喷射超细ABC粉体对瓦斯爆炸的抑制与增强作用

丁 超，王信群，徐海顺，唐 庆，孔丽丽

(中国计量大学 安全工程研究所，浙江 杭州 310018)

瓦斯爆炸主动式抑爆技术是指检测到初始爆炸信号后，向爆炸区域快速喷射抑爆介质，阻止、熄灭爆炸火焰传播[1]。我国在该领域的研究由来已久，相关机构在20世纪便已着手研制机载、巷道式主动抑爆装置，在特定场所得以实际应用。近年来，随着瓦斯抽采技术的推广，作为煤矿低浓度瓦斯输送管道安全保障系统的多级防护措施之一，主动式抑爆研究受到新的关注[2]。主动式抑爆技术为检测到初始爆炸特征信号后，快速喷射抑爆介质熄灭火焰传播。抑爆介质本身的抑爆性能及喷射量，以及抑爆装置触发时间及喷射特性，均是影响爆炸抑制效果的制约因素。一方面，高效抑爆介质的遴选，对于提升爆炸抑制效果至关重要，鉴于抑爆介质与惰化防爆的惰化剂之间互为通用，采用惰化防爆的研究方式(发生爆炸之前，将抑爆介质与可燃混合物预先混合)遴选抑爆介质，不失为有效手段。近年来，科技工作者对惰性气体、复配及改性超细水雾、传统及新型粉体抑爆介质的惰化性能进行了广泛而深入的研究[3-14]。其中，粉体材料抑爆一度成为研究热点之一，余明高等[15]从粉体材料热特性角度出发，分析了不同抑爆剂的效果;程卫民等[16]将Al(OH)3、聚磷酸铵及硅藻土加以复配，在复合粉体抑爆增效方面进行了有益的尝试;罗振敏等[17]研究了粉体抑爆剂与CO2气体协同作用。上述研究表明，粉体材料热分解中间产物销毁燃烧反应活性基团的化学作用为该类抑爆介质的主要抑爆机理，粉体热分解特性是决定其抑爆效能的控制因素之一，缩短粉体抑爆剂分解时间、提高分解率，有望显著增强抑爆效果。该项研究如能持续推进，可望遴选出性价比优越的抑爆介质，为低成本、轻量化抑爆装置的实现奠定基础。

与此同时，粉体抑爆介质抑制瓦斯爆炸的实施方式也备受关注。刘庆明、张宇明、谢波等[18-20]分别在直径200 mm、总长30 m以及直径近500 mm、总长16 m的爆炸管道系统中比较了不同粉体抑爆介质的抑爆效果，发现化学活性粉体比惰性粉体具有更强的抑爆效果;较常规粒径相比，超细粉体弥散性能、驻留时间等均得以较大改善，爆炸抑制效能显著提升。上述研究中抑爆介质的喷射方式是:在点燃可燃气体/空气混合物之前将粉体抑爆剂喷射到爆炸管道的“抑爆段”中，即采用“等待式”抑爆技术路线，在实验研究过程中不失为安全有效的技术措施。KLEMENS 及 KRASNYANSKY等[21-22]则利用火药燃烧产生的能量喷射抑爆介质，在相近或更大尺度的实验系统中，以先点燃可燃气体(粉尘)/空气混合物再触发抑爆装置的方式，开展了爆炸抑制研究，尽管喷射动力源有待朝安全化方向改进，但所采用的抑爆剂喷射方式与生产实践中的爆炸抑制更具有可比性。我国相关研究机构通过多年的不懈努力，开发出煤矿井下掘进巷道主动抑爆装备、矿用区域自动喷粉灭火装置，以及瓦斯抽放管网抑爆装置，并应用于生产实际[23-27]。

主动式抑爆装置的抑爆效果与抑爆装置触发时间、抑爆剂浓度密切相关。现有公开研究报道多数采用先将抑爆介质与甲烷/空气混合物静态预混，再进行点燃的惰化研究方法，上述研究对高效抑爆介质的遴选、复配起到较为积极的促进作用，但爆炸抑制是在瓦斯爆炸发生后的早期阶段，快速喷射抑爆介质，抑爆装置触发时刻及喷射特性对爆炸抑制效果的影响毋容置疑，而目前关于该方面的公开研究鲜有报道。初步研究表明，如果主动式抑爆方式使用不当，不仅对爆炸抑制无益，抑爆介质的喷射可能会促进爆炸火焰传播，提高爆炸强度[28-29]。生产实践中，初始爆炸信号检测与抑爆介质完全喷洒之间不可避免的存在时间差，从经济角度出发，期望喷射尽可能少的抑爆介质以实现高效抑爆，因此，就抑爆介质喷射对瓦斯爆炸的抑制及强化作用2方面进行研究，对于主动式抑爆技术的恰当应用具有一定现实意义。

笔者在前期初步探索的基础上，对原理性抑爆装置样机进行适当改进，以中位粒径8 μm的超细NH4H2PO4(超细ABC)粉体为抑爆介质，在100 L爆炸容器中开展了甲烷/空气混合物爆炸抑制研究，探究了抑爆装置触发时刻、抑爆介质喷射量对爆炸抑制与增强作用，以及粉体抑爆介质运载气体(N2)对爆炸传播过程的影响，以期为工程实践中有效抑爆临界条件的深入研究提供参考。

1 实验系统

实验系统如图1所示，主要由爆炸容器、配气系统、点火系统、数据采集与控制系统及抑爆装置等组成。爆炸容器为净容积100 L的圆柱形筒体，两端为带视窗的椭球型端盖(半径10 cm，厚度3 cm)，爆炸容器长径比为1:1.25，承压2.5 MPa。实验过程中，将爆炸容器预抽真空，充入体积比为9.5%的甲烷/空气预混物至常压，利用能量为50 J的火花放电，在容器的几何中心点燃甲烷/空气混合物，再根据预先设定的时间，触发主动喷射式抑爆装置进行爆炸抑制。利用PCB113B型压力传感器检测爆炸压力随时间的变化历程，信号经调理放大后，由计算机数据采集系统采集处理(AD转换精度16位，采样率200 kHz)，采用GX-8型高速摄像记录爆炸火焰传播历程，点火、数据采集、高速摄像以及抑爆装置的触发时序由同步控制系统设定。

图1 爆炸抑制实验系统示意Fig.1 Schematic diagram of explosion suppression system

图2 抑爆装置结构示意Fig.2 Structure of explosion suppressor

主动喷射式抑爆装置如图2所示，主要由气体发生器、抑爆介质、金属膜片、导流管、壳体等构成，抑爆装置扣除气体发生器后的净容积0.2 L。抑爆装置工作原理为:甲烷/空气混合物点火爆炸后，控制系统根据预先设定的触发时刻，给抑爆装置触发元件通电，气体发生剂药剂反应，瞬间产生大量氮气，抑爆装置内压力骤升，致使膜片破裂，驱动粉体抑爆介质向爆炸容器内快速喷射。每种工况的气体发生剂使用量均相同，以保证氮气产生量一致。

在进行爆炸抑制研究之前，对抑爆装置喷射特性进行了必要测定，冷态喷射特性如图3所示，抑爆装置为常压，气体发生器触发后，腔体压力在7 ms内由常压升至近4 MPa量级，此后，抑爆装置下部的密封膜片由中心部位向周边呈四瓣破裂，抑爆介质在高压气体驱动下喷射，喷射率可达95%，另外，受抑爆介质喷射的影响，爆炸容器内的压力无明显变化。抑爆装置中灌装超细ABC粉体作为爆炸抑制介质，其粒径分布如图4所示，抑爆介质的中位粒径为8 μm。

图3 抑爆装置的喷射特性Fig.3 Discharge characteristics of the explosion suppressor

图4 超细ABC粉体抑爆介质粒径分布Fig.4 Particle size distribution of the ultrafine ABC powder

2 实验结果与分析

2.1 抑爆装置触发时刻对甲烷/空气混合物爆炸的影响

在超细ABC粉体抑爆介质喷射量为40 g的条件下，分别考察了点火后35,50,55及75 ms时刻触发抑爆装置，抑爆介质喷射对爆炸火焰传播及压力增长进程的影响，并与未喷射抑爆介质情况下的爆炸特性(空白试验)进行了对比。

甲烷/空气混合物火焰在径向传播至容器壁面之前，通过设置在爆炸容器端盖的视窗，利用高速摄像记录了爆炸火焰传播进程，在典型时刻，抑爆介质喷射导致爆炸火焰形态的变化如图5所示。由图5可知，在未喷射抑爆介质的情形下，点火后的初始阶段，爆炸火焰外轮廓逐步扩展，体现为经典的球形火焰传播，在点火后124 ms时刻，火焰阵面抵达100 L爆炸容器径向壁面后，进一步沿轴向蔓延。

图5 抑爆装置触发时刻对爆炸火焰形态的影响Fig.5 Influence of trigger time on flame morphology

点火后35 ms及50 ms时刻触发抑爆装置时，抑爆介质与爆炸火焰的作用方式较为相似(图5(b)，(c))，在上述条件下，爆炸火焰的体积较小，抑爆介质喷射所形成的圆锥形超细ABC粉体云幕能够及时将燃烧区域全部包覆，但在抑爆介质喷射的初期，对爆炸火焰的抑制作用并未显现(对比未喷射抑爆介质的爆炸火焰)，一方面，尽管粉体抑爆介质对火焰有一定的冷却作用，但喷射过程产生的扰动也必然使燃烧强化，同时，粉体抑爆介质与火焰相互作用的时间较短，不至于即刻分解产生化学抑制效能。此后，抑爆介质在喷射气流及自然沉降的双重作用下，迅速穿越火焰区，于爆炸容器下方聚集形成较高质量浓度的抑爆粉体云，在60 ms及66 ms时刻，爆炸火焰下边缘开始熄灭，至66 ms及76 ms时刻，对爆炸火焰的抑制作用进一步增强，在点火后79 ms及83 ms时刻，爆炸火焰被完全抑制，传播进程终止。

当抑爆装置触发时刻为点火后55 ms时，抑爆介质与爆炸火焰相互作用的过程体现不同特点，由于抑爆装置触发时，爆炸火焰发展更加充分，粉体云幕仅仅穿越火焰区，不足以在火焰轮廓之外形成包络面，抑爆介质喷射后的20 ms内，较未喷射抑爆介质相比，爆炸火焰球形的体积膨胀加速，火焰传播进程加快，随着超细ABC粉体与爆炸火焰及高温产物热交换进程的强化，粉体分解加快，对火焰的抑制效能有所体现，在此后的50 ms内，抑爆介质扰动所产生的强化燃烧效应逐步减弱，粉体抑爆介质对爆炸火焰的抑制作用逐步显现，在121 ms时刻，爆炸火球体积缩减约2/3，但后续发生了更为猛烈的“复燃”现象，火焰传播进程及爆炸压力骤增。在喷射40 g抑爆介质的条件下，点火后55 ms触发抑爆装置，可视为有效抑爆的临界点。当抑爆装置触发时刻为75 ms时，喷射等量的抑爆介质对爆炸无任何抑制作用，反而强化了火焰传播进程。

在爆炸火焰前锋抵达容器侧向壁面之前，基本呈现为球体，高速摄像拍摄的图片可视为球体的截面，该截面的变化率一定程度上反应了爆炸火焰增长进程。为进一步分析抑爆介质对爆炸传播进程的影响，在图像截取时间间隔为4 ms的前提下，利用Matlab对所截图像进行必要的灰度阈值分割以提取灰度火焰图像，继而将灰度图像转为二进制图像以算取对应面积，得出爆炸火焰面积变化率，其具体定义为

其中，φ为爆炸火焰面积变化率;ΔS为爆炸火焰面积变化量;ΔT为时间变化量(此处为4 ms)。

图6为爆炸火焰面积变化率随时间的变化关系，火焰面积变化率峰值，以及爆炸火焰前锋抵达容器壁面所历经的时间(其中，↑，↓为相较未喷射增加，减少的幅度，下图同)。由图6可知，在未喷射抑爆介质情形下，火焰增长较为平稳，由于高温气流膨胀、压力阵面反馈等因素，在后期产生小幅震荡，此后随着未燃物的燃尽，火焰自行熄灭，在此过程中，火焰面膨胀率峰值为5.07 m2/s，火焰阵面抵达容器侧壁的时间为124 ms。

抑爆装置触发时刻为35 ms时，抑爆介质喷射的最初10 ms内，超细ABC粉体尚未与火焰面接触，对爆炸火焰传播进程未产生显著影响，此后，抑爆效能体现充分，火焰面膨胀率峰值降至1.7 m2/s，在此基础上，爆炸火焰面积急剧缩小，最终熄灭之前，火焰面存在小幅拉升，造成上述现象的原因有待进一步深入探究，初步分析认为，主要是位于爆炸容器上方粉体抑爆介质质量浓度相对较低的微弱浮力火焰。当抑爆装置触发时刻为50 ms时，喷射的粉体抑爆介质云幕仍能将火焰全部包络，与此同时，与爆炸火焰相互作用的抑爆介质质量较多，因而，火焰面缩小的进程明显加快，浮力火焰区完全熄灭后，爆炸进程终止。抑爆装置触发时间为55 ms时，抑爆介质与爆炸火焰相互作用的过程明显复杂，喷射初期，抑爆介质未能对爆炸火球全部包覆，喷射过程对爆炸火焰的正向促进占主导地位，尽管在点火后80～118 ms，抑制作用有所显现，但后续爆炸火焰急速发展，火焰面膨胀率峰值高达15 m2/s，一定程度上，抑爆介质喷射仅仅推迟了爆炸传播进程，并不能降低爆炸强度。这是因为，在80～118 ms，随着抑爆介质持续喷射，爆炸容器内的抑爆介质量逐渐增加，对应的吸热冷却作用逐步加强，同时抑爆介质已完全包覆整个爆炸火焰阵面，发挥有效窒息作用，阻断火焰与未燃混气接触，此时段内抑爆介质对爆炸火焰的总抑制效用大于总促进效用，因而火焰传播受到抑制，但是，121 ms后抑爆介质喷射殆尽，抑爆装置停止喷粉，装置内的粉体开始沉降，各项抑制作用随之大幅减弱，以致总促进效用大于总抑制效用，因而，甲烷/空气混合物爆炸火焰迅速传播。继续延迟抑爆装置触发时刻至75 ms时，抑爆介质喷射后的任何阶段，均没有爆炸抑制效能，反而加快爆炸火焰发展进程，导致火焰前锋抵达容器侧壁的时间缩短至112 ms。这是因为，受抑爆粉体射流的扰动作用，一方面，提高了火焰的湍流强度，使未燃混气与火焰迅速接触，进而提高了火焰反应速率和热释放速率;另一方面，火焰阵面出现褶皱现象，大大增加了火焰阵面与未燃混气(含甲烷和氧气)的接触面积，从而提升了燃烧反应速率和热释放速率。而整个喷射过程中，抑爆介质始终未能完全包覆整个爆炸火焰区，致使无法发挥有效的窒息作用，因此该工况下的总抑制效力小于总促进效力，爆炸火焰加速传播。

图6 抑爆装置触发时刻对爆炸火焰传播进程的影响Fig.6 Influence of trigger time on flame propagation process

由此可见，抑爆装置的触发时刻对爆炸火焰的抑制效果至关重要，只有当粉体抑爆介质云幕能够将爆炸火焰轮廓完全覆盖时，才有可能达到预期爆炸抑制效果，随着抑爆装置触发时间的延迟，粉体抑爆介质与爆炸火焰强化、抑制之间的博弈将更加复杂，但如果没有将火焰完全灭火，后期的燃烧必然强化，其抑制作用仅仅体现在推迟了爆炸进程，并没有弱化爆炸强度。

抑爆装置在不同触发时刻，爆炸容器内压力增长进程如图7所示。鉴于爆炸容器内压力增长为等容燃烧产物体积膨胀所致，故而，爆炸压力的变化也呈现类似的趋势。在抑爆装置触发时刻为35 ms及50 ms时，爆炸火焰得以完全熄灭，容器内无明显压力增长，当抑爆装置触发时刻为55 ms时，喷射抑爆介质的初始阶段，爆炸压力增长较为缓慢，由于爆炸火焰没能有效抑制，在喷射后期，较未喷射抑爆介质相比，压力增长速率加快，压力峰值达到0.71 MPa，与未喷射抑爆介质的压力峰值(0.69 MPa)处于同一数量级。进一步推迟抑爆装置触发，喷射抑爆介质促进了爆炸压力增长速率，压力峰值也提高至0.75 MPa。

图7 抑爆装置触发时刻对爆炸压力的影响Fig.7 Effects of trigger time on explosion overpressure

2.2 超细ABC粉体喷射量对甲烷/空气混合物爆炸的抑制/增强效应

图8 抑爆介质喷射量对爆炸火焰形态的影响Fig.8 Influence of the discharging powder mass on flame shape

根据前述研究，在甲烷/空气混合物点燃后55 ms触发抑爆装置，喷射40 g超细ABC粉体，逼近抑制爆炸的临界条件。维持触发时刻55 ms，分别研究了超细ABC粉体抑爆介质喷射量为20,40,60,80 g时，100 L容器内爆炸火焰传播及压力增长的变化规律。图8列出了抑爆介质不同喷射量下，抑爆介质与爆炸火焰相互作用的进程。在上述条件下，爆炸火焰面积变化率及变化峰值、爆炸火焰前锋抵达容器壁面所历经的时间如图9所示。由图8,9可知，在40 g临界值的基础上，当抑爆介质喷射量降至20 g时，100 L容器内超细粉体抑爆介质质量浓度相对稀薄，较未喷射抑爆介质相比，喷射初始，爆炸火焰膨胀进程加速，此后，部分抑爆介质分解，对爆炸火焰有一定抑制，但随后火焰传播更加迅速，火焰面膨胀率峰值高达20 m2/s，火焰前锋抵达100 L容器侧壁的时间缩短至108 ms。从整体看，抑爆介质喷射对爆炸火焰传播的促进作用远大于抑制作用。

抑爆介质喷射量增加至60 g，喷射后的1～3 ms内，爆炸火焰向外膨胀的趋势得到初步控制，喷射后15～20 ms内，爆炸容器内先呈现相对均匀的粉体分布，抑爆剂平均质量浓度可达600 g/m3,对爆炸火焰的抑制作用即刻显现，当抑爆介质在运载气体驱动及重力沉降后，抑爆介质形成一定质量浓度梯度，爆炸容器底部火焰先行熄灭，火焰面瞬时缩减率可达2 m2/s，随即爆炸容器内火焰完全熄灭。同理，抑爆介质对爆炸火球膨胀的抑制效果也更为充分，火焰面膨胀峰值降至2 m2/s。

当超细ABC粉体喷射量为80 g时，爆炸完全抑制。与喷射60 g相比，对爆炸火焰的作用过程无显著区别，进一步实验也证实，抑爆介质用量达到临界值之后，增加喷射量对爆炸抑制效果无明显提升作用。

上述火焰传播特性的变化，也导致100 L爆炸容器内压力增长进程的显著区别。由图10可知，在超细ABC粉体抑爆介质喷射量为60 g时，爆炸完全抑制，无明显的压力增长，当抑爆介质喷射量提高至80 g时，也呈现同样趋势。在爆炸未能抑制的情形下，最终爆炸压力峰值都接近或略高于未喷射抑爆介质的空白试验。

图9 抑爆介质喷射量对爆炸火焰传播进程的影响Fig.9 Effects of the discharging mass of explosion suppression medium on flame morphology

超细ABC粉体是目前较为认可的高效抑爆介质之一，在同等条件下，抑制爆炸所需的抑爆剂用量较少，但抑爆剂喷射量过低会导致爆炸抑制效果受限，甚至会影响燃烧的湍流度，一定程度上促进了爆炸火焰传播。通过本研究还发现，在抑爆装置触发时刻及抑爆介质喷射量2个参数中，前者对爆炸抑制效果的影响更为显著，如果将开始喷射时间提前至点火后10 ms，即使喷射20 g抑爆介质，也能够将爆炸完全抑制。但在实际应用过程中，初始爆炸信号检测传感器、抑爆装置执行机构等环节注定会存在一定量的延时，因而，上述2个参数必须合理匹配。可燃气体/空气混合物点燃与喷射抑爆介质如处于同一时刻，忽略喷射行为对爆炸火焰的扰动，则爆炸抑制趋同于惰化防爆。

2.3 喷射氮气对甲烷/空气混合物爆炸抑制效果的影响

本文研究中，利用气体发生器产生高压氮气，作为超细ABC粉体抑爆介质的喷射动力，一方面，由于氮气为惰性气体，能够降低100 L爆炸容器内相对氧浓度，同时，喷射引起的扰动又可能会强化燃烧。本文所采用的抑爆装置，气体发生器产生的N2总量约8 L，在抑爆装置未灌装超细ABC粉体抑爆介质时，考察了喷射氮气对甲烷/空气混合物爆炸火焰传播及压力增长进程的影响，典型研究结果如图11所示。由此可知，在甲烷/空气混合物点燃后35 ms时刻喷射N2，喷射扰动强化了爆炸火焰传播，触发后15 ms时刻，火焰急剧膨胀(前述的火焰面积变化率超过25 m2/s)，较未喷射N2相比，爆炸压力峰值提高15%。

图11 喷射氮气对爆炸进程的影响Fig.11 Flame propagation and pressure rise process at nitrogen injection

采用高压惰性气体驱动抑爆介质，是超细粉体爆炸抑制最为可行的实现方式之一，合适粉气比的确定也是必须正视的主要问题。提高粉气比，可降低驱动气体对爆炸流场的扰动，但粉体抑爆剂喷射性能也随之降低，超细粉体在空间分布的均匀性恶化，甚至难以穿越爆炸火焰区，降低气粉比，则会影响抑爆装置的经济性。本文试制的抑爆装置，在开展爆炸抑制之前，进行了敞开空间的冷态喷射研究，通过对超细粉体分布状况的分析，确定了优化的粉气比为3～7。在该配比条件下，惰性气体并没有爆炸抑制效能，反而使爆炸强化，只能通过超细粉体抑爆介质的合理冗余量予以补偿。

3 结 论

(1)较超细ABC粉体喷射量相比，抑爆装置触发时机对爆炸抑制效果的影响更为显著。抑爆装置触发时刻一定，只有当粉体抑爆介质云幕将爆炸火焰轮廓完全覆盖时，才有可能达到预期爆炸抑制效果，否则，抑爆介质的喷射仅会推迟爆炸进程，并不能弱化爆炸强度。

(2)触发时刻一定时，抑爆介质喷射量低于临界值，不能降低爆炸强度，超过临界值，对爆炸抑制效果也不能起到进一步改善作用。

(3)N2作为驱动超细ABC粉体的必要动力源，针对本文特定的充装比，其喷射过程对爆炸的强化作用十分显著，设定合理的超细ABC粉体充装冗余量为效克服措施之一。