，相较普通细水雾而言抑爆所需荷电细水雾的雾通量将更少。这主要是：一方面，由于细水雾雾通量增加，瓦斯爆炸区域水雾雾滴浓度相应增加，单位体积内与火焰锋面接触的雾滴总量增多，细水雾雾滴的吸热和阻碍作用将更加明显；另一方面，细水雾单个雾滴荷电量一定，增加雾通量，雾滴的整体荷电总量也将增加，静电力互斥作用更大，从而使得细水雾雾滴弥散度增大。在静电场作用下荷电细水雾表面黏滞阻力和张力降低，雾滴粒径更小，使得雾滴在瓦斯爆炸火焰反应区载中的分布也更加均匀，进而增大与火焰锋面的接触面积，大大增强雾滴对爆炸反应中热量的吸收作用，降低反应核心区域的温度。同时，带电雾滴群对爆炸反应区中间产物、带电粒子的吸附、扰动作用增强，而且在较高爆炸压力情况下，荷电细水雾雾滴可以作为第三体和爆炸火焰反应中产生的自由基进行反应，自由基的部分能量就被转移到水分子上，从而降低了反应活性。再者，爆炸火焰反应区内在静电力作用和火焰锋面的不规则卷吸作用下，荷电细水雾雾滴更易进入爆炸火焰活化中心，有效阻滞活化粒子的生成，进而抑制爆炸火焰的链式反应持续进行。荷电细水雾雾滴通过有效地抑制爆炸过程链式反应，达到阻滞瓦斯爆炸火焰传播速度的作用。

表1  不同细水雾作用时的参数

Table 1  Parameters at different water mist

图6  不同细水雾雾通量作用下瓦斯爆炸瞬时速度

Fig. 6  Instantaneous velocity of gas explosion over flux affected by charged water mist

4  荷电细水雾对瓦斯爆炸火焰传播速度的抑制机理

瓦斯爆炸过程是一个极为复杂的链式反应过程，其主反应为CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O。但实际上，该化学反应链包括很多支链反应和大量的自由基。在爆炸反应进行的过程中，伴随着氧化还原反应中电子的得失，瓦斯爆炸反应活化中心区域存在着大量的由支链反应过程中产生的荷电粒子、自由基或中间产物。瓦斯爆炸过程中常见的支链反应有：CH₄+HO₂= CH₃+H₂O₂，CH₃+O₂=O+CH₃O，H+CH₄=CH₃+H₂和O₂+CH₂O= HO₂+HCO可以产生H₂O₂，O，CH₃O，CH₃和CHO等自由基，这些大量的自由基和粒子共同促进瓦斯爆炸，使反应得以延续发展。

细水雾对瓦斯爆炸具有抑制作用，主要是因为其冷却降温物理作用、动力学作用和附加效应。其中动力学作用是指细水雾对火焰本身长度的拉伸作用，能够使燃烧区域内气体运动发生变化；附加效应则是指细水雾对烟雾和工业废气的洗涤作用。同时，雾滴水分子可以与H和O等自由基进行相互作用，比如反应2H+H₂O=H₂+H₂O可以消耗H自由基，从而降低爆炸强度。

而荷电细水雾不但具有普通细水雾的优点，而且由于荷电作用使细水雾的理化特性发生改变，从而对瓦斯爆炸有更好的抑制作用。首先，荷电作用使细水雾雾滴携带一定量同种极性的电荷，颗粒间形成互斥的电场力作用，使得其一定时间内保持细水雾场区内较高的雾滴密度和稳定性，这使得在荷电雾滴进入爆炸火焰区以后，可以更高效地发挥雾滴冷却降温的物理作用；而当瓦斯爆炸火焰进入细水雾区域时，在火焰温度影响下使得细水雾雾滴吸热蒸发膨胀，但在荷电作用下不易凝结及稳定的特性使得细水雾与火焰的接触面积增大，从而减缓热量传递，稀释燃烧区的氧气浓度，延缓爆炸链式化学反应的进行。其次，荷电细水雾所带电荷形成的静电场会对燃烧火焰中的自由基产生影响，扰乱活化中心原有O，CH₃O和CH₃等支链的自由基分布，降低粒子间的碰撞概率，阻滞瓦斯爆炸气体链式反应的可持续进行，改变火焰锋面的不规则度，进而降低火焰传播速度。再者，雾滴所携带的电荷会对自由基和带电粒子产生电场力作用，使得爆炸火焰反应过程中产生的中间粒子、瞬态产物以及电子等被细水雾雾滴捕获、吸附和中和，最终使得爆炸反应的强度和火焰传播速度得到有效控制。

5  结论

1) 与普通细水雾相比，荷电细水雾能够更有效地抑制瓦斯爆炸过程的火焰传播速度，对火焰锋面的干扰作用也明显增强，并且荷负电荷细水雾对瓦斯爆炸火焰传播速度抑制作用更加显著。据实验结果显示，随着荷电电压的增大，携带正电荷的细水雾使瓦斯爆炸火焰平均速度下降了36.37% 、火焰传播瞬时速度下降了40.53%；携带负电荷的细水雾使火焰传播平均速度下降了62.12%，火焰传播瞬时速度下降45.67%。

2) 在相同荷电电压情况下，随着雾通量的增加，荷电细水雾对瓦斯爆炸过程火焰传播峰值速度的抑制作用明显增强。其中在实验范围内，雾能量为5 L时荷电细水雾对瓦斯爆炸峰值速度影响最大，较无水雾时可使瓦斯爆炸火焰传播速度下降26.77%。

3) 因荷电细水雾本身所带电荷形成的静电场力作用，与普通细水雾相比，荷电细水雾雾滴具有更高的雾滴密度和稳定性，更易进入瓦斯爆炸的活化中心区域，因此，雾滴对爆炸火焰的冷却降温作用更强。同时，荷电细水雾滴更容易吸附、销毁爆炸反应过程活化中心的自由基，干扰、中断瓦斯爆炸链式反应进程，从而有效抑制瓦斯爆炸火焰传播速度。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2015-08-05；修回日期：2015-11-16

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51304071，51304073)；河南省基础与前沿技术研究计划项目(122300413210)；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放研究基金资助项目(12KF02)(Projects(5104071, 51304073) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(122300413210) supported by the Foundation & Cutting-edge Technology Project of Henan Province; Project(12KF02) supported by the Open Projects of State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining & Technology)

通信作者：王兰云，博士，讲师，从事矿井火灾防治研究；E mail: lanyun.wang@gmail.com