含添加剂细水雾降低瓦斯爆炸下限的实验研究

2009年4月 矿业安全与环保 第36卷第2期 含添加剂细水雾降低瓦斯爆炸 下限的实验研究 李定启1，吴 强1，余明高2 (1．黑龙江科技学院安全 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，黑龙江哈尔滨150027；2．河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454003) 摘要：采用自制的瓦斯爆炸实验系统进行实验，将同一实验条件下施加纯细水雾时测定的爆炸下 限值作为参照值进行比较，通过改变细水雾中添加剂的种类和浓度，研究细水雾中的添加剂对瓦斯爆炸 下限的影响。实验表明：在细水雾中加入添加剂后，瓦斯爆炸浓度下限值有不同程度的升高；对于同一 种添加剂，随着其浓度的增加，瓦斯爆炸下限先呈升高的趋势，而后趋近于稳定。该实验研究为采用细 水雾技术防治矿井瓦斯提供了理论基础，具有一定的指导作用。 关键词：瓦斯防治；细水雾；添加剂；爆炸下限 中图分类号：TD712．7 文献标志码：A 文章编号：1008—4495(2009)02—0001—03 长期以来，瓦斯煤尘爆炸事故在煤矿重特大事 故中所占比例居高不下，成为制约煤炭安全生产的 瓶颈。 细水雾由于其高效、洁净、价廉等优点在地面消 防等领域得到广泛的研究和应用，但是在矿井灾害 防治方面的研究则相对较少。细水雾抑制瓦斯爆炸 已有一些相关的研究和探讨，其作用主要是：减小瓦 斯爆炸速度和强度；改变瓦斯爆炸界限。 含添加剂细水雾是指在细水雾中添加一些高效 抑制火焰的物质，以阻断燃烧中的化学反应链：细水 雾中的添加剂能捕捉反应过程中产生的自由基，使 反应链被中断，从而达到防止瓦斯爆炸的目的⋯。 近年来世界各国开始对含添加剂细水雾进行研 究，为寻找和筛选高效的细水雾灭火添加剂做了大 量的实验。已报道的添加剂有碱金属盐类(如醋酸 钠、碘化钾、碱金属碳酸盐等)、含铁有机物(如五羰 基铁和二茂铁)、磷酸铵、含硼化合物等。具有很强 抑制火焰作用的金属还有Mg，Cr(女nCr0202，效率同 收稿日期：2008—05—15；2008—10—23修订 基金项目：河南省煤矿瓦斯与火灾防治重点实验室开放 基金项目(HⅪGF2删)；黑龙江省教育厅科学技术研究项目 (11533055)；国家自然科学基金项目(50476033)；河南省杰出 人才创新基金项目(0421000800) 作者简介：李定启(19r7卜)，男，江西余干人，硕士，助教， 主要从事矿井瓦斯防治、火灾防治等领域的研究工作。 E—mail：liauogao@tom．渊o Fe(CO)5)，Sn(女11SnCl4，Sn(CH3)；，效率为CF3Br的 2倍)，Ti(女llTiCh)，Pb(女nPb(CaHs)。)，u，Ba等‘2—5I。 1实验研究 由于含添加剂细水雾对火焰有较强的抑制作 用，而瓦斯爆炸是预混气体火焰传播引起的，因此可 以采用含添加剂细水雾来抑制瓦斯预混气体的燃 烧，使得燃烧反应中自由基大量消耗，从而使得瓦斯 预混气体需要在较高浓度范围内才能发生爆炸。实 验研究含添加剂细水雾对瓦斯爆炸界限的影响，对 矿井瓦斯防治来说，具有一定的实际意义，可为采用 细水雾技术预防矿井瓦斯爆炸提供理论依据。 1．1实验装置及实验方法 1。1．1实验系统 含添加剂细水雾降低瓦斯爆炸下限实验系统由 自制的爆炸管道、水雾发生装置、空气循环泵、可燃 气体点火系统、瓦斯浓度测量系统、数据采集系统等 部分组成，如图l所示。 l一含添加剂水雾发生装置；2-瓦斯；3---点火器；4-瓦斯浓度测量 仪；卜空气循环泵；卜出气口。 图1‘含添加剂细水雾降低瓦斯爆炸下限实验系统示意图 万方数据 2009年4月 矿业安全与环保 第36卷第2期 1)爆炸管道。实验管道用壁厚为10nun的钢 板焊制，一端用钢板焊接密封，另一端为泄压口，实 验时用薄膜和胶带密封。管长为2m，直径400turn。 管道腔体上共设有8个测试孔，其中管道上部4个， 侧向1个，根据实验需要连接实验仪器及阀门。管 道安放在组合式支架上，高度为1m，如图2所示。 图2爆炸实验管道 2)点火系统。实验采用高能点火装置点火，如 图3所示。高能点火器单次储能70J，火花频率6～ 12次／s，配合3W一4A型直流稳压电源一起使用，同 时备有遥控盒，可远距离操作。 图3点火系统 3)数据采集系统。系统为HCl0206高速数据 采集集成模块，具有4路模拟信号输入和外触发信 号输入，如图4所示。采样长度最大为128kB采样点， 通道。点火前先设置好采集长度、延迟时间、采样频 率等参数，进入等待触发状态，点火后由HCl01通道 (第1个测点)同时触发其他通道进行数据采集。该 实验设置的采样频率为10kS／s，延迟长度为 一50kB，采样长度为256kB，即提前5S触发，总的 采集时间为30．6s。 图4数据采集系统 4)雾化装置系统。实验采用超声波雾化器，产 生流量为0～10mL／min、平均粒径为4pan的细水 ·2· 雾，实验时均可根据需要选择不同类型的雾化装置 来获取不同物理特征的细水雾。 5)瓦斯测量系统。瓦斯测量采用智能化光干 涉瓦斯检测仪(CN7217—0146—0010)，其是新型智 能化瓦斯检测仪，包括光干涉瓦斯检测装置。该检 测仪可十分方便地将c心，c02等有害气体的浓度直 观、准确地用数字显示出来，还可将测试的有关数据 进行处理、存贮和打印，从而提高瓦斯检测仪的使用 效率。瓦斯测量仪精度为0．1％。实验时从管道两 侧的上下2个测量孔进行检测，当2个孔的读数一 致时说明瓦斯与空气混合均匀。 1．1．2实验条件 实验时室内环境温度为23～26℃，相对湿度为 53％，实验气体为空气与99．9％的cH4的混合气体。 实验时所采用的添加剂为代号A，B，C的3种对 火焰有较强抑制作用的化学物质。 1．2实验步骤 1)收集相关资料，选择对火焰有较强抑制作用 的细水雾添加剂。 2)选择水雾发生装置，调试瓦斯浓度测量仪、 空气循环泵等仪器，连接并测试系统的气密性。 3)向管道中充人瓦斯，启动水雾发生器和空气 循环泵，同时从2个检测孔对瓦斯浓度进行检测，逐 步提高瓦斯的浓度直至点火能发生爆炸，测出瓦斯 在施加细水雾实验条件下的爆炸下限；改变细水雾流 量和粒径，重复上述实验，记录实验数据。 4)把管道中爆炸残余气体清除以后，向管道中 充人瓦斯，配置一定浓度含添加剂A的水溶液加入 水雾发生器，启动水雾发生器、空气循环泵，同时从 2个检测孔对瓦斯的浓度进行检测，逐步提高瓦斯 的浓度直至点火能发生爆炸，测出瓦斯在不同浓度 添加剂的细水雾实验条件下的爆炸下限；改变细水 雾流量和粒径，重复上述实验，记录实验数据。 5)采用其他4种添加剂，在相同的实验条件下 得出1组瓦斯爆炸下限随细水雾流量和粒径变化的 数据。 6)整理实验数据，并对实验结果进行分析和修正。 1．3实验数据 实验需要记录的参数包括：添加剂的种类；细水 雾流量；细水雾平均粒径；瓦斯爆炸浓度的下限值。 图5是含不同添加剂细水雾在平均粒径为4tan 时测得的瓦斯浓度下限随细水雾流量变化的曲线， 图6是含不同添加剂细水雾在细水雾流量为 5mL／min时测得的瓦斯浓度下限随细水雾粒径变化 的曲线，图中数据均为原始数据处理后的算术平均 万方数据 2009年4月 矿业安全与环保 第36卷第2期 值。图中：N驴一不含添加剂的细水雾；A_含添加剂 A的细水雾；B-含添加剂B的细水雾；C_含添加剂 C的细水雾。 水雾流量侬江／mifl) 图5瓦斯爆炸浓度下限～细水雾流量关系图 水雾粒径／“m 图6瓦斯爆炸浓度下限一细水雾平均粒径关系图 2实验数据分析 2．1现象分析 从图5中可以看出，细水雾提高了瓦斯爆炸浓 度的下限，降低了矿井瓦斯爆炸的危险性，且随着水 雾流量的增加，瓦斯爆炸浓度下限首先呈上升趋势 而后逐渐趋于稳定。从图6中可以看出，当细水雾 平均粒径较小时，其使瓦斯爆炸浓度下限升高的效 果较好，且在水雾粒径较小时水雾粒径的大小对瓦 斯爆炸浓度下限影响不大，而水雾粒径较大时水雾 粒径的大小对瓦斯爆炸浓度下限影响较大。 从图51均可以看出，在同等实验条件下，加 入添加剂后瓦斯爆炸浓度下限有不同程度的升高， 添加剂C提高瓦斯爆炸浓度下限的效果最佳，添加 剂A和添加剂B提高瓦斯爆炸浓度下限的效果较接 近，均低于添加剂C。 2．2机理分析 含添加剂细水雾预防和抑制瓦斯爆炸的机理目 前虽然尚未完全清楚，但经分析可能主要是由于以 下几个方面的作用引起的怕。J： 1)细水雾颗粒与燃烧反应区自由基碰撞使之 消耗，破坏瓦斯爆炸发生的初始连锁反应，使得燃烧 反应不能继续进行，因而不会引起爆炸； 2)由于细水雾颗粒的蒸发吸热，降低了点火源 周围瓦斯预混气的温度，使得燃烧反应没有足够的 能量维持继续反应而避免发生爆炸； 3)细水雾颗粒吸热蒸发后稀释了瓦斯预混气 点火源周围02的浓度，使得燃烧反应没有足够的02 维持继续反应而避免发生爆炸； 4)细水雾蒸发后添加剂颗粒与自由基碰撞使之 发生固相消耗，破坏瓦斯爆炸发生的初始连锁反应， 使得燃烧反应不能继续进行，因而不会引起爆炸； 5)添加剂粒子蒸发后与自由基发生化学反应， 使自由基消耗，破坏瓦斯爆炸发生的初始连锁反应， 使得燃烧反应不能继续进行，因而不会引起爆炸。 3结论 细水雾可以提高瓦斯爆炸浓度下限，其作用效 果主要受水雾粒径和流量两个因素的影响。当细水 雾的流量增加到一定值、细水雾的平均粒径较小时 其效果较佳；同一条件下在细水雾中加入添加剂后 能进一步提高瓦斯爆炸浓度的下限。该实验条件下 施加纯细水雾时瓦斯爆炸浓度下限最高升至6．9％， 而施加含添加剂细水雾后瓦斯爆炸浓度下限最高升 至7．2％。 由于受实验条件和仪器所限，该实验数据的定 量性可能存在一定的误差，今后可进一步加强该方 面的实验研究和在矿井应用方面的研究。 参考文献： [1]丛北华。毛涛，廖光煊．NaCI添加剂细水雾对不同燃料池 火灭火性能的实验研究[J]．热科学与技术。2004，3(I)： 65—70． [2]G．T．1jI舵【is，V．R．触aandF．西蝴．取阳衙聊talandnmHical evaluati叽0fm幽comp0忸1dsforsuppressingcup—burner flames[D]．c[翱bu鲥册andna眦，2004，138(1—2)：78—96， [3]V．BAUSHOK，W．TSANG，G．T．LINTERIS．Chemical LimitstoFlamesElaineInhibition[D]．Combustionandflame， 1998，115：551—560． [4]TohruMitani，TakashiNiioka．Extinctionphenomenonof premixedf!am镐witha／kalimetalcompounds[D]．Combustion andflame，1984，55(1)：13—21． [5]刘暄亚，陆守香，秦俊．水雾作用下气体爆炸火焰传播的 实验研究[J]，火灾科学，2003，12(1)：11一18． [6]于不凡．煤矿瓦斯灾害防治及利用技术 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 [M]．北京： 煤炭工韭出版社，2000． [7]林滢，李孝斌，宋久壮．超细水雾抑制瓦斯爆炸的可行性 研究[J]．矿业安全与环保，2006，33(4)：15—20． (责任编辑：吕晋英) ·3 · 7 7 6 6 5 5 摹＼苣卜越《尊蹬薅埘 7 7 6 6 6 6 6 述畦卜倒链戋鳞蒜旧 万方数据 含添加剂细水雾降低瓦斯爆炸下限的实验研究 作者： 李定启， 吴强， 余明高， LI Ding-qi， WU Qiang， YU Ming-gao 作者单位： 李定启,吴强,LI Ding-qi,WU Qiang(黑龙江科技学院,安全工程学院,黑龙江,哈尔滨 ,150027)， 余明高,YU Ming-gao(河南理工大学安全科学与工程学院,河南,焦作,454003) 刊名： 矿业安全与环保 英文刊名： MINING SAFETY & ENVIRONMENTAL PROTECTION 年，卷(期)： 2009，36(2) 引用次数： 0次 参考文献(7条) 1.丛北华.毛涛.廖光煊 NaCl添加剂细水雾对不同燃料池火灭火性能的实验研究[期刊论文]-热科学与技术 2004(01) 2.G T Linteris.V R Katta.F Takahashi Experimental and numerical evaluation of metallic compounds for suppressing cup-burner flames 2004(1-2) 3.V BAUSHOK.W TSANG.G T LINTERIS Chemical Limits to Flames Flame Inhibition 1998 4.Tohru Mitani.Takashi Niioka Extinction phenomenon of premixed flames with alkali metal compounds 1984(01) 5.刘暄亚.陆守香.秦俊 水雾作用下气体爆炸火焰传播的实验研究[期刊论文]-火灾科学 2003(01) 6.于不凡 煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册 2000 7.林滢.李孝斌.宋久壮 超细水雾抑制瓦斯爆炸的可行性研究[期刊论文]-矿业安全与环保 2006(04) 相似文献(2条) 1.期刊论文 李定启.吴强.余明高.LI Ding-qi.WU Qiang.YU Ming-gao 细水雾影响瓦斯爆炸浓度下限的实验研究 - 煤矿安全2008,39(11) 采用自制瓦斯爆炸实验系统进行实验,将相同实验条件下没有施加细水雾时测定的爆炸下限值作为参照值进行比较,通过改变瓦斯爆炸实验管道中细 水雾的密度和粒径来研究不同物理状态的细水雾对瓦斯爆炸下限的影响.实验表明:在施加细水雾的条件下,瓦斯爆炸浓度下限值有明显的升高,且在细水 雾密度较大和平均粒径较小时瓦斯爆炸浓度下限升高值较大.最后在实验结论的基础上提出了细水雾技术在矿井瓦斯防治方面应用前景. 2.期刊论文 徐锋.朱丽华.李定启.XU Feng.ZHU Li-hua.LI Ding-qi 细水雾技术在抑制瓦斯爆炸中的应用 -工业安 全与环保2009,35(8) 介绍了细水雾抑制瓦斯爆炸的机理以及部分应用细水雾对瓦斯爆炸效果影响的实验,提出了采用细水雾方法抑制瓦斯爆炸有可能为瓦斯防治领域开辟 新的途径. 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_kyaqyhb200902001.aspx 下载时间：2010年6月21日