n2和co2抑制煤燃烧火焰特性对比试验研究.doc

N2 和 CO2 抑制煤燃烧火焰特性对比试验研究 雷柏伟 吴兵 王泽华 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院 摘 要： 为了研究 N2和 CO2气体灭火剂在抑制煤明火燃烧特性方面的不同, 通过搭建受限空间煤明火燃烧试验, 分别开展了 11.97%、16.81%、20.76%的 N2和10.79%、14.89%、20.32%的 CO2作用下煤明火燃烧抑制试验鉴于火焰表面积变化与热释放速率变化呈正相关, 基于火焰图像分析法开展试验研究试验过程中, 首先, 通过数码摄像仪记录不同体积分数惰性气体作用下煤燃烧火焰面积的变化, 然后利用 Matlab 软件进行火焰图像特征提取和“对比度增强”预处理, 消除图像记录过程中存在的噪声, 以便于有效进行火焰目标识别;其次, 基于”阈值法”原理, 利用 Image-Pro Plus 软件对预处理过的火焰目标进行识别和计算, 进而实时获得试验过程中火焰表面积;最后, 使用小波变换理论对火焰表面积变化曲线进行消噪处理, 以获得火焰表面积变化趋势及主要波动信息结果表明, CO 2比 N2具有更好的熄灭煤明火燃烧的能力, CO 2作用下煤火火焰表面积呈现指数下降, 而 N2作用下呈现直线下降, 且 CO2的灭火时间比 N2缩短了25%以上。

该试验结果明确了 N2和 CO2在熄灭煤明火特性上的不同, 弥补了 CO2仅比 N2具有更好的抑爆特性的认识关键词： 安全工程; N2 与 CO2; 煤火; 灭火特性; 图像分析; 作者简介：雷柏伟, 讲师, 博士, 从事矿井通风及火灾救灾研究, leibws@收稿日期：2016-05-19基金：国家重点研发计划项目 (2016YFC0801800) Comparative experiment on the characteristics of inhibiting the flame spreading with N2 and CO2 in the process of coal spontaneous combustionLEI Bai-wei WU Bing WANG Ze-hua Faculty of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing) ; Abstract： In order to pursue and explore the different characteristic features of N2 and CO2 for inhibiting the coal flame spontaneous combustion, this paper has done a series of contrast and comparative experiments and established an experimental platform for the coal flaming combustion in a confined space to observe and determine their inhibition effects on the coal flame combustion.The said contrast and comparative experiments have been done under the N2 concentration rates of 11. 97%, 16. 81% and20. 76%, respectively, under the CO2 concentration rates of10. 79%, 14. 89% and 20. 32%, respectively. Since the changes that may take place in the flame surface area are positively correlated with those in the heat release rate, the paper has adopted the flame image analysis method to record the changes of the flame surface area in the process of the coal flaming combustion under the different ratios of inert gases in the experiment process by using a digital video. And, next, in order to eliminate the noise in the recording process and identify and determine the target fire image effectively, we have also observed and analyzed the fire image features and described the fire images by using a contrast enhancement Matlab software. Furthermore, we have also identified and calculated the target fire forms and strengths based on the threshold methods, in hoping to trace the real-time changes of the flame surface area during experiment process by using the Image-Pro Plus software. And, last of all, we have also adopted wavelet transform theory so as to eliminate the noise of the flame surface area and make clear the changing trends of the flame surface area and the main fluctuation signals in the experiment process. The experimental results we have gained prove that the fire extinguishing power of CO2 turns out to be much better than that of N2 during the coal flame combustion, for the flame surface area tends to reveal an exponentially decreasing trend with CO2 extinguishing effects in coal combustion, whilst the flame surface area indicates a linear decrease trend with the use of N2. In addition, the extinguishing efficiency of CO2 has been found 25%greater than that of N2. Thus, the results of our contrast and comparative experiments help to clarify the differences of characteristics and efficiencies in extinguishing the coal flame combustion between N2 and CO2, which makes up for our understanding in that CO2 enjoys more powerful explosion suppression capability than that of N2.Keyword： safety engineering; N2 and CO2; coal flame; extinguishing characteristics; image analysis; Received： 2016-05-190 引言惰性气体是矿井火灾救灾过程中的常用气体灭火剂。

对于矿井火灾救灾来说, 惰性气体通常指 N2和 CO2, 使用惰性气体进行矿井火灾救灾具有实施方便、抑爆效果好、可以绕过障碍物到达隐蔽自燃点等优点目前, 矿井火灾防治领域关于 N2和 CO2灭火特性差异的认识主要集中在其抑爆效率以及由于密度不同导致的灭火特性不同上, 研究学者关于 N2和 CO2抑制煤明火特性的对比研究较少N2和 CO2灭火特性的不同首先体现在煤对 CO2和 N2的吸附特性存在差异, 如在相同平衡条件下, 煤对 CO2的吸附量大于 N2[1-2], 这主要是因为其物理化学性质存在不同导致王振平[3]和邵昊[4]等从 N2和 CO2抑制煤自燃的角度出发, 通过程序升温试验发现 CO2比 N2具有更好的抑制煤自燃效果为了研究矿井火灾救灾过程中 N2和 CO2灭火特性的不同, 研究学者还在矿井试验巷道中进行了大量试验, 但其研究过程中主要分析巷道内 O2浓度和温度的变化[5-6], 缺乏对明火熄灭过程的讨论煤燃烧领域的研究学者对 N2和 CO2分别作用下煤粉燃烧特性的变化进行了较为详细的研究Kimura 等[7]通过试验发现, 相较于O2/N2环境, O 2/CO2环境中煤粉燃烧不稳定且燃烧不充分。

Stone[8]和汤成龙[9]等通过理论分析、模拟试验对比研究了 CO2、N 2对甲烷燃烧特性的影响, 研究发现, 相较于 N2, CO2作用下甲烷的燃烧速度和火焰厚度都降低对于 N2和 CO2抑制矿井瓦斯爆炸特性的差异, 前人已经进行了较为充分的研究, 基本形成了一套较为系统的理论计算方法Coward 等[10]在 1952 年就开始研究 N2和 CO2分别作用下可燃性气体燃烧极限的变化, 该研究奠定了惰性气体抑爆技术的基础Zabetakis[11]和 Kuchta[12]对可燃性气体的爆炸极限和惰性气体的影响进行了更为深入的研究Molnarne 等[13]研究了多种惰性气体对混合可燃性气体的影响Vidal[14]、孙俊芳[15]等基于绝热火焰温度的混合物爆炸极限估算方法对 CO2、N 2及二者混合物对可燃气体的爆炸极限进行了估算, 并使用试验验证了估算方法的准确性综上所述, 研究学者对常压下 N2和 CO2抑制煤明火阶段特性对比研究较少, 由于煤明火阶段是导致矿井火灾蔓延发展的主要因素, 因此, 有必要对其进行试验研究鉴于火焰表面积的变化与热释放速率之间呈正相关关系[16-19], 本文搭建小型煤明火燃烧试验平台, 利用图像处理分析技术研究 N2和 CO2分别作用下煤燃烧火焰表面积的变化规律, 进而对比分析 N2和 CO2熄灭煤明火的特性差异。

1 试验装置及火焰图像识别1.1 试验装置由于固体燃烧重复性较差, 因此, 为消除试验误差以便进行试验对比, 将试验环境设定在一个受限空间内, 使用混气罐将气体混合, 然后采用燃烧器底部供气的方式进行试验燃烧控制借鉴射流燃烧理论, 当供气流量设置在 10 L/min附近时, 通过计算雷诺数 (Re) 和弗洛德数 (Fr) 可知煤燃烧火焰类型为浮力驱动型层流火焰图 1 给出了煤明火燃烧试验平台示意图, 该试验系。