超细水雾抑制瓦斯爆炸的可行性研究

超细水雾抑制瓦斯爆炸的可行性研究林滢1，2，李孝斌1，宋久壮1（1.西安科技大学能源学院，陕西西安710054；2.福建省晋江市公安消防大队，福建泉州362200）摘要：利用超细水雾冷却效率高，吸热效果好的特点，对“瓦斯—空气”混合气体在不同量超细水雾氛围内的爆炸过程进行了初步的实验研究。

实验发现在超细水雾氛围内，瓦斯爆炸的火焰传播速率明显降低，起爆阶段的火焰传播加速度也有较大幅度的降低，火焰在实验管道内的传播时间显著延长，并且发生了火焰驻停现象，但爆炸感应期变化不大。

这表明超细水雾较高的吸热效率有效地消耗了瓦斯爆炸燃烧生成的一部分热量，削弱了火焰传播的能量。

如果在超细水雾中再加入某些能够起到化学抑制作用的添加剂，形成含添加剂的超细水雾，就能更为有效地抑制瓦斯爆炸火焰的传播。

关键词：超细水雾；瓦斯爆炸；驻停；感应期中图分类号：TD712+.7文献标识码：A文章编号：1008-4495（2006）04-0015-03收稿日期：2005-11-14；2006-06-08修回作者简介：林滢（1981—），男，福建闽侯人，硕士研究生，主要从事建筑火灾防灭火及气体爆炸控制方面的研究。

E -mail ：liny0084@ 。

水雾因其自身所具有的特性，在熄灭电气、建筑、舰船等不同类型的火灾中已得到广泛的应用。

实验研究表明，一定条件下的水雾对爆炸火焰传播同样具有很好的抑制效果。

20世纪70年代末，美国海军用有限的艇载水源，以超细滴径水雾扑救潜艇舱室火灾实验开创了超细水雾灭火的新技术。

至20世纪80年代中期，英国海军进行了用超细水雾扑救潜艇鱼雷舱火灾的试验。

其后，英国民航局（CAA ）和美国联邦航空局（FAA ）也出资对用超细水雾控制民航机客舱火灾，以延长疏散时间的研究。

英国石油公司（BP ）则组织力量开发了海上钻井平台机房燃料油贮罐及易燃液体高压喷射火灾的自动超细水雾灭火系统。

实验研究中使用的都是平均滴径为0.05～0.3mm 的细水雾［1］。

研究表明细水雾对火焰的传播有较强的抑制作用。

1超细水雾1.1细水雾的分级细水雾（water mist ）的粒径是指细水雾在最小设计工作压力下，在喷头下1m 平面上，测量到的雾滴尺寸。

根据雾滴直径的大小，可将水雾分成3个等级（见表1），通常情况下，细水雾是指雾滴直径D v0.99≤400µm 的水雾。

表1水雾雾径的分级标准Ⅰ级水雾D v0.1=100µm（水雾累积容积10%时，最大雾滴尺寸≤100µm ）D v0.9=200µm（水雾累积容积90%时，最大雾滴尺寸≤200µm ）Ⅱ级水雾D v0.1=200µm（水雾累积容积10%时，最大雾滴尺寸≤200µm ）D v0.9=400µm（水雾累积容积90%时，最大雾滴尺寸≤400µm ）Ⅲ级水雾D v0.1>400µm（水雾累积容积10%时，最大雾滴尺寸≥400µm ）D v0.99≤1000µm （水雾累积容积99%时，最大雾滴尺寸≤1000µm ）目前，细水雾的形成主要有2种方式：一种是采用高压气流辅助雾化，或采用高压水直接雾化，所形成的细水雾的粒径一般在40～200µm ，需要有一套产生高压的设备，结构复杂，运行成本高；另一种是利用超声波的超频振荡，所形成的超细水雾的粒径可达1～5µm ，无需高压，结构简单，成本较低。

超声波雾化技术在有限空间的空气调节和医用治疗等方面已有较为广泛的应用。

1.2超细水雾的特性1.2.1冷却降温作用美国海军的研究报告中在对火焰冷却用水作了粗略的估算。

1g 的水从室温（25℃）升温到1600K 的焓差约为14.235kJ/mol ，将1mol 的可燃气体降温所需的水仅为2.7g ，即1g 水可以扑灭约50L 的火焰区域。

但必须以超细水雾的滴径要足够小为先决条件，使其在与火焰作用前坠落损失很小，进入火焰后又能全部蒸发。

杨立军在对水喷雾雾滴在灭火过程中的蒸发吸热进行分析时发现［2］，水雾滴的蒸发时间与其直径成正比，直径越大，蒸发时间越长，吸热时间也相应加长。

Ⅰ级细水雾和超细水雾在吸热效率上的比较见表2。

・51・═════════════════════════════════════════════════════════════════════表2Ⅰ级细水雾和超细水雾吸热使用效率比较名称雾滴直径/µm 雾滴蒸发所需吸热量/J 单个雾滴蒸发时间/s Ⅰ级细水雾200 1.0858×10-20.042912超细水雾50 1.6966×10-40.002682倍数4倍64倍16倍本实验采用的超声波雾化器所形成的超细水雾雾滴直径为1～5µm ，其吸热时间、蒸发时间更短，对火焰的抑制作用将更为显著。

1.2.2吸收和阻隔辐射热水蒸气的气体分子和燃烧产生的CO 2分子对火焰产生的某些光谱有很强的吸收作用。

Coppalle 等人［3］对水雾减弱热辐射进行了研究。

假设衰减作用是由吸热和散射共同作用的结果（很大程度上是散射）。

以温度为1300℃的黑体作为火源（最大辐射波长λmax =1.93µm ），其95%的能量的辐射波长在1～10µm 。

结果发现：雾滴直径和最大发射波长的数量级相同时，水雾衰减辐射能力最强。

因此，雾径为1～10µm 的雾滴对火焰辐射热的吸收和阻隔作用最强。

1.2.3用水量小超细水雾的雾滴仅为1～5µm ，从超声波雾化器中喷出时为烟状，在空气中有较好的悬浮特性，因此用少量的水就可以在空间中形成较为浓厚的超细水雾气氛。

2实验系统实验系统主要由点火、爆炸管道、数据采集、超声波雾化设备4个部分组成，其构成方式见图1。

图1实验系统连接图实验管道采用内径84mm ，外径96.5mm ，总长160cm 的石英玻璃管，高速摄影仪对管道的拍摄长度为143cm ，管道的有效容积为8862mL ，管道点火端封闭，另一端用聚乙烯薄膜封闭，在烷空混合气体爆炸时作为泄压口泄压，以防止意外事故的发生。

实验用的超声波雾化器，主要是由高频振荡电路和PZT （锆酸钛酸铅）压电陶瓷换能片组成。

高频振荡电压在PZT 晶片上引发相同频率的振荡———谐振（振荡频率约为1.7MHz ，超过人的听觉范围，对人体及动物无伤害），使电能转换为机械能产生超声波，当液体受到高频率超声波振荡时引发的质点振动不断地受到强烈的压缩和拉伸，其张力大于液体内聚力时，液体即被拉开形成空穴，由这种空化作用产生的冲击波将以雾化片的振动频率不断反复振动，使在液体表面上产生有限振幅的表面张力波。

这种波的波头飞散，使液体雾化，雾化的粒子再由内藏的风机送出，形成云雾，实验时通入的超细水雾的温度为19℃。

整个实验过程由笔记本电脑通过多通道数据采集仪实现同步控制，在点火的同时起动高速摄影仪进行同步拍摄。

高速摄影仪为日本生产的FASTCAM Super 10K Series 高速摄影机，拍摄速度最高可达1000f/s ，能精确地拍摄到瓦斯爆炸火焰传播过程的系列图像。

3实验结果及分析瓦斯爆炸就其本质而言，是一定浓度的CH 4和空气中的O 2相互作用，在一定温度下产生剧烈的氧化反应。

当CH 4浓度处于9.5%时，其爆炸最为猛烈。

因此，实验时将CH 4浓度控制在9.5%左右，同时向实验管道中通入不同量的超细水雾，拍摄火焰在管道中的传播过程，并对拍摄的图像进行分析。

3.1火焰前沿的传播速率实验时高速摄影机的拍摄速率设定为250f/s ，每帧图片之间的时间间隔为4ms ，根据拍摄到的图片可以确定火焰前沿在实验管道中的位置，通过相邻两帧图片火焰前沿的位移大小可以计算出这两帧图片对应时刻之间的平均速度。

由图2可知，在没有通入水雾的情况下，“甲烷—空气”混合气体爆炸时，火焰的传播加速度较大，速度峰值较早出现，火焰在实验管道内的传播时间・61・═════════════════════════════════════════════════════════════════════图2不同量超细水雾下火焰传播速度图较短，传播时有一个明显的加速和减速的过程，当火焰接近管道另一端的泄压口时，由于泄爆诱导流动的作用，使得火焰速度急速增加。

通入超细水雾后，火焰的传播速度显著降低，速度峰值较无水雾时有非常明显的减少，且火焰加速阶段的加速度也有较大幅度的降低。

但是，在通入的超细水雾为3，4.5mL时，火焰在起爆后加速阶段的加速度以及火焰速率的峰值基本相同，这表明超细水雾对烷空混合气体起爆阶段的火焰传播速率的影响是有限的，但是在火焰传播的减速阶段，超细水雾的影响就变得显著起来。

从图2可以看出，随着通入的超细水雾量的增加，火焰在实验管道中传播的时间也明显延长，主要是由于在火焰速率达到峰值后的下降阶段，随着超细水雾量的增加，冷却作用也随之增强，进一步消耗了CH4燃烧反应产生的能量，同时由于超细水雾的存在，火焰锋面前的预混气体的湍流作用受到了一定的阻力而被减弱，因此火焰在冲出管道时火焰速度并没有出现急速的增加。

3.2火焰驻停在引爆阶段，火焰的传播速度较小，随后由于火焰前方气体在前驱冲击波的作用下，被加热和压缩，使燃烧加速，爆炸火焰加速向前传播。

在火焰经过一段距离的加速后，由于爆炸气体膨胀而产生的活塞效应以及火焰传播过程中与管壁的摩擦和热损失作用，使火焰在达到一定速度后产生减速。

在无水雾时，爆炸火焰在减速传播一段后，火焰传播速率又会急速增加，但没有发生火焰的驻停。

在通入超细水雾的情况下，瓦斯爆炸火焰在实验管道内发生了驻停现象，不同量的超细水雾，火焰驻停的位置也不相同（见图3）。

特别是在4.5mL超细水雾下，火焰在实验管道中发生了2次驻停，并且火焰在驻停的位置上还有一个小幅度的回缩现象，从图2也可以看出火焰发生回缩时，火焰传播速度为负值。

图3不同量超细水雾下爆炸火焰驻停位置图火焰驻停时，火焰锋面被削平或发生褶皱，这是火焰能量被削弱的表现，火焰锋面通过褶皱和变形来加大火焰表面积，提高空间放热率，并在火焰锋面之前形成一定幅度的湍流来强化火焰传播所需的能量。

火焰驻停时的基本参数见表3。

表3不同量超细水雾下爆炸火焰驻停参数表喷雾量/mL驻停/次驻停时间/ms驻停位置（离点火位置距离）/cm驻停起始时刻/ms4.5212020111.0486.71176120 31.5111212100.04100.361441083.3爆炸感应期瓦斯混合气体被引燃后燃烧火焰需要经过一段时间的加速后才能达到爆炸传播的状态。

如果定义从点火器触发点火到爆炸火焰的传播速率第一次超过10m/s时所经历的时间为瓦斯的爆炸感应期，那么，在没有通入超细水雾的情况下，瓦斯爆炸的感应期约为26ms。