噴射超細ABC粉體對瓦斯爆炸的抑制與增強作用

丁 超，王信群，徐海順，唐 慶，孔麗麗

(中國計量大學 安全工程研究所，浙江 杭州 310018)

瓦斯爆炸主動式抑爆技術是指檢測到初始爆炸信號后，向爆炸區域快速噴射抑爆介質，阻止、熄滅爆炸火焰傳播[1]。我國在該領域的研究由來已久，相關機構在20世紀便已著手研制機載、巷道式主動抑爆裝置，在特定場所得以實際應用。近年來，隨著瓦斯抽采技術的推廣，作為煤礦低濃度瓦斯輸送管道安全保障系統的多級防護措施之一，主動式抑爆研究受到新的關注[2]。主動式抑爆技術為檢測到初始爆炸特征信號后，快速噴射抑爆介質熄滅火焰傳播。抑爆介質本身的抑爆性能及噴射量，以及抑爆裝置觸發時間及噴射特性，均是影響爆炸抑制效果的制約因素。一方面，高效抑爆介質的遴選，對于提升爆炸抑制效果至關重要，鑒于抑爆介質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(發生爆炸之前，將抑爆介質與可燃混合物預先混合)遴選抑爆介質，不失為有效手段。近年來，科技工作者對惰性氣體、復配及改性超細水霧、傳統及新型粉體抑爆介質的惰化性能進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之一，余明高等[15]從粉體材料熱特性角度出發，分析了不同抑爆劑的效果;程衛民等[16]將Al(OH)3、聚磷酸銨及硅藻土加以復配，在復合粉體抑爆增效方面進行了有益的嘗試;羅振敏等[17]研究了粉體抑爆劑與CO2氣體協同作用。上述研究表明，粉體材料熱分解中間產物銷毀燃燒反應活性基團的化學作用為該類抑爆介質的主要抑爆機理，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間、提高分解率，有望顯著增強抑爆效果。該項研究如能持續推進，可望遴選出性價比優越的抑爆介質，為低成本、輕量化抑爆裝置的實現奠定基礎。

與此同時，粉體抑爆介質抑制瓦斯爆炸的實施方式也備受關注。劉慶明、張宇明、謝波等[18-20]分別在直徑200 mm、總長30 m以及直徑近500 mm、總長16 m的爆炸管道系統中比較了不同粉體抑爆介質的抑爆效果，發現化學活性粉體比惰性粉體具有更強的抑爆效果;較常規粒徑相比，超細粉體彌散性能、駐留時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的噴射方式是:在點燃可燃氣體/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”抑爆技術路線，在實驗研究過程中不失為安全有效的技術措施。KLEMENS 及 KRASNYANSKY等[21-22]則利用火藥燃燒產生的能量噴射抑爆介質，在相近或更大尺度的實驗系統中，以先點燃可燃氣體(粉塵)/空氣混合物再觸發抑爆裝置的方式，開展了爆炸抑制研究，盡管噴射動力源有待朝安全化方向改進，但所采用的抑爆劑噴射方式與生產實踐中的爆炸抑制更具有可比性。我國相關研究機構通過多年的不懈努力，開發出煤礦井下掘進巷道主動抑爆裝備、礦用區域自動噴粉滅火裝置，以及瓦斯抽放管網抑爆裝置，并應用于生產實際[23-27]。

主動式抑爆裝置的抑爆效果與抑爆裝置觸發時間、抑爆劑濃度密切相關。現有公開研究報道多數采用先將抑爆介質與甲烷/空氣混合物靜態預混，再進行點燃的惰化研究方法，上述研究對高效抑爆介質的遴選、復配起到較為積極的促進作用，但爆炸抑制是在瓦斯爆炸發生后的早期階段，快速噴射抑爆介質，抑爆裝置觸發時刻及噴射特性對爆炸抑制效果的影響毋容置疑，而目前關于該方面的公開研究鮮有報道。初步研究表明，如果主動式抑爆方式使用不當，不僅對爆炸抑制無益，抑爆介質的噴射可能會促進爆炸火焰傳播，提高爆炸強度[28-29]。生產實踐中，初始爆炸信號檢測與抑爆介質完全噴灑之間不可避免的存在時間差，從經濟角度出發，期望噴射盡可能少的抑爆介質以實現高效抑爆，因此，就抑爆介質噴射對瓦斯爆炸的抑制及強化作用2方面進行研究，對于主動式抑爆技術的恰當應用具有一定現實意義。

筆者在前期初步探索的基礎上，對原理性抑爆裝置樣機進行適當改進，以中位粒徑8 μm的超細NH4H2PO4(超細ABC)粉體為抑爆介質，在100 L爆炸容器中開展了甲烷/空氣混合物爆炸抑制研究，探究了抑爆裝置觸發時刻、抑爆介質噴射量對爆炸抑制與增強作用，以及粉體抑爆介質運載氣體(N2)對爆炸傳播過程的影響，以期為工程實踐中有效抑爆臨界條件的深入研究提供參考。

1 實驗系統

實驗系統如圖1所示，主要由爆炸容器、配氣系統、點火系統、數據采集與控制系統及抑爆裝置等組成。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)，爆炸容器長徑比為1:1.25，承壓2.5 MPa。實驗過程中，將爆炸容器預抽真空，充入體積比為9.5%的甲烷/空氣預混物至常壓，利用能量為50 J的火花放電，在容器的幾何中心點燃甲烷/空氣混合物，再根據預先設定的時間，觸發主動噴射式抑爆裝置進行爆炸抑制。利用PCB113B型壓力傳感器檢測爆炸壓力隨時間的變化歷程，信號經調理放大后，由計算機數據采集系統采集處理(AD轉換精度16位，采樣率200 kHz)，采用GX-8型高速攝像記錄爆炸火焰傳播歷程，點火、數據采集、高速攝像以及抑爆裝置的觸發時序由同步控制系統設定。

圖1 爆炸抑制實驗系統示意Fig.1 Schematic diagram of explosion suppression system

圖2 抑爆裝置結構示意Fig.2 Structure of explosion suppressor

主動噴射式抑爆裝置如圖2所示，主要由氣體發生器、抑爆介質、金屬膜片、導流管、殼體等構成，抑爆裝置扣除氣體發生器后的凈容積0.2 L。抑爆裝置工作原理為:甲烷/空氣混合物點火爆炸后，控制系統根據預先設定的觸發時刻，給抑爆裝置觸發元件通電，氣體發生劑藥劑反應，瞬間產生大量氮氣，抑爆裝置內壓力驟升，致使膜片破裂，驅動粉體抑爆介質向爆炸容器內快速噴射。每種工況的氣體發生劑使用量均相同，以保證氮氣產生量一致。

在進行爆炸抑制研究之前，對抑爆裝置噴射特性進行了必要測定，冷態噴射特性如圖3所示，抑爆裝置為常壓，氣體發生器觸發后，腔體壓力在7 ms內由常壓升至近4 MPa量級，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，抑爆介質在高壓氣體驅動下噴射，噴射率可達95%，另外，受抑爆介質噴射的影響，爆炸容器內的壓力無明顯變化。抑爆裝置中灌裝超細ABC粉體作為爆炸抑制介質，其粒徑分布如圖4所示，抑爆介質的中位粒徑為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ABC粉體抑爆介質粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of the ultrafine ABC powder

2 實驗結果與分析

2.1 抑爆裝置觸發時刻對甲烷/空氣混合物爆炸的影響

在超細ABC粉體抑爆介質噴射量為40 g的條件下，分別考察了點火后35,50,55及75 ms時刻觸發抑爆裝置，抑爆介質噴射對爆炸火焰傳播及壓力增長進程的影響，并與未噴射抑爆介質情況下的爆炸特性(空白試驗)進行了對比。

甲烷/空氣混合物火焰在徑向傳播至容器壁面之前，通過設置在爆炸容器端蓋的視窗，利用高速攝像記錄了爆炸火焰傳播進程，在典型時刻，抑爆介質噴射導致爆炸火焰形態的變化如圖5所示。由圖5可知，在未噴射抑爆介質的情形下，點火后的初始階段，爆炸火焰外輪廓逐步擴展，體現為經典的球形火焰傳播，在點火后124 ms時刻，火焰陣面抵達100 L爆炸容器徑向壁面后，進一步沿軸向蔓延。

圖5 抑爆裝置觸發時刻對爆炸火焰形態的影響Fig.5 Influence of trigger time on flame morphology

點火后35 ms及50 ms時刻觸發抑爆裝置時，抑爆介質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，抑爆介質噴射所形成的圓錐形超細ABC粉體云幕能夠及時將燃燒區域全部包覆，但在抑爆介質噴射的初期，對爆炸火焰的抑制作用并未顯現(對比未噴射抑爆介質的爆炸火焰)，一方面，盡管粉體抑爆介質對火焰有一定的冷卻作用，但噴射過程產生的擾動也必然使燃燒強化，同時，粉體抑爆介質與火焰相互作用的時間較短，不至于即刻分解產生化學抑制效能。此后，抑爆介質在噴射氣流及自然沉降的雙重作用下，迅速穿越火焰區，于爆炸容器下方聚集形成較高質量濃度的抑爆粉體云，在60 ms及66 ms時刻，爆炸火焰下邊緣開始熄滅，至66 ms及76 ms時刻，對爆炸火焰的抑制作用進一步增強，在點火后79 ms及83 ms時刻，爆炸火焰被完全抑制，傳播進程終止。

當抑爆裝置觸發時刻為點火后55 ms時，抑爆介質與爆炸火焰相互作用的過程體現不同特點，由于抑爆裝置觸發時，爆炸火焰發展更加充分，粉體云幕僅僅穿越火焰區，不足以在火焰輪廓之外形成包絡面，抑爆介質噴射后的20 ms內，較未噴射抑爆介質相比，爆炸火焰球形的體積膨脹加速，火焰傳播進程加快，隨著超細ABC粉體與爆炸火焰及高溫產物熱交換進程的強化，粉體分解加快，對火焰的抑制效能有所體現，在此后的50 ms內，抑爆介質擾動所產生的強化燃燒效應逐步減弱，粉體抑爆介質對爆炸火焰的抑制作用逐步顯現，在121 ms時刻，爆炸火球體積縮減約2/3，但后續發生了更為猛烈的“復燃”現象，火焰傳播進程及爆炸壓力驟增。在噴射40 g抑爆介質的條件下，點火后55 ms觸發抑爆裝置，可視為有效抑爆的臨界點。當抑爆裝置觸發時刻為75 ms時，噴射等量的抑爆介質對爆炸無任何抑制作用，反而強化了火焰傳播進程。

在爆炸火焰前鋒抵達容器側向壁面之前，基本呈現為球體，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了爆炸火焰增長進程。為進一步分析抑爆介質對爆炸傳播進程的影響，在圖像截取時間間隔為4 ms的前提下，利用Matlab對所截圖像進行必要的灰度閾值分割以提取灰度火焰圖像，繼而將灰度圖像轉為二進制圖像以算取對應面積，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為時間變化量(此處為4 ms)。

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

抑爆裝置觸發時刻為35 ms時，抑爆介質噴射的最初10 ms內，超細ABC粉體尚未與火焰面接觸，對爆炸火焰傳播進程未產生顯著影響，此后，抑爆效能體現充分，火焰面膨脹率峰值降至1.7 m2/s，在此基礎上，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，造成上述現象的原因有待進一步深入探究，初步分析認為，主要是位于爆炸容器上方粉體抑爆介質質量濃度相對較低的微弱浮力火焰。當抑爆裝置觸發時刻為50 ms時，噴射的粉體抑爆介質云幕仍能將火焰全部包絡，與此同時，與爆炸火焰相互作用的抑爆介質質量較多，因而，火焰面縮小的進程明顯加快，浮力火焰區完全熄滅后，爆炸進程終止。抑爆裝置觸發時間為55 ms時，抑爆介質與爆炸火焰相互作用的過程明顯復雜，噴射初期，抑爆介質未能對爆炸火球全部包覆，噴射過程對爆炸火焰的正向促進占主導地位，盡管在點火后80～118 ms，抑制作用有所顯現，但后續爆炸火焰急速發展，火焰面膨脹率峰值高達15 m2/s，一定程度上，抑爆介質噴射僅僅推遲了爆炸傳播進程，并不能降低爆炸強度。這是因為，在80～118 ms，隨著抑爆介質持續噴射，爆炸容器內的抑爆介質量逐漸增加，對應的吸熱冷卻作用逐步加強，同時抑爆介質已完全包覆整個爆炸火焰陣面，發揮有效窒息作用，阻斷火焰與未燃混氣接觸，此時段內抑爆介質對爆炸火焰的總抑制效用大于總促進效用，因而火焰傳播受到抑制，但是，121 ms后抑爆介質噴射殆盡，抑爆裝置停止噴粉，裝置內的粉體開始沉降，各項抑制作用隨之大幅減弱，以致總促進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。繼續延遲抑爆裝置觸發時刻至75 ms時，抑爆介質噴射后的任何階段，均沒有爆炸抑制效能，反而加快爆炸火焰發展進程，導致火焰前鋒抵達容器側壁的時間縮短至112 ms。這是因為，受抑爆粉體射流的擾動作用，一方面，提高了火焰的湍流強度，使未燃混氣與火焰迅速接觸，進而提高了火焰反應速率和熱釋放速率;另一方面，火焰陣面出現褶皺現象，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速率和熱釋放速率。而整個噴射過程中，抑爆介質始終未能完全包覆整個爆炸火焰區，致使無法發揮有效的窒息作用，因此該工況下的總抑制效力小于總促進效力，爆炸火焰加速傳播。

圖6 抑爆裝置觸發時刻對爆炸火焰傳播進程的影響Fig.6 Influence of trigger time on flame propagation process

由此可見，抑爆裝置的觸發時刻對爆炸火焰的抑制效果至關重要，只有當粉體抑爆介質云幕能夠將爆炸火焰輪廓完全覆蓋時，才有可能達到預期爆炸抑制效果，隨著抑爆裝置觸發時間的延遲，粉體抑爆介質與爆炸火焰強化、抑制之間的博弈將更加復雜，但如果沒有將火焰完全滅火，后期的燃燒必然強化，其抑制作用僅僅體現在推遲了爆炸進程，并沒有弱化爆炸強度。

抑爆裝置在不同觸發時刻，爆炸容器內壓力增長進程如圖7所示。鑒于爆炸容器內壓力增長為等容燃燒產物體積膨脹所致，故而，爆炸壓力的變化也呈現類似的趨勢。在抑爆裝置觸發時刻為35 ms及50 ms時，爆炸火焰得以完全熄滅，容器內無明顯壓力增長，當抑爆裝置觸發時刻為55 ms時，噴射抑爆介質的初始階段，爆炸壓力增長較為緩慢，由于爆炸火焰沒能有效抑制，在噴射后期，較未噴射抑爆介質相比，壓力增長速率加快，壓力峰值達到0.71 MPa，與未噴射抑爆介質的壓力峰值(0.69 MPa)處于同一數量級。進一步推遲抑爆裝置觸發，噴射抑爆介質促進了爆炸壓力增長速率，壓力峰值也提高至0.75 MPa。

圖7 抑爆裝置觸發時刻對爆炸壓力的影響Fig.7 Effects of trigger time on explosion overpressure

2.2 超細ABC粉體噴射量對甲烷/空氣混合物爆炸的抑制/增強效應

圖8 抑爆介質噴射量對爆炸火焰形態的影響Fig.8 Influence of the discharging powder mass on flame shape

根據前述研究，在甲烷/空氣混合物點燃后55 ms觸發抑爆裝置，噴射40 g超細ABC粉體，逼近抑制爆炸的臨界條件。維持觸發時刻55 ms，分別研究了超細ABC粉體抑爆介質噴射量為20,40,60,80 g時，100 L容器內爆炸火焰傳播及壓力增長的變化規律。圖8列出了抑爆介質不同噴射量下，抑爆介質與爆炸火焰相互作用的進程。在上述條件下，爆炸火焰面積變化率及變化峰值、爆炸火焰前鋒抵達容器壁面所歷經的時間如圖9所示。由圖8,9可知，在40 g臨界值的基礎上，當抑爆介質噴射量降至20 g時，100 L容器內超細粉體抑爆介質質量濃度相對稀薄，較未噴射抑爆介質相比，噴射初始，爆炸火焰膨脹進程加速，此后，部分抑爆介質分解，對爆炸火焰有一定抑制，但隨后火焰傳播更加迅速，火焰面膨脹率峰值高達20 m2/s，火焰前鋒抵達100 L容器側壁的時間縮短至108 ms。從整體看，抑爆介質噴射對爆炸火焰傳播的促進作用遠大于抑制作用。

抑爆介質噴射量增加至60 g，噴射后的1～3 ms內，爆炸火焰向外膨脹的趨勢得到初步控制，噴射后15～20 ms內，爆炸容器內先呈現相對均勻的粉體分布，抑爆劑平均質量濃度可達600 g/m3,對爆炸火焰的抑制作用即刻顯現，當抑爆介質在運載氣體驅動及重力沉降后，抑爆介質形成一定質量濃度梯度，爆炸容器底部火焰先行熄滅，火焰面瞬時縮減率可達2 m2/s，隨即爆炸容器內火焰完全熄滅。同理，抑爆介質對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。

當超細ABC粉體噴射量為80 g時，爆炸完全抑制。與噴射60 g相比，對爆炸火焰的作用過程無顯著區別，進一步實驗也證實，抑爆介質用量達到臨界值之后，增加噴射量對爆炸抑制效果無明顯提升作用。

上述火焰傳播特性的變化，也導致100 L爆炸容器內壓力增長進程的顯著區別。由圖10可知，在超細ABC粉體抑爆介質噴射量為60 g時，爆炸完全抑制，無明顯的壓力增長，當抑爆介質噴射量提高至80 g時，也呈現同樣趨勢。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的空白試驗。

圖9 抑爆介質噴射量對爆炸火焰傳播進程的影響Fig.9 Effects of the discharging mass of explosion suppression medium on flame morphology

超細ABC粉體是目前較為認可的高效抑爆介質之一，在同等條件下，抑制爆炸所需的抑爆劑用量較少，但抑爆劑噴射量過低會導致爆炸抑制效果受限，甚至會影響燃燒的湍流度，一定程度上促進了爆炸火焰傳播。通過本研究還發現，在抑爆裝置觸發時刻及抑爆介質噴射量2個參數中，前者對爆炸抑制效果的影響更為顯著，如果將開始噴射時間提前至點火后10 ms，即使噴射20 g抑爆介質，也能夠將爆炸完全抑制。但在實際應用過程中，初始爆炸信號檢測傳感器、抑爆裝置執行機構等環節注定會存在一定量的延時，因而，上述2個參數必須合理匹配。可燃氣體/空氣混合物點燃與噴射抑爆介質如處于同一時刻，忽略噴射行為對爆炸火焰的擾動，則爆炸抑制趨同于惰化防爆。

2.3 噴射氮氣對甲烷/空氣混合物爆炸抑制效果的影響

本文研究中，利用氣體發生器產生高壓氮氣，作為超細ABC粉體抑爆介質的噴射動力，一方面，由于氮氣為惰性氣體，能夠降低100 L爆炸容器內相對氧濃度，同時，噴射引起的擾動又可能會強化燃燒。本文所采用的抑爆裝置，氣體發生器產生的N2總量約8 L，在抑爆裝置未灌裝超細ABC粉體抑爆介質時，考察了噴射氮氣對甲烷/空氣混合物爆炸火焰傳播及壓力增長進程的影響，典型研究結果如圖11所示。由此可知，在甲烷/空氣混合物點燃后35 ms時刻噴射N2，噴射擾動強化了爆炸火焰傳播，觸發后15 ms時刻，火焰急劇膨脹(前述的火焰面積變化率超過25 m2/s)，較未噴射N2相比，爆炸壓力峰值提高15%。

圖11 噴射氮氣對爆炸進程的影響Fig.11 Flame propagation and pressure rise process at nitrogen injection

采用高壓惰性氣體驅動抑爆介質，是超細粉體爆炸抑制最為可行的實現方式之一，合適粉氣比的確定也是必須正視的主要問題。提高粉氣比，可降低驅動氣體對爆炸流場的擾動，但粉體抑爆劑噴射性能也隨之降低，超細粉體在空間分布的均勻性惡化，甚至難以穿越爆炸火焰區，降低氣粉比，則會影響抑爆裝置的經濟性。本文試制的抑爆裝置，在開展爆炸抑制之前，進行了敞開空間的冷態噴射研究，通過對超細粉體分布狀況的分析，確定了優化的粉氣比為3～7。在該配比條件下，惰性氣體并沒有爆炸抑制效能，反而使爆炸強化，只能通過超細粉體抑爆介質的合理冗余量予以補償。

3 結 論

(1)較超細ABC粉體噴射量相比，抑爆裝置觸發時機對爆炸抑制效果的影響更為顯著。抑爆裝置觸發時刻一定，只有當粉體抑爆介質云幕將爆炸火焰輪廓完全覆蓋時，才有可能達到預期爆炸抑制效果，否則，抑爆介質的噴射僅會推遲爆炸進程，并不能弱化爆炸強度。

(2)觸發時刻一定時，抑爆介質噴射量低于臨界值，不能降低爆炸強度，超過臨界值，對爆炸抑制效果也不能起到進一步改善作用。

(3)N2作為驅動超細ABC粉體的必要動力源，針對本文特定的充裝比，其噴射過程對爆炸的強化作用十分顯著，設定合理的超細ABC粉體充裝冗余量為效克服措施之一。