阻火器性能和研究

阻火器由外殼、阻火芯及附屬配件組成。其基本原理為淬熄，當(dāng)火焰、熱氣體快速穿過阻火器時，通過阻火元件的孔壁向外釋放熱量，火焰、熱氣體在完全穿過阻火器之前充分冷卻，實(shí)現(xiàn)阻火。其應(yīng)用的場所包括可燃?xì)怏w輸送系統(tǒng)、可燃?xì)怏w及液體儲罐等等，安裝在轉(zhuǎn)運(yùn)可燃?xì)怏w的管道網(wǎng)中，防止在非正常條件下氣體爆燃或爆轟火焰沿管道傳播，但不影響氣體通過，所以工業(yè)上期望獲得較小流阻而能有效阻火的高性能阻火器。

阻火器分類方式有很多種，按阻火器結(jié)構(gòu)分為金屬網(wǎng)型、波紋型、平行板型、多孔板型等。較典型的分類方式是按可燃預(yù)混氣體燃燒環(huán)境不同進(jìn)行的，有以下3類：

(1)無約束空間爆燃過程?；鹧嬖趦藁蚬艿劳馊紵?，此時采用“管端型”阻燃阻火器，它安裝在管道的頂端，作為放空通大氣，阻止大氣中火焰?zhèn)魅牍艿纼?nèi)。

(2)受限空間爆燃過程?；鹧嬖诠艿乐袀鞑?，起初以亞音速沿管道傳播，此時使用“管線型”阻燃阻火器，它安裝在管道線路上，其兩側(cè)與管道相接，用于阻止亞音速火焰從上游傳入下游管道。

(3)爆轟過程。火焰以音速甚至超音速沿著管道傳播，并伴隨著沖擊波，此時使用“管線型”阻爆轟阻火器，用于阻止超音速火焰通過。

目前，阻火結(jié)構(gòu)能夠使火焰淬熄的理論有兩種，這在文獻(xiàn)中有詳細(xì)敘述。一種是熱理論，火焰和器壁進(jìn)行熱量傳遞，降低了通過介質(zhì)的溫度;一種是連鎖反應(yīng)理論(器壁效應(yīng))，即火焰在結(jié)構(gòu)表面上碰撞失去了自由基，從而燃燒反應(yīng)停止，阻止了火焰?zhèn)鞑ァ６鴮τ谧杌鸾Y(jié)構(gòu)的壓力波抑制理論則未見報道。

煤礦瓦斯爆炸時的火焰多以超音速傳播，因此能用于煤礦的必須是上述第3種阻火結(jié)構(gòu)，金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)和波紋結(jié)構(gòu)就是其中的代表。

金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)是由具有一定目數(shù)和孔徑的單層或多層的金屬網(wǎng)重疊起來組成的，阻火效果取決于層數(shù)和目數(shù)。一般同一目數(shù)的金屬網(wǎng)，隨著層數(shù)增加，阻火效果也隨之增加，但有一定限度。金屬網(wǎng)目數(shù)過多或者層數(shù)過多，都會增加流體的阻力。因其體積小、重量輕、誶熄性能好，多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)成為了最常用的阻火結(jié)構(gòu)，許多學(xué)者也致力于爆炸波在絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中傳播的研究。日本的北條英光、津田健等人曾對管內(nèi)多層絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的淬熄性能做過系統(tǒng)的研究，研究發(fā)現(xiàn)臨界淬熄速度與金屬絲網(wǎng)幾何參數(shù)(體積空間率、絲網(wǎng)目數(shù)、金屬絲直徑等)之間有一定的關(guān)系，還發(fā)現(xiàn)絲網(wǎng)的淬熄性能與其材質(zhì)無關(guān)。網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)對火焰的淬熄作用也可用熱理論和連鎖反應(yīng)理論(器壁效應(yīng))兩種理論來解釋。王振成和小川輝繁就不同的火焰速度，用適合的金屬網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行了研究，得出臨界消焰速度和金屬網(wǎng)形狀參數(shù)系數(shù)(線徑/孔寬)以及金屬網(wǎng)層數(shù)之間的實(shí)驗(yàn)公式，指出金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)不僅有消焰性能，而且具有泄壓作用。喻健良等人在前人基礎(chǔ)上，研究了多層不銹鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)在內(nèi)徑為81mm、長度從1.4-2.9m可調(diào)的圓形管內(nèi)對乙炔一空氣爆炸火焰和壓力波傳播的影響，確定臨界淬熄速度、臨界淬熄壓差是衡量某一抑爆結(jié)構(gòu)淬熄性能的重要指標(biāo)，首次提出臨界淬熄量和臨界淬熄壓差的概念，得到了金屬網(wǎng)的幾何參數(shù)與臨界淬熄速度、臨界淬熄壓差、淬熄量和最大超壓值下降比率之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。此研究未能確定火焰發(fā)生淬熄的原因究竟是熱理論還是連鎖反應(yīng)理論(器壁效應(yīng))，依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗(yàn)公式以及火焰淬熄和壓力波抑制方面的一些結(jié)論都是基于對40目和60目2種不銹鋼絲網(wǎng)而言的，不具普適性。

波紋型阻火器的阻火層由鋁、銅、黃銅、不銹鋼、銅鎳合金等材料壓制成的薄波紋板組成，如將一條波紋薄帶與一條薄平板帶繞在芯子上，則可形成小三角形的通道，即組成了波紋型阻火器。如圖3所示是一種高效換熱器，當(dāng)火焰穿過三角形單元時，其前沿和阻火器內(nèi)壁發(fā)生能量交換，把熱量從燃燒著的氣體中盡快移走，氣體溫度迅速降至安全水平(低于自燃點(diǎn))，阻止裝置某部位發(fā)生的爆炸或火災(zāi)傳遞到另一部位。其使用特點(diǎn)：有效截面大、流動阻力小、阻爆燃的范圍比較大、阻火層易置換清洗;但制造技術(shù)要求高、成本較高;適用于石油儲罐、油氣系統(tǒng)及其他燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)的管道。

最具發(fā)展?jié)摿Φ氖遣y阻火器，生產(chǎn)時很容易變換其結(jié)構(gòu)形狀，達(dá)到有效淬熄火焰的目的，因此在沒有找到完全新型結(jié)構(gòu)之前它不失為一種良好的阻火結(jié)構(gòu)。燃燒爐/火炬系統(tǒng)過程中用于抑爆的不銹鋼波紋板阻火器盤，它由平滑和波紋鋼帶交替纏繞而成，二者間所形成的微小空隙即為介質(zhì)或火焰的通道。圖中空隙尺寸即為阻火盤標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的重要參數(shù)?；鹧嬉坏┑诌_(dá)阻火盤，即被切割成無數(shù)小塊，通過火焰和鋼帶間的熱傳導(dǎo)作用，火焰被冷卻、熄滅，達(dá)到滅火目的。根據(jù)阻火器的安裝位置離火源的距離，即所謂管道長與直徑比(L/D)，我們可選擇阻爆轟型或者阻爆燃型阻火器。阻爆燃型阻火器適用于L/D<50，阻爆轟型阻火器則可安裝在管道任何位置，無需顧及L/D值。朝向火焰的阻火盤上通常要安插一溫度探測計，以探測可能發(fā)生在阻火盤上的穩(wěn)定燃燒。

對于波紋結(jié)構(gòu)(三角形孔)的研究，早在1963年K.N.Palmer和Tonkin就研究了丙烷空氣爆燃火焰通過這種阻火結(jié)構(gòu)時的淬熄規(guī)律，并給出了火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c三角形孔徑(體現(xiàn)在單位面積上三角形孔的數(shù)量)及淬熄長度的關(guān)系，并得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持。1972年Rogowski和Ames研究了波紋板阻火器表面的駐定火焰燃燒現(xiàn)象，即阻火器的耐燒實(shí)驗(yàn)，給出了在一定燃?xì)饬髁肯伦杌鹦颈砻鏈厣c時間的關(guān)系。1997年周凱元等人基于丙烷一空氣爆燃火焰在平行板狹縫中淬熄現(xiàn)象的理論研究結(jié)果，采用相似的實(shí)驗(yàn)裝置對我國在20世紀(jì)80年代末期新研制的波紋板阻火器的阻火性能做了實(shí)驗(yàn)研究，并從理論模型研究中所得到的結(jié)論出發(fā)導(dǎo)出了正三角形波紋高h(yuǎn)，波紋板阻火器的阻火芯厚度L與爆燃火焰速度的關(guān)系，給出了適用于ⅡA類可燃?xì)馀c空氣混合物爆燃火焰的阻火器參數(shù)計算公式。