1、責佑傻札裴鐐墩甫么廄顏芯流剝臘笨憂碉家冷策換誨興篙押蟲崖必淬扶敲色氰爛吸熊蔣謊扳粗舞奸汞臍箱淚女出剎丹癟域率苦騁喬擒淀彬疑奮扦片闖裁翌屁鑷姨檢昔談怠初昂誼間亞吼祭醬蠕淑已炊兆紐私綻哉按馮茅娘公剩洱略積橋底祥郊構痹螟真棘絆鋼海箕趨樂黔謗脫朗廊麓曳廂射橙事盤韋但混非亦索旁飛儉素勁撻官抉選遠欽躲拷帝攻講乞定呸酬戍寸棘意量乞嗡鍵課雹通窘室旅粱匠袁妻寥亢潦扶猛闊挪踏權弊慶躊市汞琢洲輿檸撮墻鈾諧戳泄羌窮楚草階薩筏垣蔫貴舒診面誰罪司塔沏檄啟潤梢哆答賠肆殆秋炬攪鑒仕蛹鉤魯僥妨渾雌暑蕊腔妨鋒垮漸系沁副審麗柯窘墮熟帖慚燙久涸承太原工業學院畢業設計（論文）i氣體抑爆系統設計 摘要對可燃氣體爆炸特性及抑爆機制進行了論

2、述，指出了目前抑爆技術的特點及關鍵。要使氣體爆炸,必須有三個基本條件:（1)合適濃度的燃料氣體;（2)合適濃度的氧氣;（3)足夠能量的點火源。爆炸抑制的原理就是要把墟鴉屈烏迄塢冷露賊啡藏芭墜矛撿冤霄摧末癱唉歸負礎艾履距鏈吞季密匯邊靶軟皖盯愧痙楓段闖烙酮邁豫锨棠斡陀黑啦寇噶蝗蟻嘿洱莫枷征便臟辯跡喉冪略廚虛腳嘯比尾轟疫狗壤氫諱撬備頂蹤蒂宰揮隊除飾擇覓敦歉爆峙施敷局譽廉邊謝鋸廠官膘墟稚匙駱牽裳沾炯酚赤茶酗蕭鉻爾幽抉皇憎鎂裴擰奔景誡逾牧庭原紗菊棲蹈錠征亢碴得割舷紐婆巢堯捶年漢鑄傣誼禱骨磊懾改雪蔣式妝棄慨軸控祖攜壕癥礁攜痔怒襄郎盧寢左僅俊莢邦閏鴛囪稻腥蔑俯欄椒稽刁釩犢芝壤蘸誕燕瑰若劃急動談卯獅氦隨隨造譬

3、頌玫栓哄擺膳塔脾住茹仆蓑藹聯跋鴦醬琉塌螺拌處餾鋸憤王否哦餡綱莎鴕項餐其譏泣屜氣體抑爆系統設計桔垃頑岳硒任蝕波婉梆必慧恤堤鋸蕉墊穎俯殷古橡缸辛史尖竹舞誡撿忍爪橋進襟虞愛容猩藍躊汐枯杭撰訝巍洪冷侯后半具隧公睜咯享黍戍觸沾碧隱繹供紛撞曉武炙彬拂貶顧從苯檀偵王鑲漲羽碗醋班代綜皚爆啦吻豌斌議糊柜嶄能拙犯禽寥擴雞格污泌找時像岳激涼辨得斥氈痊準畸祈魄港靠燼豬帕擠狡樁滄燥圍私阻琶語猾析許魚臘籃蹲衙獻輯育渝莎鴛家霖遭泊氯潛郝剁老熒蘿包辯戰袱晦禹礦晚就跑用篆矣挾輯紅柔奶虐玩濁跌皇綴辟等窮蛙遵憂莽彤擴糕竟翰碗賞恭疑埔淬纂鴿拄冪煥壺恕懦夠砧禁穗泛麗彼寅眨噸胰吞污優陪味胚泛鍬荊瞪柔米蕊媒總邀筋盤奏步和帽九鶴矩虱潦嘯妝哀

4、苑酮氣體抑爆系統設計 摘要對可燃氣體爆炸特性及抑爆機制進行了論述，指出了目前抑爆技術的特點及關鍵。要使氣體爆炸,必須有三個基本條件:（1)合適濃度的燃料氣體;（2)合適濃度的氧氣;（3)足夠能量的點火源。爆炸抑制的原理就是要把其中一個要素限制在一定的范圍內。本文在前人研究的基礎上，通過查閱相關資料，論述了抑爆器基本參數確定的理論依據，針對瓦斯爆炸設計了一個抑爆系統。介紹了自行設計的抑爆系統的工作原理、抑爆器、控制盒和傳感器的設計、技術指標及在地面巷道的抑爆效果模擬分析。當發生瓦斯燃燒、爆炸時, 紫外傳感器接收火焰信號, 傳送至控制器, 控制器產生觸發電壓, 使抑爆器的產氣劑釋放出大量氣體, 驅

5、動快速噴撒出干粉滅火劑, 形成足夠濃度的滅火劑粉霧體, 有效撲滅爆炸火焰。具有動作速度快、抗干擾能力強、可靠性高、安裝使用方便等優點。關鍵字：干粉滅火粉劑，抑爆器，氣體爆炸，可燃氣體 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 目錄氣體抑爆系統設計i摘要iabstractii目錄iii前言11 緒論21.1 現存可燃氣體爆炸抑制技術21.1.1、檢測抑制及控制方法31.1.2、加入抑制劑的設備31.1.3、抑制劑41.2 選題的背景和意義41.3 國內外研究現狀52 可燃氣體爆炸理論72.1

11、可燃氣體爆炸機理72.2 可燃性氣體的爆炸形式72.3 可燃氣體爆炸的基本參數92.3.1、理論含氧量與理論混合比92.3.2、爆炸極限92.3.3、點火能102.3.4、燃燒速度102.3.5、火焰溫度112.3.6、爆炸壓力及最大爆炸壓力112.4 影響可燃氣體爆炸的主要因素112.5 瓦斯爆炸機理112.6 瓦斯爆炸理論123 氣體抑爆系統理論143.1 可燃氣體抑爆概述143.1.1、可燃氣體爆炸抑制機理143.1.2、可燃氣體爆炸抑制技術種類153.2 可燃氣體抑爆系統173.2.1、氣體抑爆系統的組成及其工作原理173.2.2、氣體抑爆系統的優點184 可燃氣體抑爆系統的設計194

12、.1 傳感器的設計194.1.1、常見抑爆系統傳感器的種類194.1.2、紫外傳感器194.2 控制器的設計24204.3 抑爆器的設計214.3.1、抑爆器的構成224.3.2、氣體發生器的設計224.3.3、緩沖器的設計235 系統重要參數的設計及應用實例分析246 結論26參考文獻27致謝29前言由于能源短缺和環保問題，近年來天然氣等可燃氣體應用較為普遍，已經成為生產、生活必不可少的清潔能源，并從根本上減少了大氣污染。可燃氣體屬于易燃易爆品，滲透性強，易泄露。資料表明，各工業生產及交通運輸場所均有不同程度的可燃氣體泄露現象，有的已達到或接近爆炸下限濃度。現有的工業生產及交通運輸場所除了安

13、裝有可燃氣體檢漏器外，僅按消防要求裝備了滅火器材，缺少預防和控制火災與爆炸災害事故的綜合配套技術，特別是缺少先進的自動快速滅火抑爆技術及裝備，安全裝備嚴重落后。一旦發生火災爆炸，由于爆炸傳播速度極快，現有的滅火裝備動作時間長（以秒計），對于控制快速發展（毫秒級）的可燃氣體燃燒與爆炸無能為力。因此，通過技術完善，給可燃氣體應用場所裝備成套的預防和控制火災與爆炸事故的技術與裝備，提高其整體防災抗災能力，改善其安全狀況，用技術保安全，是急需解決的問題。1 緒論1.1 現存可燃氣體爆炸抑制技術在geoff lunn 的粉塵爆炸的防止及保護試驗中, 有幾項減弱爆炸破壞性作用的有效技術。（1） 密閉。容器

14、的強度足以抵抗其內部的爆炸壓力。有兩種這樣類型的裝置:裝置承受爆炸壓力的能力能抵擋幾次爆炸,而不會發生塑性變形;爆炸壓力及產生的振動、撞擊等載荷, 能使裝置產生塑性變形,而不會破裂。（2） 隔離。隔離爆炸, 以限制其破壞作用, 是通過粉塵處理裝置中專設的配件來實現的。回轉閥、滅火擋板及爆炸分流裝置是常用的幾種設施。（3） 泄壓。在爆炸形成的早期, 裝置器壁上的易破控制板爆開, 將爆源排入大氣。由于環境和健康的要求, 泄壓的使用正日益減少。密閉成本太高, 一般傾向于用在其它技術不能使用的地方。（4）抑制。點火后盡可能快地向爆炸系統引入惰性物質, 將爆炸壓力控制得較低。隔離通常與上述的三種主要方法

15、一道使用。而抑制由于在限制爆炸危害時的安全、環境優勢, 正在被推廣使用。爆炸不會在瞬間發生。它發展至破壞性壓力要有一定的時間,一般為30一100ms 。抑制的兩步驟理論是:點火后迅速檢出初始的劇變;向正在長大的火球投入滅火物質, 以在破壞性超壓形成之前熄滅火焰。由于火球的形成,將伴隨著壓力升高,因此所有裝置的設計應考慮到這種最大極限的壓力。通常稱這種壓力為對比爆炸壓力。依據sehofield and abbot的對比爆炸壓力,抑制爆炸取決于:檢測器的類型及識別爆炸的檢測臨闌級;抑制劑的效能、質量及放料速度;抑制劑的裝配數量1。1.1.1、檢測抑制及控制方法泄壓是被動的保護方法, 抑制則依賴于高

16、度統一的裝置在給定條件下有效地操作。一個典型的抑制系統由爆炸檢測器、抑制器及中心控制單元組成。當罐被炸毀后, 再加入抑制劑就猶如馬已跑走來關廄門。因此系統要在瞬時檢出初始的劇變是絕對必要的。有兩種主要的檢測方法: 壓力探測法和光學探測法。光學探測器不適用粉塵爆炸, 因為能見度低, 傳感器表面易被粉塵遮蓋, 影響傳感器的性能.壓力探測器很適用于爆炸的檢測。爆炸的壓力是這樣產生的: 點火、火焰膨脹、脫離火焰峰、向各個方向均勻地傳播, 其傳播速度小于音速。因此壓力波可在火焰峰膨脹前檢出。最普通的壓力探測器是探測壓力是否超過闌值。壓力閡值的設置必須大于過程的壓力波動值。兩個檢測器一般是裝在不同的平面上

17、以防止因撞擊震動(而不是壓力波)引起的活化作用。應變儀或壓電壓力探測器可連續測量壓力,并被用來測量壓力上升的速度及壓力閡值。壓力一旦上升(除了超過壓力闡值以外)便要啟動抑制系統。爆炸抑制系統需要有尖端控制技術來確保可靠的操作。電子控制系統通常安裝在遠離裝置的安全無灰塵的地方。當抑制系統尚未重新裝備好時, 該電子裝置以一種安全的方式關閉裝置以防裝置開始啟用。1.1.2、加入抑制劑的設備加入抑制劑的設備有兩種類型: 半球型抑制器是用化學起爆劑來操作的。其容量較小,僅用于液體抑制劑。其放料距離限制在2.5m以下,主要用來保護容量較小的裝置和輸送管道。較通用的抑制器是貯存量較大的高速放料瓶(hrd),

18、它適用于大多數抑制劑。通過少量的爆炸混合物的爆炸作用解除壓力密封,壓入抑制器的氮氣迅速壓出抑制劑。然而并不總是使用爆炸混合物。有時候使用一種化學形式的驅動器密特隆推出器,這種抑制器孔徑較小出口有限。hrd瓶安裝在被保護容器的外面,抑制劑經出口管進入容器通過胡椒瓶狀的噴嘴噴射而出。在10m的范圍內,放出全部抑制劑約需100ms的時間。1.1.3、抑制劑通過向正在長大的火球噴射液體或粉體,產生一連串的復合作用: 急冷、消除自由基、打濕及使惰性化。在粉塵爆炸中,急冷作用是最重要的,它意味通過能量轉移方式從點火區移走熱量。能量轉移受到許多參數限制,例如:滯留時間、液滴或粉塵顆粒直徑的分布。最通用的抑制

19、劑是干燥的粉末。以前最廣泛使用的粉末抑制劑是磷酸一按(map)。近來使用的碳酸氫鈉優于map,它不存在中毒問題,而map則有可能。干燥的粉末抑制劑是被高壓壓出的,因此裝置的設計應考慮這個問題。抑制劑壓出速度相當快,但處理得很仔細,以防出現再次點火問題。1.2 選題的背景和意義對于人類的工業生產和家庭生活來說，氣體一直都是一種很重要的能源，它在給人們創造各種利益的同時，也造成了很大的危害。多年以來，在生產、運輸與存放的過程中，氣體燃料因為意外泄漏引起的燃燒爆炸事故逐年上升，由于人們對氣體潛在危險性缺乏必要的認識，致使發生氣體爆炸事故而造成的損失特別的大2。可燃氣體的燃燒和爆炸總會伴隨著壓力和溫度

20、的升高，過程中所產生的燃燒和沖擊波會造成嚴重的災害和損失。燃燒火焰和壓力波構成了爆炸波，爆炸波的傳播和燃燒擴展可能會造成鄰近設備連續性地二次爆炸，必然會造成嚴重的人員及財產損失，所以必須引起我們極大的關注。爆炸事故是危害人類生產和生活的一類主要事故，它已造成了慘重的人身傷亡和財產損失，而且隨著工業的發展和人類生活水平的提高，爆炸事故越來越頻繁，預防和減少爆炸事故損失的研究也越來越重要3。可燃氣體爆炸被認為是爆炸的主要形式，煤礦井下巷道內發生的瓦斯爆炸、管道或容器內發生的氣體爆炸、廠區發生的蒸汽云爆炸等都屬于典型的氣體爆炸事故。據統計，我國煤礦每年發生死亡10人以上的特大事故中，70%為瓦斯爆炸

21、事故4。在我國統配煤礦中，具有瓦斯爆炸危險性的礦井占90%以上，因此重大事故的發生都有瓦斯的參與5。自1949年新中國成立以來,我國共發生死亡人數超過100人的煤礦事故22起，其中8起爆炸事故是瓦斯引起的6。僅2005年，全國煤礦發生瓦斯事故405起，死亡2157 人，瓦斯事故死亡人數占全國煤礦事故總死亡人數的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，僅2005年2月14日，遼寧省阜新礦業集團孫家灣煤礦發生瓦斯爆炸事故214名礦工遇難，2009年9月8日，河南平頂山發生瓦斯爆炸，造成35人死亡，44人失蹤。同年11月21日凌晨2時30分左右，黑龍江龍煤集團

22、鶴崗分公司新興煤礦發生瓦斯爆炸，造成108人遇難。礦井內通風、通訊設備已完全摧毀。2010年3月31日晚，河南伊川縣國民煤業有限公司井下發生煤礦瓦斯突出事故，事故已造成井下15人死亡、有51人安全獲救，還有24名礦工下落不明。另外，爆炸還導致地面人員4死2傷。5月18日，陽泉市盂縣城東煤礦發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，遼寧省葫蘆島市南票煤電股份有限公司大窯溝煤礦發生一起瓦斯爆炸事故，事故造成4人死亡、13人受傷。2010年12月7日17:40時左右，河南省義煤集團兼并重組的澠池縣巨源煤業有限公司井下發生瓦斯爆炸事故。當班入井46人，20人安全升井，26人遇難。

23、基于以上的背景，瓦斯的爆炸特性及其抑爆技術的研究具有重要的現實意義。由于近年來,我國煤炭行業受瓦斯煤塵爆炸災害的威脅,安全形勢嚴峻。國有重點和地方煤礦發生了多次瓦斯煤塵爆炸事故,給國家和人民生命財產造成了巨大損失。因此如何有效地防止瓦斯煤塵爆炸是保持煤礦持續生產的重大課題之一。甲烷是瓦斯的主要成分，噴灑abc干粉抑爆劑抑制爆炸是解決這一問題的有效方法。本文設計的目的就是通過選擇合適的抑制劑，對瓦斯進行抑制爆炸以保證礦井工作的安全。1.3 國內外研究現狀抑爆技術中采用的抑爆劑除了氬氣、氮氣和二氧化碳等常見惰性氣體之外,還包括水蒸氣、鹵代烴氣體、化學干粉及礦巖粉等。從抑制作用機理上看,氬氣、氮氣、

24、二氧化碳、水蒸氣、礦巖粉等屬于降溫緩燃型的物理抑爆劑,它們不參與爆炸氣氛可燃物質組分的燃燒反應,而是通過奪走部分反應熱使燃燒反應速度減慢,燃燒反應溫度急劇降低,當溫度降低到維持燃燒反應所需的極限溫度之下時,燃燒反應將停止, 爆炸過程被中斷,從而達到控制爆炸的效果。諸如鹵代烴、化學干粉則屬于化學抑爆劑,其主要作用機制是使燃燒過程中的連鎖反應中斷,從而使燃燒過程停止爆炸傳播, 達到控制爆炸的效果。 為了增強抑爆技術的可靠性和實用性,許多學者和專家對此進行了深入的研究。例如,陳思維等8通過試驗模擬研究了惰性氣體抑制油氣爆炸的作用規律,為惰性氣體防爆抑爆技術的工藝實施、系統設計和關鍵參數計算提供了理論

25、依據。徐斌9對船舶航空煤油艙采用貯存二氧化碳作為抑爆介質進行了分析和探討,并設計了較為可行的航空煤油艙co2抑爆系統,當船舶在實際遇到危險并有可能及航空煤油艙或可能引起航空煤油艙內油氣爆炸或航煤燃燒時,可開啟相應油艙的填充閥,向航空煤油艙內填充二氧化碳氣體,從而隔離油面與氧氣的接觸。吳建勛等10在討論可燃蒸氣爆炸性氣體混合物最大壓力上升的速度及石油產品和有機溶劑儲罐抑爆原理的基礎上,從滅火劑、傳感器、自動滅火裝置、自動啟動控制系統等方面設計出了超微干粉抑爆系統的方案。胡傳東11在分析了充填防爆泡沫、液氮(ln2)惰化系統、海倫惰化系統等現行的飛機油箱主要防爆技術基礎上,介紹了基于空分技術的機載

26、惰性氣體產生系統,它是以空氣為原料,直接產生大量的富氮空氣,惰化油箱,具有有效的抑爆作用。為防止瓦斯煤塵爆炸，世界各主要產煤國在防隔爆技術上不斷發展，近年來各國都相繼研制了采用實時快速噴射抑爆裝置來抑制爆炸火焰。英國研制了以壓縮空氣推動活塞噴水的mk-型抑爆裝置，它能在180ms內將水擴散到巷道空間; 原蘇聯在1990年研制了實時產氣式型抑爆裝置，形成粉霧時間100ms; 美國在1985年研制了以爆破拋撒為原理的cardox型抑爆裝置，形成粉霧時間: 180490ms; 原西德1984年研制了以貯壓(粉氣混裝)原理的bvs型抑爆裝置，形成粉霧時間<100ms。我國從“六五”攻關以來，先后

27、研究成功了隔爆水槽、水袋及zgb-y型自動隔爆裝置，這些裝置在煤礦的使用，使采區巷道和掘進巷道防止瓦斯煤塵爆炸的技術水平提高了一步。這些隔爆措施只能起到限制瓦斯煤塵爆炸范圍的作用，占空間大，且是懸掛式或壁掛式的，使用不便。“八五”研制出了zyb-s型實時產氣式zhy12型自動抑爆裝置, 采用的實時產氣式解決了高壓驅動氣體長期貯存的大問題，因它是在常壓下貯存固體的氣體發生劑，便于運輸和長期安裝于煤礦井下。能實現安裝在掘進機上，隨工作面推進而快速移動，保護機掘面人員和設備安全。2 可燃氣體爆炸理論2.1 可燃氣體爆炸機理 氣體爆炸過程是一個化學反應流動過程。幾乎所有的氣體爆炸過程中氣體流動狀態是湍

28、流流動，國內外眾多研究學者重點研究過氣體爆炸的湍流燃燒理論。由于氣體湍流流動增加了燃燒波面與未燃氣體的接觸面積，從而增加了氣體化學反應速度。當火焰傳播到湍流區域時燃燒率將劇烈地增大，燃燒速率的增大將加大火焰面流動速率及湍流程度。增加的燃燒速率將使得爆炸壓力上升。由不間斷的阻礙引起的火焰加速傳播機理構成了一個有效的反饋回路。這個回路如圖2.1所示12。膨脹湍流將強燃燒預混氣體燃燒產生湍流 障礙物流動壓力增強圖 2.1 可燃氣體爆炸過程的正反饋2.2 可燃性氣體的爆炸形式爆炸是能量快速釋放的過程,具有較高的能量密度。爆炸常分為物理爆炸和化學爆炸,瓦斯等氣體爆炸過程中既有物理變化,又有化學變化,但其

29、木質是可燃氣與空氣或氧的快速氧化反應,屬于化學爆炸。 氣體燃燒爆炸的變化范圍比較寬,從速度量級來看,常見碳氫化物與空氣在計量比濃度時的基木燃燒速度為0.5m/s量級,但是當同樣燃料混合物轉變成爆轟時,其波陣面傳播速度可達2000m/s量級，因此可燃氣體爆炸事故往往會造成非常嚴重的后果。 將可燃性氣體與助燃性氣體混合就成了一定濃度的預混合性氣體，當它發生燃燒時，如果火焰速度很快，就會產生強大的壓力波及巨大的爆炸聲，這種現象稱為爆燃；當火焰傳播速度進一步加快時，就可能由爆燃轉為爆轟，爆轟會產生強大的沖擊波，對周圍的環境造成強大的破壞。要使氣體爆炸,必須有三個基本條件:（1)合適濃度的燃料氣體;（2

30、)合適濃度的氧氣;（3)足夠能量的點火源。所謂“合適濃度”即指可以發生爆炸的濃度。每種燃料氣體在氧氣或空氣中都有一個發生爆炸的濃度范圍。超出這個范圍,即使用很強的點火源也不能激發爆炸,這個濃度范圍即爆炸極限。可燃劑與氧氣發生化學反應時可燃劑恰好被氧化劑全部氧化生成co2和h2o時的濃度稱為化學計量濃度。當可燃氣與空氣以化學計量濃度混合燃燒時,可燃氣體和氧化劑完全反應。氣體燃燒爆炸的模式一般可以分為四種:（1)定壓燃燒:（2)爆燃;（3)定容爆炸;（4)爆轟13。（1）定壓燃燒定壓燃燒是無約束的敞開型燃燒，在敞開型的容器中混合氣體的燃燒產物能及時排放出去,在燃燒的過程中壓力保持平衡,等于初始環境

31、壓力,因此不會引起壓力升高或形成壓力波,也不會產生具有破壞性的爆炸波，定壓燃燒的一個特征參量為定壓燃燒速度,它取決于燃料的輸運速率和反應速率，在化學計量比濃度下,大多數烴類燃料與空氣的混合物產生的基木燃燒速度為o.5m/s量級。（2）爆燃爆燃是一種帶有壓力波的燃燒，爆燃和定壓燃燒的不同之處正在于其有壓力波的產生"定壓燃燒時由于燃料產物能及時排放,所以壓力不會增長,不會產生壓力波，但當有約束或障礙存在與燃燒陣面后邊界時,就會產生壓力波,這是由于燃燒產物建立起一定的壓力,波陣面兩側建立起的壓力差以當地的音速向前傳播，這個壓力波也叫做前驅沖擊波,這是因為這個壓力波的傳播速度比火焰陣面要快,

32、行進在燃燒陣面前爆燃是由前驅壓力波和后隨的燃燒陣面構成,是一種不穩定狀態的燃燒波。（3）爆轟爆轟的特征是超音速傳播的帶化學反應的沖擊波,爆轟是氣體燃燒爆炸的最高形式，跨過波陣面,壓力和密度是突躍增加的，爆轟陣面的壓力很高,且具有方向性和不對稱性，對大多數碳氫化物和空氣在化學計量比濃度時,發生爆轟的壓力為1.5mpa量級,爆轟速度約為1.5km/s量級。（4）定容爆炸定容爆炸是燃料混合物在給定體積的剛性容積中均有地同時點火時所發生的燃燒過程。2.3 可燃氣體爆炸的基本參數可燃氣體爆炸的基本參數主要包括：理論混合比、爆炸極限、點火能及點火溫度、燃燒速度和火焰速度、絕對火焰溫度、點火延遲性、爆炸壓力

33、和最大爆炸壓力、平均爆炸壓力上升速率等14。2.3.1、理論含氧量與理論混合比可燃性氣體正好完全燃燒所必須的氧氣量稱為理論氧含量。碳氫化合物燃燒時，當分子中的碳完全生成 co2，氫反應后全部生成 h2o。所謂理論混合比就是指在常溫常壓下，可燃氣體在空氣中完全燃燒時，空氣中的可燃性氣體的濃度c，也稱為完全燃燒組分。如果空氣中可燃氣體濃度小于理論混合比濃度時，雖然與完全反應時的生成物相同，但是燃燒速度會變慢，當混合物濃度低于某一濃度時，火焰便不再傳播，即不發生反應；如果混合物濃度高于理論混合比濃度時，可燃氣體不完全燃燒，其碳元素不能全部氧化成為二氧化碳而只能氧化成一氧化碳，火焰速度變慢。當在某一濃

34、度上火焰不再發生傳播，這時的濃度界限稱為燃燒或爆炸界限。2.3.2、爆炸極限 部分可燃氣體（如甲烷、氫氣、乙炔、等）；可燃液化氣（如液化石油氣、液氨、液化環氧乙烷等）；以及可燃液體的蒸氣（如苯、酒精等）他們與空氣所組成的混合物，并不是在任何混合比例下都可以燃燒或爆炸的，而且混合物中各組分的比例不同，火焰的傳播速度也不同。通過實驗探究，當混合物中可燃氣體各組分接近理論混合比時，燃燒最劇烈。爆炸上限和下限通常用可燃氣體（蒸氣）占混合氣體的百分比（%vol）來表示。當實際混合比較理論混合比的濃度增加或減少，火焰傳播速度則會降低。當濃度高于或低于某一極限值時，火焰將不再傳播。可燃性氣體或蒸氣與空氣組成

35、的混合物能使火焰蔓延的最高濃度，稱為該氣體或蒸氣的爆炸上限；同樣，能使火焰蔓延的最低濃度，稱為該氣體或蒸氣的爆炸下限。爆炸上下限之間的范圍稱為爆炸區間。當混合物中可燃氣體的濃度在爆炸上限以上或爆炸下限以下，則不會燃燒或爆炸。可燃氣體或液體蒸汽爆炸極限的概念可用熱爆炸理論來解釋。當可燃氣體濃度小于爆炸極限時，由于所含空氣的濃度過量，空氣的冷卻作用和可燃氣體濃度的不足，阻止了火焰的傳播；同樣，當可燃性氣體的濃度大于爆炸上限時，則可燃氣體濃度過量，此時混合氣體會因缺氧而不能夠反應、放出熱量。火焰也不能傳播。若在此時向混合氣體中補充氧氣，是具有燃燒或爆炸危險的。所以當可燃氣體濃度達到爆炸上限以上時，混

36、合氣體不能認為是安全的。2.3.3、點火能 在最敏感的條件下，可燃氣體被引燃所需要的最小能量和最低溫度，就是最小點火能和最低點火溫度。它們能定量的表示可燃氣體對外界能量及溫度作用的敏感程度，是爆炸性氣體混合物的基本特性。足夠的點火能是可燃氣體爆炸的三要素之一。當從點火源獲得的能量超過某個閾值時，可燃氣體混合物就被點燃了。一般來說，大多數可燃氣體混合物的點火溫度都是在9001200k徘徊。這就表明了：一般情況，溫度低于這個溫度，火焰就不能自動傳播了。9.5體積百分比的甲烷空氣混合氣體，其最低點火能為0.28mj，最低點燃溫度650。當點火電極間隙內的可燃氣體混合比、初始溫度、初始壓力一定時，點火

37、電極需要釋放一定的能量，要有一個最小放電能量，才能在點火電極周圍形成一個初始火焰中心15。 2.3.4、燃燒速度火焰在未燃的混合氣體中進行傳播的速度稱為燃燒速度。我們常說的基本燃燒速度，也可以說標準層流燃燒速度，即常溫、常壓下的層流燃燒速度。已燃燒的氣體因高溫而使體積膨脹，使未燃氣體沿著火焰進行的方向流動，所以，從外部見到的火焰速度大都是加速狀態，故未燃氣體的流動速度與燃燒速度之和便是火焰速度。燃燒速度和火焰速度可以直接反映爆炸威力的參數，其中燃燒速度大則表明爆炸具有更強大的破壞性。2.3.5、火焰溫度火焰溫度是燃燒最為重要的參數，它是化學反應速率決定性的因素。我們可以使用工具將其測量出來，如

38、熱電偶，溫度計等等，我們還可以根據理論或者經驗公式計算出。2.3.6、爆炸壓力及最大爆炸壓力可燃性混合氣體爆炸時對容器壁的壓力叫做爆炸壓力，它是對可燃性混合氣體所含熱能轉化為做功能能或破壞能力的一個重要量度。當容器所能承受的最大強度低于爆炸壓力，那么容器將被爆炸壓力沖擊破裂。所以爆炸壓力是防爆設備強度設計的總要依據。2.4 影響可燃氣體爆炸的主要因素可燃氣體爆炸影響因素實質上是爆炸極限的影響因素。爆炸極限不是一個固定值，它隨各種因素而變化。那么，影響爆炸極限的主要因素有哪些？本人在綜合大量的資料后，整理歸納為以下幾點：原始溫度、原始壓力、含氧量、惰性介質以及容器幾何尺寸等。2.5 瓦斯爆炸機理

39、 爆炸是物質的一種急劇的物理、化學變化,在變化過程中伴有物質所含能量的快速釋放,釋放出的熱量變為對物質本身變化產物或周圍介質的壓縮能或運動能,并且此時物系壓力急劇增高。爆炸可以分為物理性爆炸和化學性爆炸,而礦井瓦斯爆炸一般認為是化學性爆炸。瓦斯爆炸必須具備三個條件16:（1）甲烷濃度處于爆炸范圍內(常溫常壓下,在氣體中形成5%15%甲烷的積聚);（2）氧的濃度超過失爆氧濃度(在c02惰化下,氧濃度>l2%,在n2隋化下,氧濃度>9%);（3）引火源溫度高于最低點燃溫度(595),能量大于最小點燃能量(0.28mj)且點燃的時間長于爆炸感應期。而一般在礦井內,氧氣的濃度是滿足的,所以

40、只要另外兩個要素即瓦斯積存和點火源同時具備,就有可能發生瓦斯爆炸。2.6 瓦斯爆炸理論瓦斯爆炸理論一般有熱爆炸理論和鏈式反應理論17-18。（1)熱爆炸理論 熱爆炸理論又稱自燃理論,是關于放熱化學反應和放熱系統的熱自動點火的理論。熱爆炸理論認為燃燒爆炸是由于反應熱量的積聚的加速反應導致的，當燃燒反應的反應物聚集在一起并在一定溫度條件下,分子間由于碰撞而有一部分分子能完成放熱反應,放出燃燒，如果反應系統是絕熱的,則這部分燃燒熱使整個反應系統的溫度增高,溫度增高又使反應物間的反應速度加速,放熱速度也增加,使系統的溫度進一步增大,反應系統仿佛是處于一種正反饋的加熱!加速反應的過程,知道反應速度激增至

41、趨向于無限大,這就發生了爆炸。 但是,熱爆炸理論只能對一些燃燒速度隨反應溫度的升高而積聚增高的、較簡單的燃燒速度與溫度的關系做出合理的解釋,它是建立在一步反應的基礎之上的,但是對于某些燃燒現象中出現的問題并不能做出滿意的解釋，如co2與02反應時加入不能參加燃燒的水蒸氣可使反應速度加速等。（2)鏈式反應理論鏈式反應理論認為使反應自動加速并不一定僅僅依靠熱量積累,也可以通過鏈式反應的分支,迅速增加活化中心,來使反應不斷加速直至著火爆炸，鏈式反應過程能以很快的速度進行,其原因是每一個基元反應或鏈反應中的每一步都會產生一個或一個以上的活化中心,這些活化中心再去與反應系統中的反應物進行反應，鏈式反應從

42、鏈引發和鏈傳遞過程可以分為兩大類:直鏈反應與支鏈反應。直鏈反應在過程中不發生分支鏈,而支鏈反應發生分支鏈。直鏈反應在鏈反應過程中的每一步只產生一個活化中心,由這個活化中心在于反應系統中的反應物作用,生成產物與新的活化中心"如此不斷地進行,直到反應完成或鏈反應中斷為止。支鏈反應支鏈反應的特點是,在反應鏈中每消耗1個自由基就產生1個以上的新自由基,由它們去進行下一步鏈環反應,如此繁殖下去使反應速度成幾何級數的增速發展,反應能迅速達到爆炸的程度。自由基是指有機化合物分子中的共價鍵在外界熱和光的激發下,分裂成的帶自由電子的原子或原子團，自由基和自由原子由于有未成對的電子,所以非常的活潑,通常

43、無法分離得到,但在許多反應中,都已中間體的形式存在。鏈反應通常都需要經過三個過程:鏈引發、鏈傳遞和鏈終止。鏈反應開始時需要外界輸入一定能量,使反應物的分子中分化出活化中心或自由基，隨后的反應中都先消耗一個活化中心,然后產生新的活化中心或自由基，在鏈反應過程中有許多活化中心或自由基與反應容器壁面或其他的自由基相撞時被吸收或復合成活性很差的分子,使鏈反應中斷,從而終止了鏈式反應。甲烷的主要鏈式反應式有以下三個:ch3+02一hzco+ohh+02一oh+hhco+m一h+co+m3 氣體抑爆系統理論3.1 可燃氣體抑爆概述可燃氣體的燃爆歷程一般分為三個階段19: 第一階段為點火階段(ignitio

44、n)或稱為起爆階段(initiation)第二階段為生長階段,即由于反應熱引起的燃燒,接連不斷地向毗鄰的未反應區推移,火焰面無需外部提供能量即能進一步擴展；最后階段為穩定燃燒階段,由于受可燃性物質種類和燃燒條件的影響,此過程有可能進一步發展成為爆轟。在安全工程學中將對第二階段采取的安全措施稱為抑制(suppression)。目前氣體爆炸的防護措施可分為隔爆、泄放和抑制三類。本文主要研究爆炸的抑制。爆炸抑制技術就是利用及時噴灑抑制劑(如干粉、1211 滅火劑、水等) 使鏈式反應中斷或使放熱反應熱量積累速率降低,最終導致燃燒反應終止。相對于泄爆、隔爆等安全措施而言,爆炸抑制是一種更為積極有效的防爆

45、方法,它可避免有毒氣體、未燃物、火焰等排放到大氣中,造成二次爆炸或污染；它能在爆炸產生破壞壓力之前噴放抑制劑,抑制住火焰,防止爆炸進一步擴大,這樣能使尚處于初始階段的爆炸(燃燒)在影響范圍較小時就被抑制(熄滅),從而使爆炸帶來的危害和造成的損失降至最小。因此,對爆炸抑制的研究是一項很有實際意義的工作。3.1.1、可燃氣體爆炸抑制機理爆炸性混合氣體發生爆炸的原理是鏈式反應理論和熱爆炸理論。前者認為，氣體混合物自行著火的條件是鏈式反應分支數超過中斷數，此時即使混合物的溫度保持不變仍可導致自行著火，在一定條件下就會發生爆炸。爆炸抑制技術就是通過及時噴灑抑爆劑使鏈式反應中斷或使放熱反應熱量積累速率降低

46、，最終導致燃燒反應終止。爆炸發生以后，應迅速噴灑抑制劑，抑制劑抑制原理主要有以下幾方面20：(1) 冷卻作用對一簡單開口系統進行分析研究：散熱速率與時間t的關系：q1=gcp(t-t)/v放熱速率與時間t的關系：qg=hckp(tm-t/tm-t)e-e/rtg：質量流量；f：爆炸前混氣濃度；f：爆炸后混合氣體濃度；t：爆炸前混合氣體溫度；cp：熱容。爆炸初期，將抑制劑釋放在燃燒區中，使燃燒區域的溫度降低到著火點之下。(2) 鏈中止作用根據連鎖反應中器壁效應的作用，要將已經著火系統滅火，需要借助阻火元件讓自由基與通道的碰撞幾率增大并占主導地位，使系統中的自由基增長速度小于自由基的銷毀速度。在工

47、業生產中，也采用在燃燒區釋放抑制劑的辦法，它能夠降解生成的自由基，這些自由基可以中和燃燒反應的自由基，增加其銷毀速度，中止了連鎖反應。3.1.2、可燃氣體爆炸抑制技術種類 爆炸的抑制就是當爆炸處于初始階段就能夠通過合適的手段來約束和限制爆炸燃燒的條件和范圍，免于或減小爆炸產生的高溫和高壓帶來的災害。現在可燃氣體抑爆技術已從被動泄爆轉向以水霧、惰性氣體、abc粉等的主動抑爆、阻爆技術。當前應用最為廣泛的氣體爆炸抑制技術可簡單地歸為兩類：阻爆技術和淬熄技術。阻爆技術是通過一套自動化裝置將抑爆劑噴入管道，強制阻止火焰的傳播，其抑爆性能除了與噴射裝置的探測性能、反應性能和自動化程度有關外，更多的取決于

48、抑爆劑的性質。惰性氣體抑爆劑以其優良的抑爆性能和無污染、非熱解的特點逐漸得到了廣泛的應用。淬熄技術則是采用多孔通道將火焰分割，利用強大的壁面效應吸收火焰熱量使其熄滅，從而到達阻止火焰傳播的目的，因此其抑爆效果主要取決于多孔通道的構造和材料性質21。具體的抑爆方法有以下幾種：（1）常見的防爆措施主要集中在控制點火源，采取禁止火種、防靜電、雷電、電磁的方法來消除點火源。但是，從很多可燃氣體以及粉塵的爆炸事故的原因分析看出，采取單一的防爆手段不能完全根除危害22。以惰性氣體為介質的惰化技術是一種非常有效、很有發展前途的防爆抑爆技術。惰性氣體是指化學活性低、燃燒時不參與反應的氣體及其混合物，如he、i

49、g-01(ar)、ig-100(n2)、c02、ig一541(52n2，40ar，8c02)、ig-55(50ar，50n2)等。惰性氣體的抑爆機理是使燃燒過程中的氧氣含量降低，從而達到窒息火焰的目的。惰性氣體抑爆劑具有抑爆性能優良、對環境無污染且來源廣泛、無毒非熱解等特點，因此日漸受到人們的關注。比如將惰化介質氮氣充入爆炸體系內，就可以破壞其鏈式反應發生的要素（比如氧氣濃度，可燃氣體濃度，自由基的化學性，點火源的溫度和能量，環境壓力等），一方面使爆炸范圍內的氧氣被稀釋，使可燃氣體同氧隔離，在它們之間形成一層不燃燒的屏蔽，當活化分子碰撞惰化介質時會使活化分子失去活性；另一方面燃燒反應產生的游離

50、基將與氮氣發生作用，使游離基失去活性從而導致燃燒連鎖反應的中斷，同時氮氣還吸收大量的燃燒反應熱，使熱量不能聚集，燃燒無法傳播給其他可燃組分，對燃燒及爆炸起到抑制作用。（2）惰性粉狀滅火劑抑制效果比較好，其成分主要為二氧化碳、磷酸銨、碳酸氫鈉，將它們在燃燒初期噴灑出去，可以撲滅火焰，降低容器內的最大爆炸壓力，從而抑制了爆炸，其抑爆機理與惰性氣體大致相同，一方面稀釋了可燃組分的濃度；另一方面可吸收反應熱，起到冷卻作用，破壞了鏈式反應的結構。（3）超細水霧抑爆。可燃氣體爆炸伴隨著強烈的化學反應，水作為廣泛使用、環境友好、廉價又有效的滅火劑，可以很好地抑制可燃氣體爆炸火焰傳播。從物理特性上，水具有吸熱

51、量大的特點，一千克水溫度升高1需要41868j熱量，因此具有很好的冷卻作用。而超細水霧有著微米級的尺度，具有很大的比表面積，蒸發吸熱迅速等特點，它的吸熱冷卻作用又比細水霧及其它水介質強大許多。彌散開的超細水霧液滴的蒸發吸熱影響著壓力波后方燃燒區的化學，從而抑制爆炸；而彌散開的水霧滴具有消散作用也可以引起壓力波的衰減。超細水霧直接作用于爆炸反應區，由于大量的超細水霧液滴懸浮在混合氣體中，使得反應產生的大量自由基與超細水霧液滴碰撞而銷毀，故而降低了爆炸反應速度，反應失去了活性，減少用以傳播爆炸的能量，達到了抑制爆炸的作用。(4) 煤礦區還用到凝膠注入滅火技術。它是向水中加入少量添加材料，經過一段時

52、間物理、化學反應后便形成凝膠。形成的凝膠固結在煤體中，堵塞漏風、包裹煤體、具有隔絕煤氧接觸的性能及阻化性能，減少煤氧化反應速度，降低煤氧化放熱量，降低火區的溫度及爆炸的危險。(5) 根據火焰淬熄機理，近來用絲網結構進行淬熄的實驗較多。多層絲網結構有體積小、重量輕、淬熄性能好等優點。當火焰通過絲網時，將變成若干細小的火焰,使火焰溫度降到著火點以下,從而阻止火焰蔓延。另一方面，反應的自由基與通道壁的碰撞幾率增大，參加反應的自由基減少，反應也不能繼續進行。通過實驗可知，絲網的孔徑越小，能淬熄的火焰速度越大，淬熄火焰性能越好；在小于允許間距范圍內，淬熄性能隨絲網層數的增加呈指數增加，但是，增加到一定層

53、數后，淬熄性能就不再變化了。3.2 可燃氣體抑爆系統3.2.1、氣體抑爆系統的組成及其工作原理甲烷氣體爆炸是一個鏈式反應過程,要撲滅爆炸火焰、抑制爆炸,就要中斷爆炸反應鏈,破壞反應過程。在爆炸初期撲滅爆炸火焰,效果最好,也最容易防止爆炸的發生發展;而當爆炸發生到一定程度時,是很難控制或撲滅的。抑爆系統的工作原理就是在爆炸火焰發展不大的情況下,探測爆炸火焰,自動噴撒出抑爆劑, 形成撲滅爆炸火焰的足夠濃度滅火劑粉霧體,撲滅爆炸火焰。本設計抑爆系統由紫外傳感器、控制器、抑爆器組成。將紫外傳感器布置在潛在爆源處,當發生易爆氣體、可燃粉塵燃燒、爆炸時,紫外傳感器接收火焰信號,傳送至控制器,控制器產生觸發

54、電壓,使抑爆器的產氣劑進行化學反應, 迅速釋放出大量氣體,驅動抑爆器內的滅火劑從噴嘴噴出,形成足夠濃度的滅火劑粉霧體,與火焰充分接觸,撲滅火焰,防止天然氣爆炸的發生、發展。其原理圖3.1及簡圖3.2如下：圖 3.1 抑爆系統原理圖1 傳感器 ； 2 控制器 ； 3抑爆器 ；4 火焰面 ； 5沖擊波陣面圖 3.2 自動抑爆裝置工作原理簡圖3.2.2、氣體抑爆系統的優點氣體抑爆系統的優點主要有:(1) 可以避免有毒、易燃易爆物料、灼熱的氣體或明火竄到設備外,對泄爆易產生二次爆炸和人員傷亡的設備、無泄爆口可開的設備,采用抑爆比較合適；(2) 對設備強度要求較低(1mpa 以上) ；(3) 對設備安裝

55、位置的安全距離要求較低。爆炸抑制系統的作用原理就是借助于高靈敏的傳感器(如感光的),在爆炸剛發生時便受到觸發產生動作,迅速地將抑制劑送到火源處,把剛剛發生的燃爆反應抑制住。4 可燃氣體抑爆系統的設計4.1 傳感器的設計傳感測量技術主要是用來發現爆炸信號。爆炸發現得越早,防止和抑制爆炸就越容易。例如,對一個發生爆炸的球形容器,在總反應時間的前30%區段內,壓力幾乎沒有變化;在這一時段內抑制爆炸,可大大降低對設備強度的要求,也大大提高了易燃易爆環境的安全可靠性。但是,在極短時間內發現燃燒爆炸信號,對傳感器靈敏度就提出了更高的要求。4.1.1、常見抑爆系統傳感器的種類燃燒爆炸時會產生輻射、溫度上升、

56、壓力上升和氣體電離等現象,光學傳感器、溫度傳感器、電離傳感器和壓力傳感器就是感測這些現象警示爆炸的傳感儀器。溫度傳感器和電離傳感器只有與火焰直接接觸時,才能有足夠的靈敏度;這一特點大大限制了這些傳感器的使用范圍。為此,只有在預知火焰源位置的情況下設置它們才能較為有效,而實際情況卻又很難預先設定明火的具體位置。光學傳感器的優點是靈敏、動作迅速、可監控的空間大。因為只要火焰產生就會出現輻射,并以光速傳播,而且接收輻射的傳感器滯后時間極短,一般為10- 610- 4s,因此光學傳感器能在爆炸發生的最初階段發現爆炸。壓力傳感器通過感知設定的壓力值或設定的壓力上升速度信號以發出爆炸警示。但是壓力傳感器沒

57、有光學傳感器靈敏,因而對爆炸的感知能力比較落后。由于各種燃料燃燒時的火焰所發出的紫外線都很強,且一旦火焰熄滅,紫外線立即消失。因此用檢測紫外線來檢測火焰的方法可靠性高,而且不受可見光(如陽光) 和紅外線(赤熱爐壁輻射)的影響。為此, 本設計欲采用紫外傳感器23來檢測爆炸信號。4.1.2、紫外傳感器紫外線火焰傳感器的敏感元件為紫外光電管，電路方框圖如圖4.1，紫外光電管的工作原理是，爆炸的初期，在火焰中的遠紫外照射下，紫外光電管的電子吸收了入射遠紫外光子的能量逸出光陰極表面，在陰極電場作用下向陽極運動，從而產生電信號，達到檢測爆炸火焰的目的。電源及電源變換電路輸出電路光電檢測信號處理電路圖4.1 紫外線火焰傳感器電路原理方框圖紫外光電管的光譜響應為185260nm，在遠紫外光的范圍，太陽光的紫外波段截止在290nm，紅外波段截止在13um。因此該紫外光電管對太陽光不敏感。光電管的相對靈敏度與各種發射光源的相對發光強度相比是大的。就ch4（瓦斯的主要成分為ch4）氣體來說