三相泡沫譯文

1、三相泡沫材料用于防治井下自燃火災(zāi)Michael M. , Elana V.摘要：本文介紹了一種優(yōu)化三相泡沫配方的方法。受壓的泡沫被壓注到采空區(qū)的空隙中，用于防治煤炭自燃。這種方法包括主要泡沫性質(zhì)的實驗室試驗和數(shù)學(xué)的優(yōu)化程序。優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)泡沫的應(yīng)用目的而定。文中顯示了固態(tài)物對泡沫熱穩(wěn)定性的影響。還介紹了四種發(fā)泡劑與不同粉煤灰構(gòu)成的優(yōu)化結(jié)果。本文建立了建造發(fā)泡器的基本原理，特別是產(chǎn)生三相泡沫的發(fā)泡器的結(jié)構(gòu)。對發(fā)泡器生成的泡沫質(zhì)量也進(jìn)行了討論。引言 一種用于采空區(qū)煤炭自燃預(yù)防與滅火的新技術(shù)在保加利亞已經(jīng)超過了7年。這種技術(shù)的許多特性在作者1990和1995年的論文中已廣泛地討論過，包括在采空區(qū)中噴注

2、泡沫泥漿。這樣的噴注既是指埋在底板的注漿管道，也指從頂板的打鉆注漿。在這種技術(shù)中采用的泡沫泥漿是三相物理的泡沫，其構(gòu)成為：發(fā)泡劑的水溶液；發(fā)電廠的飛灰；泡沫氣體。三相泡沫主要用于兩種情況：自然火災(zāi)的預(yù)防與滅火。這兩種目的對泡沫的特性有不同的要求。當(dāng)用于自然火災(zāi)的預(yù)防時，作為有規(guī)律的實施行為，其目標(biāo)是沿空隙體的高度傳送最多的粉煤灰數(shù)量。用于此種目的時，是尋求粉煤灰的最持久的密封效果。這里的密封性意味著用粉煤灰和液體覆蓋碎煤。大量的噴注三相泡沫需要在其應(yīng)用中進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化。當(dāng)用于撲滅自然火災(zāi)時，為了達(dá)到效果，則需要尋求技術(shù)的優(yōu)化。泡沫的特性在預(yù)防與撲滅自然火災(zāi)中，起著重要的作用。泡沫的特性取決于：它

3、被擴(kuò)散的多孔介質(zhì)，泡沫的產(chǎn)生過程及泡沫成分。這些特性的優(yōu)化方法及技術(shù)就是本文的主體。生成三相泡沫的成分和擴(kuò)散介質(zhì)的特性 這部分涉及三相泡沫的自然或技術(shù)特征，且不參與優(yōu)化的過程。液相 用于自然火災(zāi)預(yù)防和滅火的三相泡沫應(yīng)該是常規(guī)易得的材料。如果可能的話，采用廢水。我們在Bobov礦井實際使用的經(jīng)驗表明從洗煤廠用過的廢水作為基本的液相。它的平均水質(zhì)如表1所示。這種水顏色是乳白的，無味，ph=8,氧飽和度為73-78%，傳導(dǎo)性為1.19-1.23mS/cm.表1. 廢水成分成分含量mg/m3可溶物資900-906不可溶物資40-50鐵0.19-0.32錳0.34-0.76鉛0.02-0.05鎳0.00

4、5-0.006鋅0.01-0.03可溶氧7-7.8固相 在泡沫泥漿中的固相采用電廠的粉煤灰。該粉煤灰的平均膨脹因子是3.1, 其松散時的密度為640-720kg/m3,緊固狀態(tài)時2200-2300kg/m3. 當(dāng)與水混合時，其溶液的平均值為ph=4,取決于泥漿的濃度Cp. 粉煤灰的平均顆粒是0.21mm,其非均值系數(shù)為-2.24。其它的礦物與顆粒尺寸參數(shù)在96年7月發(fā)表的文章中。粉煤灰與水的混合生成了堿性水懸浮液。除了其無可爭辯的物理效果之外，水懸浮液也具有一些阻化黃鐵礦氧化的化學(xué)效果。圖1 采空區(qū)中顆粒尺寸的分布?xì)庀?氣相的選擇基于安全的考慮（在空氣中同質(zhì)分布而沒有層狀）和氣體被煤和水的吸收

5、性。氮氣的溶水性比二氧化碳低55倍。另外，CO2比N2易被不同種類的煤吸收15-35倍。這種特性就確定了空氣與氮氣被作為三相泡沫的氣相。圖2 采空區(qū)孔隙體的阻力系數(shù)充填媒體，三相泡沫被擴(kuò)散在其中的媒體，可被描述為在采空區(qū)頂板自然垮落的煤巖體。這種媒體影響噴注的泡沫擴(kuò)散與分布過程最大的特性是：過濾通道的大小和可變性 在Bobov礦區(qū)的和和慣性兩個變量描述其阻力系數(shù)。圖2為后退式工作面采空區(qū)的這些參數(shù)值?？障扼w的自然濕度和飽和能力 當(dāng)巖體的飽和度從21kg/Mg變化至88kg/Mg時，其初始濕度從3.7%10%而變化。三相泡沫的優(yōu)化配方用于防火與滅火的三相泡沫，在延遲氧化過程及抑止煤炭自燃方面起著

6、不同的作用：液相： 冷卻煤巖體和增加煤巖體的濕度；在泡沫的存在周期中，阻止氧氣的進(jìn)入；當(dāng)達(dá)到高溫帶后，惰化該區(qū)域。當(dāng)在巖體中注入高粘度的漿體后，一個有意義的結(jié)果被觀察到（Michaylov M, 1990,1995）。固相：大量的濕固體層覆蓋在碎煤體的上面并充填在采空區(qū)的裂隙通道中，會阻止氧氣的對流與傳導(dǎo)。氣相：確保對在采空區(qū)漿體粘度增加的高位置處煤體的處理。泡沫破裂后，惰氣擴(kuò)散，使該區(qū)域惰化。根據(jù)防滅火的主要任務(wù)，三相泡沫的優(yōu)化指標(biāo)應(yīng)該有以下內(nèi)容：² 傳送水及粉煤灰到采空區(qū)，其固相的濃度應(yīng)盡可能的大；² 大流量的漿體傳送媒體中，包括高位置的注漿；² 有較長的穩(wěn)定

7、期，液相的釋放較慢。為實現(xiàn)以上的任務(wù)，三相泡沫應(yīng)具有以下的一些特性：² 在最大的泥漿濃度Cs下，較大的泡沫初始率K0。泡沫初始率（KK0）是指三相泡沫形成時（0）的膨脹率。濃度Cs被定義為固相與漿體的體積比；² 泡沫結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)定性T。其特征是當(dāng)生成泡沫中的水份被耗掉一半的時間；² 三相泡沫的壽命f指泡沫破裂的時間。膨脹率K 在靜態(tài)條件下，這種特性隨液相的自然脫水而變化。在將泡沫噴注到煤體中的動態(tài)條件下，由于存在泡沫與媒體濕度梯度，脫水的過程變得更為復(fù)雜。在實際條件下的流動決定了一些液體從已破壞的泡沫泡到圍繞的未破壞的泡沫結(jié)構(gòu)的重新分布。在泡沫漿擴(kuò)散到媒體中影響膨脹

8、率K變化的大多數(shù)因素是隨機(jī)的，這是受媒體的同向異性的性質(zhì)所決定的。這就是為什么在這種狀態(tài)下，唯一有價值的三相泡沫配方可以優(yōu)化的特性是采用初始膨脹率(K0= K0）。發(fā)泡劑的類型和濃度（Cfa）和固態(tài)相的濃度（ Cs）是研究優(yōu)化制漿過程的初始數(shù)據(jù)?？捎脭?shù)學(xué)方式表示為：K0=f(Cfa,Cs) （1）三相泡沫的穩(wěn)定性 在三相泡沫破壞過程的時間里能夠觀察到：Ø 靜態(tài)破壞 在泡沫的配方中增加粉煤灰使得它的結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定是一個原則。從一邊脫水，過程會被延遲，而當(dāng)從另一邊時，泡沫的壽命就會增加。Ø 破壞梯度 它產(chǎn)生于媒體的硬結(jié)構(gòu)與泡沫二者相接觸時。在濕度梯度作用下，固體顆粒從泡沫中吸收液

9、體，并導(dǎo)致泡沫的破裂。這個過程一直進(jìn)行，直到硬體的水飽和同時還取決于它的水份吸收能力。Ø 動態(tài)破壞 它發(fā)生在媒體的內(nèi)部流動過程中，同時也是由于媒體不斷垮落所造成。這種垮落造成的顆粒度具有隨機(jī)的特性，這是描述動態(tài)破壞的主要困難之處。依據(jù)上述觀點，這種被介紹的技術(shù)（Michaylow M., 1995）涉及到的三相泡沫是這種沒有表明有自我破壞趨勢的泡沫。與此同時，這種泡沫能夠保持其中的液態(tài)成分，并盡可能將水份維持較長的時間。泡沫中的水份損失少，就可使大量的泡沫免于被破壞。這就是為什么三相泡沫穩(wěn)定性參數(shù)選擇時間T用于表示在泡沫生成的初始時刻（0），泡沫中的水份失去一半時的時間長度?？赡軙?/p>

10、化的組分用下式進(jìn)行表達(dá)： T=f(Cfa,Cs) （2）優(yōu)化準(zhǔn)則 在內(nèi)因火災(zāi)的滅火過程中，如在本文的引言中提到的，主要的任務(wù)就是設(shè)定注到發(fā)熱區(qū)域中的最大泡沫量。注漿實施過程的管理、防止泡沫的破壞與要求盡可能地大面積冷卻發(fā)火帶及附近區(qū)域是一致的，并認(rèn)為注漿的膨脹率和三相泡沫的穩(wěn)定率具有相同的意義。由于自然火勢的發(fā)展造成的損失比用防火用的注泡沫的費用要高許多倍。滅火用泡沫并不受泡沫配方和費用的經(jīng)濟(jì)性限制。三相泡沫配方的技術(shù)優(yōu)化是KT表達(dá)式的最大值，即： T0=(K0T)max （3）在（1）和（2）中增加泥漿的濃度受到的技術(shù)限制是將增加泥漿傳送和發(fā)泡器的摩擦阻力和壓力損失。在保加利亞采用的發(fā)泡器和

11、裝置，這種限制是Cs1：3.用于采空區(qū)的防火注漿，要求經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)化。每1m3的三相泡沫取決于每種成分的價格和作用，即： （4）式中 Pf、Pw、Pg、Pa、Pfa分別表示1m3泡沫、水、氣體、粉煤灰和發(fā)泡劑的價格。Qw、Qg、Qa、Qfa分別表示生成Qf立方體積的三相泡沫，水、氣體、粉煤灰和發(fā)泡劑的體積量。 考慮表達(dá)式的平衡：泥漿與生成泡沫的成分Qs=Qw+Qa+Qfa （5a）初始膨脹率： （5b）泥漿成分濃度： 水 Cw=Qw/Qs (5c) 粉煤灰 Ca=Qa/Qs (5d) 發(fā)泡劑 Cfa=Qfa/Qs (5e)從式（4）中作簡單的推導(dǎo)，可得出用泥漿中各成分濃度表示的表達(dá)式：（5）從

12、三相泡沫的應(yīng)用目的出發(fā)，1m3泡沫生存期的價格用下式表示：（6）發(fā)泡劑的價格超過其余成分的價格若干倍。在式（6）中用式（5）替換后，分母和分子都除以Pfa并進(jìn)一步微分，三相泡沫價格的表達(dá)式可寫成下式：（7）式中：K0T=f(Cfa,Ca) (7a)式（7）使得優(yōu)化規(guī)則的形成成為可能，即：優(yōu)化配方就是在隨著發(fā)泡劑濃度增加的地方，產(chǎn)生的單位體積的泡沫的生存期的價格最大的減少。優(yōu)化式（3）和（7）要求尋求（1）、（2）和（7a）的經(jīng)驗表達(dá)式。測試技術(shù) 測試裝置采用的是1300ml能力的三速混合器。在混合器中，具有Cfa濃度的發(fā)泡劑水溶液被注入，同時，粉煤灰按需要的重量確定其濃度Ca。泥漿成分的初始混

13、合做23次，然后就開啟混合器形成泡沫的高速擋，運轉(zhuǎn)90s。關(guān)掉混合器后，泡沫高度的刻度就可讀了，再轉(zhuǎn)換成體積的單位，于是三相泡沫的初始膨脹率K0可計算得出，同時也求得T這一參數(shù)泥漿量減少到一半的時間。圖3 泡沫測試實驗裝置實驗計劃 實驗室進(jìn)行的三相泡沫試驗采用了4種發(fā)泡劑。EXPANDOL英國的一個消防公司所生產(chǎn)的產(chǎn)品，該產(chǎn)品被用于保加利亞的煤礦用于產(chǎn)生高倍數(shù)泡沫滅火器。這種發(fā)泡劑生成的三相泡沫用于自然火災(zāi)的高危險地區(qū)。VERIFLAM保加利亞一個名為Verila有限公司生產(chǎn)的泡沫滅火劑產(chǎn)品，也可用作生成三相泡沫。PENOFORM-保加利亞一個名為Kiulanov的有限公司生產(chǎn)的主要用作生成三

14、相泡沫的發(fā)泡劑。PENOSTAB專門用于煤礦用的三相泡沫發(fā)泡劑。對每種發(fā)泡劑按參數(shù)Cfa和Ca的不同參數(shù)，分4種等級進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗。每一級參數(shù)的變化值如下表所示。表2 實驗計劃參數(shù)因素CfaCa低級0.0150.13高級0.0600.25變化梯度0.0150.04 對上述的發(fā)泡劑根據(jù)因素Cfa和Ca按4種配比共做了20次實驗，其中16次按實驗計劃進(jìn)行，另外4次圍繞計劃的中心進(jìn)行。測試結(jié)果 根據(jù)公式（1）、（2）和（3）所需要進(jìn)行的實驗的得到的結(jié)果分別見圖4、圖5和圖6。 采用通用的穩(wěn)定懸浮劑、彭潤土對三相泡沫的影響也在加入少量的粉煤灰濃度中也進(jìn)行了額外的測試。這種測試采用的發(fā)泡劑為PENOS

15、TAB，其濃度參數(shù) Cfa為3.5%。配方優(yōu)化及實驗結(jié)果的討論 在泡沫中的第三相作為一種穩(wěn)定的泡沫結(jié)構(gòu)。液相的失水速率（被定義為T）和泡沫破壞速率都被觀察到明顯減小。在實驗室測試過程中和在對空隙介質(zhì)的噴注中，粉煤灰被擴(kuò)散后的泡沫體結(jié)構(gòu)也被觀察到。 泡沫分散度對泡沫穩(wěn)定性的重要影響也被觀察到。在所有的測試中，減少泡沫的尺寸和泡沫的均質(zhì)性，泡沫的流動性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性就增加。粗粒的分布和均值泡沫的快速減少就會使得泡沫的結(jié)構(gòu)快速破壞和液相的水份快速脫水。隨著泡沫濃度的增加，它的均質(zhì)度增加，而在相同的條件下，分散度降低。這種泡沫結(jié)構(gòu)質(zhì)量改善的過程持續(xù)到一定的濃度，而且以后這種正面的影響并未變化。帶有發(fā)泡

16、劑泡沫飽和結(jié)構(gòu)的值取決于發(fā)泡劑的類型和粉煤灰濃度（Ca）。當(dāng)粉煤灰飽和的時候（大的Ca），典型的測試結(jié)果為在液態(tài)的泡沫膜上存在硬的骨架，同時對泡沫的脫水和泡沫的穩(wěn)定性起重要的作用。泥漿的物理和化學(xué)特性同其與氣體的混合模式一樣（后面將討論）都影響泡沫。粉煤灰與EXPANDOL形成的泥漿會迅速地降低初始膨脹率（圖4d）.只有當(dāng)粉煤灰的濃度非常小時（圖5d）會產(chǎn)生穩(wěn)定的三相泡沫，這種模式是不可取的。用VERIFILAM產(chǎn)生的三相泡沫性能與用EXPANDOL是大致相同的，雖然也存在一些區(qū)別，如甚至當(dāng)Cfa=4.5%（圖5b）影響到泡沫質(zhì)量的特性K0.T時（圖6b）,穩(wěn)定時間T增加.用PENOFORM和

17、PENOSTAB產(chǎn)生的三相泡沫與應(yīng)用的條件相一致。這些發(fā)泡劑能夠產(chǎn)生細(xì)膩的擴(kuò)散的泡沫。初始的泥漿濃度可達(dá)到Ca1：4,與用于注入采空區(qū)的泥漿濃度相同。這個泥漿濃度能保證三相泡沫帶著大量的粉煤灰進(jìn)入到空隙中去。用PENOFORM產(chǎn)生的三相泡沫，當(dāng)Cfa=4.5%-6%(圖5c)，其間K0呈負(fù)的變化（圖4c）時，有很好的穩(wěn)定性。用PENOSTAB產(chǎn)生的泡沫性能其受到的影響與粉煤灰和發(fā)泡劑相同。區(qū)別是可量化的（圖6a）并影響優(yōu)化配方。優(yōu)化的配方可通過如下技術(shù)獲得：Ø 從實驗測試中當(dāng)改變Cfa和Ca提供的兩種因素的實驗，并通過式（1）、（2）和（3）中獲得的K0、T和K0.TØ 通

18、過用MATH CAD應(yīng)用軟件可對系統(tǒng)的任何參數(shù)可視化。Ø 對每種發(fā)泡劑的K0和K0.T得到的等式伴隨相關(guān)的價格（Pw、Pa、Pg、Pfa）被帶入的式6之。通過用Cfa微分后，就得到了三相泡沫泥漿的優(yōu)化配方。圖7 PENOSTAB 和PENOFORM的優(yōu)化結(jié)構(gòu) 總結(jié)得出的結(jié)果顯出在圖7之中，該圖中清楚地用PENOSTAB產(chǎn)生的三相泡沫的優(yōu)點。對每種發(fā)泡劑經(jīng)測試得出的優(yōu)化配方定量參數(shù)如表3所示。表3 優(yōu)化的泥漿配方發(fā)泡劑優(yōu)化泥漿濃度（dm3/m3水發(fā)泡劑粉煤灰EXPANDOL75842620VERIFLAM73337697PENOFORM73540698PENOSTAB73837698溫

19、度泡沫的穩(wěn)定性當(dāng)泡沫被送到空隙媒體中，隨著溫度的提高，要使泡沫能滲透到媒體中并堆積起來，泡沫保持其結(jié)構(gòu)的能力就顯得非常的重要。從應(yīng)用的目的來講，溫度增加對泡沫結(jié)構(gòu)的影響及水力穩(wěn)定性越小，熱阻力就越大。熱阻力的對比在穩(wěn)定的熱壁面、內(nèi)徑為55mm的玻璃器皿中進(jìn)行了測試。泡沫的膨脹計量通過測定泡沫的高度即可。依據(jù)泡沫的導(dǎo)電率，可通過Menehold公式計算泡沫中的液相濃度。泡沫結(jié)構(gòu)的破壞通過讀出泡沫計量容器中高度的減少而獲得。兩種發(fā)泡劑在K0=30和Cs0.225的測試結(jié)果如圖8所示。為了比較固體相的作用，還對兩相泡沫（Cs=0）的特性進(jìn)行了對比測試。曲線的右面是測試中的保持的溫度值。泡沫的壽命（f

20、）定義發(fā)泡后的體積減少到一半以后的時間。圖8 溫度對三相泡沫的影響當(dāng)溫度為40時，泡沫的壽命（40）比較其在20時（20）大略減少兩倍（圖8），當(dāng)溫度為60時，大略減少5倍。當(dāng)溫度在25-40內(nèi)時，固相能較大地增加三相泡沫的熱阻力。超過了以上限定的溫度，粉煤灰就對泡沫的壽命沒有影響。當(dāng)溫度超過60時，就不能觀察到液相的脫水。一部分水蒸發(fā)掉了，其余的部分被擴(kuò)散到未被破壞的泡沫上。動態(tài)脫水是三相泡沫穩(wěn)定性的主要參數(shù)，主要取決于溫度。這可從膨脹率K的變化中中獲得（圖9），圖中在泡沫生存期中泡沫泥漿的參數(shù)為K0=30和Cs0.225。 圖9 溫度對K的影響三相泡沫發(fā)泡器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化三相泡沫配方研究的結(jié)論

21、是生成泡沫的質(zhì)量-低到中等的初始膨脹率、細(xì)密的分布和較好的均值性。傳統(tǒng)的兩相泡沫發(fā)泡器不能被采用，因為在液態(tài)的泡沫中缺少固態(tài)相。為此，作者創(chuàng)造性地建造了三相泡沫發(fā)生器（Michaylor M. 1990），該結(jié)構(gòu)如圖10所示。 圖10 發(fā)泡器 不同相的混合方法對泡沫的均值性和分散度有重要影響。混合的質(zhì)量取決于泡沫發(fā)生器的構(gòu)造和在泡沫形成帶的流動模式。氣體與液相接觸表面的面積對造泡過程非常重要。如圖10所示的該裝置內(nèi)部的表面能夠被放大：Ø 旋轉(zhuǎn)氣相和泥漿滴在氣體與軸向流動的漿體噴射邊界層處交換；Ø 在初始和過渡區(qū)的氣相壁邊界層防止非泡沫滴粘在壁上，于是形成了滑動的液態(tài)層基于雷

22、諾式和邊界層的理論，本文試圖描述在有限的空間中重量的軸向噴射（其密度為10）和旋轉(zhuǎn)壁的氣相噴射（其密度為20）的混合狀態(tài)，以下的公式推導(dǎo)如下：Ø 運動守恒（8a）Ø 動量守恒(9a)Ø 質(zhì)量守恒(10a)當(dāng)沿著混合區(qū)域的斷面積分時，可得到發(fā)泡器中主要的混合噴射的積分公式：(8)(9)(10)式中：I0、M0、Q0是在斷面x=0出的流量、運動的動量和混合物濃度的初始值； u,w軸向和切向的速度風(fēng)量； P,r,c混合物的壓力、密度和濃度。 結(jié)構(gòu)的考慮導(dǎo)致了趨于在發(fā)泡器中采用氣體噴射的旋轉(zhuǎn)。動量（8）沿著長度X的減少（-0.x）影響切向應(yīng)力的值。（11）(11a)Cfr

23、摩擦系數(shù)(11b) 均方速度（11a）考慮了空間速度矢量的方向。 在泡沫發(fā)生器的兩次變化中（圖10），兩次噴射在密度（10/201000）與速度（u20/u10=57）的是相當(dāng)不同的。當(dāng)邊界層是氣態(tài)時，邊界層的較小的摩擦阻力清楚地表明了結(jié)構(gòu)的設(shè)計成功了。 兩相噴射邊界層出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)的氣體和軸向的泥漿噴射之間，其參數(shù)難以進(jìn)行評價。在這種強列的質(zhì)量與能量的交換過程中，氣體噴射趨于沖洗掉泥漿噴射。這就是均質(zhì)三相結(jié)構(gòu)形成的主要原因。自身的旋轉(zhuǎn)發(fā)生在發(fā)泡器體內(nèi)部的切向通道上。全角度的旋轉(zhuǎn)可用下式進(jìn)行計算：（12）式中：指數(shù)1或2分別地表示在斷面x=0處軸向泥漿噴射和邊界氣體噴射的參數(shù)。和 （13）I20,M20分別在式（8）（9）中進(jìn)行了定義。隨著旋轉(zhuǎn)通道斜面增加，在式（8）中的切向分量W與旋轉(zhuǎn)度S隨