柴油機(jī)阻火器防爆性能和通氣能力的研究*

王曉

（中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司）

煤礦井下是一個(gè)易燃易爆的高危作業(yè)環(huán)境。煤礦工作面在采煤過程中會釋放大量的瓦斯氣體，瓦斯的主要成分是易燃物甲烷，當(dāng)一定濃度的甲烷和空氣混合時(shí)，遇到火焰或高溫表面會燃燒，甚至爆炸[1]。隨著無軌膠輪車在煤礦井下使用的逐漸頻繁，防爆柴油機(jī)作為無軌膠輪車的主要?jiǎng)恿υ矗哂锌旖荨⒎奖恪⑿矢摺?dòng)力足等優(yōu)點(diǎn)[2-6]，但其采用易燃液體柴油為燃料，是防爆車輛的危險(xiǎn)源之一，如缸內(nèi)高壓油霧或高溫氣體密封不良，極易引起燃燒或爆炸。阻火器是防爆柴油機(jī)的關(guān)鍵防爆技術(shù)之一，安裝在防爆柴油機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)中，具有隔爆或阻燃作用[7-9]，但同時(shí)增加了防爆柴油機(jī)的進(jìn)排氣阻力，使進(jìn)入防爆柴油機(jī)缸內(nèi)的新鮮空氣不足和排氣背壓增大，導(dǎo)致防爆柴油機(jī)輸出功率不足，排出的廢氣污染物增多，油耗大幅度增加。為了設(shè)計(jì)出既能有效防爆又具有理想進(jìn)氣效率的防爆阻火器，對阻火器的隔爆性能和通氣能力的研究就顯得尤為重要。

1 阻火器工作原理

燃燒或爆炸形成的火焰在阻火器狹縫內(nèi)傳播熄滅的過程稱為火焰淬熄[10-11]。燃燒或爆炸的原因是由于產(chǎn)生了大量的活潑自由基。活潑自由基的產(chǎn)生過程為易燃易爆物的分子鍵受到碰撞生成了大量的活化分子，活化分子發(fā)生分裂反應(yīng)，產(chǎn)生了大量活潑性高、壽命短的自由基，這些自由基又和周圍相鄰的其它分子發(fā)生反應(yīng)生成新產(chǎn)物，反應(yīng)中同時(shí)還產(chǎn)生出新的自由基，如此循環(huán)，形成穩(wěn)定的燃燒：當(dāng)混合氣體產(chǎn)生的火焰在阻火器中的狹窄間隙中通過時(shí)，由于通道狹窄增加了自由基和兩側(cè)通道壁的碰撞機(jī)率，導(dǎo)致大量的自由基因?yàn)楹蛢蓚?cè)的通道壁碰撞而消失，而剩余參加燃燒的自由基就越來越少。當(dāng)阻火器的狹窄間隙足夠小時(shí)，絕大多數(shù)的自由基因與通道壁的碰撞而消失從而導(dǎo)致燃燒反應(yīng)不能繼續(xù)，混合氣體的燃燒火焰就會因此而發(fā)生淬熄。

廢氣處理箱中甲烷-空氣混合氣爆燃后的火焰在阻火器內(nèi)的淬熄可簡化為狹縫內(nèi)火焰淬熄的過程，如圖1所示。

圖1 燃燒反應(yīng)時(shí)火焰在狹縫中的淬熄過程

2 模擬分析

2.1 實(shí)物模型

文章研究的平板阻火器[12]具體結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖，如圖2和圖3所示。平板阻火器的平板部分厚度為50 mm，平板部分的格柵間隙為0.5 mm，格柵板自身厚度為1 mm。

圖2 平板阻火器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 平板阻火器阻火層實(shí)物圖

2.2 淬熄過程

混合氣在柵欄幾何模型前的點(diǎn)燃位置，如圖4中紅點(diǎn)所示；燃燒傳播過程，如圖5所示；淬熄過程，如圖6所示。

圖4 混合氣在柵欄幾何模型前的點(diǎn)燃位置

圖5 在柵欄幾何模型中的火焰?zhèn)鞑ミ^程

圖6 燃燒火焰在狹縫間隙中的淬熄過程

2.3 阻火器平板間隙對通過氣體壓力損失的影響

數(shù)值分析不同平板間隙對壓力損失的影響，如圖7所示。從圖7中可以看出，隨著平板間隙的增加，壓力損失在逐漸減小。

圖7 平板間隙對氣體壓力損失影響的曲線圖

圖8示出阻火器不同平板間隙的速度矢量圖。從圖8可知，氣流速度隨著平板間隙的增加而逐漸減小；氣體在阻火器平板部分的入口周圍流速達(dá)到最大并沿著平板內(nèi)間隙方向在逐漸變小；氣體在平板入口前的前擴(kuò)張腔頂部均有湍流現(xiàn)象并隨著平板間隙的逐漸變大，其區(qū)域逐漸變小。

圖8 阻火器不同平板間隙的速度矢量圖

2.4 阻火器平板厚度對通過氣體壓力損失的影響

不同平板厚度對壓力損失的影響，如圖9所示。從圖9可知，通過氣體的壓力損失隨著平板厚度的增加而逐漸增加。

圖9 平板厚度對氣體壓力損失影響的曲線圖

圖10示出阻火器不同平板厚度的速度矢量圖。從圖10中可以看出，隨著平板厚度的增加，氣流速度在逐漸增加。隨著平板厚度的增加，平板單元數(shù)量在減少，但流入平板單元中的速度在增加，也就是說摩擦阻力在增加。

2.5 阻火器擴(kuò)張腔角度對通過氣體壓力損失的影響

圖11示出阻火器不同擴(kuò)張腔角度對氣體壓力損失的影響曲線圖。從圖11中可以看出，隨著擴(kuò)張腔角度的增加，壓力損失在逐漸加大。

圖11 擴(kuò)張腔角度對氣體壓力損失的影響曲線圖

圖12示出阻火器不同擴(kuò)張腔角度的速度矢量圖。從圖12中可以看出，氣流速度變化不是很大，在81.1～86 m/s，擴(kuò)張腔角度為45°的阻火器流速最小；隨著擴(kuò)張腔角度的增加，進(jìn)入平板單元中流體的速度在增加，加大了氣體與壁面的摩擦；前擴(kuò)張腔頂部都有湍流，而且湍流區(qū)域隨著角度的增加而增加。

圖12 不同擴(kuò)張腔角度阻火器的速度矢量圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方法

影響阻火器隔爆性能的3個(gè)主要因素分別為火焰?zhèn)鞑ニ俣取囟燃捌桨鍠艡陂g隙[13-14]，本試驗(yàn)的爆炸混合氣體濃度在符合標(biāo)準(zhǔn)AQ 1074—2009《煤礦瓦斯輸送管道干式阻火器通用技術(shù)條件》[15]的前提下保持不變，溫度為室溫。混合氣體的燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣热Q于點(diǎn)火位置，火花塞點(diǎn)火位置不同，燃燒火焰的傳播速度就不同。本試驗(yàn)在3個(gè)不同的位置點(diǎn)火，具體位置如圖13所示，圖13中1、2、3為裝火花塞的位置。在試驗(yàn)過程中，按照隔爆試驗(yàn)需求在1、2、3這3個(gè)位置分別進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)。

圖13 防爆柴油機(jī)廢氣處理箱結(jié)構(gòu)及3個(gè)點(diǎn)火位置示意圖

試驗(yàn)時(shí)，將排氣柵欄阻火器裝在廢氣處理箱排氣口處，確保安裝合理，無其它傳爆通道，然后裝進(jìn)Φ1 m的壓力罐中，連接進(jìn)氣膠管、抽氣膠管、火花塞、壓力傳感器，再次檢查連接是否穩(wěn)固、有無傳爆可能。

在Φ1 m的壓力實(shí)驗(yàn)罐及加裝阻火器的廢氣處理箱體內(nèi)分別充入體積濃度為7%～9%的甲烷與體積濃度為18%～21%的氧氣的混合氣，然后用安裝在廢氣處理箱體上的火花塞點(diǎn)燃其內(nèi)部充入的混合氣體。

通過壓力示波器顯示的壓力值的變化，可判斷箱體上的火花塞是否將充入其內(nèi)部的甲烷氧氣混合氣體點(diǎn)燃。通過壓力罐罐體內(nèi)安裝的壓力傳感器的壓力值變化，可判斷壓力罐罐體內(nèi)的混合氣體是否被點(diǎn)燃，如果被點(diǎn)燃則說明阻火器失爆，如果沒有被點(diǎn)燃則說明阻火器未失爆。試驗(yàn)裝置，如圖14和圖15所示。

圖14 裝廢氣處理箱的壓力罐

圖15 壓力示波器

3.2 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)過程分為3個(gè)階段，第1階段阻火器試驗(yàn)樣件為5個(gè)，板片間隙分別為0.7，0.8，0.9，1.0，1.1 mm，火花塞的安裝位置在圖13中“1”所示位置，該位置為國家安標(biāo)認(rèn)證防爆檢驗(yàn)時(shí)的點(diǎn)火位置。混合氣引爆后火焰穿過圖示位置的隔板，通過阻火器上蓋的彎管到達(dá)阻火器。上述試驗(yàn)中每個(gè)樣件按照文獻(xiàn)[15]的要求試驗(yàn)13次。

第2階段阻火器試驗(yàn)樣件為3個(gè)，板片間隙分別為1.3，1.5，1.8 mm，火花塞的安裝位置在圖13中“3”所示位置，該位置為廢氣處理箱的進(jìn)氣口位置，及防爆柴油機(jī)排氣中含有火花時(shí)從該口進(jìn)入箱體內(nèi)。混合氣引爆后火焰穿過圖示位置的進(jìn)氣管道和隔板，通過阻火器上蓋的彎管到達(dá)阻火器。上述試驗(yàn)中每個(gè)樣件按文獻(xiàn)[15]的要求試驗(yàn)13次。

第3階段阻火器試驗(yàn)樣件為4個(gè)，板片間隙分別為1.1，1.3，1.5，1.8 mm，火花塞的安裝位置在圖13中“2”所示位置，該位置比第1、2階段更接近阻火器，點(diǎn)火點(diǎn)和阻火器之間沒有狹長管道和小孔隔板，應(yīng)更利于火焰的傳播。混合氣引爆后直接通過阻火器上蓋的彎管到達(dá)阻火器。1.3，1.5，1.8 mm間隙的阻火器在按照文獻(xiàn)[15]試驗(yàn)13次后均出現(xiàn)失爆情況，1.1 mm間隙的阻火器試驗(yàn)了13次未出現(xiàn)失爆情況。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在圖13的位置“1”處點(diǎn)燃火花塞，引爆廢氣處理箱中的混合氣體后，該裝置在阻火器間隙為0.7，0.8，0.9，1.0，1.1 mm時(shí)均未出現(xiàn)失爆情況。

在圖13的位置“3”進(jìn)氣口處點(diǎn)燃火花塞，引爆廢氣處理箱中的混合氣體后，該裝置在阻火器間隙為1.3，1.5，1.8 mm時(shí)均未出現(xiàn)失爆情況。

在圖13的位置“2”進(jìn)氣口處點(diǎn)燃火花塞，引爆廢氣處理箱中的混合氣體后，該裝置在阻火器間隙為1.1 mm時(shí)未出現(xiàn)失爆情況，但在間隙為1.3，1.5，1.8 mm時(shí)均出現(xiàn)了失爆情況。

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，防爆柴油機(jī)廢氣處理箱上安裝間隙為1.1 mm的阻火器就可以滿足隔爆要求。

4 結(jié)論

通過對阻火器的隔爆性能和通氣能力進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)研究，可以得出：

1）由爆炸試驗(yàn)可知，防爆柴油機(jī)用阻火器的最大安全試驗(yàn)間隙為1.1 mm；

2）當(dāng)防爆柴油機(jī)防爆阻火器的平板部分厚度采用50 mm及平板柵欄片間隙為0.8 mm時(shí)可以滿足《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》對防爆柴油機(jī)在煤礦井下使用的隔爆要求；

3）防爆柴油機(jī)用阻火器平板部分的柵欄片間隙由0.5 mm變?yōu)?.8 mm時(shí)，其通氣能力可增加1倍。