趙依晗 李小萌 邊振華

（河北工程大學(xué)礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)越來越向復(fù)雜化發(fā)展，特別是近年來天然氣運(yùn)輸、石油化工、煤礦瓦斯管道運(yùn)輸多次發(fā)生燃燒爆炸事故，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000—2017年特別重大瓦斯爆炸事故共發(fā)生49起，死亡2 884人，受傷849人，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失80 373.53萬元［1］，給人們的生產(chǎn)生活帶來了極為嚴(yán)重的影響。并且往往由于在事故初期沒有有效控制事態(tài)的發(fā)展，從而導(dǎo)致更大的二次災(zāi)害發(fā)生，這充分說明了開展可燃?xì)怏w淬熄、抑爆及阻隔爆相關(guān)技術(shù)的研究具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。特別是多孔材料在衰減爆炸超壓以及淬熄爆炸火焰方面的應(yīng)用，可為可燃?xì)怏w的安全生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存的安全性，以及爆炸事故的防控與應(yīng)急處理提供重要的理論依據(jù)，也是未來發(fā)展的重要趨勢(shì)。

1 阻火器的應(yīng)用

早在20世紀(jì)初阻火器就已被應(yīng)用于各類煤炭化工企業(yè)，之后逐漸發(fā)展到石油工業(yè)中，又廣泛用于鐵路運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、水運(yùn)及化學(xué)工業(yè)等眾多行業(yè)。在石油工業(yè)中，阻火器應(yīng)用于易燃易爆的石油類儲(chǔ)罐進(jìn)出口以及石油氣體輸送管道等位置，一旦遇到明火、雷擊、靜電等狀況，管道內(nèi)氣體被引燃發(fā)生爆炸，加裝的阻火器可阻斷火焰的燃燒，避免對(duì)整個(gè)網(wǎng)管設(shè)備造成嚴(yán)重破壞。此外，阻火裝置還可以安裝在眾多場(chǎng)合以阻止火焰爆炸帶來的危害，例如氣體燃料輸運(yùn)的管道、干燥機(jī)的排氣部位、燃?xì)忮仩t的煙囪等部位［2］，同時(shí)阻火器也可以有效地阻止因內(nèi)外壓差而產(chǎn)生的回火現(xiàn)象。因此，針對(duì)不同場(chǎng)所選擇合適的阻火器并正確安裝在合理的位置，可以起到保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全的作用。

2 火焰在微通道中傳播與淬熄的研究現(xiàn)狀

2.1 火焰淬熄理論的研究發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)燃燒火焰在微小通道或者縫隙中傳播時(shí)，狹縫的間距或通道直徑足夠小時(shí)，火焰在通道或者狹縫中傳播一段距離后就會(huì)逐漸熄滅，這種現(xiàn)象稱為淬熄［2］。因此，對(duì)燃燒火焰淬熄原理的研究以及人為控制方法是阻止火焰在管道內(nèi)爆燃爆轟的重要研究?jī)?nèi)容。

現(xiàn)階段公認(rèn)的淬熄理論有2種，即冷壁效應(yīng)理論和器壁效應(yīng)理論［3］。在早期的淬熄研究中，通過觀察火焰能否通過阻火器狹縫通道的宏觀現(xiàn)象來判斷阻火器阻火性能的有效性。其后，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，提出了冷壁效應(yīng)和器壁效應(yīng)理論。傳熱理論即冷壁效應(yīng)，該理論認(rèn)為當(dāng)火焰進(jìn)入阻火結(jié)構(gòu)內(nèi)細(xì)小通道時(shí)，壁面散熱面積增大，火焰與器壁存在著持續(xù)的熱量傳遞，熱損失增大，火焰溫度不斷下降，當(dāng)溫度低至著火點(diǎn)以下即發(fā)生火焰淬熄，此時(shí)的溫度為淬熄溫度。連鎖反應(yīng)理論即器壁效應(yīng)，火焰進(jìn)入阻火結(jié)構(gòu)后，通道尺寸減小，自由基與通道壁的碰撞幾率增大，因而與壁面發(fā)生碰撞而銷毀的自由基數(shù)量變多，參加反應(yīng)的自由基減少。當(dāng)狹小器壁消滅的自由基數(shù)目大于參與反應(yīng)的自由基生成數(shù)目時(shí)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不再進(jìn)行，火焰開始熄滅［2］。其中，冷壁效應(yīng)利用能量平衡的觀點(diǎn)來描述火焰的淬熄現(xiàn)象，并解釋了平行板間淬熄的二維問題。器壁效應(yīng)解釋了狹小器壁消滅自由基數(shù)目與參與反應(yīng)自由基生成數(shù)目之間的關(guān)系，為火焰熄滅提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際上在阻火淬熄過程中二者是同時(shí)存在、相互作用的。當(dāng)火焰進(jìn)入狹縫后，熱傳導(dǎo)起主要作用，火焰溫度開始降低，隨著溫度的不斷降低火焰內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)能量也隨之降低，自由基的消耗速度大于產(chǎn)生速度，由此火焰開始熄滅，因此這是兩種理論耦合作用的結(jié)果。

2.2 火焰淬熄的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)展現(xiàn)狀

在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，關(guān)于阻火器相關(guān)的技術(shù)專利處于壟斷狀態(tài)，相關(guān)的研究體系、技術(shù)規(guī)范也較為完備。國(guó)內(nèi)對(duì)阻火器的研究始于20世紀(jì)末，雖起步較晚，但近年來在阻火結(jié)構(gòu)的研發(fā)以及阻火性能的研究等方面也取得了一定的成果。主要的阻火結(jié)構(gòu)可概括為以下幾種：絲網(wǎng)型、波紋板型、平行板型、圓管型、多孔板型、液封型、泡沫金屬、金屬蜂窩結(jié)構(gòu)等［4］。

絲網(wǎng)型阻火器是由具有一定目數(shù)和孔徑的金屬絲網(wǎng)擠壓疊加組合而成的一種阻火結(jié)構(gòu)，該材料的阻火效果隨著絲網(wǎng)層數(shù)的增多和目數(shù)的減小會(huì)有所提升，但也在一定程度上阻礙了管內(nèi)氣體的流通，導(dǎo)致壓力上升。JIN K等［5］探究了預(yù)混氫氣-空氣可燃?xì)怏w在密閉管道內(nèi)多層金屬絲網(wǎng)對(duì)其火焰?zhèn)鞑ヒ种频膶?shí)驗(yàn)，結(jié)果表明多層金屬絲網(wǎng)對(duì)管道內(nèi)部最大壓力、最大聲波都具有明顯的抑制降低作用。波紋板型的阻火芯由不同尺寸的波紋帶和平板相互疊加、交替卷曲而制成，由此產(chǎn)生的狹窄通道截面為三角形，具有良好的淬滅火焰效果，理論上可阻止高速火焰的傳播。波紋板高度越小、阻火單元厚度越厚，火焰越易發(fā)生淬熄，并且阻火器不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械損傷。平行板型形式的阻火結(jié)構(gòu)由若干緊密間隔的金屬平板平行堆疊而成，結(jié)構(gòu)抗沖擊穩(wěn)定性強(qiáng)，火焰通過平板之間的狹窄縫隙可使其熄滅。MAHLIYHANNAN A M等［6］利用電火花點(diǎn)燃一定當(dāng)量比的預(yù)混燃料-空氣可燃?xì)怏w，阻火結(jié)構(gòu)為淬火絲網(wǎng)和平行鋁板，實(shí)驗(yàn)表明低速層流火焰的淬熄長(zhǎng)度為1.3~1.5 mm，湍流狀態(tài)的火焰淬熄距離為2~2.5 mm，此時(shí)淬熄距離與可燃?xì)怏w和當(dāng)量比有關(guān)。

陳鵬等［7］構(gòu)建了一套針對(duì)多孔泡沫金屬板對(duì)管道內(nèi)爆燃火焰的抑制系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)隨著孔隙密度的增加火焰速度顯著下降，當(dāng)無法達(dá)到可燃?xì)怏w的燃燒條件時(shí)就會(huì)發(fā)生淬熄。孫少辰［8］自主搭建了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，觀測(cè)阻火層孔隙率和厚度對(duì)阻火性能的影響，得出阻火層孔隙率的降低提升了阻火性能但會(huì)對(duì)管道前端造成壓力增大的結(jié)論。

綜上，眾多學(xué)者利用實(shí)驗(yàn)觀察手段分析了各類阻火結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)混火焰淬熄效果的影響，通過改變阻火器參數(shù)，燃料種類、溫度、壓力等初始條件影響因素，發(fā)現(xiàn)阻火器對(duì)火焰的淬熄影響效果顯著，這為阻火器在實(shí)際應(yīng)用方面的設(shè)計(jì)及研究工作提供了有力的理論依據(jù)。

2.3 火焰淬熄的數(shù)值模擬研究發(fā)展現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的學(xué)者不僅使用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究，還利用流體仿真軟件來模擬復(fù)雜流體的實(shí)驗(yàn)發(fā)展過程，通過建立二維、三維模型來提前驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可行性，在一定程度上緩解了實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本高昂的問題，同時(shí)模擬計(jì)算出的結(jié)果也可與實(shí)驗(yàn)的真實(shí)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證。

KAKUTKINA N A等［9］對(duì)管道型多孔元件的燒穿進(jìn)行了數(shù)值分析，得出增加多孔元件的長(zhǎng)度或者減小通道直徑、孔隙率，可確保阻火器不會(huì)被燒穿。喻健良、胡春明、李江濤等學(xué)者［10-12］利用數(shù)值模擬做了一系列的分析研究，分別對(duì)絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)、微型圓管、平板狹縫內(nèi)的淬熄進(jìn)行二維、三維數(shù)值模擬研究，模擬均表明：孔徑尺寸、火焰速度、可燃?xì)怏w溫度的增加均加大了淬熄的難度，而初始溫度對(duì)淬熄效果的影響較小。

王曉東等［13］運(yùn)用FLUENT對(duì)甲烷火焰爆轟壓力和速度與殼體結(jié)構(gòu)之間的參數(shù)影響關(guān)系進(jìn)行了研究，通過改變阻火器殼體內(nèi)徑和阻火芯孔隙率建立二維幾何模型，得到了二者之間的變化規(guī)律。孫少辰等［14］應(yīng)用二維軸對(duì)稱模型對(duì)乙烯-空氣預(yù)混火焰在波紋管道阻火器中的傳播與淬熄進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出的結(jié)論有：火焰初期為球狀火焰，隨著時(shí)間的發(fā)展逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝艚鹣恪睜罨鹧?，隨后反轉(zhuǎn)呈現(xiàn)“指尖”狀，同時(shí)火焰鋒面的曲率減??；阻火單元的孔隙率和厚度對(duì)爆燃火焰的傳播具有顯著的抑制作用。程方明等［15］通過三維數(shù)值模擬，采用大渦模型對(duì)金屬絲網(wǎng)在甲烷-空氣預(yù)混氣體管道內(nèi)淬熄的影響進(jìn)行了分析，金屬絲網(wǎng)對(duì)火焰溫度具有衰減作用，且絲網(wǎng)目數(shù)越大，火焰熱量擴(kuò)散越快，衰減越大，淬熄的效果越好。

總的來說，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)代替實(shí)驗(yàn)工作在一定程度上為科學(xué)研究提供了更多的可能性，目前針對(duì)火焰淬熄抑爆的模擬不足，且多為二維數(shù)值模擬，不足夠與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有效對(duì)照，無法提供足夠的理論參考依據(jù)。

3 火焰在微通道中傳播與淬熄的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 新型多孔材料

隨著國(guó)內(nèi)對(duì)火焰燃燒傳播以及隔爆機(jī)理的研究深入，試驗(yàn)裝置的完善創(chuàng)新，使得我國(guó)在阻火抑爆以及材料研發(fā)上取得了一定的成績(jī)。金屬絲網(wǎng)、泡沫金屬、泡沫陶瓷等多孔材料因其具有較小的體積和密度、比強(qiáng)度高、比表面積大以及阻尼性能較好的特性，且對(duì)爆炸火焰具有良好的分割淬熄作用，在工業(yè)防護(hù)及阻隔爆等研究領(lǐng)域廣受青睞，也引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

我國(guó)高校眾多學(xué)者在礦井阻隔爆技術(shù)方面對(duì)金屬絲網(wǎng)、泡沫陶瓷及二者疊加體在瓦斯爆炸阻隔方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了金屬絲網(wǎng)和泡沫陶瓷對(duì)火焰、爆炸超壓都具有一定的抑制效果，且在一定參數(shù)下，二者的組合體的衰減效果優(yōu)于各自單體［16-18］。但目前的研究?jī)?nèi)容還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，如由于受到管道長(zhǎng)徑比的限制，目前實(shí)驗(yàn)對(duì)象主要以低速燃燒火焰為主，火焰強(qiáng)度較弱，對(duì)高速爆燃火焰在多孔材料中的阻隔爆研究還比較匱乏；還有關(guān)于阻隔爆材料強(qiáng)度的研究也較少，目前多孔材料已被證實(shí)對(duì)爆炸火焰具有良好的淬熄作用，并且對(duì)可燃?xì)怏w爆炸超壓具有一定的減弱作用，但因其多孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，隨著孔隙密度的增加，材料強(qiáng)度也有所降低，因此多孔材料在實(shí)際應(yīng)用中是否會(huì)破碎失效也需進(jìn)一步深入地試驗(yàn)探究。

因此研究可燃?xì)怏w淬熄抑爆及阻隔爆相關(guān)技術(shù)，特別是在衰減爆炸超壓以及淬熄火焰方面的應(yīng)用［18］，可以為目前煤礦化工等安全生產(chǎn)領(lǐng)域的事故防控提供重要的理論依據(jù)。同時(shí)，研究不同種類多孔材料的不同抑爆特性及規(guī)律是當(dāng)前亟需探討的課題，也是目前工程應(yīng)用研究的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 復(fù)合協(xié)同抑制

大量學(xué)者研究表明，單一的淬熄抑爆方式，如添加超細(xì)水霧、多孔介質(zhì)以及惰性氣體對(duì)抑制火焰爆炸均具有一定效果，但常用的抑爆介質(zhì)也存在不足，如粉末粉體等介質(zhì)容易團(tuán)聚，會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，惰性氣體抑爆劑若要達(dá)到良好的效果要達(dá)到較高的濃度要求，而超細(xì)水霧則可能會(huì)出現(xiàn)“平臺(tái)效應(yīng)”。隨著研究的不斷拓寬，多種抑制方式結(jié)合的形式出現(xiàn)在了視野中，可針對(duì)單一方式的不足進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，為管道中預(yù)混火焰的淬熄抑爆提供新思路。

金凱強(qiáng)［19］首次揭示了CO2與金屬絲網(wǎng)耦合作用下對(duì)氫氣-空氣預(yù)混火焰在管道內(nèi)傳播的抑制作用，試驗(yàn)表明，CO2惰化稀釋和金屬絲網(wǎng)分解吸熱的抑制作用效果均優(yōu)于各自單體。關(guān)于氣液兩相協(xié)同抑爆，裴蓓［20］對(duì)管道內(nèi)預(yù)混甲烷-空氣爆炸進(jìn)行的研究表明：在超細(xì)水霧與He，Ar，CO2和N2等4種惰性氣體的協(xié)同抑制下，氣液兩相介質(zhì)對(duì)爆炸抑制效果具有明顯的協(xié)同增效作用，其中采用CO2和超細(xì)水霧的協(xié)同抑爆水平最好，N2次之，余下2種稀有氣體與超細(xì)水霧的協(xié)同抑爆效果相差不大。

上述討論證明，由于單一的抑爆劑或抑爆材料具有的不同性質(zhì)，抑爆效果都存在一定的不足且有上限，而把兩種方式有效地結(jié)合起來，可針對(duì)單一材料的缺陷彌補(bǔ)不足，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)形成正耦合。但這些結(jié)論也僅通過實(shí)驗(yàn)觀察等方法而進(jìn)行判斷，其作用機(jī)理尚未明確揭示，有待今后深入研究。因此對(duì)不同材料的組合、協(xié)同抑爆機(jī)理的揭示、研發(fā)新型高效環(huán)保抑爆劑等都將是未來對(duì)可燃?xì)怏w淬熄抑爆研究的重點(diǎn)和方向。

4 結(jié)論

國(guó)內(nèi)外大量的學(xué)者對(duì)可燃?xì)怏w的淬熄抑爆進(jìn)行了理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究，綜上所述本文得出的結(jié)論主要有：

1）火焰淬熄是冷壁效應(yīng)和器壁效應(yīng)共同作用的結(jié)果，但無論是實(shí)驗(yàn)研究還是數(shù)值模擬中都忽略了對(duì)二者的區(qū)分，并且目前仍有許多工程采用單一的傳熱理論作為設(shè)計(jì)阻火器的理論依據(jù)，因此對(duì)淬熄機(jī)理方面需更加深層次的研究。

2）火焰的淬熄作用受多種因素的共同影響，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究主要是對(duì)預(yù)混火焰在平板狹縫、絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)、波紋型等微小通道傳播與淬熄的研究，表明淬熄直徑越大、火焰初始速度越大、管壁初始溫度越高，所需的淬熄長(zhǎng)度就越大等規(guī)律。

3）利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)可建立預(yù)混火焰在微通道中二維、三維模型，模擬獲得淬熄長(zhǎng)度與火焰速度、狹縫間距、壁面溫度等因素之間的關(guān)系，與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效對(duì)照，為淬熄的理論發(fā)展提供理論依據(jù)。目前我國(guó)大多數(shù)為數(shù)值模擬局限于二維模型，但在工業(yè)生產(chǎn)中許多類型的阻火結(jié)構(gòu)不能簡(jiǎn)單地化簡(jiǎn)成二維情況，例如波紋型阻火器，因此在日后的研究工作中對(duì)三維數(shù)值模擬需重視起來。

4）結(jié)合目前可燃?xì)怏w淬熄、抑爆及阻隔爆相關(guān)技術(shù)的研究發(fā)展趨勢(shì)，尋求適用于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的新型多孔材料、多相復(fù)合協(xié)同作用方式及其作用機(jī)理都是未來研究的重點(diǎn)方向。