丁 超，王信群，徐海順，唐 慶，孔麗麗

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 安全工程研究所，浙江 杭州 310018)

瓦斯爆炸主動(dòng)式抑爆技術(shù)是指檢測(cè)到初始爆炸信號(hào)后，向爆炸區(qū)域快速噴射抑爆介質(zhì)，阻止、熄滅爆炸火焰?zhèn)鞑1]。我國(guó)在該領(lǐng)域的研究由來(lái)已久，相關(guān)機(jī)構(gòu)在20世紀(jì)便已著手研制機(jī)載、巷道式主動(dòng)抑爆裝置，在特定場(chǎng)所得以實(shí)際應(yīng)用。近年來(lái)，隨著瓦斯抽采技術(shù)的推廣，作為煤礦低濃度瓦斯輸送管道安全保障系統(tǒng)的多級(jí)防護(hù)措施之一，主動(dòng)式抑爆研究受到新的關(guān)注[2]。主動(dòng)式抑爆技術(shù)為檢測(cè)到初始爆炸特征信號(hào)后，快速噴射抑爆介質(zhì)熄滅火焰?zhèn)鞑?。抑爆介質(zhì)本身的抑爆性能及噴射量，以及抑爆裝置觸發(fā)時(shí)間及噴射特性，均是影響爆炸抑制效果的制約因素。一方面，高效抑爆介質(zhì)的遴選，對(duì)于提升爆炸抑制效果至關(guān)重要，鑒于抑爆介質(zhì)與惰化防爆的惰化劑之間互為通用，采用惰化防爆的研究方式(發(fā)生爆炸之前，將抑爆介質(zhì)與可燃混合物預(yù)先混合)遴選抑爆介質(zhì)，不失為有效手段。近年來(lái)，科技工作者對(duì)惰性氣體、復(fù)配及改性超細(xì)水霧、傳統(tǒng)及新型粉體抑爆介質(zhì)的惰化性能進(jìn)行了廣泛而深入的研究[3-14]。其中，粉體材料抑爆一度成為研究熱點(diǎn)之一，余明高等[15]從粉體材料熱特性角度出發(fā)，分析了不同抑爆劑的效果;程衛(wèi)民等[16]將Al(OH)3、聚磷酸銨及硅藻土加以復(fù)配，在復(fù)合粉體抑爆增效方面進(jìn)行了有益的嘗試;羅振敏等[17]研究了粉體抑爆劑與CO2氣體協(xié)同作用。上述研究表明，粉體材料熱分解中間產(chǎn)物銷毀燃燒反應(yīng)活性基團(tuán)的化學(xué)作用為該類抑爆介質(zhì)的主要抑爆機(jī)理，粉體熱分解特性是決定其抑爆效能的控制因素之一，縮短粉體抑爆劑分解時(shí)間、提高分解率，有望顯著增強(qiáng)抑爆效果。該項(xiàng)研究如能持續(xù)推進(jìn)，可望遴選出性價(jià)比優(yōu)越的抑爆介質(zhì)，為低成本、輕量化抑爆裝置的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

與此同時(shí)，粉體抑爆介質(zhì)抑制瓦斯爆炸的實(shí)施方式也備受關(guān)注。劉慶明、張宇明、謝波等[18-20]分別在直徑200 mm、總長(zhǎng)30 m以及直徑近500 mm、總長(zhǎng)16 m的爆炸管道系統(tǒng)中比較了不同粉體抑爆介質(zhì)的抑爆效果，發(fā)現(xiàn)化學(xué)活性粉體比惰性粉體具有更強(qiáng)的抑爆效果;較常規(guī)粒徑相比，超細(xì)粉體彌散性能、駐留時(shí)間等均得以較大改善，爆炸抑制效能顯著提升。上述研究中抑爆介質(zhì)的噴射方式是:在點(diǎn)燃可燃?xì)怏w/空氣混合物之前將粉體抑爆劑噴射到爆炸管道的“抑爆段”中，即采用“等待式”抑爆技術(shù)路線，在實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中不失為安全有效的技術(shù)措施。KLEMENS 及 KRASNYANSKY等[21-22]則利用火藥燃燒產(chǎn)生的能量噴射抑爆介質(zhì)，在相近或更大尺度的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，以先點(diǎn)燃可燃?xì)怏w(粉塵)/空氣混合物再觸發(fā)抑爆裝置的方式，開(kāi)展了爆炸抑制研究，盡管噴射動(dòng)力源有待朝安全化方向改進(jìn)，但所采用的抑爆劑噴射方式與生產(chǎn)實(shí)踐中的爆炸抑制更具有可比性。我國(guó)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)通過(guò)多年的不懈努力，開(kāi)發(fā)出煤礦井下掘進(jìn)巷道主動(dòng)抑爆裝備、礦用區(qū)域自動(dòng)噴粉滅火裝置，以及瓦斯抽放管網(wǎng)抑爆裝置，并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際[23-27]。

主動(dòng)式抑爆裝置的抑爆效果與抑爆裝置觸發(fā)時(shí)間、抑爆劑濃度密切相關(guān)?，F(xiàn)有公開(kāi)研究報(bào)道多數(shù)采用先將抑爆介質(zhì)與甲烷/空氣混合物靜態(tài)預(yù)混，再進(jìn)行點(diǎn)燃的惰化研究方法，上述研究對(duì)高效抑爆介質(zhì)的遴選、復(fù)配起到較為積極的促進(jìn)作用，但爆炸抑制是在瓦斯爆炸發(fā)生后的早期階段，快速噴射抑爆介質(zhì)，抑爆裝置觸發(fā)時(shí)刻及噴射特性對(duì)爆炸抑制效果的影響毋容置疑，而目前關(guān)于該方面的公開(kāi)研究鮮有報(bào)道。初步研究表明，如果主動(dòng)式抑爆方式使用不當(dāng)，不僅對(duì)爆炸抑制無(wú)益，抑爆介質(zhì)的噴射可能會(huì)促進(jìn)爆炸火焰?zhèn)鞑?，提高爆炸?qiáng)度[28-29]。生產(chǎn)實(shí)踐中，初始爆炸信號(hào)檢測(cè)與抑爆介質(zhì)完全噴灑之間不可避免的存在時(shí)間差，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，期望噴射盡可能少的抑爆介質(zhì)以實(shí)現(xiàn)高效抑爆，因此，就抑爆介質(zhì)噴射對(duì)瓦斯爆炸的抑制及強(qiáng)化作用2方面進(jìn)行研究，對(duì)于主動(dòng)式抑爆技術(shù)的恰當(dāng)應(yīng)用具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

筆者在前期初步探索的基礎(chǔ)上，對(duì)原理性抑爆裝置樣機(jī)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，以中位粒徑8 μm的超細(xì)NH4H2PO4(超細(xì)ABC)粉體為抑爆介質(zhì)，在100 L爆炸容器中開(kāi)展了甲烷/空氣混合物爆炸抑制研究，探究了抑爆裝置觸發(fā)時(shí)刻、抑爆介質(zhì)噴射量對(duì)爆炸抑制與增強(qiáng)作用，以及粉體抑爆介質(zhì)運(yùn)載氣體(N2)對(duì)爆炸傳播過(guò)程的影響，以期為工程實(shí)踐中有效抑爆臨界條件的深入研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由爆炸容器、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)及抑爆裝置等組成。爆炸容器為凈容積100 L的圓柱形筒體，兩端為帶視窗的橢球型端蓋(半徑10 cm，厚度3 cm)，爆炸容器長(zhǎng)徑比為1:1.25，承壓2.5 MPa。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將爆炸容器預(yù)抽真空，充入體積比為9.5%的甲烷/空氣預(yù)混物至常壓，利用能量為50 J的火花放電，在容器的幾何中心點(diǎn)燃甲烷/空氣混合物，再根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間，觸發(fā)主動(dòng)噴射式抑爆裝置進(jìn)行爆炸抑制。利用PCB113B型壓力傳感器檢測(cè)爆炸壓力隨時(shí)間的變化歷程，信號(hào)經(jīng)調(diào)理放大后，由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集處理(AD轉(zhuǎn)換精度16位，采樣率200 kHz)，采用GX-8型高速攝像記錄爆炸火焰?zhèn)鞑v程，點(diǎn)火、數(shù)據(jù)采集、高速攝像以及抑爆裝置的觸發(fā)時(shí)序由同步控制系統(tǒng)設(shè)定。

圖1 爆炸抑制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of explosion suppression system

圖2 抑爆裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of explosion suppressor

主動(dòng)噴射式抑爆裝置如圖2所示，主要由氣體發(fā)生器、抑爆介質(zhì)、金屬膜片、導(dǎo)流管、殼體等構(gòu)成，抑爆裝置扣除氣體發(fā)生器后的凈容積0.2 L。抑爆裝置工作原理為:甲烷/空氣混合物點(diǎn)火爆炸后，控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)時(shí)刻，給抑爆裝置觸發(fā)元件通電，氣體發(fā)生劑藥劑反應(yīng)，瞬間產(chǎn)生大量氮?dú)?，抑爆裝置內(nèi)壓力驟升，致使膜片破裂，驅(qū)動(dòng)粉體抑爆介質(zhì)向爆炸容器內(nèi)快速噴射。每種工況的氣體發(fā)生劑使用量均相同，以保證氮?dú)猱a(chǎn)生量一致。

在進(jìn)行爆炸抑制研究之前，對(duì)抑爆裝置噴射特性進(jìn)行了必要測(cè)定，冷態(tài)噴射特性如圖3所示，抑爆裝置為常壓，氣體發(fā)生器觸發(fā)后，腔體壓力在7 ms內(nèi)由常壓升至近4 MPa量級(jí)，此后，抑爆裝置下部的密封膜片由中心部位向周邊呈四瓣破裂，抑爆介質(zhì)在高壓氣體驅(qū)動(dòng)下噴射，噴射率可達(dá)95%，另外，受抑爆介質(zhì)噴射的影響，爆炸容器內(nèi)的壓力無(wú)明顯變化。抑爆裝置中灌裝超細(xì)ABC粉體作為爆炸抑制介質(zhì)，其粒徑分布如圖4所示，抑爆介質(zhì)的中位粒徑為8 μm。

圖3 抑爆裝置的噴射特性Fig.3 Discharge characteristics of the explosion suppressor

圖4 超細(xì)ABC粉體抑爆介質(zhì)粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of the ultrafine ABC powder

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抑爆裝置觸發(fā)時(shí)刻對(duì)甲烷/空氣混合物爆炸的影響

在超細(xì)ABC粉體抑爆介質(zhì)噴射量為40 g的條件下，分別考察了點(diǎn)火后35,50,55及75 ms時(shí)刻觸發(fā)抑爆裝置，抑爆介質(zhì)噴射對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑ゼ皦毫υ鲩L(zhǎng)進(jìn)程的影響，并與未噴射抑爆介質(zhì)情況下的爆炸特性(空白試驗(yàn))進(jìn)行了對(duì)比。

甲烷/空氣混合物火焰在徑向傳播至容器壁面之前，通過(guò)設(shè)置在爆炸容器端蓋的視窗，利用高速攝像記錄了爆炸火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)程，在典型時(shí)刻，抑爆介質(zhì)噴射導(dǎo)致爆炸火焰形態(tài)的變化如圖5所示。由圖5可知，在未噴射抑爆介質(zhì)的情形下，點(diǎn)火后的初始階段，爆炸火焰外輪廓逐步擴(kuò)展，體現(xiàn)為經(jīng)典的球形火焰?zhèn)鞑ィ邳c(diǎn)火后124 ms時(shí)刻，火焰陣面抵達(dá)100 L爆炸容器徑向壁面后，進(jìn)一步沿軸向蔓延。

圖5 抑爆裝置觸發(fā)時(shí)刻對(duì)爆炸火焰形態(tài)的影響Fig.5 Influence of trigger time on flame morphology

點(diǎn)火后35 ms及50 ms時(shí)刻觸發(fā)抑爆裝置時(shí)，抑爆介質(zhì)與爆炸火焰的作用方式較為相似(圖5(b)，(c))，在上述條件下，爆炸火焰的體積較小，抑爆介質(zhì)噴射所形成的圓錐形超細(xì)ABC粉體云幕能夠及時(shí)將燃燒區(qū)域全部包覆，但在抑爆介質(zhì)噴射的初期，對(duì)爆炸火焰的抑制作用并未顯現(xiàn)(對(duì)比未噴射抑爆介質(zhì)的爆炸火焰)，一方面，盡管粉體抑爆介質(zhì)對(duì)火焰有一定的冷卻作用，但噴射過(guò)程產(chǎn)生的擾動(dòng)也必然使燃燒強(qiáng)化，同時(shí)，粉體抑爆介質(zhì)與火焰相互作用的時(shí)間較短，不至于即刻分解產(chǎn)生化學(xué)抑制效能。此后，抑爆介質(zhì)在噴射氣流及自然沉降的雙重作用下，迅速穿越火焰區(qū)，于爆炸容器下方聚集形成較高質(zhì)量濃度的抑爆粉體云，在60 ms及66 ms時(shí)刻，爆炸火焰下邊緣開(kāi)始熄滅，至66 ms及76 ms時(shí)刻，對(duì)爆炸火焰的抑制作用進(jìn)一步增強(qiáng)，在點(diǎn)火后79 ms及83 ms時(shí)刻，爆炸火焰被完全抑制，傳播進(jìn)程終止。

當(dāng)抑爆裝置觸發(fā)時(shí)刻為點(diǎn)火后55 ms時(shí)，抑爆介質(zhì)與爆炸火焰相互作用的過(guò)程體現(xiàn)不同特點(diǎn)，由于抑爆裝置觸發(fā)時(shí)，爆炸火焰發(fā)展更加充分，粉體云幕僅僅穿越火焰區(qū)，不足以在火焰輪廓之外形成包絡(luò)面，抑爆介質(zhì)噴射后的20 ms內(nèi)，較未噴射抑爆介質(zhì)相比，爆炸火焰球形的體積膨脹加速，火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)程加快，隨著超細(xì)ABC粉體與爆炸火焰及高溫產(chǎn)物熱交換進(jìn)程的強(qiáng)化，粉體分解加快，對(duì)火焰的抑制效能有所體現(xiàn)，在此后的50 ms內(nèi)，抑爆介質(zhì)擾動(dòng)所產(chǎn)生的強(qiáng)化燃燒效應(yīng)逐步減弱，粉體抑爆介質(zhì)對(duì)爆炸火焰的抑制作用逐步顯現(xiàn)，在121 ms時(shí)刻，爆炸火球體積縮減約2/3，但后續(xù)發(fā)生了更為猛烈的“復(fù)燃”現(xiàn)象，火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)程及爆炸壓力驟增。在噴射40 g抑爆介質(zhì)的條件下，點(diǎn)火后55 ms觸發(fā)抑爆裝置，可視為有效抑爆的臨界點(diǎn)。當(dāng)抑爆裝置觸發(fā)時(shí)刻為75 ms時(shí)，噴射等量的抑爆介質(zhì)對(duì)爆炸無(wú)任何抑制作用，反而強(qiáng)化了火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)程。

在爆炸火焰前鋒抵達(dá)容器側(cè)向壁面之前，基本呈現(xiàn)為球體，高速攝像拍攝的圖片可視為球體的截面，該截面的變化率一定程度上反應(yīng)了爆炸火焰增長(zhǎng)進(jìn)程。為進(jìn)一步分析抑爆介質(zhì)對(duì)爆炸傳播進(jìn)程的影響，在圖像截取時(shí)間間隔為4 ms的前提下，利用Matlab對(duì)所截圖像進(jìn)行必要的灰度閾值分割以提取灰度火焰圖像，繼而將灰度圖像轉(zhuǎn)為二進(jìn)制圖像以算取對(duì)應(yīng)面積，得出爆炸火焰面積變化率，其具體定義為

其中，φ為爆炸火焰面積變化率;ΔS為爆炸火焰面積變化量;ΔT為時(shí)間變化量(此處為4 ms)。

圖6為爆炸火焰面積變化率隨時(shí)間的變化關(guān)系，火焰面積變化率峰值，以及爆炸火焰前鋒抵達(dá)容器壁面所歷經(jīng)的時(shí)間(其中，↑，↓為相較未噴射增加，減少的幅度，下圖同)。由圖6可知，在未噴射抑爆介質(zhì)情形下，火焰增長(zhǎng)較為平穩(wěn)，由于高溫氣流膨脹、壓力陣面反饋等因素，在后期產(chǎn)生小幅震蕩，此后隨著未燃物的燃盡，火焰自行熄滅，在此過(guò)程中，火焰面膨脹率峰值為5.07 m2/s，火焰陣面抵達(dá)容器側(cè)壁的時(shí)間為124 ms。

抑爆裝置觸發(fā)時(shí)刻為35 ms時(shí)，抑爆介質(zhì)噴射的最初10 ms內(nèi)，超細(xì)ABC粉體尚未與火焰面接觸，對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)程未產(chǎn)生顯著影響，此后，抑爆效能體現(xiàn)充分，火焰面膨脹率峰值降至1.7 m2/s，在此基礎(chǔ)上，爆炸火焰面積急劇縮小，最終熄滅之前，火焰面存在小幅拉升，造成上述現(xiàn)象的原因有待進(jìn)一步深入探究，初步分析認(rèn)為，主要是位于爆炸容器上方粉體抑爆介質(zhì)質(zhì)量濃度相對(duì)較低的微弱浮力火焰。當(dāng)抑爆裝置觸發(fā)時(shí)刻為50 ms時(shí)，噴射的粉體抑爆介質(zhì)云幕仍能將火焰全部包絡(luò)，與此同時(shí)，與爆炸火焰相互作用的抑爆介質(zhì)質(zhì)量較多，因而，火焰面縮小的進(jìn)程明顯加快，浮力火焰區(qū)完全熄滅后，爆炸進(jìn)程終止。抑爆裝置觸發(fā)時(shí)間為55 ms時(shí)，抑爆介質(zhì)與爆炸火焰相互作用的過(guò)程明顯復(fù)雜，噴射初期，抑爆介質(zhì)未能對(duì)爆炸火球全部包覆，噴射過(guò)程對(duì)爆炸火焰的正向促進(jìn)占主導(dǎo)地位，盡管在點(diǎn)火后80～118 ms，抑制作用有所顯現(xiàn)，但后續(xù)爆炸火焰急速發(fā)展，火焰面膨脹率峰值高達(dá)15 m2/s，一定程度上，抑爆介質(zhì)噴射僅僅推遲了爆炸傳播進(jìn)程，并不能降低爆炸強(qiáng)度。這是因?yàn)?，?0～118 ms，隨著抑爆介質(zhì)持續(xù)噴射，爆炸容器內(nèi)的抑爆介質(zhì)量逐漸增加，對(duì)應(yīng)的吸熱冷卻作用逐步加強(qiáng)，同時(shí)抑爆介質(zhì)已完全包覆整個(gè)爆炸火焰陣面，發(fā)揮有效窒息作用，阻斷火焰與未燃混氣接觸，此時(shí)段內(nèi)抑爆介質(zhì)對(duì)爆炸火焰的總抑制效用大于總促進(jìn)效用，因而火焰?zhèn)鞑ナ艿揭种?，但是?21 ms后抑爆介質(zhì)噴射殆盡，抑爆裝置停止噴粉，裝置內(nèi)的粉體開(kāi)始沉降，各項(xiàng)抑制作用隨之大幅減弱，以致總促進(jìn)效用大于總抑制效用，因而，甲烷/空氣混合物爆炸火焰迅速傳播。繼續(xù)延遲抑爆裝置觸發(fā)時(shí)刻至75 ms時(shí)，抑爆介質(zhì)噴射后的任何階段，均沒(méi)有爆炸抑制效能，反而加快爆炸火焰發(fā)展進(jìn)程，導(dǎo)致火焰前鋒抵達(dá)容器側(cè)壁的時(shí)間縮短至112 ms。這是因?yàn)?，受抑爆粉體射流的擾動(dòng)作用，一方面，提高了火焰的湍流強(qiáng)度，使未燃混氣與火焰迅速接觸，進(jìn)而提高了火焰反應(yīng)速率和熱釋放速率;另一方面，火焰陣面出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，大大增加了火焰陣面與未燃混氣(含甲烷和氧氣)的接觸面積，從而提升了燃燒反應(yīng)速率和熱釋放速率。而整個(gè)噴射過(guò)程中，抑爆介質(zhì)始終未能完全包覆整個(gè)爆炸火焰區(qū)，致使無(wú)法發(fā)揮有效的窒息作用，因此該工況下的總抑制效力小于總促進(jìn)效力，爆炸火焰加速傳播。

圖6 抑爆裝置觸發(fā)時(shí)刻對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)程的影響Fig.6 Influence of trigger time on flame propagation process

由此可見(jiàn)，抑爆裝置的觸發(fā)時(shí)刻對(duì)爆炸火焰的抑制效果至關(guān)重要，只有當(dāng)粉體抑爆介質(zhì)云幕能夠?qū)⒈ɑ鹧孑喞耆采w時(shí)，才有可能達(dá)到預(yù)期爆炸抑制效果，隨著抑爆裝置觸發(fā)時(shí)間的延遲，粉體抑爆介質(zhì)與爆炸火焰強(qiáng)化、抑制之間的博弈將更加復(fù)雜，但如果沒(méi)有將火焰完全滅火，后期的燃燒必然強(qiáng)化，其抑制作用僅僅體現(xiàn)在推遲了爆炸進(jìn)程，并沒(méi)有弱化爆炸強(qiáng)度。

抑爆裝置在不同觸發(fā)時(shí)刻，爆炸容器內(nèi)壓力增長(zhǎng)進(jìn)程如圖7所示。鑒于爆炸容器內(nèi)壓力增長(zhǎng)為等容燃燒產(chǎn)物體積膨脹所致，故而，爆炸壓力的變化也呈現(xiàn)類似的趨勢(shì)。在抑爆裝置觸發(fā)時(shí)刻為35 ms及50 ms時(shí)，爆炸火焰得以完全熄滅，容器內(nèi)無(wú)明顯壓力增長(zhǎng)，當(dāng)抑爆裝置觸發(fā)時(shí)刻為55 ms時(shí)，噴射抑爆介質(zhì)的初始階段，爆炸壓力增長(zhǎng)較為緩慢，由于爆炸火焰沒(méi)能有效抑制，在噴射后期，較未噴射抑爆介質(zhì)相比，壓力增長(zhǎng)速率加快，壓力峰值達(dá)到0.71 MPa，與未噴射抑爆介質(zhì)的壓力峰值(0.69 MPa)處于同一數(shù)量級(jí)。進(jìn)一步推遲抑爆裝置觸發(fā)，噴射抑爆介質(zhì)促進(jìn)了爆炸壓力增長(zhǎng)速率，壓力峰值也提高至0.75 MPa。

圖7 抑爆裝置觸發(fā)時(shí)刻對(duì)爆炸壓力的影響Fig.7 Effects of trigger time on explosion overpressure

2.2 超細(xì)ABC粉體噴射量對(duì)甲烷/空氣混合物爆炸的抑制/增強(qiáng)效應(yīng)

圖8 抑爆介質(zhì)噴射量對(duì)爆炸火焰形態(tài)的影響Fig.8 Influence of the discharging powder mass on flame shape

根據(jù)前述研究，在甲烷/空氣混合物點(diǎn)燃后55 ms觸發(fā)抑爆裝置，噴射40 g超細(xì)ABC粉體，逼近抑制爆炸的臨界條件。維持觸發(fā)時(shí)刻55 ms，分別研究了超細(xì)ABC粉體抑爆介質(zhì)噴射量為20,40,60,80 g時(shí)，100 L容器內(nèi)爆炸火焰?zhèn)鞑ゼ皦毫υ鲩L(zhǎng)的變化規(guī)律。圖8列出了抑爆介質(zhì)不同噴射量下，抑爆介質(zhì)與爆炸火焰相互作用的進(jìn)程。在上述條件下，爆炸火焰面積變化率及變化峰值、爆炸火焰前鋒抵達(dá)容器壁面所歷經(jīng)的時(shí)間如圖9所示。由圖8,9可知，在40 g臨界值的基礎(chǔ)上，當(dāng)抑爆介質(zhì)噴射量降至20 g時(shí)，100 L容器內(nèi)超細(xì)粉體抑爆介質(zhì)質(zhì)量濃度相對(duì)稀薄，較未噴射抑爆介質(zhì)相比，噴射初始，爆炸火焰膨脹進(jìn)程加速，此后，部分抑爆介質(zhì)分解，對(duì)爆炸火焰有一定抑制，但隨后火焰?zhèn)鞑ジ友杆?，火焰面膨脹率峰值高達(dá)20 m2/s，火焰前鋒抵達(dá)100 L容器側(cè)壁的時(shí)間縮短至108 ms。從整體看，抑爆介質(zhì)噴射對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑サ拇龠M(jìn)作用遠(yuǎn)大于抑制作用。

抑爆介質(zhì)噴射量增加至60 g，噴射后的1～3 ms內(nèi)，爆炸火焰向外膨脹的趨勢(shì)得到初步控制，噴射后15～20 ms內(nèi)，爆炸容器內(nèi)先呈現(xiàn)相對(duì)均勻的粉體分布，抑爆劑平均質(zhì)量濃度可達(dá)600 g/m3,對(duì)爆炸火焰的抑制作用即刻顯現(xiàn)，當(dāng)抑爆介質(zhì)在運(yùn)載氣體驅(qū)動(dòng)及重力沉降后，抑爆介質(zhì)形成一定質(zhì)量濃度梯度，爆炸容器底部火焰先行熄滅，火焰面瞬時(shí)縮減率可達(dá)2 m2/s，隨即爆炸容器內(nèi)火焰完全熄滅。同理，抑爆介質(zhì)對(duì)爆炸火球膨脹的抑制效果也更為充分，火焰面膨脹峰值降至2 m2/s。

當(dāng)超細(xì)ABC粉體噴射量為80 g時(shí)，爆炸完全抑制。與噴射60 g相比，對(duì)爆炸火焰的作用過(guò)程無(wú)顯著區(qū)別，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，抑爆介質(zhì)用量達(dá)到臨界值之后，增加噴射量對(duì)爆炸抑制效果無(wú)明顯提升作用。

上述火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘淖兓?，也?dǎo)致100 L爆炸容器內(nèi)壓力增長(zhǎng)進(jìn)程的顯著區(qū)別。由圖10可知，在超細(xì)ABC粉體抑爆介質(zhì)噴射量為60 g時(shí)，爆炸完全抑制，無(wú)明顯的壓力增長(zhǎng)，當(dāng)抑爆介質(zhì)噴射量提高至80 g時(shí)，也呈現(xiàn)同樣趨勢(shì)。在爆炸未能抑制的情形下，最終爆炸壓力峰值都接近或略高于未噴射抑爆介質(zhì)的空白試驗(yàn)。

圖9 抑爆介質(zhì)噴射量對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)程的影響Fig.9 Effects of the discharging mass of explosion suppression medium on flame morphology

超細(xì)ABC粉體是目前較為認(rèn)可的高效抑爆介質(zhì)之一，在同等條件下，抑制爆炸所需的抑爆劑用量較少，但抑爆劑噴射量過(guò)低會(huì)導(dǎo)致爆炸抑制效果受限，甚至?xí)绊懭紵耐牧鞫?，一定程度上促進(jìn)了爆炸火焰?zhèn)鞑?。通過(guò)本研究還發(fā)現(xiàn)，在抑爆裝置觸發(fā)時(shí)刻及抑爆介質(zhì)噴射量2個(gè)參數(shù)中，前者對(duì)爆炸抑制效果的影響更為顯著，如果將開(kāi)始噴射時(shí)間提前至點(diǎn)火后10 ms，即使噴射20 g抑爆介質(zhì)，也能夠?qū)⒈ㄍ耆种?。但在?shí)際應(yīng)用過(guò)程中，初始爆炸信號(hào)檢測(cè)傳感器、抑爆裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)等環(huán)節(jié)注定會(huì)存在一定量的延時(shí)，因而，上述2個(gè)參數(shù)必須合理匹配?？扇?xì)怏w/空氣混合物點(diǎn)燃與噴射抑爆介質(zhì)如處于同一時(shí)刻，忽略噴射行為對(duì)爆炸火焰的擾動(dòng)，則爆炸抑制趨同于惰化防爆。

2.3 噴射氮?dú)鈱?duì)甲烷/空氣混合物爆炸抑制效果的影響

本文研究中，利用氣體發(fā)生器產(chǎn)生高壓氮?dú)?，作為超?xì)ABC粉體抑爆介質(zhì)的噴射動(dòng)力，一方面，由于氮?dú)鉃槎栊詺怏w，能夠降低100 L爆炸容器內(nèi)相對(duì)氧濃度，同時(shí)，噴射引起的擾動(dòng)又可能會(huì)強(qiáng)化燃燒。本文所采用的抑爆裝置，氣體發(fā)生器產(chǎn)生的N2總量約8 L，在抑爆裝置未灌裝超細(xì)ABC粉體抑爆介質(zhì)時(shí)，考察了噴射氮?dú)鈱?duì)甲烷/空氣混合物爆炸火焰?zhèn)鞑ゼ皦毫υ鲩L(zhǎng)進(jìn)程的影響，典型研究結(jié)果如圖11所示。由此可知，在甲烷/空氣混合物點(diǎn)燃后35 ms時(shí)刻噴射N2，噴射擾動(dòng)強(qiáng)化了爆炸火焰?zhèn)鞑?，觸發(fā)后15 ms時(shí)刻，火焰急劇膨脹(前述的火焰面積變化率超過(guò)25 m2/s)，較未噴射N2相比，爆炸壓力峰值提高15%。

圖11 噴射氮?dú)鈱?duì)爆炸進(jìn)程的影響Fig.11 Flame propagation and pressure rise process at nitrogen injection

采用高壓惰性氣體驅(qū)動(dòng)抑爆介質(zhì)，是超細(xì)粉體爆炸抑制最為可行的實(shí)現(xiàn)方式之一，合適粉氣比的確定也是必須正視的主要問(wèn)題。提高粉氣比，可降低驅(qū)動(dòng)氣體對(duì)爆炸流場(chǎng)的擾動(dòng)，但粉體抑爆劑噴射性能也隨之降低，超細(xì)粉體在空間分布的均勻性惡化，甚至難以穿越爆炸火焰區(qū)，降低氣粉比，則會(huì)影響抑爆裝置的經(jīng)濟(jì)性。本文試制的抑爆裝置，在開(kāi)展爆炸抑制之前，進(jìn)行了敞開(kāi)空間的冷態(tài)噴射研究，通過(guò)對(duì)超細(xì)粉體分布狀況的分析，確定了優(yōu)化的粉氣比為3～7。在該配比條件下，惰性氣體并沒(méi)有爆炸抑制效能，反而使爆炸強(qiáng)化，只能通過(guò)超細(xì)粉體抑爆介質(zhì)的合理冗余量予以補(bǔ)償。

3 結(jié) 論

(1)較超細(xì)ABC粉體噴射量相比，抑爆裝置觸發(fā)時(shí)機(jī)對(duì)爆炸抑制效果的影響更為顯著。抑爆裝置觸發(fā)時(shí)刻一定，只有當(dāng)粉體抑爆介質(zhì)云幕將爆炸火焰輪廓完全覆蓋時(shí)，才有可能達(dá)到預(yù)期爆炸抑制效果，否則，抑爆介質(zhì)的噴射僅會(huì)推遲爆炸進(jìn)程，并不能弱化爆炸強(qiáng)度。

(2)觸發(fā)時(shí)刻一定時(shí)，抑爆介質(zhì)噴射量低于臨界值，不能降低爆炸強(qiáng)度，超過(guò)臨界值，對(duì)爆炸抑制效果也不能起到進(jìn)一步改善作用。

(3)N2作為驅(qū)動(dòng)超細(xì)ABC粉體的必要?jiǎng)恿υ?，針?duì)本文特定的充裝比，其噴射過(guò)程對(duì)爆炸的強(qiáng)化作用十分顯著，設(shè)定合理的超細(xì)ABC粉體充裝冗余量為效克服措施之一。