含PPFBS超细水雾抑制甲烷爆燃的实验研究

杨 克，周 越，周 扬，刘光宇，丁昂昂，涂 喆

(常州大学环境与安全工程学院，江苏 常州 213164)

甲烷主要是作为燃料广泛应用于民用和工业中。近年来，煤矿瓦斯爆炸事故与城市天然气管道爆炸事故频频发生，使人民生命和国家财产受到巨大威胁，对我国经济和社会的稳定和谐发展造成不利影响。因此，更为科学、有效地处置甲烷防爆，消除其安全隐患，成为一个热点研究课题。

细水雾作为一种灭火技术越来越引起人们的关注，但纯水的细水雾仍属于物理作用灭火[1-2]。为了提高细水雾灭火的应用范围与效率，许多机构研究了含添加剂细水雾的灭火性能。如廖光煊等[3]、况凯骞等[4]研究了含氯化亚铁添加剂细水雾在不同燃料种类、添加剂浓度、压力下扑灭池火的有效性,以及自制复合型添加剂对细水雾灭火性能的影响;余明高等[5]对含MgCl2、FeCl2、NaHCO3添加剂的细水雾抑制瓦斯爆炸的有效性进行了实验研究，发现不同添加剂的体积分数越大，析解的阴阳离子越多，其抑制瓦斯爆炸的效果越好，但都应有添加剂的最佳体积分数，含体积分数为0.8%的FeCl2和体积分数为2.5%的MgCl2的细水雾抑制瓦斯爆炸的有效性最好[5]。

相较细水雾而言，纯水的超细水雾因具有高效的吸热、冷却，阻隔、衰减热辐射的特性，已被公认为是具有良好应用前景的瓦斯爆炸抑制剂。如梁天水等[6]进行了超细水雾熄灭甲烷火焰的临界灭火质量浓度的相关研究；曹兴岩等[7-8]研究了超细水雾的水雾粒径以及雾化方式对甲烷爆炸过程的影响；余明高等[9]研究了CO2协同超细水雾对瓦斯/煤尘爆炸的抑制特性，发现随着CO2体积分数和超细水雾质量浓度的增加，火焰传播速度、爆炸超压峰值均出现了明显下降，当CO2的体积分数达到14%时，超细水雾和CO2的共同抑爆效果最为明显。当前对含添加剂细水雾以及超细水雾抑制甲烷燃烧、爆炸火焰传播相关机理的研究较多，而针对含添加剂超细水雾对管道中甲烷爆炸火焰传播抑制有效性的研究较少。为此，本文通过可视化管道实验，开展了不同工况下含PPFBS超细水雾对管道中甲烷燃烧、爆炸抑制有效性的研究。

1 实验方案

本实验的实验装置由实验课题小组自主设计搭建，主要包括超细水雾发生和输送系统、模拟管道、甲烷输送系统、点火系统、压力数据采集系统、高速摄影系统等,其整体构造图如图1所示。

图1 实验装置构造图Fig.1 Structure diagram of experimental equipment1.甲烷气瓶；2.超细水雾发生装置；3.模拟管道；4.甲烷浓度检测仪；5.点火器；6.压力数据采集系统；7.计算机；8.气瓶阀门；9.ALICAT气体流量控制器；10.超细水雾发生装置开关；11.流量控制器；12.通气控制阀；13.抽真空装置；14.高速摄影仪数据采集装置；15.高速摄影仪

本次实验主反应区域为甲烷燃烧、爆炸的模拟管道，管道的材料是透明的有机玻璃，内腔尺寸为5 cm×5 cm×100 cm，容积为2.5 L；管道上有1个压力传感器口、1个气体输送口、1个点火口、1个泄压口和1个甲烷浓度检测口；为了确保实验安全，管壁厚度为2 cm，管道一端当作泄压口，使用PVC薄膜进行密封。甲烷输送系统由1个容量为40 L的甲烷气瓶、1个ALICAT气体流量控制器等组成，该气体流量控制器的读数精度为0.6%，响应时间为100 ms，实验设置甲烷的体积流量为0.1 L/min。点火系统采用高频脉压高热能点火器，点火电压为6 kV。压力数据采集系统包括上海铭动高频压力传感器、1608FS-Plus数据采集卡、滤波处理系统等，压力传感器将压力信号转化为电压输送至数据采集卡并记录储存，其量程为-0.1～0.1 MPa，响应时间小于10 ms。

实验中，抽真空装置用来排除上一次实验燃烧产生的废气的影响，两端用不锈钢钢板进行密封；待空气进入管道后，开口端拆除钢板并用PVC膜密封。另外，添加剂PPFBS预先与水均匀混合配置成溶液通过超细水雾发生装置随水雾进入管道中。由于产生的超细水雾本身压力较小，本实验均是预先向管道中通入超细水雾，再通入甲烷气体。

水雾的粒径等参数对灭火效果的影响较大。为了排除添加剂对水雾粒径的影响，使用Winner319C激光粒度仪进行超细水雾粒径的测量,该仪器量程为1.0～2 000μm。实验采用的喷雾角度为133°。图2和图3分别为纯水超细水雾的体积粒度分布曲线和含0.1%全氟丁基磺酸钾(PPFBS)超细水雾的体积粒度分布曲线。

图2 纯水超细水雾的体积粒度分布曲线Fig.2 Volumetric grain size distribution curve of ultrafine water mist

图3 含0.1%PPFBS超细水雾的体积粒度分布曲线Fig.3 Volumetric grain size distribution curve of ultrafine water mist with 0.1% PPFBS

通过对比图2和图3可以看出，添加剂未对超细水雾粒径产生明显的影响，超细水雾的粒径主要集中分布在1～7 μm。

本实验主要分为两个部分：一个部分是单因素实验；另一个部分是正交实验。单因素实验的目的是探究添加剂PPFBS的浓度对超细水雾抑制甲烷燃烧、爆炸火焰传播以及爆炸超压的影响。单因素实验中，甲烷的体积分数选择爆炸威力最大的浓度9.5%，通雾量统一为2.1 mL即通雾时间为60 s的工况，其他条件均保持不变，仅改变PPFBS的浓度，设置PPFBS的浓度分别为0%、0.03%、0.05%、0.07%、0.10%、0.20%，每组实验重复3次。正交实验是为了探究添加剂PPFBS的浓度对管道中甲烷燃烧、爆炸火焰传播的影响程度并验证其灭火的有效性。引入了通雾量和甲烷浓度两个影响因素，所以正交实验部分选择通雾量、甲烷浓度和PPFBS浓度3个因素进行探究，以期找到抑制甲烷爆燃效果最佳的实验组合[8],并通过对比分析来说明添加剂PPFBS的灭火效能。具体实验方案见表1，每组实验重复3次。由于每组实验重复，除了仪器精度造成的设备误差外，还有一些实验不确定性因素造成的误差。如通雾速率固定为2.1 mL/min，但由于喷嘴直径大，每组通雾时间均较长，因此只能一定程度上使水雾较为均匀地在空间内分布。另外，尽管各种工况实验条件一致，但甲烷与空气的预混程度也是造成实验不确定性的重要原因。

表1 含PPFBS的超细水雾正交实验方案Table 1 Orthogonal test for ultrafine water mistcontaining PPFBS

2 含PPFBS的超细水雾单因素抑爆实验

表2为含不同浓度PPFBS的超细水雾抑制甲烷爆燃的单因素实验数据。

表2 含不同浓度PPFBS的超细水雾抑制甲烷爆燃的 单因素实验数据Table 2 Data records of single factor experiment ofmethane deflagration suppression by ultrafinewater mist containing different concentrationsof PPFBS

由表2可知，加入含氟碳表面活性剂PPFBS后，管道中甲烷爆燃的最大爆炸超压、平均升压速率以及火焰传播速度都有明显的下降。其中，含0.10%PPFBS的超细水雾的抑爆效果最优，其最大爆炸超压和平均升压速率较9.5%甲烷爆炸分别下降了66.2%、74.19%，同时其火焰传播速度也为最低值(0.785)。此外，还可以看出PPFBS浓度并不是越高，其抑爆效果越好。

含不同浓度PPFBS的超细水雾抑爆过程中压力变化曲线，见图4。

图4 含不同浓度PPFBS的超细水雾抑爆过程中压力 变化曲线Fig.4 Change curves of pressure during the deflagration suppression process of ultrafine water mist containing different concentrations of PPFBS

由图4可见：9.5%甲烷工况与纯水超细水雾工况下的压力曲线变化趋势十分相似，显然，纯水超细水雾工况下，对管道中甲烷的燃烧、爆炸有较强的抑制作用[7]；含不同浓度PPFBS的超细水雾抑爆过程中压力随时间的变化曲线与9.5%甲烷爆炸的压力随时间的变化曲线类似，均出现一高一低两个波峰，且第二个波峰比第一个波峰高。这是因为当管道中的甲烷被引燃，热量迅速积聚，气体迅速膨胀导致压力迅速升高，当PVC膜破裂，气体从管道末端的泄压口迅速排出造成了短暂的压力下降，导致了第一个波峰的出现；而新的空气进入形成新的混合可燃气体，燃烧持续进行会导致压力升高，当其产生的压力大于泄压口排出造成的压降时，压力曲线会继续上升，直至压力上升和压降达到平衡时，形成第二个波峰，即达到了最大爆炸超压[9]。

此外，加入了添加剂工况下的压力变化曲线与对照组也有着明显的差异，加入了添加剂工况下压力随时间变化曲线的第一个波峰均更低，且达到第二个波峰即最大爆炸超压的时间均有不同程度的延后。可见，加入PPFBS的超细水雾比纯水超细水雾的抑爆效果好，即使PPFBS浓度很低也可以达到较好的抑爆效果。表面活性剂主要通过改变水的物理性质来发挥作用，可提高超细水雾的雾化效果、起泡能力等。PPFBS可以降低水的表面张力，降低水形成水雾所需的能量，因而相同雾化条件下形成的超细水雾具备更强的吸热蒸发能力。分散体系中，分子倾向相互聚结进而缩小界面面积。表面活性剂具有两亲分子结构，吸附于两相界面处，可降低体系的界面能，形成致密的吸附分子层，阻碍其聚结，进而使热交换面积增大，传热能力提高。另外，添加表面活性剂一定程度上会增加超细水雾的质量浓度。相关研究表明：随着细水雾质量浓度的增加，火焰传播速度会随之减小[10-11]。但当表面活性剂浓度过高时，憎水基的疏水作用会使表面活性剂分子无法富集在水表面，从而聚集形成内核，组成胶团，溶液表面张力会比临界胶束浓度时更大[12]。因此，当PPFBS浓度为0.20%时，最大爆炸超压和平均升压速率开始变大。依据含不同浓度PPFBS的超细水雾抑爆过程中的压力曲线，并根据最大爆炸超压、平均升压速率、火焰传播速度3个指标可以看出，含0.10%PPFBS浓度的超细水雾抑爆效果最好，其次依次为0.07%、0.20%、0.03%、0.05%PPFBS浓度的超细水雾。

含0.10%PPFBS的超细水雾抑爆效果最优，因此就该工况进行火焰传播抑制效果的分析。图5至图7分别为含0.10%PPFBS超细水雾、超细水雾以及不含超细水雾的9.5%甲烷爆炸火焰传播图。

图5 含0.10%PPFBS超细水雾作用下的9.5%甲烷 爆炸火焰传播图Fig.5 Flame propagation image of 9.5% methane explosion under the action of superfine water mist containing 0.10%PPFBS

图6 超细水雾作用下的9.5%甲烷爆炸火焰传播图Fig.6 Flame propagation image of 9.5% methane explosion under the action of superfine water mist

图7 不含超细水雾的9.5%甲烷爆炸火焰传播图Fig.7 Flame propagation image of 9.5% methane explosion containing no ultrafine water mist

由图5至图7可以清晰地观察到，9.5%甲烷爆炸的火焰呈现淡蓝色，而在超细水雾或含0.10%PPFBS的超细水雾作用下的同浓度甲烷爆炸的火焰呈现为橙黄色。

无论是否含氟碳表面活性剂，在超细水雾作用下的同浓度甲烷爆炸均出现了郁金香形火焰[11]，火焰都是由球形火焰到指形火焰，并随着火焰裙边触壁，边缘火焰传播速度增加，形成近似平面的火焰形态；接着轴线处火焰传播速度骤减引起了郁金香形火焰的形成[12-16]。随着反应继续进行，郁金香形火焰消失，受火焰不稳定性的影响，火焰伴随褶皱继续传播直至PVC膜破裂[11]。对比图5和图6可知，含添加剂工况下甲烷爆炸火焰传播速度变慢，表现在相同时间内其火焰前锋传播距离较短；另外含添加剂工况下甲烷爆炸燃烧强度明显更弱，但两者火焰结构变化在时间和空间上均有较好的对应，表明含添加剂的超细水雾并未影响甲烷爆炸火焰传播过程的发展阶段，而是减弱了其燃烧强度与火焰传播速度。

3 含PPFBS的超细水雾三因素三水平正交抑爆实验

表3为含不同浓度PPFBS的超细水雾抑制甲烷爆燃的正交实验中最大爆炸超压、平均升压速率和火焰传播速度的实验结果。

表3 含不同浓度PPFBS的超细水雾抑制甲烷爆燃的 正交实验数据Table 3 Data records of orthogonal experiment of methanedeflagration suppression by ultrafine water mistcontaining different concentrations of PPFBS

由表3可知，工况2和工况4的甲烷浓度都是9.5%，且工况4的通雾量是工况2的3倍(为2.1 mL)，但工况2的PPFBS浓度为0.07%，较工况4提高了0.02%，结果工况2的最大爆炸超压、平均升压速率、火焰传播速度均低于工况4；同样的情况也出现在工况6与工况8之间。上述实验结果表明，PPFBS对管道中甲烷燃烧、爆炸火焰传播过程有着显著的抑制效能，即在一定的PPFBS浓度下，其浓度的微小变化对提高超细水雾对甲烷爆燃的抑爆灭火效能的影响程度较大。

图8为含不同浓度PPFBS的超细水雾抑制甲烷爆燃的正交实验不同工况下压力随时间的变化曲线图，图9至图11为正交实验不同工况下最大爆炸超压、平均升压速率和火焰传播速度3个指标变化的折线图。

图8 正交实验不同工况下压力随时间的变化曲线图Fig.8 Change curves of pressure under different working conditions of the orthogonal experiment

图9 正交实验不同工况下最大爆炸超压变化折线图Fig.9 Change curve of maximum explosion overp- ressure under different working conditions of the orthogonal experiment

图10 正交实验不同工况下平均升压速率变化折线线Fig.10 Change curve of average boost rate under different working conditions of the orthogonal experiment

图11 正交实验不同工况下的火焰传播速度变化曲线图Fig.11 Change curve of flame propagation velocity under different working conditions of the orthogonal experiment

由图8可见，当PPFBS浓度在较低水平时，如工况1、2、4、7下，均出现了较大的最大爆炸超压，其值远大于其他工况；当通雾量维持在较低水平时，如工况1、2、3下，压力较早开始出现上升的趋势，表明通雾量的水平对甲烷燃烧初期压力的上升有显著的影响。

由图9至图11可以直观看出，不同工况下最大爆炸超压、平均升压速率、火焰传播速度出现了相似的变化趋势，表明这3个参数均与甲烷爆炸火焰传播发展情况有较强的跟随性，尤其与甲烷燃烧火焰表面积的变化情况密切相关[16-18]。

为了分析通雾量(A)、PPFBS浓度(B)和甲烷浓度(C)3个因素分别对甲烷燃烧、爆炸产生的最大爆炸超压、平均升压速率以及火焰传播速度影响的显著性水平，本文分别以最大爆炸超压作为实验指标X，平均升压速率作为实验指标Y，火焰传播速度作为实验指标Z，计算这3个因素所对应的i水平最大爆炸超压之和Mji和平均值mji，并计算出极差Rj后进行极差分析，结果见表4[12]。

表4 正交抑爆实验数据的极差分析Table 4 Range analysis of the orthogonal explosionsuppression experimental data

由表4可知，对于最大爆炸超压X和火焰传播速度Z来说，B因素的极差明显较A、C因素的大，这说明在甲烷燃烧、爆炸过程中对最大爆炸超压和火焰传播速度影响最大的因素是PPFBS的浓度，且其影响程度远超过其他两个因素，同时验证了PPFBS对管道中甲烷燃烧、爆炸的有效性；而对于平均升压速率Y来说，A因素相对于B、C因素的影响较小，影响最大的因素是C即甲烷浓度，这也就解释了工况2和工况5在PPFBS浓度相同的情况下，即使工况2的超细水雾通雾量小于工况5，但由于工况2的甲烷浓度为9.5%，因此工况2的平均升压速率更大。

4 结 论

本文通过单因素实验和三因素三水平正交实验，研究了含氟碳表面活性剂PPFBS的超细水雾抑制管道中甲烷燃烧、爆炸以及火焰传播的效果，并对实验数据进行了分析，得到的结论如下：

(1) 单因素实验结果表明：保持通雾量为2.1 mL、甲烷浓度为9.5%的条件下，只需加入少量的氟碳表面活性剂PPFBS就可以达到较优的抑爆效果，溶液达到临界胶束浓度时，其抑制效果最好。本实验中，含0.10%PPFBS的超细水雾的抑爆效果最优，最大爆炸超压和平均升压速率分别下降了66.2%、74.19%。

(2) 三因素三水平正交实验结果表明：对管道中甲烷燃烧、爆炸产生最大爆炸超压的影响因素按影响程度从大到小排列依次为PPFBS的浓度、通雾量和甲烷浓度；对甲烷爆炸平均升压速率的影响因素按影响程度从大到小排列依次为甲烷浓度、PPFBS浓度和通雾量；对甲烷爆炸火焰传播速度的影响因素按影响程度从大到小排列依次为PPFBS浓度、甲烷浓度和通雾量。

(3) 本文实验结果验证了含氟碳表面活性剂全氟丁基磺酸钾(PPFBS)的超细水雾抑制管道中甲烷燃烧、爆炸以及火焰传播的有效性，且对甲烷爆炸的最大爆炸超压、平均升压速率、火焰传播速度3个参数均有显著影响。一定的PPFBS浓度下，其浓度的微小变化对提高超细水雾对甲烷爆燃的抑爆灭火效能的影响显著，表明氟碳表面活性剂PPFBS可有效改善超细水雾的物理性质，提高其抑制管道中甲烷燃烧、爆炸的效能。