木屑顆粒堆積參數對液體滲流特性的影響規律

劉麗艷 ，李金秋，呂 東

(1.天津大學化工學院，天津 300350；2.天津市化工安全與裝備技術重點實驗室，天津 300350；3.應急管理部天津消防研究所，天津 300381)

生物質能源是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源，由于其資源豐富、可再生性、生態環境友好等優點，被視為優質能源，越來越受到世界各國廣泛重視[1].利用現代技術可以將生物質能源轉化為成型燃料、可燃氣、液體燃料等，可用于滿足發電、供暖等能源需求[2].隨著生物質燃料的應用越來越廣泛，其堆積及儲運過程中的安全問題也越來越突出，日益引起人們的關注[3].

生物質燃料通常大量儲存在筒倉中[4]，因物理化學或生物反應而產生熱量，會導致倉筒升溫，最終達到失控反應溫度而發生陰燃引發深位火災，特定條件下會轉變成有焰燃燒甚至發生爆炸.2014 年，美國的一個谷物筒倉因霉菌代謝引起陰燃火災并轉變為有焰燃燒，點燃了陰燃生成的CO 引發二次爆炸[5].2015 年在波蘭發生的一起事故中，由于木屑爆炸，導致預制工業大廳倒塌，堆積的木屑被揚起，又引起二次爆炸[6].2017 年在意大利某個儲存鋸木屑的筒倉底部的螺旋輸送機故障造成了局部高溫，引發陰燃，生成大量可燃氣體發生爆炸，造成4 名消防員受傷[7].這些事故不僅造成了巨大的經濟損失和人員傷亡，還給社會和環境帶來嚴重影響.

水基滅火劑比熱容較大，具有冷卻稀釋作用、水蒸氣窒息以及分離乳化等作用[8-11]，對顆粒堆垛具有明顯的冷卻降溫作用.在實際應用過程中，水基滅火劑也面臨多項挑戰：一方面，生物質顆粒表面疏松多孔，潤濕性差，大量水沿堆垛表面流走，在表面停留時間較短，無法持續滲透到堆垛底部，對底部陰燃火災無益[8,12]；另一方面，一些水流會沿著堆垛中相對疏松的通道流下，很難滲入其他地方，導致陰燃會持續并擴大[10,13].此外，物料堆垛外表面被淋濕而形成黏稠致密的固液混合物，會覆在堆垛外側，阻礙內部熱量擴散，同時，還會增大液體向堆垛內部滲入的阻力[12,14].陰燃火災的著火點多位于堆垛底部，因此使水快速滲透到底部著火點是滅火的關鍵.生物質顆粒的可壓縮性和吸水后體積膨脹等特性，會影響堆垛孔隙形態及尺寸進而影響液體的滲流過程.

為提高水基滅火劑對堆垛深位火災的滅火效率，促進液體在顆粒堆積床層內快速均勻地流動，本文擬選取木屑為典型的易自發熱可壓縮顆粒，進行滲流實驗，研究不同粒徑分布的顆粒床層在不同壓縮高度比和滲透壓力下，顆粒床層的濕度變化、滲流速度、床層儲水量和透水率等床層滲流特性.為顆粒堆積物的安全存放和滅火提供理論支持.

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

木屑為購自中國四川省的落葉松木屑，木屑的水分含量為7.90%.通過在70 ℃下烘箱干燥12 h 或直到質量沒有進一步變化來測定顆粒的水分含量，記錄為固有濕度.實驗所用材料如圖1 所示.木屑試樣通過一系列不同篩孔的標準篩，將其分離成若干個粒級，分別稱重，求得以質量百分數表示的粒徑分布區間，精確至0.1 g，計算時將20 目篩上部分物料粒徑統一當作900～1 000μm 處理，120 目篩下物料粒徑當作100～150μm 處理，粒徑分布如圖2 所示.圖2(a)為顆粒中徑D50＝434.97μm 的全粒徑分布；圖2(b)為顆粒中徑D50＝307.26μm 的不同級配粒徑分布；圖2(c)為顆粒中徑D50＝398.47μm 的小粒徑分布.全粒徑分布物料為未經過處理的木屑顆粒，730μm 左右的顆粒占比最多為26.51%，不同粒徑級配物料通過篩分重組，顆粒分布較均勻，630μm 左右的顆粒占16.57%，260μm 左右的顆粒占14.57%，120μm 左右的顆粒占5.94%，小粒徑物料為全粒徑物料去除900μm 以上的顆粒所得，700μm 左右的顆粒占比最多為24.19%.

圖1 實驗材料Fig.1 Experimental materials

圖2 粒徑分布Fig.2 Particle size distribution

1.2 實驗裝置

采用自行設計的滲流實驗裝置如圖3 所示.圖中滲流筒由一段10 mm 厚的亞克力圓管制成，內徑為110 mm，外徑為130 mm，高度為500 mm，在圓管上下由4 根螺紋桿鏈接固定兩個圓盤.旋轉壓縮裝置由旋轉絲杠和帶孔鐵盤組成.支撐裝置由鐵架構成，尺寸為400 mm×400 mm×500 mm.滲流筒底部安裝水分傳感器(杭州Chenyi 儀器有限公司制造)，測量精度為±3%，每2 s 讀1 次數據.水泵功率200 W，電源電壓220 V.

圖3 實驗裝置示意Fig.3 Schematic of the experimental setup

不同堆積密度和滲流壓力下的實驗條件如表1所示.不同堆積密度用壓縮高度比表示，定義為壓縮后床層的高度對初始床層高度的比值.不同滲透壓力用床層上方的注水量表示.滲流筒高度為500 mm，填入材料的初始高度為200 mm.落葉松木屑的自然堆積密度為126.27 kg/m3，即在注入滲流裝置時不施加擠壓外力.

表1 實驗參數Tab.1 Experimental parameters

1.3 實驗過程

木屑通過自然下落裝填到滲流筒內部，確保每次填料后不會引起沉降，初始裝填高度為200 mm.將旋轉壓縮裝置與滲流筒一起固定到支撐裝置上，滲流筒底部連接水分傳感器及數據采集器，數據采集器的數據顯示、存儲在電腦上.滲流筒上部的進水盤與水管相連，待供水.實驗過程中，通過控制旋轉壓縮裝置壓縮木屑，調整木屑堆積密度，控制注水量，改變滲透壓強.實驗過程中通過記錄水分傳感器的數據獲得木屑床層濕度變化速度和床層濕度；記錄液體前沿10 mm 的滲流時間、流過60 mm 高度所用時間以及流過床層的總時間用來計算液體前沿穿透速度、中間床層滲流速度、平均滲流速度等參數；記錄滲流筒出水量，計算床層儲水量及透水率.研究壓縮高度比和注水量對床層濕度變化、滲流速度、床層儲水量和透水率的影響，分析顆粒堆積狀態對滲流過程的影響規律.

2 結果與討論

2.1 堆積參數對床層濕度的影響

木屑顆粒床層濕度是研究滲流過程的一個重要指標，顆粒床層濕度變化速度可以間接體現液體在床層中的流動阻力.床層初始潤濕時間、濕度變化時間、初始峰值時間是該過程的主要參數.3 種不同粒徑分布下的木屑顆粒床層濕度如圖4 所示.

圖4 不同壓縮高度比下木屑顆粒床層濕度隨時間變化Fig.4 Variation in moisture of wood chip particle bed with time at different compressed height ratios

從圖4 可見，在相同注水量下，600 s 內，3 種粒徑分布下的木屑顆粒床層濕度均隨著床層壓縮高度比減小而減小，且變化時間增加，上(峰值)拐點(圖4(c)中G2)及下(初始)拐點(圖4(c)中G1)均后移，床層濕度減小，且小粒徑分布時，顆粒中徑最小，變化時間最長.小粒徑分布時，顆粒中徑D50＝398.47μm，以壓縮高度比0.50 為例，下拐點(G1)時間為242 s，濕度變化時間是G1到 G2的時間為98 s，床層濕度為50.38%，同理，壓縮高度比為0.80 時，濕度變化時間為28 s，下拐點(G1)時間為74 s，床層濕度為53.70%.相同粒徑分布，注水量為1 500 mL 時，壓縮高度比從0.80 降到0.50，木屑顆粒床層濕度變化幅值為3.32%.這是由于壓縮高度比減小，床層總體高度較小，而床層堆積密度變大，顆粒粒徑小，堆積時相對更均勻，孔隙率減小，因此床層間可進入的水量減小，對應的床層終值濕度減小.圖4 中還可以看出，相同壓縮高度比和注水量，全粒徑分布、不同級配粒徑分布及小粒徑分布時木屑顆粒床層最大濕度分別為54.4%、54.0%及53.7%，變化幅值為0.7%，粒度分布對床層濕度影響較小.

由達西滲流實驗可知，床層上方滲流壓力也影響滲流過程[15]，本實驗通過用注水量來表示滲透壓力的變化，不同注水量時的木屑顆粒床層濕度如圖5 所示.從圖5(a)和圖5(b)可以看出，在壓縮高度比較大即床層高度較高、堆積密度較小時，注水量對床層濕度影響較小.這是由于堆積密度小，床層較松散，孔隙率大，流動阻力小，較小的滲透壓力也可正常流動，因此濕度隨注水量變化不顯著.從圖5(c)和圖5(d)可以看出，在壓縮高度比較小即床層高度較小、堆積密度較大時，注水量影響床層濕度.由于堆積密度變大，孔隙率減小，流動阻力較大，滲透壓力增大，能夠快速滲入床層，木屑顆粒床層濕度開始增加的拐點提前38～72 s，在壓縮高度比為0.50 時，注水量從1 500 mL 增加到3 000 mL，木屑顆粒床層濕度開始增加的拐點從220 s 提前至148 s，時間縮短至0.67 倍，木屑顆粒床層濕度變化幅值為2.3%.

圖5 不同注水量時木屑顆粒床層濕度隨時間變化Fig.5 Variation in moisture of wood chip particle bed with time at different volumes of water injection

壓縮高度比越大，壓縮后高度越高，堆積密度越小，孔隙率越大，因此不同壓縮高度比時木屑顆粒床層濕度變化顯著，結果如圖6 所示.從圖6(a)～(d)可以看出，隨著壓縮高度比的降低，木屑顆粒床層濕度變化越慢，且終值濕度越小.這是由于壓縮高度比越小，壓縮后高度越低，床層堆積密度越大，堆積越均勻，床層孔隙率變小，床層間的流動阻力增大，流體流動較為困難，可流過的水量進而減小，從而濕度變化變慢，且床層終值濕度變小.注水量為1 500 mL時，壓縮高度比從0.80 減小至0.50 時，木屑顆粒床層濕度拐點時間延長至2.82 倍，床層終值濕度減小為0.89 倍.

圖6 不同注水量下不同壓縮高度比時木屑顆粒床層濕度隨時間變化Fig.6 Variation in moisture of wood chip particle bed with time at different compressed height ratios and different water injection volumes

為具體量化木屑顆粒床層濕度變化情況以及分析粒徑分布、壓縮高度比和注水量對滲流過程影響的顯著性，進一步采用初始潤濕時間、濕度變化時間、初始峰值時間3 個評價指標來進行對比分析.初始潤濕時間對應濕度曲線標識的第1 個拐點G1(圖4(c))，濕度變化時間對應變化梯度及濕度曲線斜率，初始峰值時間對應濕度曲線標識的第2 個拐點G2，具體結果如圖7～圖9 所示.

圖7 不同粒徑分布的初始潤濕時間、濕度變化時間和初始峰值時間隨壓縮高度比變化Fig.7 Variation in initial wetting time，humidity change time，and initial peak time with compressed height ratio for different particle size distributions

從圖7 可以看到，在相同注水量下，粒徑分布對初始潤濕時間、濕度變化時間和初始峰值時間影響較不顯著，全粒徑分布和小粒徑分布時變化趨勢相近，初始潤濕時間波動幅度為-24 s 到18 s，濕度變化時間波動幅度為-12 s 到18 s，初始峰值時間波動幅度為-18 s 到32 s，不同粒徑級配時有些許波動，這是由于小粒徑分布是由全粒徑分布的木屑去掉800μm 以上顆粒所得，其余粒徑分布幾乎相同，所以結果較接近，不同粒徑級配150～200μm 的粒徑占比較多，顆粒較均勻，堆積后顆粒床層的孔隙分布較均勻[16]，液體流動阻力相對較大，所以時間相對較長.壓縮高度比為0.50 時，全粒徑分布、小粒徑分布和不同級配粒徑分布的木屑顆粒床層初始峰值時間分別為326 s、308 s 以及360 s.

從圖8 可以看出，壓縮高度比對初始潤濕時間、濕度變化時間和初始峰值時間影響顯著，隨著壓縮高度比的增加，3 個時間明顯縮短.由于壓縮高度比大時，堆積松散，床層堆積密度小，孔隙率大，床層內流動阻力較小，液體穿透快，到達底部水分傳感器時間短，因而初始潤濕時間、濕度變化時間和初始峰值時間都短.以注水量1 500 mL 為例，壓縮高度比從0.50 升至0.80，初始潤濕時間從220 s 縮短至78 s，濕度變化時間從140 s 縮短至28 s，初始峰值時間從360 s 縮短至104 s.

圖8 不同注水量下初始潤濕時間、濕度變化時間和初始峰值時間隨壓縮高度比變化Fig.8 Variation in initial wetting time，humidity change time，and initial peak time with compressed height ratio at different water injection volumes

從圖9 可以看出，初始潤濕時間、濕度變化時間和初始峰值時間均隨注水量的增加而呈下降趨勢.壓縮高度比為0.60、0.70 及0.80 時注水量對時間影響不顯著，壓縮高度比為0.50 時注水量對時間影響最為顯著.這是由于壓縮高度比為0.50 時，床層壓縮過后高度最低，堆積密度最大，孔隙率最小，床層均勻而緊實，內部流動阻力大，注水量的增加，增加了床層上方的滲流壓力，更易克服床層內的流動阻力達到床層底部，因此在壓縮高度比為0.50 時，注水量增加，初始潤濕時間、濕度變化時間和初始峰值時間都短，注水量從1 500 mL 增加至3 000 mL，初始潤濕時間縮短至0.67 倍，濕度變化時間縮短至0.44 倍，初始峰值時間縮短至0.59 倍.

圖9 不同壓縮高度比下初始潤濕時間、濕度變化時間和初始峰值時間隨注水量變化Fig.9 Variation in initial wetting time，humidity change time，and initial peak time with water injection volume at different compressed height ratios

2.2 堆積參數對床層滲流速度的影響

床層滲流速度能最直接反映顆粒床層的滲流特性，顆粒床層堆積密度大，孔隙率小，液體流通時阻力變大，滲流速度減小，滲流性能較差.液體前沿穿透速度為其穿過床層表面10 mm 高度時的速度，能夠反映液體穿透床層表層的能力，中間床層滲流速度為液體穿過表層下方10 mm 至50 mm 高度時的速度，平均滲流速度為液體穿過總體床層、床層下方有液體流出時的速度，為總體滲流速度.3 個速度分別能反映出液體在顆粒床層前沿、中間以及整體內的流動阻力，進一步反映顆粒床層的滲流特性.3 種粒徑分布時的滲流速度隨壓縮高度比的變化如圖10 所示.

圖10 不同粒徑分布下木屑顆粒床層滲流速度隨壓縮高度比的變化Fig.10 Variation in percolation velocity with compressed height ratio in a bed of wood chip particles for different particle size distributions

從圖10 可以看出，在相同注水量下，3 種粒徑分布下的滲流速度均隨床層壓縮高度比的增加而增加且較為接近.相同壓縮高度比和注水量，全粒徑分布、不同級配粒徑分布及小粒徑分布時木屑顆粒床層最大滲流速度分別為20.7×10-4m/s、15.4×10-4m/s 及18.2×10-4m/s，變化幅值為5.3×10-4m/s.這是由于壓縮高度比增加，床層堆積密度減小，孔隙率增加，總體上流動阻力均減小，滲流速度增加.壓縮高度比為0.80 時不同粒徑級配床層的前沿穿透速度突增，這是由于顆粒床層上部顆粒分布不均，粒徑較大的在床層上方，且壓縮后這部分床層較不均勻，從而導致空隙較大，流動阻力較小，液體較易穿過，因此滲流速度較大.圖10(b)中全粒徑分布壓縮高度比為0.70 時中間床層滲流速度的突增，不會對圖10(c)的平均滲流速度產生較多影響，這是由于在這種情況下，液體在床層10 mm 至50 mm 處可能存在流動阻力較小的流動通道，滲流速度有所增加，但是在床層下部孔隙均勻，流動阻力較大，滲流速度較慢，因此出現較大波動，不會對平均滲流速度產生過大影響.

壓縮高度比、滲透壓力也會對滲流速度產生影響，結果如圖11 和圖12 所示.從圖11 可以看到，在相同注水量下，滲流速度隨壓縮高度比的增加而增加且變化顯著.這是由于隨著壓縮高度比的增加，床層上方所受壓力減小，內部堆積密度減小，孔隙率增大，液體流動時所受的流動阻力減小，堆積不均勻的地方也可能出現液體流通短路，液體滲入床層的時間隨之變短，滲流速度增大.以注水量2 000 mL 時為例，壓縮高度比從0.50 增加到0.80 時，床層平均滲流速度從3.98×10-4m/s 增加到22.9×10-4m/s，變化幅值為18.92×10-4m/s.

圖11 不同注水量下木屑顆粒床層滲流速度隨壓縮高度比的變化Fig.11 Variation in percolation velocity with compressed height ratio in a bed of wood chip particles at different water injection volumes

圖12 不同壓縮高度比下木屑顆粒床層滲流速度隨注水量的變化Fig.12 Variation in percolation velocity of wood chip particle bed with water injection volume at different com-pressed height ratios

從圖12 中可以看到，在壓縮高度比為0.70、0.60、0.50 時，隨著滲透壓力即注水量的增加，滲流速度變化不顯著趨于平坦.壓縮高度比為0.50，注水量從1 500 mL 增加到3 000 mL 時，木屑顆粒床層滲流速度變化幅值僅為1.08×10-4m/s.這是由于壓縮高度比較小，床層堆積均勻，內部空氣多數被排出，且孔隙分布均勻，床層上方滲透壓力的增加量不足以大幅度對抗流動阻力，所以增加注水量時，滲流速度變化不顯著.在壓縮高度比為0.80 時，隨注水量的增加，前沿穿透速度呈下降趨勢，平均滲流速度較中間床層滲流速度有較大波動.這是由于壓縮高度比大，床層松散，增加注水量時易在流動阻力小的地方優先通過，隨著注水量的增加，進一步浸潤床層表層，因此前沿穿透速度呈下降趨勢，而床層內部分布不均的孔隙，也會形成潤濕不均，液體優先在某側進行滲透、浸潤到其他部位，因此速度和平均速度產生較大波動.

綜合床層濕度及床層滲流速度考慮，不同粒徑級配的木屑顆粒床層，壓縮高度比為0.70、注水量為2 000 mL 時木屑顆粒床層中的液體滲流特性較好，此時，床層濕度為52.5%，平均滲流速度為9.86×10-4m/s.

2.3 堆積參數對床層儲水量及透水率的影響

液體滲過顆粒床層后，會在顆粒床層內部孔的表面浸潤鋪展或進入到一些閉孔內部停留，從而使床層內部濕度增加，從而進行滅火時的熱量交換及滅火，床層的透水率為床層底部收集的水量與床層頂部注水量的比值，可反映液體流過該床層的效率，綜合床層儲水量及床層透水率，評價顆粒床層的滲流性能.不同粒徑級配和小粒徑分布床層下的床層儲水量及透水率如圖13 所示.

圖13 不同粒徑分布下床層儲水量和床層透水率隨壓縮高度比的變化Fig.13 Variations in bed water storage capacity and bed permeability with compressed height ratio for different particle size distributions

從圖13 可以看出，在相同注水量下，隨著壓縮高度比的增加，床層儲水量增加，床層透水率下降，在壓縮高度比0.575 以后，不同粒徑級配的床層儲水量高于小粒徑分布的對應值，而床層透水率低于小粒徑分布的對應值.這是由于隨著壓縮高度比增加，床層堆積密度減小，內部孔隙變大，顆粒表面能夠接觸并浸潤液體的面積增大，能夠儲水的閉孔也可能增加，液體能夠進入到更多孔隙內并留存，因此床層儲水量增加，固定注水量時，床層透水率下降.壓縮高度比為0.50 及0.575 時，不同粒徑級配床層儲水量小于小粒徑分布的對應值，應是由于不同粒徑級配的小尺寸粒徑占比較多，堆積均勻時小顆粒填充較大孔隙，使孔隙率降低，儲水量減少.

壓縮高度比和滲透壓力對床層儲水量及床層透水率的影響結果如圖14 和圖15 所示.從圖14 可以看到，壓縮高度比對床層儲水量產生較大影響，隨壓縮高度比增加，床層儲水量增加，滲透壓力即注水量對床層儲水量影響不顯著.這是由于壓縮高度比增加，床層堆積密度減小，內部孔隙變大，液體能夠進入到更多孔隙內并留存，因此床層儲水量增加.而增加注水量，增加床層上方滲流壓力，能夠增加液體滲流的速度，卻對儲水量基本沒有影響.

圖14 木屑顆粒堆積床層儲水量隨壓縮高度比和注水量的變化Fig.14 Variation in water storage capacity of wood chip particle accumulation beds with compressed height ratio and water injection volume

圖15 木屑顆粒堆積床層透水率隨壓縮高度比和注水量變化Fig.15 Variation in water permeability of wood chip particle accumulation beds with compressed height ratio and water injection volume

從圖15(a)可以看到，以注水量為1 500 mL 為例，床層透水率隨壓縮高度比的增加而減少，其余注水量趨勢相同.從圖15(b)可以看到，以壓縮高度比0.80 為例，床層透水率隨注水量的增加而增加，其余壓縮高度比趨勢相同.由上述結果可知，壓縮高度比增加，床層內儲水量變多，相應的透水率減小，而增加注水量時，床層儲水量幾乎不變，透水量增加，床層透水率隨之增加.

綜合床層儲水量和床層透水率，壓縮高度比為0.70、注水量為2 000 mL 時木屑顆粒床層中的液體滲流特性較好，此時，床層儲水量為1 149 mL，床層透水率為42.56%.

3 結 論

(1) 床層濕度受床層壓縮高度比和滲透壓力影響，壓縮高度比增加，床層濕度變化快，床層濕度增加；在低壓縮高度比時，滲透壓力增加，即注水量增加，濕度變化快，床層濕度增加.

(2) 初始潤濕時間、濕度變化時間及初始峰值時間均隨壓縮高度比和滲透壓力的增加而減少，注水量從1 500 mL 增加至3 000 mL，初始潤濕時間縮短至0.67 倍，濕度變化時間縮短至0.44 倍，初始峰值時間縮短至0.59 倍.

(3) 滲流速度受壓縮高度比影響較大，受滲透壓力影響較小.注水量為2 000 mL 時，隨著壓縮高度比從0.50 增加到0.80，床層平均滲流速度從3.98×10-4m/s 增加到22.9×10-4m/s.

(4) 不同粒徑級配的木屑顆粒床層，壓縮高度比為0.70、注水量為2 000 mL 時木屑顆粒床層中的液體滲流特性較好.