阻火器性能和研究

阻火器由外壳、阻火芯及附属配件组成。其基本原理为淬熄，当火焰、热气体快速穿过阻火器时，通过阻火元件的孔壁向外释放热量，火焰、热气体在完全穿过阻火器之前充分冷却，实现阻火。其应用的场所包括可燃气体输送系统、可燃气体及液体储罐等等，安装在转运可燃气体的管道网中，防止在非正常条件下气体爆燃或爆轰火焰沿管道传播，但不影响气体通过，所以工业上期望获得较小流阻而能有效阻火的高性能阻火器。

阻火器分类方式有很多种，按阻火器结构分为金属网型、波纹型、平行板型、多孔板型等。较典型的分类方式是按可燃预混气体燃烧环境不同进行的，有以下3类：

(1)无约束空间爆燃过程。火焰在储罐或管道外燃烧，此时采用“管端型”阻燃阻火器，它安装在管道的顶端，作为放空通大气，阻止大气中火焰传入管道内。

(2)受限空间爆燃过程。火焰在管道中传播，起初以亚音速沿管道传播，此时使用“管线型”阻燃阻火器，它安装在管道线路上，其两侧与管道相接，用于阻止亚音速火焰从上游传入下游管道。

(3)爆轰过程。火焰以音速甚至超音速沿着管道传播，并伴随着冲击波，此时使用“管线型”阻爆轰阻火器，用于阻止超音速火焰通过。

目前，阻火结构能够使火焰淬熄的理论有两种，这在文献中有详细叙述。一种是热理论，火焰和器壁进行热量传递，降低了通过介质的温度;一种是连锁反应理论(器壁效应)，即火焰在结构表面上碰撞失去了自由基，从而燃烧反应停止，阻止了火焰传播。而对于阻火结构的压力波抑制理论则未见报道。

煤矿瓦斯爆炸时的火焰多以超音速传播，因此能用于煤矿的必须是上述第3种阻火结构，金属网结构和波纹结构就是其中的代表。

金属网结构是由具有一定目数和孔径的单层或多层的金属网重叠起来组成的，阻火效果取决于层数和目数。一般同一目数的金属网，随着层数增加，阻火效果也随之增加，但有一定限度。金属网目数过多或者层数过多，都会增加流体的阻力。因其体积小、重量轻、谇熄性能好，多层丝网结构成为了最常用的阻火结构，许多学者也致力于爆炸波在丝网结构中传播的研究。日本的北条英光、津田健等人曾对管内多层丝网结构的淬熄性能做过系统的研究，研究发现临界淬熄速度与金属丝网几何参数(体积空间率、丝网目数、金属丝直径等)之间有一定的关系，还发现丝网的淬熄性能与其材质无关。网孔结构对火焰的淬熄作用也可用热理论和连锁反应理论(器壁效应)两种理论来解释。王振成和小川辉繁就不同的火焰速度，用适合的金属网参数进行了研究，得出临界消焰速度和金属网形状参数系数(线径/孔宽)以及金属网层数之间的实验公式，指出金属网结构不仅有消焰性能，而且具有泄压作用。喻健良等人在前人基础上，研究了多层不锈钢丝网结构在内径为81mm、长度从1.4-2.9m可调的圆形管内对乙炔一空气爆炸火焰和压力波传播的影响，确定临界淬熄速度、临界淬熄压差是衡量某一抑爆结构淬熄性能的重要指标，首次提出临界淬熄量和临界淬熄压差的概念，得到了金属网的几何参数与临界淬熄速度、临界淬熄压差、淬熄量和最大超压值下降比率之间关系的经验公式。此研究未能确定火焰发生淬熄的原因究竟是热理论还是连锁反应理论(器壁效应)，依据实验数据得到的经验公式以及火焰淬熄和压力波抑制方面的一些结论都是基于对40目和60目2种不锈钢丝网而言的，不具普适性。

波纹型阻火器的阻火层由铝、铜、黄铜、不锈钢、铜镍合金等材料压制成的薄波纹板组成，如将一条波纹薄带与一条薄平板带绕在芯子上，则可形成小三角形的通道，即组成了波纹型阻火器。如图3所示是一种高效换热器，当火焰穿过三角形单元时，其前沿和阻火器内壁发生能量交换，把热量从燃烧着的气体中尽快移走，气体温度迅速降至安全水平(低于自燃点)，阻止装置某部位发生的爆炸或火灾传递到另一部位。其使用特点：有效截面大、流动阻力小、阻爆燃的范围比较大、阻火层易置换清洗;但制造技术要求高、成本较高;适用于石油储罐、油气系统及其他燃气输送系统的管道。

最具发展潜力的是波纹阻火器，生产时很容易变换其结构形状，达到有效淬熄火焰的目的，因此在没有找到完全新型结构之前它不失为一种良好的阻火结构。燃烧炉/火炬系统过程中用于抑爆的不锈钢波纹板阻火器盘，它由平滑和波纹钢带交替缠绕而成，二者间所形成的微小空隙即为介质或火焰的通道。图中空隙尺寸即为阻火盘标准化生产的重要参数。火焰一旦抵达阻火盘，即被切割成无数小块，通过火焰和钢带间的热传导作用，火焰被冷却、熄灭，达到灭火目的。根据阻火器的安装位置离火源的距离，即所谓管道长与直径比(L/D)，我们可选择阻爆轰型或者阻爆燃型阻火器。阻爆燃型阻火器适用于L/D<50，阻爆轰型阻火器则可安装在管道任何位置，无需顾及L/D值。朝向火焰的阻火盘上通常要安插一温度探测计，以探测可能发生在阻火盘上的稳定燃烧。

对于波纹结构(三角形孔)的研究，早在1963年K.N.Palmer和Tonkin就研究了丙烷空气爆燃火焰通过这种阻火结构时的淬熄规律，并给出了火焰传播速度与三角形孔径(体现在单位面积上三角形孔的数量)及淬熄长度的关系，并得到实验结果的支持。1972年Rogowski和Ames研究了波纹板阻火器表面的驻定火焰燃烧现象，即阻火器的耐烧实验，给出了在一定燃气流量下阻火芯表面温升与时间的关系。1997年周凯元等人基于丙烷一空气爆燃火焰在平行板狭缝中淬熄现象的理论研究结果，采用相似的实验装置对我国在20世纪80年代末期新研制的波纹板阻火器的阻火性能做了实验研究，并从理论模型研究中所得到的结论出发导出了正三角形波纹高h，波纹板阻火器的阻火芯厚度L与爆燃火焰速度的关系，给出了适用于ⅡA类可燃气与空气混合物爆燃火焰的阻火器参数计算公式。