抑爆系统

抑爆系统（共6篇）

抑爆系统 篇1

易燃易爆粉尘的收集处理是工业通风除尘工作的难点, 从业人员不仅要具有较为全面扎实的业务知识, 还要有高度严谨的负责态度, 两者缺一不可。什么是易燃易爆的粉尘?现场工作人员必须对自己处理的物料有清楚的认识, 可通过资料查询也可参考文献, 关键要深入了解实际产生粉尘的工艺流程, 对扬尘尘体的物化性质给出精准定义, 才能准确无误地进行除尘系统的设计、设备的选型以及制造应用。

金属加工中产生的粉尘可能引起燃烧甚至爆炸。燃烧与爆炸的概念有所不同。燃烧是指可燃物与氧化剂作用发生的放热反应, 通常伴有火焰、发光、发烟的现象。物质燃烧需要同时具备3个要素, 即可燃物质、助燃物质和起火源, 缺其中一种因素均不可能造成燃烧现象。比如, 在等离子切割和激光切割一些合金板材过程中, 所产生的烟尘具有可燃性, 无处不在的氧气是助燃物质, 这时环境中一旦出现明火、电火花, 甚至摩擦、撞击产生的火花及发热, 以及造成自燃起火的氧化热等物理化学因素都能成为起火源。要采取措施使三要素不同时存在, 应用高效除尘器装置收集和控制可燃物, 减少或隔绝空气进入除尘工艺系统, 防止和消除起火源, 实现防火救灾目的。

然而这种理想的措施和状态, 往往会因设备管理不当或者误操作而遭到破坏, 引起不可预计的失火灾害。火花探测及熄灭系统是降低这种损害的一个方法。其工作原理是:检测到除尘器内最初期有火花出现, 通过探测器迅速发出报警, 自动或由人工开启灭火剂喷射系统, 将可能发生的火灾结束在萌发状态, 以达到火灾预防作用, 减少不必要的损失, 避免进一步爆炸发生的风险。火花熄灭过程完成后, 需要对集尘器设备进行清理和修复, 方能再次投入生产。

火花探测器安装在设备壁上, 连接控制器, 收到探测信号后将迅速触发报警, 指示熄灭系统在集尘器内喷射灭火介质, 如喷水、喷氮气或者喷二氧化碳气体, 及时熄灭火花、火焰或灰烬等燃烧体。需要注意的是对收集的如铝粉等特殊性质粉尘的集尘器, 不能采用喷水。若喷水会有强氧化放热反应并且助燃, 只能喷氮气、二氧化碳或其他有选择的惰性气体进行熄灭。

在一些金属部件打磨、抛光和拉丝等工艺生产中, 所产生的粉尘量有时会很大, 其环境污染不但对劳动者的身体健康造成威胁, 更会产生爆炸引起人身安全的隐患。近几年发生的此类燃爆人身伤亡事故, 不得不引起社会各界关注, 爆炸所产生的后果比起大火燃烧来的更猛烈, 损伤更惨重。爆炸是能量 (物理能或化学能) 在瞬间迅速释放或急剧转化成机械功和其他能量的现象, 具有以下特征:爆炸过程进行得很快;爆炸点附近压力急剧升高, 多数爆炸伴有温度升高;周围介质在压力作用下产生振动或受到机械破坏;由于介质振动而产生声响。其中, 压力急剧升高是爆炸现象的最主要特征。发生粉尘爆炸的首要条件是粉尘本身可燃爆, 即能与空气中的氧气发生氧化反应, 如煤尘、铝粉、金属合金粉、面粉和棉絮尘等;其次是悬浮在空气中的粉尘达到一定浓度 (超过其爆炸下限) , 粉尘呈悬浮状才能保证表面与空气 (氧气) 充足接触, 堆积粉尘一般不会发生爆炸;最后要有足够引起粉尘爆炸的起始能量。只要同时具备上述几个条件, 就会导致粉尘爆炸。

粉尘的爆炸性指数 (Kst) 值是通风除尘工程设计的主要依据之一, 同时要明确能够引起爆炸的最低浓度, 即爆炸下限。一般来讲, 粉尘粒径越小, 爆炸下限越低;氧浓度越高, 爆炸下限越低;可燃挥发份含量越高, 粉尘爆炸下限越低。通风除尘设备及管内的此类物质浓度应该控制在其爆炸下限值的50%以下, 通过减小爆炸的影响, 使余压低于过程设备的承压安全水平, 最大爆炸压力 (Pmax) 通常高于100 psi (0.6895 MPa) , 设定余压值 (Pred) 通常低于3 psi (0.020955MPa) 。粉尘燃爆炸指数 (Kst) 是指在1 m3密闭容器内, 粉尘爆炸试验中最大爆炸压力上升速率与容器容积的立方根的乘积一常数, 用来表明粉尘爆燃的剧烈程度和危险性, Kst值越大危险性越高。

针对除尘器或通风管道内可能出现的粉尘爆炸, 采取爆炸抑制和化学隔离系统是目前较为行之有效的措施。爆炸抑制的设计原理:检测到爆炸起始的早期征兆, 通过迅速喷射化学灭火剂至正在发展的火球中, 以完全结束燃烧的苗头而达到预防燃爆的作用。抑制过程完成后, 可以进行快速清理, 允许生产再次进行。爆炸抑制系统包括一个精确的传感器, 将检测到爆炸初始阶段的压力波传导, 其设计应该预防由于震动或其他非爆炸压力波事件而引起的误启动。传感器形成的一个电气信号启动安装在设备表面的“灭火炮”, 直接喷射食品级的Na HCO3灭火剂到设备中。灭火剂通过喷嘴进行有效喷洒, 熄灭还没有形成爆燃的火源。根据除尘器的使用条件, 该系统通常限制压力在0.2 bar (0.02 MPa) 以内。研究表明, 一个没有保护的粉尘爆炸通常可以在0.25 s内达到最低8 bar (0.8 MPa) 的压力, 不同易燃粉尘的压力值有所不同。

除尘器防爆燃的最简便常见的方法之一是采用泄爆膜片, 其设计考虑因素包括设备安装的环境, 泄爆口的方向, 除尘器壳体及其管道的耐压强度等。优势是成本较低, 安装容易, 不需要日常维护和监测;缺点是泄爆膜片将会完全爆开并损毁, 需要更换新的配件和修复, 局部爆炸后的设备内部及周边环境要做清扫, 并且不能应对已形成火球的消防熄灭。泄爆膜片的强度和尺寸与不同类型的除尘器相匹配的设计计算很关键, 可避免造成频繁泄爆动作, 或泄爆动作滞后而延误施救。

此外, 有些防爆要求特别严格的工况, 比如在合金部件打磨和金属件热喷涂工艺生产中, 还会采取机械隔爆和化学抑爆结合应用, 在化学抑爆的同时机械隔爆阀分段及时关闭, 切断火势外延的可能。除尘器或管道内聚集的粉尘, 往往被初次爆炸充分扬起, 引发新的“二次爆炸”。由于这时的悬浮扬尘浓度更高, 二次爆炸比一次爆炸更具有破坏性和杀伤力, 许多事故中发生的伤亡事件几乎是由二次爆炸造成的, 因此对二次爆炸的预防尤为重要, 措施和手段应迅速可靠。

图1中, 采取了化学熄灭与机械隔爆阀联动应用方式, 同时还在除尘器本体上加装了泄爆膜片, 是否每个点都需要值得商榷。化学熄灭炮和机械隔爆阀均需要精确可靠的专业检测仪变送信号的控制触发, 系统响应速度是最基本要求。

在考虑通风除尘系统消防抑爆的时候, 还有其他方面应加以探究, 比如风机电机和电气控制的防爆要求, 滤料的阻燃能力及防静电性能, 除尘器接地导通问题, 入风口火花扑集器的形式等, 必要的话必须到位不能疏漏。通风除尘系统的吸罩和管道等周边设备也要科学合理, 正确设计、制作和安装, 调试运行达标后才可投入生产。

需要强调的是, 在正确设计选型和安装通风除尘系统的防爆抑爆设施后, 生产运营管理的水平也要随之提高, 保持工作现场环境清洁, 随时彻底清除加工中所产生的易燃易爆粉尘, 力争从源头上降低爆燃几率。

对可燃性粉尘爆炸的防爆设备历来都有法律法规严格规范。如美国国家消防协会 (NFPA) 在爆炸的保护和预防上制定了一系列标准;ATEX防爆指令是欧洲普遍采用的相应标准, 规定了在有爆炸性环境的设备需要做到的技术要求, 只有获得ATEX认证后, 方可在这些国家销售和使用防爆设备。我国也有健全的国家标准和规范, 例如GB 15577—2007《粉尘防爆安全规程》、GB/T 15605—2008《粉尘爆炸泄压指南》、GB/T 17919—2008《粉尘爆炸危险场所用收尘器防爆导则》等。

抑爆系统 篇2

1 防爆、抑爆产品

根据控制爆炸的原理不同, 防爆抑爆产品分为泄爆、抑爆及隔爆3类。防爆、抑爆产品具体分类, 如图1所示。

针对不同工业场所, 将防爆、抑爆产品分类, 如表1所示。

2 抑爆系统有效性评价标准对比研究

抑爆系统有效性评价常用的标准包括:GB/T 25445《抑制爆炸系统》、ISO 6184.4《抑爆系统第4部分:抑爆系统效率的测定》及EN 14373《抑爆系统》。GB/T25445-2010《抑制爆炸系统》参照EN 14373:2005《抑制爆炸系统》制定, 在技术内容上等同采用该标准。ISO6184.4-1985《抑爆系统第4部分:抑爆系统效率的测定》由ISO/TC21设备防火和灭火技术委员会起草。笔者将对GB 25445-2010及ISO 6184.4-1985的异同点进行对比。

2.1 标准相同点

GB 25445-2010及ISO 6184.4-1985的相同点, 如表2所示。两标准均规定了抑爆系统有效性的评估方法, 并为应用于爆炸抑制效果试验的替代设备及安全操作模式提供了依据。两标准均指出影响抑爆系统有效性的参数包括爆炸危害、抑爆剂、抑爆系统三大方面。

2.2 标准不同点

GB 25445-2010及ISO 6184.4-1985的不同点包括以下几个方面:基于的标准文件、应用领域、验证抑爆系统有效性的目标参数、设备及方法等。

(1) GB 25445基于GB/T 16425《粉尘云爆炸下限浓度测定方法》 (参照IEC 31H13号文件第2部分第四篇、20L球) 、GB/T 16426《粉尘云最大爆炸压力和最大压力上升速率测定方法》 (ISO 6184.1) 、EN 13673-1《测定气体和蒸气最大爆炸压力和最大爆炸升压的方法第1部分:最大爆炸压力的测定方法》、EN 13673-2《测定气体和蒸气最大爆炸压力和最大爆炸升压的方法第2部分:最大爆炸压力升高速率的测定》等文件;ISO 6184.4基于ISO 6184.1《抑爆系统第1部分:空气中可燃粉尘爆炸指数的测定》、ISO 6184.2《抑爆系统第2部分:空气中易燃气体爆炸指数的测定》、ISO 6184.3《抑爆系统第3部分:除粉尘/空气和气体/空气混合物以外的燃料/空气混合物爆炸指数的测定》标准部分。

20L球爆炸测试装置和1m3爆炸测试装置都是国际上通用的爆炸性参数测试装置, 其测试程序及机理大致相同。ISO 6184标准系列测定可燃气体参数的设备为1m3爆炸测试装置, 而GB 25445基于的文件测定可燃气体参数的设备包括1m3爆炸测试装置及20L球爆炸测试装置。

(2) GB 25445及ISO 6184.4标准适用范围有所不同。GB 25445适用于密封或固有密封外壳的抑爆系统;ISO 6184.4适用于封闭或基本封闭容器内的抑爆系统。

GB 25445不适用于下列材料或含有下列物质的混合物的爆炸:不稳定、易分解的物质;爆炸性物质;烟火材料;可产生烟火的材料。ISO 6184.4除了不适用于GB25445规定的不适用的范围外, 还不适用于装有蒸汽、压缩气体、液化气体或不稳定的反应物的系统或超压装置;防止放热分解或者聚热反应的系统或装置;应用于管道或矿井管廊的抑爆系统;防止爆炸性混合物点火的系统或装置。

(3) GB 25445标准对特殊应用的抑爆装置进行了说明, 并提出应通过试验验证其功效, 但未说明具体试验设备、流程等。其中特殊应用的抑爆装置包括:具有泄放装置的抑制;具有抑制装置的泄放;降低氧浓度的抑制;部分容积;隔离的容积;阻碍容积。ISO 6184.4标准规定“针对特定危害的抑爆系统应用的验证需要进一步的测试工作及/或理论评价。主要的解释和应用应当由防爆领域经验丰富的专家来进行。”此标准还规定了爆炸参数与标准测试程序具有显著不同的抑爆系统种类, 并规定其设计应由防爆领域的专家完成。

(4) GB 25445及ISO 6184.4标准规定的验证抑爆系统有效性的方法在目标、设备、方法三方面均有不同。GB 25445标准中验证抑爆系统有效性的方法的目标是从设计抑爆系统角度阐述:降低的爆炸应力应小于被保护设备最薄弱部件的已知抗压能力;并由最大降低的爆炸压力 (pred, max) 确定抑爆系统的效率;ISO 6184.4中验证抑爆系统有效性的方法的目标是pred小于此系统应用的工业装置的最小设计强度, 而未提pred, max概念。

GB 25445及ISO 6184.4均未详细规定验证抑爆系统有效性设备的尺寸设计等内容, 仅规定了设备的长度与直径之比。相比较而言, ISO 6184.4规定得更为详细:一是指出了试验设备应能确定抑制爆炸结果, 并且此结果与1m3标准试验结果相符;二是规定了1m3试验装置适用于哪种类型的抑爆系统的有效性测试。

GB 25445标准规定在验证抑爆系统有效性的过程中应独立改变以下变量:燃料浓度变化C;最大爆炸常量Kmax;触发压力pa;HRD数量;分撒剂压力ps;ISO 6184.4标准规定在验证抑爆系统有效性的过程中应独立改变以下变量:爆炸常量K;触发压力pa;HRD数量。GB25445标准还规定应研究容积对抑爆系统功效的影响 (长条型外壳、管道) , 但只介绍了注意事项, 未说明试验设备及具体试验流程。另外, GB 25445标准还规定了生产商利用系统设计指南预测特定应用中对抑爆系统的技术要求, 并应通过在实际使用的外壳尺寸范围内进行试验验证;GB 25445标准阐述了常见设计指南的图表形式及数学模型形式。

(5) GB 25445及ISO 6184.4标准均为应用于爆炸抑制效果试验的替代设备及安全操作模式提供了依据, 而ISO 6184.4还提出应证明此替代设备给出的结果与本标准的结果相符。

2.3 GB/T 18154与GB 25445的对比

GB/T 18154-2000《监控式抑爆装置技术要求》适用于工业生产流程中抑制可燃粉尘燃烧与爆炸的各种型式的监控式抑爆装置的设计与制造。与GB 25445相比, GB/T 18154对管道、设备内用监控式抑爆装置的抑爆性能试验的试验条件 (抑爆剂用量、爆炸试验罐、点火源、爆炸粉尘) 进行了详细介绍, 但此标准中的试验步骤与GB25445中抑爆系统性能评价的试验程序、试验测试参数不同。GB/T 18154仅对安装监控式抑爆装置前后爆炸影响进行试验, 测试参数仅包括火焰传播速度/距离、爆炸压力。而GB25445中抑爆系统性能评价的试验过程中需要单独改变燃料浓度变化C、最大爆炸常量Kmax、触发压力pa、HRD数量、分撒剂压力ps变量, 测试参数为pred, max。相比较而言, GB 25445的测试方法更为严谨、科学。

3 结论与展望

调研了工业抑爆场所常用的防爆、抑爆产品, 并按产品的类型及应用场所进行了分类;针对抑爆系统有效性评价方法对GB 25445、ISO 6184.4、GB/T 18154的异同点进行了对比。得出以下结论:

(1) 根据防爆原理及应用场合防爆、抑爆产品的分类见图1及表1。

(2) 抑爆系统有效性评价暂无统一的设备尺寸及设计要点, 但抑爆系统有效性评价方法的目标、程序和方法较为明晰。

(3) GB 25445-2010及ISO 6184.4-1985的相同点包括以下两个方面:标准范围、影响抑爆系统有效性的参数;GB 25445-2010及ISO 6184.4-1985的不同点包括:基于的标准文件、应用领域、验证抑爆系统有效性的目标参数、设备及方法等。

(4) 抑爆系统有效性评价方法均基于国际上通用的爆炸性参数测试装置:20L球爆炸测试装置和1m3爆炸测试装置。

(5) GB 25445标准中验证抑爆系统有效性的方法的目标更为合理。

(6) GB 25445及ISO 6184.4均未详细规定验证抑爆系统有效性设备的尺寸设计等, 仅规定了设备的长度与直径之比。相比较而言, ISO 6184.4规定得更为详细。

(7) GB 25445是从设计抑爆系统的角度来阐述验证抑爆系统有效性的方法, 导致验证抑爆系统有效性时适用性较差;ISO 6184.4阐述验证抑爆系统有效性的方法时思路明晰, 以1m3爆炸测试装置为标准贯穿始终。

(8) GB/T 18154针对具体类型的抑爆系统的有效性评价, 规定了详细的抑爆性能试验的试验条件, 但此标准中的试验步骤与GB 25445中抑爆系统性能评价的试验程序、试验测试参数不同。比较而言, GB 25445的测试方法更为严谨、科学。

由于现行标准抑爆系统有效性评价暂无统一的设备尺寸及设计要点, 导致标准的适用性较差, 亟需完善抑爆系统有效性评价的相关标准, 并设计合理实用的抑爆系统有效性检测设备。在完善抑爆系统有效性评价相关标准及设计合理实用的抑爆系统有效性检测设备过程应以GB 25445、ISO 6184.4、EN 14373、GB/T 18154等标准为基础。

摘要：调研工业抑爆场所常用的防爆、抑爆产品, 并按产品的类型及应用场所分类。对比GB 25445《抑制爆炸系统》及ISO 6184.4《抑爆系统第4部分:抑爆系统效率的测定》, 得出以下结论:抑爆系统有效性检测暂无统一的设备尺寸及设计要点, 但抑爆系统有效性评价方法的目标、程序和方法较为明晰;GB 25445中验证抑爆系统有效性方法的目标更为合理;ISO6184.4中针对验证抑爆系统有效性设备的规定更为详细;总体而言, GB 25445从设计抑爆系统的角度来阐述验证抑爆系统有效性的方法, 导致适用性较差;ISO 6184.4阐述验证抑爆系统有效性的方法时思路明晰, 以1m3爆炸测试装置为标准贯穿始终。

关键词：粉尘爆炸,抑爆系统,有效性评价

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ZYBG矿用管道抑爆装置 篇3

ZYBG矿用管道抑爆装置由天地 (常州) 自动化股份有限公司研制推出, 可用于有气体和粉尘爆炸危险的场所。该装置主要由火焰传感器、控制器、抑爆器、直流稳压电源、连接电缆及接线盒组成。当出现火源 (如摩擦火花、撞击火花、静电火花、电气火花、内因火灾、外因火灾等) 或发生爆炸事故时, 由火焰传感器及时探测到火源或爆炸火焰信号, 通过控制器在毫秒时间内启动抑爆器, 抑爆器瞬间产生的高压气流将ABC干粉在极短的时间内向外喷射, 形成物理屏障, 抑制爆炸产生的火焰, 阻止燃烧, 进而扑灭火焰, 将爆炸抑制在始发阶段, 从而起到阻断爆炸范围进一步扩大的作用。

该装置具有以下特点:反应速度快, 形成有效雾障的时间≤120 ms;灭火效率高;无毒, 无腐蚀性, 符合环保要求;可在线监测设备工作状态;可与煤矿监控系统联网, 具备状态监控、通信及远程报警功能。

二氧化碳抑爆性能实验研究 篇4

1实验装置和测试条件

1.1实验装置

采用HY12474型爆炸极限测试装置, 反应管用硬质玻璃制成, 管长 (1 400±50) mm, 管内径 (60±5) mm, 管壁厚度不小于2 mm, 管底部装有通径不小于25 mm的泄压阀。该系统主要由四部分组成:爆炸反应器、配气系统点火系统和测量系统, 爆炸极限装置原理见图1所示。

1. 安全塞;2.反应管;3.电磁阀;4.真空泵;5.干燥瓶;6.放电电极;7. 电压互感器;8.泄压电磁阀;9.搅拌泵;10.压力测量系统

1.2测试条件

点火能:50 W× (0.04～0.1 s) ;温度:爆炸前初始温度 (25±3) ℃;压强:爆炸前初始压强p0=100～136 kPa (绝对压力) 。反应器密闭, 混合气体静止, 无紊流。

2 实验研究

2.1 纯氧环境中甲烷爆炸极限的测定

根据国家标准GB/T 12474-2008《空气中可燃气体爆炸极限测定方法》, 甲烷在纯氧中爆炸极限为 (5.0%, 60.0%) , 与理论值 (5.4%, 59.2%) 基本相符。

2.2 纯氧环境中CO2抑爆实验研究

2.2.1 实验现象

在甲烷中逐步注入CO2, 点火, 明显观测到爆炸声音逐渐减小, 爆炸火焰由亮白色逐渐变成淡蓝色, 以甲烷体积分数为8%点为例, 具体实验现象如表1所示, 表中CO2值为压力传感器的测量值。

2.2.2 实验结果

实验时真空度为600 Pa, 向爆炸管道中通入纯氧气, 然后通入甲烷, 以不同体积分数的CO2气体抑爆, 各气体的体积分数实验结果如表2。

根据表2绘制爆炸三角形, 如图2所示。

由图2可以看出, 在纯氧环境中实验得到CO2抑爆三角形ABC, 三角形的三个顶点分别为 (5%, 95%) , (60%, 40%) , (8%, 14%) 。△ABC内为可爆区域, 即三角形内部任何一点都会发生爆炸。点A、B为纯氧环境中未通入CO2时的爆炸上、下限;随着CO2体积分数增加, 甲烷爆炸下限上升, 爆炸上限下降, 爆炸极限范围迅速缩小, 其中上限上升幅度不大, 而下限急剧下降。就惰性气体含量对爆炸极限的影响程度来说, 对爆炸上限的影响比较显著, 对爆炸下限的影响相对较小。当CO2体积分数大于78%时, 爆炸上下限相交于点C, 即爆炸极限临界点 (8%, 14%) , 超过此点混合气体即退出爆炸范围, 无论怎样改变该甲烷和氧气的比例, 都不会形成爆炸气体, 临界氧体积分数为14%, 即如果加入的CO2能使可燃性气体的O2体积分数在临界值以下, 无论可燃性气体与CO2含量如何变化, 都不会爆炸。

2.3 纯氧环境中N2抑爆实验研究

在真空度为600 Pa下, 爆炸实验管道中通入纯氧, 然后通入甲烷, 以不同体积分数的N2抑爆, 得到N2抑爆三角形。

2.3.1 实验现象

以甲烷体积分数为8%点为例, 实验现象如表3。其中氮气值为压力传感器的测量值。随着N2的逐渐通入, 爆炸声音强度及火焰亮度都逐渐下降。

从实验现象来看, N2的抑爆效果没有CO2明显。

2.3.2 实验结果

实验时真空度为600 Pa, 向爆炸实验管道中通入纯氧气, 然后通入甲烷, 以不同体积分数的氮气抑爆, 各气体的体积分数实验结果见表4。

由表4绘制爆炸三角形, 见图3所示。可以看出, 三角形的三个顶点分别为 (5%, 95%) 、 (60%, 40%) 、 (7%, 10%) , 临界氧气体积分数为10.2%。随着N2体积分数的增加, 甲烷爆炸下限上升, 爆炸上限迅速下降, 爆炸极限范围迅速缩小, 其中上限上升幅度不大, 而下限急剧下降, 与CO2抑爆三角形相似。N2抑爆体积分数临界点为82.8%, 比CO2高。

3 结果讨论

3.1 CO2惰性分析

(1) 根据气体爆炸三要素, 混合气体中的氧气体积分数减少, 会导致爆炸极限发生变化。通入CO2后, 减少了可燃物质分子和氧分子作用的机会, 同时使可燃物组分同氧隔离, 当活化分子碰撞惰化介质时, 会使活化分子失去活化能而不能反应;

(2) 爆炸反应中当放出的热量大于散失的热量时, 反应才能继续进行, CO2比热容为0.831 kJ/ (kg·℃) , 可以大量吸收反应放出的热量, 使热量不能聚集, 温度降低, 甲烷氧化反应速率减小, 从而实现对燃烧反应的抑制, 阻止爆炸发生;

(3) 根据链式反应理论, 在爆炸下限附近向管道内充入CO2, 减少了单位体积内的甲烷分子, 从而不能产生足够的自由基, 使反应链的数目减少, 在一定的环境压力和温度下, 当甲烷体积分数小于爆炸下限时, 氧化反应的速率很低, 不能爆炸;在爆炸上限附近, 使反应中的氧气体积分数减小, 自由基减少, 反应速率降低;

(4) 根据三体理论, 向管道内充入CO2, 作为第三体参与链式反应中的三元碰撞。链式反应中的活化自由基或自由原子的能量转移到CO2上, 使其失去活性, 导致燃烧反应中断, 抑制了爆炸能量的传播。

3.2 纯氧环境中CO2与N2抑爆性能比较

将实验所得CO2抑爆三角形与N2抑爆三角形放在同一个坐标系下, 见图4所示。

纯氧环境中, 排除了CO2和空气中的N2可能存在的协同效应。在爆炸下限附近, 氧气充足, 惰性气体主要起稀释冷却作用, 在爆炸上限附近, 氧气体积分数刚好满足甲烷气体反应, 惰性气体主要起到减少氧含量的作用。可以看出, CO2抑爆三角形的面积比N2抑爆三角形面积小, 并且CO2抑爆的临界氧含量也比N2抑爆的临界氧含量高, 即在氧气环境中, CO2的抑爆性能要优于N2, 具体原因分析如下:

(1) 甲烷与氧气反应方程式为:

CH4+2O2=CO2+H2O

增加CO2含量, 等于增加生成物的量, 根据化学平衡原理, 反应逆向进行, 从而一定程度上抑制燃烧和爆炸反应的速度, 阻止爆炸发生;而向管道内充入氮气则不能达到相应的效果;

(2) 甲烷爆炸反应为链式反应, 反应过程中出现undefined、undefined、undefined等活化基团, 一方面使稳定分子的化学形态转化为产物, 另一方面旧链载体消亡而生成新的链载体, 新的链载体又迅速参与反应。CO2的分子键能为531.4 kJ/mol, 吸收较少的能量就可以断裂为undefined、undefined、undefined作为阻化剂与活化基团碰撞, 影响链式反应速率, 使活化基团失去活性而中止反应, N2的键能为945.8 kJ/mol, 有极好的稳定性, 很难断裂形成自由基。

4 小 结

(1) 在纯氧环境中, 得到CO2抑爆三角形的三个顶点分别为 (5%, 95%) , (8%, 14%) , (60%, 40%) , 临界氧气体积分数为14%, 当CO2体积分数超过78%时, 混合气体退出爆炸范围;N2抑爆三角形的三个顶点分别为 (5%, 95%) 、 (7%, 10%) 、 (60%, 40%) , 临界氧气体积分数为10.2%, 当N2体积分数超过82.8%时, 混合气体退出爆炸范围。

(2) 比较CO2抑爆三角形和N2抑爆三角形, 两者整体趋势相同, 但是CO2抑爆三角形的面积比N2抑爆三角形面积小, CO2的抑爆性能优于N2。

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抑爆系统 篇5

香山煤矿开采的煤层主要为己组煤合层和戊组煤合层, 煤层厚度达3～9 m, 这两组煤均为容易自燃煤层, 其最短自然发火期仅为18 d。目前香山矿正在深部开采己16-17合层, 巷道沿厚煤层底部掘进, 特别容易产生高冒区, 因此防火的重点不仅有工作面采空区, 而且还有巷道高冒区。香山矿高冒区经常有瓦斯积聚, 经测试, 高冒区顶部的φ (CH4) 在2%～10%, 常处于瓦斯爆炸界限内, 如果高冒区再产生明火, 则将会引起大的灾难。近年来, 我国煤矿有好几次瓦斯爆炸都是在处理高冒区时引起的, 遭受了重大损失。为了彻底防治高冒区的自然发火, 香山矿研制了高冒区抑爆防灭火材料, 并用于高冒区的防火, 又将其与泡沫、氮气一起使用, 用于高冒区的快速抑爆灭火, 取得了较好的效果。

1 PX防灭火材料及其应用

1.1 PX防灭火材料的组成及防灭火原理

PX防灭火材料的组成为地开石、高岭石、珍珠石、埃洛石等, 主要矿物成分为高岭石、多水高岭石, 以及蒙脱石、伊利石、叶腊石、石英和长石等。其化学成分中含有大量的Al2O3、SiO2和少量的Fe2O3、TiO2, 以及微量的K2O、Na2O、CaO和MgO等。经实验室测定, 其防止煤层自然发火的阻化率达到了65%, 是一种天然、环保的适于煤矿井下使用的防灭火材料。

PX防灭火材料的防灭火机理:PX防灭火材料成浆后具有固水性、黏性、悬浮性、抗烧性和阻化性, 当其质量浓度达到25%～40%以上时, 近似于凝胶状态, 将其注入高冒区后, 能像凝胶那样充填高冒区孔隙和裂隙, 防止高冒区漏风, 并阻碍高冒区的浮煤氧化。

1.2 用PX防灭火材料消除高冒区高温点

香山矿己16-1722110零号高冒区形成时间为2007年3月, 冒高为5 m, 长度为8 m, 在2007年9月6日曾从高冒区上部掉下火炭, 当即采用了挖除火源和注水、注浆灭火措施, 并将高冒区全部喷浆处理, 扑灭了火区。2008年6 月, 己16-1722110零号高冒区又出现了高温, 能观察到高冒区源源不断地冒出热气, 用红外测温仪测高冒区顶部温度为42 ℃, 高冒区即将自然发火。为了将火灾消灭在萌芽之中, 对高冒区进行了注PX防灭火材料消除高温点。用岩石电钻向高冒区上部高温点打6个不同长度、不同角度的钻孔, 用移动式注浆泵通过钻孔共向高温点注入PX防灭火材料31.5 m3。注PX防灭火材料后, 火源点高温煤炭从最高42 ℃降到了22 ℃, 钻孔φ (CO) 从最高3.8×10-4降到了1.0×10-5, 高温点无复燃的可能性。

香山矿使用PX防灭火材料, 不仅有效地防止了试验工作面巷道高冒区的自然发火, 保障试验工作面的安全回采, 而且还对矿井以往遗留的几个高冒区的高温点进行治理, 消除了高冒区高温隐患, 取得了较好的效果。

2 PX氮气泡沫及其应用

2.1 PX氮气泡沫抑爆灭火原理

PX防灭火材料既能单独使用, 对巷道高冒区进行防火, 还能与泡沫、氮气一起使用, 形成PX氮气泡沫, 对高瓦斯矿井高冒区进行抑爆灭火, 其原理如图1所示。

单纯注黄泥浆容易在高冒区内产生拉沟, 分布面不广, 而且泥浆很快从高冒区漏失, 也不能降氧;单纯注氮气只能降氧, 对采空区的降温效果较差;单纯注泡沫, 虽然降温效果效好, 但注泡沫的同时, 也将空气注进了高冒区, 不能降氧, 而且停止注泡沫后, 泡沫在很短的时间破裂。

注PX氮气泡沫, 能使PX防灭火材料发泡膨胀30倍, 不仅在高冒区底部分布广, 而且还呈立体分布, 充满整个高冒区, 降温效果好, 能迅速降低高冒区氧气含量, 使高冒区惰化, 防止瓦斯爆炸;当停止注PX氮气泡沫后, 泡沫虽然会破裂, 但PX防灭火材料留在了采空区, 继续对采空区起防火作用。

2.2 PX氮气泡沫抑爆灭火工艺

利用井下移动式注浆系统注PX氮气泡沫, 将PX防灭火材料在搅拌器内按20%的质量浓度加水搅拌, 用注浆泵将搅拌器中的浆液送往发泡器, 与此同时, 计量泵将泡沫溶液按1%的质量比也送入发泡器, 两种溶液在发泡器里混合后通过管路送往高冒区钻孔或插管, 在高冒区钻孔管路前方约30 m的地方设置三通管路, 氮气通过三通注入到PX防灭火材料、泡沫管路中, 管路中的泡沫、PX防灭火材料在氮气的冲击下产生出大流量PX氮气泡沫浆, 注入高冒区, 进行灭火。

2.3 PX氮气泡沫降氧抑爆试验

己16-1722110机巷3号高冒区的冒高为4.5 m, 用木垛接顶, 高冒区中有部分碎煤。分别向高冒区注入单纯的氮气和PX氮气泡沫, 考察降氧作用, 其布置如图2所示。向己16-1722110机巷3号高冒区插入2根Φ 50 mm钢管, 一根注PX氮气泡沫, 另一根注氮气。

2008年6月25日进行高冒区降氧试验, 首先向高冒区中注入单纯的氮气, 流量为200 m3 / h, 注氮前高冒区中φ (O2) =17%, 注氮气后高冒区中φ (O2) 逐渐下降, 0.5 h后, 高冒区中φ (O2) 稳定在13%, 不再下降, 于是停止注氮。5 h后, 高冒区中φ (O2) 恢复到了注氮前的17%, 于是向高冒区中注入了PX氮气泡沫, 仅注入18 min, 高冒区中φ (O2) 就降到了11%, 高冒区已惰化失爆;35 min后, 高冒区φ (O2) 降到了7%, 高温氧化已被抑制; 50 min后, 高冒区φ (O2) 降到了3%, 高冒区已不可能自然发火。注氮和注PX氮气泡沫的降氧效果比较见图3。

2.4 PX氮气泡沫抑爆灭火实例

2.4.1 高冒区出现高温点经过

2008年10月26日, 由香山矿瓦斯检查员例行对己16-1722100风巷进行气体检查, 在工作面回风流中检测到CO, 且φ (CO) =2×10-5, 因此判断是回风巷有高温点。经仔细查找, 发现风巷300 m处高冒区冒出热气, 其上部φ (CO) 达到1.1×10-3, 高冒区即将自燃, 情况万分危急。由于高冒区下部被浮煤和木背板挡住, 不易实施打钻孔或插管注水, 因此立即在井下将移动式注浆装置移动到高温点附近实施注PX氮气泡沫。

2.4.2 注PX氮气泡沫灭高温点的效果

为了注PX氮气泡沫, 在高冒区入风处插入Φ 50 mm钢管, 钢管尽可能插入高处, 钢管与注浆装置相连;为了测定高冒区的气体含量和温度值, 在高冒区回风处插入2根Φ 25 mm钢管, 一根位于高冒区3 m高的地点, 布置测点2, 另一根位于高冒区2 m的地点, 布置测点1。10月28日11时, 开始向高冒区注PX氮气泡沫, 并对高冒区进行观察:泡沫附着在高温煤炭上, 迅速降低了高温煤炭的温度, 注PX氮气泡沫20 min后高冒区基本看不见热气, 40 min后高冒区涌出的烟雾大大减少, 1 h后烟雾完全消失, 高冒区φ (CO) 从1.1×10-3降为5×10-5, 高冒区温度由55 ℃降为35 ℃, 于是停止注PX氮气泡沫。

PX氮气泡沫的注入量以充满高冒区为宜, 这次高冒区体积约160 m3, 注浆装置的流量为6 m3 / h, 共产生180 m3PX氮气泡沫, 达到了设计注入量。注PX氮气泡沫后, 其抑爆防灭火效果如下:

1) 迅速降低高冒区CO含量和温度。注入PX氮气泡沫后, 高冒区温度和CO含量变化如表1所示, 从中可以看出, PX氮气泡沫能迅速降温和降低φ (CO) , 可在短时间内抑制高温点自燃, 控制火势发展。

2) 快速抑制高冒区瓦斯爆炸。巷道高冒区是瓦斯积聚的地方, 当高冒区出现高温或火点时, 火与瓦斯共存, 极易引起瓦斯爆炸。将表1中数据输入束管监测系统计算机, 对其爆炸性进行了判断, 结果如图4所示。从图4可看出, 测点1在注PX氮气泡沫前正处于爆炸区之内, 如果高温点出现明火, 则将引起瓦斯爆炸;注入PX氮气泡沫后, 测点1的φ (O2) 和φ (CH4) 迅速下降, 很快进入不爆炸区 (a点) , 瓦斯爆炸的隐患被消除。测点2处于混入新鲜空气后可能爆炸区, 如果向高冒区注入空气泡沫, 若其不能迅速降低高冒区温度, 出现明火后测点2所处的地点将会发生瓦斯爆炸;由于注入了PX氮气泡沫, 使测点2的φ (O2) 和φ (CH4) 迅速下降, 也很快进入不爆炸区 (b点) 。

3 结语

1) PX防灭火材料是一种天然的材料, 在井下使用时对矿井环境无任何污染, 是煤矿防灭火的环保材料。

2) PX防灭火材料成浆后具有固水性、黏性、悬浮性、抗烧性和阻化性, 其注入巷道高冒区后, 能像凝胶那样充填高冒区孔隙和裂隙, 防止高冒区浮煤的漏风氧化。

3) PX防灭火材料不仅可单独使用, 而且还可与氮气、泡沫一起使用, 形成PX氮气泡沫, 将其注入高冒区火区, 能迅速对高冒区降氧、抑爆和防灭火。

抑爆系统 篇6

关键词：液化石油气,二氧化碳,氮气,抑爆性能

液化石油气是开采和炼制石油过程的副产品,主要由碳氢化合物组成,已成为我国城镇燃气最主要的气源之一。由于液化石油气是易燃易爆产品,在生产、储存、 运输和使用过程中,容易发生泄漏、火灾和爆炸事故,造成人员伤亡和财产损失。近年来,国内外学者从试验、理论和数值模拟等多方面研究了可燃性气体,但是多集中在单一气体如甲烷、氢气和一氧化碳等的研究,而对混合气体如液化石油气、煤气和天然气的研究相对较少。对于液化石油气安全技术方面,主要是从储存运输设备、安全附件的可靠性、减少人为失误、加强消防应急等方面进行研究与实践,而对液化石油气爆炸抑爆材料的研究并不多见。工业生产中,燃烧产生的废气主要成分是CO2, 相比其他抑爆剂,CO2具有抑爆性能优良、对环境无污染且来源广泛、无毒等特点,因此日渐受到人们的关注。笔者就二氧化碳对液化石油气的抑爆效果进行研究,以期为液化石油气安全使用提供参考。

1实验装置和测试条件

1.1实验装置

采用HY12474型爆炸极限测试装置,反应管用硬质玻璃制成,管长1 400 mm。系统主要由爆炸反应器、配气系统、点火系统和测量系统四部分组成,爆炸极限装置原理见图1所示。

1.2测试条件

点火能:5J;温度:爆炸前初 始温度(15±1)℃;压强:爆炸前初始压强P0=101kPa(绝对压力);反应器密闭,混合气体为静止无紊流。

2液化石油气爆炸极限测定

首先,使用气相色谱仪(Varian star3400cx)测量液化石油气的成分,见表1所示。

1. 安全塞 ; 2. 反应管 ; 3. 电磁阀 ; 4. 真空泵 ; 5. 干燥瓶 ; 6. 放电电极 ; 7. 电压互感器 ; 8. 泄压电磁阀 ; 9. 搅拌泵 ; 10. 压力测量系统 ; M1 、 M2. 电动机

由表1可以看出,本次实验液化气的主要成分为:甲烷、乙烷、丙烷和异丁烷。根据所测液化石油气成分,采用Le ChateLier法估算爆炸极限,见式(1)所示。

式中:X为混合气体的爆炸上(下)限;Vi为各组分 可燃气体体积分数;Xi为各组分可燃气体的爆炸上(下)限;n为可燃气体的组分数。

根据公式估算,该样本气 体的爆炸 极限为2.2% ~ 10.1%。依GB/T 12474-2008《空气中可燃气体爆炸极限测定方法》测量液化石油气的爆炸极限,实验所测爆炸极限值为2.2%~10.8%,与理论公式估算值基本吻合。

3二氧化碳抑爆实验

3.1实验现象

实验使用高速摄影仪(TS3-100S)拍摄火焰传播情况,以液化石油气体积分数7%为例,逐步通入CO2,实验现象如表2所示。

3.2实验结果

实验时真空度为600Pa,向爆炸管道中通入液化石油气,然后通入不同体积分数的二氧化碳抑爆,各气体的体积分数实验结果,如表3所示。

由表3画出二氧化碳抑爆三角形,见图2所示。

由图2可以直观地看出,抑爆△ABC的3个顶点坐标分别为 (2.2%,20.5%)、(3.0%,12.8%)、(10.8%, 18.7%)。点A、B为空气环境中未通入二氧化碳时的液化石油气的爆炸上下限值;随着二氧化碳体积分数增加, 爆炸下限上升,爆炸上限下降,爆炸极限范围迅速缩小。 在逐步通入二氧化碳过程中,液化石油气爆炸下限附近的点由于过量空气的冷却稀释作用,下限点上升,幅度较小;在液化石油气爆炸上限点附近,氧气体积分数刚好满足液化石油气反应,充入二氧化碳,由于缺少氧气,上限点下降幅度较大。最后上下限重合于C点,临界氧体积分数为12.8%,临界二氧化碳体积分数为36%。

4氮气抑爆实验

4.1实验现象

同样以液化石油气体积分数为7%为例,逐步通入氮气,火焰颜色逐渐变淡,声音变小,传播速度变慢。与通入二氧化碳比较,具体实验现象如表4所示。

4.2实验结果

实验时真空度为600Pa,向爆炸管中通入液化石油气,然后通入不同体积分数的氮气抑爆,各气体的体积分数实验结果,如表5所示。

根据表5绘制抑爆三角形,如图3所示。

由图3可以直观 地看出,三角形的 三个顶点 为 (2.2%,20.5%)、(3.0%,10.7%)、(10.8%,18.7%),临界氧体积分数为10.7%。随着氮气体积分数的增加,液化石油气体爆炸下限上升,上限迅速下降,爆炸极限范围迅速缩小,其中下限上升幅度不大,而上限急剧下降。使用氮气抑爆的临界点体积分数为46.0%,比二氧化碳使用的多。

5实验结果分析

将实验所得二氧化碳抑爆三角形与氮气抑爆三角形放在同一个坐标系下,比较两种气体对液化石油气的抑爆性能,见图4所示。

由图4可以看出,△ABC与△DEF的3条边的整体趋势相似,但是二氧化碳的抑爆三角形△ABC的面积比氮气抑爆三角形△DEF要小,且二氧化碳的抑爆三角形 △ABC比氮气抑爆三角形 △DEF的临界氧 体积分数 偏高。也就是当可燃气体是多元混合气体液化石油气时, 二氧化碳的抑爆性能明显比氮气要好,即当燃烧三要素同时达到时,如果要达到相同的抑爆效果,二氧化碳的用量要比氮气少。

6结论

(1)常温常压下,可燃气体为液化石油气时,实验得到二氧化碳抑爆三角形的3个顶点为(2.2%,20.5%)、 (3.0%,12.8%)、(10.8%,18.7%),临界氧体 积分数为12.8%,当二氧化碳体积分数超过36%时混合气体退出爆炸范围;氮气抑爆 三角形的3个顶点为 (2.2%, 20.5%)、(3.0%,10.7%)、(10.8%,18.7%),临界氧体 积分数为10.7%,当氮气体积分数超过46%时混合气体退出爆炸范围。

(2)可燃气体为液化石油气时,比较二氧化碳抑爆三角形和氮气抑爆三角形,两者整体趋势相同,都是随着惰性气体增加,爆炸下限上升,爆炸上限降低,最后汇聚到一点,混合气体退出可爆范围。但是二氧化碳的抑爆三角形比氮气的抑爆三角形面积要小,二氧化碳的抑爆性能优于氮气。