柴油機阻火器防爆性能和通氣能力的研究*

王曉

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司）

煤礦井下是一個易燃易爆的高危作業環境。煤礦工作面在采煤過程中會釋放大量的瓦斯氣體，瓦斯的主要成分是易燃物甲烷，當一定濃度的甲烷和空氣混合時，遇到火焰或高溫表面會燃燒，甚至爆炸[1]。隨著無軌膠輪車在煤礦井下使用的逐漸頻繁，防爆柴油機作為無軌膠輪車的主要動力源，具有快捷、方便、效率高、動力足等優點[2-6]，但其采用易燃液體柴油為燃料，是防爆車輛的危險源之一，如缸內高壓油霧或高溫氣體密封不良，極易引起燃燒或爆炸。阻火器是防爆柴油機的關鍵防爆技術之一，安裝在防爆柴油機的進排氣系統中，具有隔爆或阻燃作用[7-9]，但同時增加了防爆柴油機的進排氣阻力，使進入防爆柴油機缸內的新鮮空氣不足和排氣背壓增大，導致防爆柴油機輸出功率不足，排出的廢氣污染物增多，油耗大幅度增加。為了設計出既能有效防爆又具有理想進氣效率的防爆阻火器，對阻火器的隔爆性能和通氣能力的研究就顯得尤為重要。

1 阻火器工作原理

燃燒或爆炸形成的火焰在阻火器狹縫內傳播熄滅的過程稱為火焰淬熄[10-11]。燃燒或爆炸的原因是由于產生了大量的活潑自由基?；顫娮杂苫漠a生過程為易燃易爆物的分子鍵受到碰撞生成了大量的活化分子，活化分子發生分裂反應，產生了大量活潑性高、壽命短的自由基，這些自由基又和周圍相鄰的其它分子發生反應生成新產物，反應中同時還產生出新的自由基，如此循環，形成穩定的燃燒：當混合氣體產生的火焰在阻火器中的狹窄間隙中通過時，由于通道狹窄增加了自由基和兩側通道壁的碰撞機率，導致大量的自由基因為和兩側的通道壁碰撞而消失，而剩余參加燃燒的自由基就越來越少。當阻火器的狹窄間隙足夠小時，絕大多數的自由基因與通道壁的碰撞而消失從而導致燃燒反應不能繼續，混合氣體的燃燒火焰就會因此而發生淬熄。

廢氣處理箱中甲烷-空氣混合氣爆燃后的火焰在阻火器內的淬熄可簡化為狹縫內火焰淬熄的過程，如圖1所示。

圖1 燃燒反應時火焰在狹縫中的淬熄過程

2 模擬分析

2.1 實物模型

文章研究的平板阻火器[12]具體結構圖和實物圖，如圖2和圖3所示。平板阻火器的平板部分厚度為50 mm，平板部分的格柵間隙為0.5 mm，格柵板自身厚度為1 mm。

圖2 平板阻火器結構示意圖

圖3 平板阻火器阻火層實物圖

2.2 淬熄過程

混合氣在柵欄幾何模型前的點燃位置，如圖4中紅點所示；燃燒傳播過程，如圖5所示；淬熄過程，如圖6所示。

圖4 混合氣在柵欄幾何模型前的點燃位置

圖5 在柵欄幾何模型中的火焰傳播過程

圖6 燃燒火焰在狹縫間隙中的淬熄過程

2.3 阻火器平板間隙對通過氣體壓力損失的影響

數值分析不同平板間隙對壓力損失的影響，如圖7所示。從圖7中可以看出，隨著平板間隙的增加，壓力損失在逐漸減小。

圖7 平板間隙對氣體壓力損失影響的曲線圖

圖8示出阻火器不同平板間隙的速度矢量圖。從圖8可知，氣流速度隨著平板間隙的增加而逐漸減??；氣體在阻火器平板部分的入口周圍流速達到最大并沿著平板內間隙方向在逐漸變小；氣體在平板入口前的前擴張腔頂部均有湍流現象并隨著平板間隙的逐漸變大，其區域逐漸變小。

圖8 阻火器不同平板間隙的速度矢量圖

2.4 阻火器平板厚度對通過氣體壓力損失的影響

不同平板厚度對壓力損失的影響，如圖9所示。從圖9可知，通過氣體的壓力損失隨著平板厚度的增加而逐漸增加。

圖9 平板厚度對氣體壓力損失影響的曲線圖

圖10示出阻火器不同平板厚度的速度矢量圖。從圖10中可以看出，隨著平板厚度的增加，氣流速度在逐漸增加。隨著平板厚度的增加，平板單元數量在減少，但流入平板單元中的速度在增加，也就是說摩擦阻力在增加。

2.5 阻火器擴張腔角度對通過氣體壓力損失的影響

圖11示出阻火器不同擴張腔角度對氣體壓力損失的影響曲線圖。從圖11中可以看出，隨著擴張腔角度的增加，壓力損失在逐漸加大。

圖11 擴張腔角度對氣體壓力損失的影響曲線圖

圖12示出阻火器不同擴張腔角度的速度矢量圖。從圖12中可以看出，氣流速度變化不是很大，在81.1～86 m/s，擴張腔角度為45°的阻火器流速最?。浑S著擴張腔角度的增加，進入平板單元中流體的速度在增加，加大了氣體與壁面的摩擦；前擴張腔頂部都有湍流，而且湍流區域隨著角度的增加而增加。

圖12 不同擴張腔角度阻火器的速度矢量圖

3 試驗驗證

3.1 試驗方法

影響阻火器隔爆性能的3個主要因素分別為火焰傳播速度、溫度及平板柵欄間隙[13-14]，本試驗的爆炸混合氣體濃度在符合標準AQ 1074—2009《煤礦瓦斯輸送管道干式阻火器通用技術條件》[15]的前提下保持不變，溫度為室溫?；旌蠚怏w的燃燒火焰傳播速度取決于點火位置，火花塞點火位置不同，燃燒火焰的傳播速度就不同。本試驗在3個不同的位置點火，具體位置如圖13所示，圖13中1、2、3為裝火花塞的位置。在試驗過程中，按照隔爆試驗需求在1、2、3這3個位置分別進行點火試驗。

圖13 防爆柴油機廢氣處理箱結構及3個點火位置示意圖

試驗時，將排氣柵欄阻火器裝在廢氣處理箱排氣口處，確保安裝合理，無其它傳爆通道，然后裝進Φ1 m的壓力罐中，連接進氣膠管、抽氣膠管、火花塞、壓力傳感器，再次檢查連接是否穩固、有無傳爆可能。

在Φ1 m的壓力實驗罐及加裝阻火器的廢氣處理箱體內分別充入體積濃度為7%～9%的甲烷與體積濃度為18%～21%的氧氣的混合氣，然后用安裝在廢氣處理箱體上的火花塞點燃其內部充入的混合氣體。

通過壓力示波器顯示的壓力值的變化，可判斷箱體上的火花塞是否將充入其內部的甲烷氧氣混合氣體點燃。通過壓力罐罐體內安裝的壓力傳感器的壓力值變化，可判斷壓力罐罐體內的混合氣體是否被點燃，如果被點燃則說明阻火器失爆，如果沒有被點燃則說明阻火器未失爆。試驗裝置，如圖14和圖15所示。

圖14 裝廢氣處理箱的壓力罐

圖15 壓力示波器

3.2 試驗過程

本試驗過程分為3個階段，第1階段阻火器試驗樣件為5個，板片間隙分別為0.7，0.8，0.9，1.0，1.1 mm，火花塞的安裝位置在圖13中“1”所示位置，該位置為國家安標認證防爆檢驗時的點火位置。混合氣引爆后火焰穿過圖示位置的隔板，通過阻火器上蓋的彎管到達阻火器。上述試驗中每個樣件按照文獻[15]的要求試驗13次。

第2階段阻火器試驗樣件為3個，板片間隙分別為1.3，1.5，1.8 mm，火花塞的安裝位置在圖13中“3”所示位置，該位置為廢氣處理箱的進氣口位置，及防爆柴油機排氣中含有火花時從該口進入箱體內。混合氣引爆后火焰穿過圖示位置的進氣管道和隔板，通過阻火器上蓋的彎管到達阻火器。上述試驗中每個樣件按文獻[15]的要求試驗13次。

第3階段阻火器試驗樣件為4個，板片間隙分別為1.1，1.3，1.5，1.8 mm，火花塞的安裝位置在圖13中“2”所示位置，該位置比第1、2階段更接近阻火器，點火點和阻火器之間沒有狹長管道和小孔隔板，應更利于火焰的傳播?；旌蠚庖笾苯油ㄟ^阻火器上蓋的彎管到達阻火器。1.3，1.5，1.8 mm間隙的阻火器在按照文獻[15]試驗13次后均出現失爆情況，1.1 mm間隙的阻火器試驗了13次未出現失爆情況。

3.3 試驗結果分析

在圖13的位置“1”處點燃火花塞，引爆廢氣處理箱中的混合氣體后，該裝置在阻火器間隙為0.7，0.8，0.9，1.0，1.1 mm時均未出現失爆情況。

在圖13的位置“3”進氣口處點燃火花塞，引爆廢氣處理箱中的混合氣體后，該裝置在阻火器間隙為1.3，1.5，1.8 mm時均未出現失爆情況。

在圖13的位置“2”進氣口處點燃火花塞，引爆廢氣處理箱中的混合氣體后，該裝置在阻火器間隙為1.1 mm時未出現失爆情況，但在間隙為1.3，1.5，1.8 mm時均出現了失爆情況。

從上述試驗結果可知，防爆柴油機廢氣處理箱上安裝間隙為1.1 mm的阻火器就可以滿足隔爆要求。

4 結論

通過對阻火器的隔爆性能和通氣能力進行理論分析和試驗研究，可以得出：

1）由爆炸試驗可知，防爆柴油機用阻火器的最大安全試驗間隙為1.1 mm；

2）當防爆柴油機防爆阻火器的平板部分厚度采用50 mm及平板柵欄片間隙為0.8 mm時可以滿足《礦用防爆柴油機通用技術條件》對防爆柴油機在煤礦井下使用的隔爆要求；

3）防爆柴油機用阻火器平板部分的柵欄片間隙由0.5 mm變為0.8 mm時，其通氣能力可增加1倍。