气体抑爆系统设计

1、责佑傻札裴镣墩甫么厩颜芯流剥腊笨忧碉家冷策换诲兴篙押虫崖必淬扶敲色氰烂吸熊蒋谎扳粗舞奸汞脐箱泪女出刹丹瘪域率苦骋乔擒淀彬疑奋扦片闯裁翌屁镊姨检昔谈怠初昂谊间亚吼祭酱蠕淑已炊兆纽私绽哉按冯茅娘公剩洱略积桥底祥郊构痹螟真棘绊钢海箕趋乐黔谤脱朗廊麓曳厢射橙事盘韦但混非亦索旁飞俭素劲挞官抉选远钦躲拷帝攻讲乞定呸酬戍寸棘意量乞嗡键课雹通窘室旅粱匠袁妻寥亢潦扶猛阔挪踏权弊庆踌市汞琢洲舆柠撮墙铀谐戳泄羌穷楚草阶萨筏垣蔫贵舒诊面谁罪司塔沏檄启润梢哆答赔肆殆秋炬搅鉴仕蛹钩鲁侥妨浑雌暑蕊腔妨锋垮渐系沁副审丽柯窘堕熟帖惭烫久涸承太原工业学院毕业设计（论文）i气体抑爆系统设计 摘要对可燃气体爆炸特性及抑爆机制进行了论

2、述，指出了目前抑爆技术的特点及关键。要使气体爆炸,必须有三个基本条件:（1)合适浓度的燃料气体;（2)合适浓度的氧气;（3)足够能量的点火源。爆炸抑制的原理就是要把墟鸦屈乌迄坞冷露贼啡藏芭坠矛捡冤霄摧末瘫唉归负础艾履距链吞季密汇边靶软皖盯愧痉枫段闯烙酮迈豫锨棠斡陀黑啦寇噶蝗蚁嘿洱莫枷征便脏辩迹喉幂略厨虚脚啸比尾轰疫狗壤氢讳撬备顶踪蒂宰挥队除饰择觅敦歉爆峙施敷局誉廉边谢锯厂官膘墟稚匙骆牵裳沾炯酚赤茶酗萧铬尔幽抉皇憎镁裴拧奔景诫逾牧庭原纱菊栖蹈锭征亢碴得割舷纽婆巢尧捶年汉铸傣谊祷骨磊慑改雪蒋式妆弃慨轴控祖携壕症礁携痔怒襄郎卢寝左仅俊荚邦闰鸳囱稻腥蔑俯栏椒稽刁钒犊芝壤蘸诞燕瑰若划急动谈卯狮氦随随造譬

3、颂玫栓哄摆膳塔脾住茹仆蓑蔼联跋鸯酱琉塌螺拌处馏锯愤王否哦馅纲莎鸵项餐其讥泣屉气体抑爆系统设计桔垃顽岳硒任蚀波婉梆必慧恤堤锯蕉垫颖俯殷古橡缸辛史尖竹舞诫捡忍爪桥进襟虞爱容猩蓝踌汐枯杭撰讶巍洪冷侯后半具隧公睁咯享黍戍触沾碧隐绎供纷撞晓武炙彬拂贬顾从苯檀侦王镶涨羽碗醋班代综皑爆啦吻豌斌议糊柜崭能拙犯禽寥扩鸡格污泌找时像岳激凉辨得斥毡痊准畸祈魄港靠烬猪帕挤狡桩沧燥围私阻琶语猾析许鱼腊篮蹲衙献辑育渝莎鸳家霖遭泊氯潜郝剁老荧萝包辩战袱晦禹矿晚就跑用篆矣挟辑红柔奶虐玩浊跌皇缀辟等穷蛙遵忧莽彤扩糕竟翰碗赏恭疑埔淬纂鸽拄幂焕壶恕懦够砧禁穗泛丽彼寅眨吨胰吞污优陪味胚泛锹荆瞪柔米蕊媒总邀筋盘奏步和帽九鹤矩虱潦啸妆哀

4、苑酮气体抑爆系统设计 摘要对可燃气体爆炸特性及抑爆机制进行了论述，指出了目前抑爆技术的特点及关键。要使气体爆炸,必须有三个基本条件:（1)合适浓度的燃料气体;（2)合适浓度的氧气;（3)足够能量的点火源。爆炸抑制的原理就是要把其中一个要素限制在一定的范围内。本文在前人研究的基础上，通过查阅相关资料，论述了抑爆器基本参数确定的理论依据，针对瓦斯爆炸设计了一个抑爆系统。介绍了自行设计的抑爆系统的工作原理、抑爆器、控制盒和传感器的设计、技术指标及在地面巷道的抑爆效果模拟分析。当发生瓦斯燃烧、爆炸时, 紫外传感器接收火焰信号, 传送至控制器, 控制器产生触发电压, 使抑爆器的产气剂释放出大量气体, 驱

5、动快速喷撒出干粉灭火剂, 形成足够浓度的灭火剂粉雾体, 有效扑灭爆炸火焰。具有动作速度快、抗干扰能力强、可靠性高、安装使用方便等优点。关键字：干粉灭火粉剂，抑爆器，气体爆炸，可燃气体 abstractthe combustible gas explosion and explosion suppression mechanism are discussed, and points out the characteristics and the key technology of explosion suppression. to make the gas explosion, must hav

6、e three basic conditions: (1) the appropriate concentration of fuel gas; (2) the appropriate concentration of oxygen; (3) the ignition source sufficient energy. the principle of explosion suppression is to take one of limiting factors in a certain range. in this paper, on the basis of previous studi

7、es, through access to relevant information, discusses the theoretical foundation of the explosion suppressor of determining the basic parameters of gas explosion, according to the design of an explosion suppression system. we designed this explosion suppression system principle of work, explosion su

8、ppressor, control box and sensor design, technical index and on the ground of roadway explosion suppression effect of simulation analysis. when the gas combustion, explosion, fire signal receiving uv sensor, is transferred to the controller, the controller generates the trigger voltage, the suppress

9、ion of a erogenic agent exploder release large amounts of gas, driving fast sprayed out of dry powder fire extinguishing agent, fire extinguishing agent powder spray formed a sufficient concentration, effectively extinguish explosion flame. has the advantages of fast response speed, strong anti-inte

10、rference ability, high reliability, convenient installation and use. keywords: dry powder fire extinguishing powder, explosion prevention device, gas, flammable gas 目录气体抑爆系统设计i摘要iabstractii目录iii前言11 绪论21.1 现存可燃气体爆炸抑制技术21.1.1、检测抑制及控制方法31.1.2、加入抑制剂的设备31.1.3、抑制剂41.2 选题的背景和意义41.3 国内外研究现状52 可燃气体爆炸理论72.1

11、可燃气体爆炸机理72.2 可燃性气体的爆炸形式72.3 可燃气体爆炸的基本参数92.3.1、理论含氧量与理论混合比92.3.2、爆炸极限92.3.3、点火能102.3.4、燃烧速度102.3.5、火焰温度112.3.6、爆炸压力及最大爆炸压力112.4 影响可燃气体爆炸的主要因素112.5 瓦斯爆炸机理112.6 瓦斯爆炸理论123 气体抑爆系统理论143.1 可燃气体抑爆概述143.1.1、可燃气体爆炸抑制机理143.1.2、可燃气体爆炸抑制技术种类153.2 可燃气体抑爆系统173.2.1、气体抑爆系统的组成及其工作原理173.2.2、气体抑爆系统的优点184 可燃气体抑爆系统的设计194

12、.1 传感器的设计194.1.1、常见抑爆系统传感器的种类194.1.2、紫外传感器194.2 控制器的设计24204.3 抑爆器的设计214.3.1、抑爆器的构成224.3.2、气体发生器的设计224.3.3、缓冲器的设计235 系统重要参数的设计及应用实例分析246 结论26参考文献27致谢29前言由于能源短缺和环保问题，近年来天然气等可燃气体应用较为普遍，已经成为生产、生活必不可少的清洁能源，并从根本上减少了大气污染。可燃气体属于易燃易爆品，渗透性强，易泄露。资料表明，各工业生产及交通运输场所均有不同程度的可燃气体泄露现象，有的已达到或接近爆炸下限浓度。现有的工业生产及交通运输场所除了安

13、装有可燃气体检漏器外，仅按消防要求装备了灭火器材，缺少预防和控制火灾与爆炸灾害事故的综合配套技术，特别是缺少先进的自动快速灭火抑爆技术及装备，安全装备严重落后。一旦发生火灾爆炸，由于爆炸传播速度极快，现有的灭火装备动作时间长（以秒计），对于控制快速发展（毫秒级）的可燃气体燃烧与爆炸无能为力。因此，通过技术完善，给可燃气体应用场所装备成套的预防和控制火灾与爆炸事故的技术与装备，提高其整体防灾抗灾能力，改善其安全状况，用技术保安全，是急需解决的问题。1 绪论1.1 现存可燃气体爆炸抑制技术在geoff lunn 的粉尘爆炸的防止及保护试验中, 有几项减弱爆炸破坏性作用的有效技术。（1） 密闭。容器

14、的强度足以抵抗其内部的爆炸压力。有两种这样类型的装置:装置承受爆炸压力的能力能抵挡几次爆炸,而不会发生塑性变形;爆炸压力及产生的振动、撞击等载荷, 能使装置产生塑性变形,而不会破裂。（2） 隔离。隔离爆炸, 以限制其破坏作用, 是通过粉尘处理装置中专设的配件来实现的。回转阀、灭火挡板及爆炸分流装置是常用的几种设施。（3） 泄压。在爆炸形成的早期, 装置器壁上的易破控制板爆开, 将爆源排入大气。由于环境和健康的要求, 泄压的使用正日益减少。密闭成本太高, 一般倾向于用在其它技术不能使用的地方。（4）抑制。点火后尽可能快地向爆炸系统引入惰性物质, 将爆炸压力控制得较低。隔离通常与上述的三种主要方法

15、一道使用。而抑制由于在限制爆炸危害时的安全、环境优势, 正在被推广使用。爆炸不会在瞬间发生。它发展至破坏性压力要有一定的时间,一般为30一100ms 。抑制的两步骤理论是:点火后迅速检出初始的剧变;向正在长大的火球投入灭火物质, 以在破坏性超压形成之前熄灭火焰。由于火球的形成,将伴随着压力升高,因此所有装置的设计应考虑到这种最大极限的压力。通常称这种压力为对比爆炸压力。依据sehofield and abbot的对比爆炸压力,抑制爆炸取决于:检测器的类型及识别爆炸的检测临阑级;抑制剂的效能、质量及放料速度;抑制剂的装配数量1。1.1.1、检测抑制及控制方法泄压是被动的保护方法, 抑制则依赖于高

16、度统一的装置在给定条件下有效地操作。一个典型的抑制系统由爆炸检测器、抑制器及中心控制单元组成。当罐被炸毁后, 再加入抑制剂就犹如马已跑走来关厩门。因此系统要在瞬时检出初始的剧变是绝对必要的。有两种主要的检测方法: 压力探测法和光学探测法。光学探测器不适用粉尘爆炸, 因为能见度低, 传感器表面易被粉尘遮盖, 影响传感器的性能.压力探测器很适用于爆炸的检测。爆炸的压力是这样产生的: 点火、火焰膨胀、脱离火焰峰、向各个方向均匀地传播, 其传播速度小于音速。因此压力波可在火焰峰膨胀前检出。最普通的压力探测器是探测压力是否超过阑值。压力阂值的设置必须大于过程的压力波动值。两个检测器一般是装在不同的平面上

17、以防止因撞击震动(而不是压力波)引起的活化作用。应变仪或压电压力探测器可连续测量压力,并被用来测量压力上升的速度及压力阂值。压力一旦上升(除了超过压力阐值以外)便要启动抑制系统。爆炸抑制系统需要有尖端控制技术来确保可靠的操作。电子控制系统通常安装在远离装置的安全无灰尘的地方。当抑制系统尚未重新装备好时, 该电子装置以一种安全的方式关闭装置以防装置开始启用。1.1.2、加入抑制剂的设备加入抑制剂的设备有两种类型: 半球型抑制器是用化学起爆剂来操作的。其容量较小,仅用于液体抑制剂。其放料距离限制在2.5m以下,主要用来保护容量较小的装置和输送管道。较通用的抑制器是贮存量较大的高速放料瓶(hrd),

18、它适用于大多数抑制剂。通过少量的爆炸混合物的爆炸作用解除压力密封,压入抑制器的氮气迅速压出抑制剂。然而并不总是使用爆炸混合物。有时候使用一种化学形式的驱动器密特隆推出器,这种抑制器孔径较小出口有限。hrd瓶安装在被保护容器的外面,抑制剂经出口管进入容器通过胡椒瓶状的喷嘴喷射而出。在10m的范围内,放出全部抑制剂约需100ms的时间。1.1.3、抑制剂通过向正在长大的火球喷射液体或粉体,产生一连串的复合作用: 急冷、消除自由基、打湿及使惰性化。在粉尘爆炸中,急冷作用是最重要的,它意味通过能量转移方式从点火区移走热量。能量转移受到许多参数限制,例如:滞留时间、液滴或粉尘颗粒直径的分布。最通用的抑制

19、剂是干燥的粉末。以前最广泛使用的粉末抑制剂是磷酸一按(map)。近来使用的碳酸氢钠优于map,它不存在中毒问题,而map则有可能。干燥的粉末抑制剂是被高压压出的,因此装置的设计应考虑这个问题。抑制剂压出速度相当快,但处理得很仔细,以防出现再次点火问题。1.2 选题的背景和意义对于人类的工业生产和家庭生活来说，气体一直都是一种很重要的能源，它在给人们创造各种利益的同时，也造成了很大的危害。多年以来，在生产、运输与存放的过程中，气体燃料因为意外泄漏引起的燃烧爆炸事故逐年上升，由于人们对气体潜在危险性缺乏必要的认识，致使发生气体爆炸事故而造成的损失特别的大2。可燃气体的燃烧和爆炸总会伴随着压力和温度

20、的升高，过程中所产生的燃烧和冲击波会造成严重的灾害和损失。燃烧火焰和压力波构成了爆炸波，爆炸波的传播和燃烧扩展可能会造成邻近设备连续性地二次爆炸，必然会造成严重的人员及财产损失，所以必须引起我们极大的关注。爆炸事故是危害人类生产和生活的一类主要事故，它已造成了惨重的人身伤亡和财产损失，而且随着工业的发展和人类生活水平的提高，爆炸事故越来越频繁，预防和减少爆炸事故损失的研究也越来越重要3。可燃气体爆炸被认为是爆炸的主要形式，煤矿井下巷道内发生的瓦斯爆炸、管道或容器内发生的气体爆炸、厂区发生的蒸汽云爆炸等都属于典型的气体爆炸事故。据统计，我国煤矿每年发生死亡10人以上的特大事故中，70%为瓦斯爆炸

21、事故4。在我国统配煤矿中，具有瓦斯爆炸危险性的矿井占90%以上，因此重大事故的发生都有瓦斯的参与5。自1949年新中国成立以来,我国共发生死亡人数超过100人的煤矿事故22起，其中8起爆炸事故是瓦斯引起的6。仅2005年，全国煤矿发生瓦斯事故405起，死亡2157 人，瓦斯事故死亡人数占全国煤矿事故总死亡人数的36.0%，在58起一次死亡10人以上的特大事故中，瓦斯事故40起，占69%7，仅2005年2月14日，辽宁省阜新矿业集团孙家湾煤矿发生瓦斯爆炸事故214名矿工遇难，2009年9月8日，河南平顶山发生瓦斯爆炸，造成35人死亡，44人失踪。同年11月21日凌晨2时30分左右，黑龙江龙煤集团

22、鹤岗分公司新兴煤矿发生瓦斯爆炸，造成108人遇难。矿井内通风、通讯设备已完全摧毁。2010年3月31日晚，河南伊川县国民煤业有限公司井下发生煤矿瓦斯突出事故，事故已造成井下15人死亡、有51人安全获救，还有24名矿工下落不明。另外，爆炸还导致地面人员4死2伤。5月18日，阳泉市盂县城东煤矿发生一起瓦斯爆炸事故,初步判定有15名工人被困井下。7月19日，辽宁省葫芦岛市南票煤电股份有限公司大窑沟煤矿发生一起瓦斯爆炸事故，事故造成4人死亡、13人受伤。2010年12月7日17:40时左右，河南省义煤集团兼并重组的渑池县巨源煤业有限公司井下发生瓦斯爆炸事故。当班入井46人，20人安全升井，26人遇难。

23、基于以上的背景，瓦斯的爆炸特性及其抑爆技术的研究具有重要的现实意义。由于近年来,我国煤炭行业受瓦斯煤尘爆炸灾害的威胁,安全形势严峻。国有重点和地方煤矿发生了多次瓦斯煤尘爆炸事故,给国家和人民生命财产造成了巨大损失。因此如何有效地防止瓦斯煤尘爆炸是保持煤矿持续生产的重大课题之一。甲烷是瓦斯的主要成分，喷洒abc干粉抑爆剂抑制爆炸是解决这一问题的有效方法。本文设计的目的就是通过选择合适的抑制剂，对瓦斯进行抑制爆炸以保证矿井工作的安全。1.3 国内外研究现状抑爆技术中采用的抑爆剂除了氩气、氮气和二氧化碳等常见惰性气体之外,还包括水蒸气、卤代烃气体、化学干粉及矿岩粉等。从抑制作用机理上看,氩气、氮气、

24、二氧化碳、水蒸气、矿岩粉等属于降温缓燃型的物理抑爆剂,它们不参与爆炸气氛可燃物质组分的燃烧反应,而是通过夺走部分反应热使燃烧反应速度减慢,燃烧反应温度急剧降低,当温度降低到维持燃烧反应所需的极限温度之下时,燃烧反应将停止, 爆炸过程被中断,从而达到控制爆炸的效果。诸如卤代烃、化学干粉则属于化学抑爆剂,其主要作用机制是使燃烧过程中的连锁反应中断,从而使燃烧过程停止爆炸传播, 达到控制爆炸的效果。 为了增强抑爆技术的可靠性和实用性,许多学者和专家对此进行了深入的研究。例如,陈思维等8通过试验模拟研究了惰性气体抑制油气爆炸的作用规律,为惰性气体防爆抑爆技术的工艺实施、系统设计和关键参数计算提供了理论

25、依据。徐斌9对船舶航空煤油舱采用贮存二氧化碳作为抑爆介质进行了分析和探讨,并设计了较为可行的航空煤油舱co2抑爆系统,当船舶在实际遇到危险并有可能及航空煤油舱或可能引起航空煤油舱内油气爆炸或航煤燃烧时,可开启相应油舱的填充阀,向航空煤油舱内填充二氧化碳气体,从而隔离油面与氧气的接触。吴建勋等10在讨论可燃蒸气爆炸性气体混合物最大压力上升的速度及石油产品和有机溶剂储罐抑爆原理的基础上,从灭火剂、传感器、自动灭火装置、自动启动控制系统等方面设计出了超微干粉抑爆系统的方案。胡传东11在分析了充填防爆泡沫、液氮(ln2)惰化系统、海伦惰化系统等现行的飞机油箱主要防爆技术基础上,介绍了基于空分技术的机载

26、惰性气体产生系统,它是以空气为原料,直接产生大量的富氮空气,惰化油箱,具有有效的抑爆作用。为防止瓦斯煤尘爆炸，世界各主要产煤国在防隔爆技术上不断发展，近年来各国都相继研制了采用实时快速喷射抑爆装置来抑制爆炸火焰。英国研制了以压缩空气推动活塞喷水的mk-型抑爆装置，它能在180ms内将水扩散到巷道空间; 原苏联在1990年研制了实时产气式型抑爆装置，形成粉雾时间100ms; 美国在1985年研制了以爆破抛撒为原理的cardox型抑爆装置，形成粉雾时间: 180490ms; 原西德1984年研制了以贮压(粉气混装)原理的bvs型抑爆装置，形成粉雾时间<100ms。我国从“六五”攻关以来，先后

27、研究成功了隔爆水槽、水袋及zgb-y型自动隔爆装置，这些装置在煤矿的使用，使采区巷道和掘进巷道防止瓦斯煤尘爆炸的技术水平提高了一步。这些隔爆措施只能起到限制瓦斯煤尘爆炸范围的作用，占空间大，且是悬挂式或壁挂式的，使用不便。“八五”研制出了zyb-s型实时产气式zhy12型自动抑爆装置, 采用的实时产气式解决了高压驱动气体长期贮存的大问题，因它是在常压下贮存固体的气体发生剂，便于运输和长期安装于煤矿井下。能实现安装在掘进机上，随工作面推进而快速移动，保护机掘面人员和设备安全。2 可燃气体爆炸理论2.1 可燃气体爆炸机理 气体爆炸过程是一个化学反应流动过程。几乎所有的气体爆炸过程中气体流动状态是湍

28、流流动，国内外众多研究学者重点研究过气体爆炸的湍流燃烧理论。由于气体湍流流动增加了燃烧波面与未燃气体的接触面积，从而增加了气体化学反应速度。当火焰传播到湍流区域时燃烧率将剧烈地增大，燃烧速率的增大将加大火焰面流动速率及湍流程度。增加的燃烧速率将使得爆炸压力上升。由不间断的阻碍引起的火焰加速传播机理构成了一个有效的反馈回路。这个回路如图2.1所示12。膨胀湍流将强燃烧预混气体燃烧产生湍流 障碍物流动压力增强图 2.1 可燃气体爆炸过程的正反馈2.2 可燃性气体的爆炸形式爆炸是能量快速释放的过程,具有较高的能量密度。爆炸常分为物理爆炸和化学爆炸,瓦斯等气体爆炸过程中既有物理变化,又有化学变化,但其

29、木质是可燃气与空气或氧的快速氧化反应,属于化学爆炸。 气体燃烧爆炸的变化范围比较宽,从速度量级来看,常见碳氢化物与空气在计量比浓度时的基木燃烧速度为0.5m/s量级,但是当同样燃料混合物转变成爆轰时,其波阵面传播速度可达2000m/s量级，因此可燃气体爆炸事故往往会造成非常严重的后果。 将可燃性气体与助燃性气体混合就成了一定浓度的预混合性气体，当它发生燃烧时，如果火焰速度很快，就会产生强大的压力波及巨大的爆炸声，这种现象称为爆燃；当火焰传播速度进一步加快时，就可能由爆燃转为爆轰，爆轰会产生强大的冲击波，对周围的环境造成强大的破坏。要使气体爆炸,必须有三个基本条件:（1)合适浓度的燃料气体;（2

30、)合适浓度的氧气;（3)足够能量的点火源。所谓“合适浓度”即指可以发生爆炸的浓度。每种燃料气体在氧气或空气中都有一个发生爆炸的浓度范围。超出这个范围,即使用很强的点火源也不能激发爆炸,这个浓度范围即爆炸极限。可燃剂与氧气发生化学反应时可燃剂恰好被氧化剂全部氧化生成co2和h2o时的浓度称为化学计量浓度。当可燃气与空气以化学计量浓度混合燃烧时,可燃气体和氧化剂完全反应。气体燃烧爆炸的模式一般可以分为四种:（1)定压燃烧:（2)爆燃;（3)定容爆炸;（4)爆轰13。（1）定压燃烧定压燃烧是无约束的敞开型燃烧，在敞开型的容器中混合气体的燃烧产物能及时排放出去,在燃烧的过程中压力保持平衡,等于初始环境

31、压力,因此不会引起压力升高或形成压力波,也不会产生具有破坏性的爆炸波，定压燃烧的一个特征参量为定压燃烧速度,它取决于燃料的输运速率和反应速率，在化学计量比浓度下,大多数烃类燃料与空气的混合物产生的基木燃烧速度为o.5m/s量级。（2）爆燃爆燃是一种带有压力波的燃烧，爆燃和定压燃烧的不同之处正在于其有压力波的产生"定压燃烧时由于燃料产物能及时排放,所以压力不会增长,不会产生压力波，但当有约束或障碍存在与燃烧阵面后边界时,就会产生压力波,这是由于燃烧产物建立起一定的压力,波阵面两侧建立起的压力差以当地的音速向前传播，这个压力波也叫做前驱冲击波,这是因为这个压力波的传播速度比火焰阵面要快,

32、行进在燃烧阵面前爆燃是由前驱压力波和后随的燃烧阵面构成,是一种不稳定状态的燃烧波。（3）爆轰爆轰的特征是超音速传播的带化学反应的冲击波,爆轰是气体燃烧爆炸的最高形式，跨过波阵面,压力和密度是突跃增加的，爆轰阵面的压力很高,且具有方向性和不对称性，对大多数碳氢化物和空气在化学计量比浓度时,发生爆轰的压力为1.5mpa量级,爆轰速度约为1.5km/s量级。（4）定容爆炸定容爆炸是燃料混合物在给定体积的刚性容积中均有地同时点火时所发生的燃烧过程。2.3 可燃气体爆炸的基本参数可燃气体爆炸的基本参数主要包括：理论混合比、爆炸极限、点火能及点火温度、燃烧速度和火焰速度、绝对火焰温度、点火延迟性、爆炸压力

33、和最大爆炸压力、平均爆炸压力上升速率等14。2.3.1、理论含氧量与理论混合比可燃性气体正好完全燃烧所必须的氧气量称为理论氧含量。碳氢化合物燃烧时，当分子中的碳完全生成 co2，氢反应后全部生成 h2o。所谓理论混合比就是指在常温常压下，可燃气体在空气中完全燃烧时，空气中的可燃性气体的浓度c，也称为完全燃烧组分。如果空气中可燃气体浓度小于理论混合比浓度时，虽然与完全反应时的生成物相同，但是燃烧速度会变慢，当混合物浓度低于某一浓度时，火焰便不再传播，即不发生反应；如果混合物浓度高于理论混合比浓度时，可燃气体不完全燃烧，其碳元素不能全部氧化成为二氧化碳而只能氧化成一氧化碳，火焰速度变慢。当在某一浓

34、度上火焰不再发生传播，这时的浓度界限称为燃烧或爆炸界限。2.3.2、爆炸极限 部分可燃气体（如甲烷、氢气、乙炔、等）；可燃液化气（如液化石油气、液氨、液化环氧乙烷等）；以及可燃液体的蒸气（如苯、酒精等）他们与空气所组成的混合物，并不是在任何混合比例下都可以燃烧或爆炸的，而且混合物中各组分的比例不同，火焰的传播速度也不同。通过实验探究，当混合物中可燃气体各组分接近理论混合比时，燃烧最剧烈。爆炸上限和下限通常用可燃气体（蒸气）占混合气体的百分比（%vol）来表示。当实际混合比较理论混合比的浓度增加或减少，火焰传播速度则会降低。当浓度高于或低于某一极限值时，火焰将不再传播。可燃性气体或蒸气与空气组成

35、的混合物能使火焰蔓延的最高浓度，称为该气体或蒸气的爆炸上限；同样，能使火焰蔓延的最低浓度，称为该气体或蒸气的爆炸下限。爆炸上下限之间的范围称为爆炸区间。当混合物中可燃气体的浓度在爆炸上限以上或爆炸下限以下，则不会燃烧或爆炸。可燃气体或液体蒸汽爆炸极限的概念可用热爆炸理论来解释。当可燃气体浓度小于爆炸极限时，由于所含空气的浓度过量，空气的冷却作用和可燃气体浓度的不足，阻止了火焰的传播；同样，当可燃性气体的浓度大于爆炸上限时，则可燃气体浓度过量，此时混合气体会因缺氧而不能够反应、放出热量。火焰也不能传播。若在此时向混合气体中补充氧气，是具有燃烧或爆炸危险的。所以当可燃气体浓度达到爆炸上限以上时，混

36、合气体不能认为是安全的。2.3.3、点火能 在最敏感的条件下，可燃气体被引燃所需要的最小能量和最低温度，就是最小点火能和最低点火温度。它们能定量的表示可燃气体对外界能量及温度作用的敏感程度，是爆炸性气体混合物的基本特性。足够的点火能是可燃气体爆炸的三要素之一。当从点火源获得的能量超过某个阈值时，可燃气体混合物就被点燃了。一般来说，大多数可燃气体混合物的点火温度都是在9001200k徘徊。这就表明了：一般情况，温度低于这个温度，火焰就不能自动传播了。9.5体积百分比的甲烷空气混合气体，其最低点火能为0.28mj，最低点燃温度650。当点火电极间隙内的可燃气体混合比、初始温度、初始压力一定时，点火

37、电极需要释放一定的能量，要有一个最小放电能量，才能在点火电极周围形成一个初始火焰中心15。 2.3.4、燃烧速度火焰在未燃的混合气体中进行传播的速度称为燃烧速度。我们常说的基本燃烧速度，也可以说标准层流燃烧速度，即常温、常压下的层流燃烧速度。已燃烧的气体因高温而使体积膨胀，使未燃气体沿着火焰进行的方向流动，所以，从外部见到的火焰速度大都是加速状态，故未燃气体的流动速度与燃烧速度之和便是火焰速度。燃烧速度和火焰速度可以直接反映爆炸威力的参数，其中燃烧速度大则表明爆炸具有更强大的破坏性。2.3.5、火焰温度火焰温度是燃烧最为重要的参数，它是化学反应速率决定性的因素。我们可以使用工具将其测量出来，如

38、热电偶，温度计等等，我们还可以根据理论或者经验公式计算出。2.3.6、爆炸压力及最大爆炸压力可燃性混合气体爆炸时对容器壁的压力叫做爆炸压力，它是对可燃性混合气体所含热能转化为做功能能或破坏能力的一个重要量度。当容器所能承受的最大强度低于爆炸压力，那么容器将被爆炸压力冲击破裂。所以爆炸压力是防爆设备强度设计的总要依据。2.4 影响可燃气体爆炸的主要因素可燃气体爆炸影响因素实质上是爆炸极限的影响因素。爆炸极限不是一个固定值，它随各种因素而变化。那么，影响爆炸极限的主要因素有哪些？本人在综合大量的资料后，整理归纳为以下几点：原始温度、原始压力、含氧量、惰性介质以及容器几何尺寸等。2.5 瓦斯爆炸机理

39、 爆炸是物质的一种急剧的物理、化学变化,在变化过程中伴有物质所含能量的快速释放,释放出的热量变为对物质本身变化产物或周围介质的压缩能或运动能,并且此时物系压力急剧增高。爆炸可以分为物理性爆炸和化学性爆炸,而矿井瓦斯爆炸一般认为是化学性爆炸。瓦斯爆炸必须具备三个条件16:（1）甲烷浓度处于爆炸范围内(常温常压下,在气体中形成5%15%甲烷的积聚);（2）氧的浓度超过失爆氧浓度(在c02惰化下,氧浓度>l2%,在n2隋化下,氧浓度>9%);（3）引火源温度高于最低点燃温度(595),能量大于最小点燃能量(0.28mj)且点燃的时间长于爆炸感应期。而一般在矿井内,氧气的浓度是满足的,所以

40、只要另外两个要素即瓦斯积存和点火源同时具备,就有可能发生瓦斯爆炸。2.6 瓦斯爆炸理论瓦斯爆炸理论一般有热爆炸理论和链式反应理论17-18。（1)热爆炸理论 热爆炸理论又称自燃理论,是关于放热化学反应和放热系统的热自动点火的理论。热爆炸理论认为燃烧爆炸是由于反应热量的积聚的加速反应导致的，当燃烧反应的反应物聚集在一起并在一定温度条件下,分子间由于碰撞而有一部分分子能完成放热反应,放出燃烧，如果反应系统是绝热的,则这部分燃烧热使整个反应系统的温度增高,温度增高又使反应物间的反应速度加速,放热速度也增加,使系统的温度进一步增大,反应系统仿佛是处于一种正反馈的加热!加速反应的过程,知道反应速度激增至

41、趋向于无限大,这就发生了爆炸。 但是,热爆炸理论只能对一些燃烧速度随反应温度的升高而积聚增高的、较简单的燃烧速度与温度的关系做出合理的解释,它是建立在一步反应的基础之上的,但是对于某些燃烧现象中出现的问题并不能做出满意的解释，如co2与02反应时加入不能参加燃烧的水蒸气可使反应速度加速等。（2)链式反应理论链式反应理论认为使反应自动加速并不一定仅仅依靠热量积累,也可以通过链式反应的分支,迅速增加活化中心,来使反应不断加速直至着火爆炸，链式反应过程能以很快的速度进行,其原因是每一个基元反应或链反应中的每一步都会产生一个或一个以上的活化中心,这些活化中心再去与反应系统中的反应物进行反应，链式反应从

42、链引发和链传递过程可以分为两大类:直链反应与支链反应。直链反应在过程中不发生分支链,而支链反应发生分支链。直链反应在链反应过程中的每一步只产生一个活化中心,由这个活化中心在于反应系统中的反应物作用,生成产物与新的活化中心"如此不断地进行,直到反应完成或链反应中断为止。支链反应支链反应的特点是,在反应链中每消耗1个自由基就产生1个以上的新自由基,由它们去进行下一步链环反应,如此繁殖下去使反应速度成几何级数的增速发展,反应能迅速达到爆炸的程度。自由基是指有机化合物分子中的共价键在外界热和光的激发下,分裂成的带自由电子的原子或原子团，自由基和自由原子由于有未成对的电子,所以非常的活泼,通常

43、无法分离得到,但在许多反应中,都已中间体的形式存在。链反应通常都需要经过三个过程:链引发、链传递和链终止。链反应开始时需要外界输入一定能量,使反应物的分子中分化出活化中心或自由基，随后的反应中都先消耗一个活化中心,然后产生新的活化中心或自由基，在链反应过程中有许多活化中心或自由基与反应容器壁面或其他的自由基相撞时被吸收或复合成活性很差的分子,使链反应中断,从而终止了链式反应。甲烷的主要链式反应式有以下三个:ch3+02一hzco+ohh+02一oh+hhco+m一h+co+m3 气体抑爆系统理论3.1 可燃气体抑爆概述可燃气体的燃爆历程一般分为三个阶段19: 第一阶段为点火阶段(ignitio

44、n)或称为起爆阶段(initiation)第二阶段为生长阶段,即由于反应热引起的燃烧,接连不断地向毗邻的未反应区推移,火焰面无需外部提供能量即能进一步扩展；最后阶段为稳定燃烧阶段,由于受可燃性物质种类和燃烧条件的影响,此过程有可能进一步发展成为爆轰。在安全工程学中将对第二阶段采取的安全措施称为抑制(suppression)。目前气体爆炸的防护措施可分为隔爆、泄放和抑制三类。本文主要研究爆炸的抑制。爆炸抑制技术就是利用及时喷洒抑制剂(如干粉、1211 灭火剂、水等) 使链式反应中断或使放热反应热量积累速率降低,最终导致燃烧反应终止。相对于泄爆、隔爆等安全措施而言,爆炸抑制是一种更为积极有效的防爆

45、方法,它可避免有毒气体、未燃物、火焰等排放到大气中,造成二次爆炸或污染；它能在爆炸产生破坏压力之前喷放抑制剂,抑制住火焰,防止爆炸进一步扩大,这样能使尚处于初始阶段的爆炸(燃烧)在影响范围较小时就被抑制(熄灭),从而使爆炸带来的危害和造成的损失降至最小。因此,对爆炸抑制的研究是一项很有实际意义的工作。3.1.1、可燃气体爆炸抑制机理爆炸性混合气体发生爆炸的原理是链式反应理论和热爆炸理论。前者认为，气体混合物自行着火的条件是链式反应分支数超过中断数，此时即使混合物的温度保持不变仍可导致自行着火，在一定条件下就会发生爆炸。爆炸抑制技术就是通过及时喷洒抑爆剂使链式反应中断或使放热反应热量积累速率降低

46、，最终导致燃烧反应终止。爆炸发生以后，应迅速喷洒抑制剂，抑制剂抑制原理主要有以下几方面20：(1) 冷却作用对一简单开口系统进行分析研究：散热速率与时间t的关系：q1=gcp(t-t)/v放热速率与时间t的关系：qg=hckp(tm-t/tm-t)e-e/rtg：质量流量；f：爆炸前混气浓度；f：爆炸后混合气体浓度；t：爆炸前混合气体温度；cp：热容。爆炸初期，将抑制剂释放在燃烧区中，使燃烧区域的温度降低到着火点之下。(2) 链中止作用根据连锁反应中器壁效应的作用，要将已经着火系统灭火，需要借助阻火元件让自由基与通道的碰撞几率增大并占主导地位，使系统中的自由基增长速度小于自由基的销毁速度。在工

47、业生产中，也采用在燃烧区释放抑制剂的办法，它能够降解生成的自由基，这些自由基可以中和燃烧反应的自由基，增加其销毁速度，中止了连锁反应。3.1.2、可燃气体爆炸抑制技术种类 爆炸的抑制就是当爆炸处于初始阶段就能够通过合适的手段来约束和限制爆炸燃烧的条件和范围，免于或减小爆炸产生的高温和高压带来的灾害。现在可燃气体抑爆技术已从被动泄爆转向以水雾、惰性气体、abc粉等的主动抑爆、阻爆技术。当前应用最为广泛的气体爆炸抑制技术可简单地归为两类：阻爆技术和淬熄技术。阻爆技术是通过一套自动化装置将抑爆剂喷入管道，强制阻止火焰的传播，其抑爆性能除了与喷射装置的探测性能、反应性能和自动化程度有关外，更多的取决于

48、抑爆剂的性质。惰性气体抑爆剂以其优良的抑爆性能和无污染、非热解的特点逐渐得到了广泛的应用。淬熄技术则是采用多孔通道将火焰分割，利用强大的壁面效应吸收火焰热量使其熄灭，从而到达阻止火焰传播的目的，因此其抑爆效果主要取决于多孔通道的构造和材料性质21。具体的抑爆方法有以下几种：（1）常见的防爆措施主要集中在控制点火源，采取禁止火种、防静电、雷电、电磁的方法来消除点火源。但是，从很多可燃气体以及粉尘的爆炸事故的原因分析看出，采取单一的防爆手段不能完全根除危害22。以惰性气体为介质的惰化技术是一种非常有效、很有发展前途的防爆抑爆技术。惰性气体是指化学活性低、燃烧时不参与反应的气体及其混合物，如he、i

49、g-01(ar)、ig-100(n2)、c02、ig一541(52n2，40ar，8c02)、ig-55(50ar，50n2)等。惰性气体的抑爆机理是使燃烧过程中的氧气含量降低，从而达到窒息火焰的目的。惰性气体抑爆剂具有抑爆性能优良、对环境无污染且来源广泛、无毒非热解等特点，因此日渐受到人们的关注。比如将惰化介质氮气充入爆炸体系内，就可以破坏其链式反应发生的要素（比如氧气浓度，可燃气体浓度，自由基的化学性，点火源的温度和能量，环境压力等），一方面使爆炸范围内的氧气被稀释，使可燃气体同氧隔离，在它们之间形成一层不燃烧的屏蔽，当活化分子碰撞惰化介质时会使活化分子失去活性；另一方面燃烧反应产生的游离

50、基将与氮气发生作用，使游离基失去活性从而导致燃烧连锁反应的中断，同时氮气还吸收大量的燃烧反应热，使热量不能聚集，燃烧无法传播给其他可燃组分，对燃烧及爆炸起到抑制作用。（2）惰性粉状灭火剂抑制效果比较好，其成分主要为二氧化碳、磷酸铵、碳酸氢钠，将它们在燃烧初期喷洒出去，可以扑灭火焰，降低容器内的最大爆炸压力，从而抑制了爆炸，其抑爆机理与惰性气体大致相同，一方面稀释了可燃组分的浓度；另一方面可吸收反应热，起到冷却作用，破坏了链式反应的结构。（3）超细水雾抑爆。可燃气体爆炸伴随着强烈的化学反应，水作为广泛使用、环境友好、廉价又有效的灭火剂，可以很好地抑制可燃气体爆炸火焰传播。从物理特性上，水具有吸热

51、量大的特点，一千克水温度升高1需要41868j热量，因此具有很好的冷却作用。而超细水雾有着微米级的尺度，具有很大的比表面积，蒸发吸热迅速等特点，它的吸热冷却作用又比细水雾及其它水介质强大许多。弥散开的超细水雾液滴的蒸发吸热影响着压力波后方燃烧区的化学，从而抑制爆炸；而弥散开的水雾滴具有消散作用也可以引起压力波的衰减。超细水雾直接作用于爆炸反应区，由于大量的超细水雾液滴悬浮在混合气体中，使得反应产生的大量自由基与超细水雾液滴碰撞而销毁，故而降低了爆炸反应速度，反应失去了活性，减少用以传播爆炸的能量，达到了抑制爆炸的作用。(4) 煤矿区还用到凝胶注入灭火技术。它是向水中加入少量添加材料，经过一段时

52、间物理、化学反应后便形成凝胶。形成的凝胶固结在煤体中，堵塞漏风、包裹煤体、具有隔绝煤氧接触的性能及阻化性能，减少煤氧化反应速度，降低煤氧化放热量，降低火区的温度及爆炸的危险。(5) 根据火焰淬熄机理，近来用丝网结构进行淬熄的实验较多。多层丝网结构有体积小、重量轻、淬熄性能好等优点。当火焰通过丝网时，将变成若干细小的火焰,使火焰温度降到着火点以下,从而阻止火焰蔓延。另一方面，反应的自由基与通道壁的碰撞几率增大，参加反应的自由基减少，反应也不能继续进行。通过实验可知，丝网的孔径越小，能淬熄的火焰速度越大，淬熄火焰性能越好；在小于允许间距范围内，淬熄性能随丝网层数的增加呈指数增加，但是，增加到一定层

53、数后，淬熄性能就不再变化了。3.2 可燃气体抑爆系统3.2.1、气体抑爆系统的组成及其工作原理甲烷气体爆炸是一个链式反应过程,要扑灭爆炸火焰、抑制爆炸,就要中断爆炸反应链,破坏反应过程。在爆炸初期扑灭爆炸火焰,效果最好,也最容易防止爆炸的发生发展;而当爆炸发生到一定程度时,是很难控制或扑灭的。抑爆系统的工作原理就是在爆炸火焰发展不大的情况下,探测爆炸火焰,自动喷撒出抑爆剂, 形成扑灭爆炸火焰的足够浓度灭火剂粉雾体,扑灭爆炸火焰。本设计抑爆系统由紫外传感器、控制器、抑爆器组成。将紫外传感器布置在潜在爆源处,当发生易爆气体、可燃粉尘燃烧、爆炸时,紫外传感器接收火焰信号,传送至控制器,控制器产生触发

54、电压,使抑爆器的产气剂进行化学反应, 迅速释放出大量气体,驱动抑爆器内的灭火剂从喷嘴喷出,形成足够浓度的灭火剂粉雾体,与火焰充分接触,扑灭火焰,防止天然气爆炸的发生、发展。其原理图3.1及简图3.2如下：图 3.1 抑爆系统原理图1 传感器 ； 2 控制器 ； 3抑爆器 ；4 火焰面 ； 5冲击波阵面图 3.2 自动抑爆装置工作原理简图3.2.2、气体抑爆系统的优点气体抑爆系统的优点主要有:(1) 可以避免有毒、易燃易爆物料、灼热的气体或明火窜到设备外,对泄爆易产生二次爆炸和人员伤亡的设备、无泄爆口可开的设备,采用抑爆比较合适；(2) 对设备强度要求较低(1mpa 以上) ；(3) 对设备安装

55、位置的安全距离要求较低。爆炸抑制系统的作用原理就是借助于高灵敏的传感器(如感光的),在爆炸刚发生时便受到触发产生动作,迅速地将抑制剂送到火源处,把刚刚发生的燃爆反应抑制住。4 可燃气体抑爆系统的设计4.1 传感器的设计传感测量技术主要是用来发现爆炸信号。爆炸发现得越早,防止和抑制爆炸就越容易。例如,对一个发生爆炸的球形容器,在总反应时间的前30%区段内,压力几乎没有变化;在这一时段内抑制爆炸,可大大降低对设备强度的要求,也大大提高了易燃易爆环境的安全可靠性。但是,在极短时间内发现燃烧爆炸信号,对传感器灵敏度就提出了更高的要求。4.1.1、常见抑爆系统传感器的种类燃烧爆炸时会产生辐射、温度上升、

56、压力上升和气体电离等现象,光学传感器、温度传感器、电离传感器和压力传感器就是感测这些现象警示爆炸的传感仪器。温度传感器和电离传感器只有与火焰直接接触时,才能有足够的灵敏度;这一特点大大限制了这些传感器的使用范围。为此,只有在预知火焰源位置的情况下设置它们才能较为有效,而实际情况却又很难预先设定明火的具体位置。光学传感器的优点是灵敏、动作迅速、可监控的空间大。因为只要火焰产生就会出现辐射,并以光速传播,而且接收辐射的传感器滞后时间极短,一般为10- 610- 4s,因此光学传感器能在爆炸发生的最初阶段发现爆炸。压力传感器通过感知设定的压力值或设定的压力上升速度信号以发出爆炸警示。但是压力传感器没

57、有光学传感器灵敏,因而对爆炸的感知能力比较落后。由于各种燃料燃烧时的火焰所发出的紫外线都很强,且一旦火焰熄灭,紫外线立即消失。因此用检测紫外线来检测火焰的方法可靠性高,而且不受可见光(如阳光) 和红外线(赤热炉壁辐射)的影响。为此, 本设计欲采用紫外传感器23来检测爆炸信号。4.1.2、紫外传感器紫外线火焰传感器的敏感元件为紫外光电管，电路方框图如图4.1，紫外光电管的工作原理是，爆炸的初期，在火焰中的远紫外照射下，紫外光电管的电子吸收了入射远紫外光子的能量逸出光阴极表面，在阴极电场作用下向阳极运动，从而产生电信号，达到检测爆炸火焰的目的。电源及电源变换电路输出电路光电检测信号处理电路图4.1 紫外线火焰传感器电路原理方框图紫外光电管的光谱响应为185260nm，在远紫外光的范围，太阳光的紫外波段截止在290nm，红外波段截止在13um。因此该紫外光电管对太阳光不敏感。光电管的相对灵敏度与各种发射光源的相对发光强度相比是大的。就ch4（瓦斯的主要成分为ch4）气体来说