路 長，張運鵬，朱 寒，王鴻波，路昊昕，潘榮錕

（1. 河南理工大學(xué)瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454003；2. 河南理工大學(xué)煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003）

礦井瓦斯爆炸事故是煤礦生產(chǎn)中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，尤其是重大、特大瓦斯爆炸事故，傷亡人數(shù)眾多，設(shè)備破壞嚴(yán)重[1]。在我國的煤炭生產(chǎn)中，一次死亡10 人以上特、重大事故總數(shù)中，約70%左右是瓦斯、煤塵爆炸事故[2]。如何更好地減弱甚至消除瓦斯爆炸事故造成的危害，是廣大學(xué)者面臨的一個重大課題。

為了降低爆炸帶來的危害，國內(nèi)外學(xué)者做了許多工作，對爆炸過程中施放滅火劑、抑爆劑來達到抑爆效果的研究比較多。Cao 等[3]發(fā)現(xiàn)超細水霧中的NaCl 濃度不同對甲烷爆炸抑制作用不同。Yu 等[4]研究了細水霧中添加NaCl 及感應(yīng)電荷對甲烷爆炸的抑制增強作用。裴蓓等[5]采用CO2和細水霧雙噴頭對甲烷爆炸進行抑制研究。王信群等[6]用BC 干粉進行抑爆研究，改性后抑制效果大為提高。路長等[7]研究了四氟乙烷對甲烷爆炸過程中的抑制作用。楊勇[8]進行了含添加劑的N2-雙流體細水霧抑制甲烷爆炸的相關(guān)實驗研究，總結(jié)了其抑爆規(guī)律并探討了其協(xié)同抑爆機理。常琳[9]對煤礦井下區(qū)域自動噴粉滅火抑爆系統(tǒng)的原理、技術(shù)指標(biāo)和性能進行研究。程方明等[10]利用硅藻土分體進行了抑制瓦斯爆炸的研究。王婷等[11]研究了惰性SiO2和活性NaHCO3粉體對甲烷爆炸的作用效果。薛少謙[12]利用七氟丙烷進行甲烷爆炸的抑制實驗研究。Liang 等[13]通過實驗了解N2有助于撲滅爆炸火焰、降低爆炸壓力。李成兵[14]發(fā)現(xiàn)CO2會參與甲烷氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，并對CH4氧化放熱產(chǎn)生阻礙作用。張宇明等[15]發(fā)現(xiàn)使用ABC 干粉作為抑制爆燃火焰?zhèn)鞑サ慕橘|(zhì)，能夠?qū)鹧嫫鸬匠掷m(xù)消焰作用，減緩火焰?zhèn)鞑ニ俣龋行Э刂票枷虮Z的發(fā)展。

目前的抑爆方法不能阻止爆炸傳播，不能杜絕后續(xù)破壞，而阻隔爆法能夠?qū)崿F(xiàn)對爆炸的阻止，使被保護區(qū)域免于遭到破壞。Wang 等[16]研究了波紋阻火器對丙烷爆燃火焰的熄滅作用。Zhang 等[17]分析了泡沫陶瓷對爆炸火焰和沖擊波的耦合作用。孫建華等[18]發(fā)現(xiàn)金屬絲網(wǎng)和泡沫陶瓷組合體的抑爆效果比兩者單用時效果都好。張巨峰等[19]等觀測了多層金屬網(wǎng)對管道中甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ズ痛阆ǖ挠绊?。馬凱等[20]分析了爆炸火焰到達泡沫陶瓷內(nèi)部后鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的斷裂與終止。固體和機械裝置的阻/隔爆應(yīng)用于低濃度瓦斯輸送管道、其他可燃氣體管道，已經(jīng)是比較成熟可靠了。但如果固體和機械裝置應(yīng)用于礦井巷道中進行阻隔爆，那么會造成巷道被隔斷、通風(fēng)不暢，而導(dǎo)致的瓦斯積聚、人員窒息中毒的問題。為在礦井巷道中實現(xiàn)阻隔爆，應(yīng)該使用滅火劑阻隔。王俊峰等[21]應(yīng)用南非的HS 主動抑爆系統(tǒng)進行實驗測試，能達到快速噴粉和撲滅爆炸火焰的效果。榮佳等[22]研制的純機械觸發(fā)方式自動抑爆裝置可有效阻隔火焰的傳播。Lu 等[23]研究了氮氣的阻爆并分析了氮氣噴出時刻對阻爆的影響。Wang 等[24]對南非HS 主動抑爆系統(tǒng)進行了性能測試。

使用滅火劑進行阻爆的研究還較少。本文通過噴出氮氣進行阻爆，并研究不同噴頭布置對阻爆的影響。使用氮氣代替固體進行阻爆不會阻斷通風(fēng)，避免井下人員受到有毒氣體的傷害。阻爆的實現(xiàn)也使得巷道的大部分范圍都免于爆炸的危害。另外本文研究采用主動式阻爆，在爆炸發(fā)生后噴出氮氣，爆炸結(jié)束后關(guān)閉氮氣，氮氣噴出總時間在1 秒或幾秒以內(nèi)。在礦井中持續(xù)通風(fēng)的情況下，幾秒內(nèi)所噴氮氣量相對于總通風(fēng)量很小，對井下人員的影響也非常小。本文阻爆的研究方法有助于更有效地控制和消除瓦斯爆炸所造成的危害，繼而為煤礦安全提供更好的保障。

1 實驗系統(tǒng)

圖1 為本實驗采用的系統(tǒng)裝置，由管道系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、阻爆系統(tǒng)構(gòu)成。主管道模擬井下巷道而搭建，為了清楚地觀測火焰?zhèn)鞑ミ^程，管道系統(tǒng)由透明且厚度為20 mm 的樹脂玻璃制作，橫截面為正方形，管道內(nèi)部尺寸為150 mm×150 mm×1 600 mm。實驗前用PVC（聚氯乙烯薄膜）對左端面和下表面泄壓口進行密封。管道下表面泄壓口尺寸為100 mm×100 mm，距離管道左端45 cm。實驗中管道水平放置，右端封閉，進氣孔和點火端在管道右端，排氣孔在管道左側(cè)上表面。配氣系統(tǒng)主要由質(zhì)量流量控制計、甲烷鋼瓶和空氣壓縮機構(gòu)成?？諝狻⒓淄樵谌ü軆?nèi)預(yù)混合均勻，然后通入管道內(nèi)，為使氣體濃度達到要求，采用排氣法沖充入4 倍管道體積的氣體。本文實驗中預(yù)混氣的甲烷體積分數(shù)都采用9.5%。點火系統(tǒng)主要由高頻脈沖點火器和開關(guān)組成，點火器放置在管道右端，電壓為4.5 V，點火能0.15 J，延遲約0.2 s，點火電壓由6 V 直流電源供給，通過高頻脈沖形成高壓，擊穿空氣后放電產(chǎn)生電火花。測量系統(tǒng)由德國Lavision 高速攝像儀與高質(zhì)量計算機組成。攝像機的圖像采集速率為1 000 s?1，精度達到了毫秒量級。

圖 1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of experimenal system

阻爆系統(tǒng)由氮氣噴頭、火焰?zhèn)鞲衅鳌⒉杉?、電腦及控制軟件、減壓閥、電磁閥、氮氣鋼瓶構(gòu)成，是主動式阻爆系統(tǒng)[25]，采用火焰?zhèn)鞲衅鞲咚偬綔y爆炸的發(fā)生，氮氣的噴出和關(guān)閉也由系統(tǒng)高速控制?；鹧?zhèn)鞲衅鞣胖迷诠艿雷钣叶耍员M快探測到爆炸火焰，火焰探測器探測到火焰時刻在23～30 ms 之間波動，開始噴氣時刻在59～73 ms 間波動。爆炸發(fā)生后，火焰?zhèn)鞲衅魈綔y到火焰并有超過0.2 V 電壓變化，電腦控制軟件接收到電壓變化信號后輸出5 V 電壓，進而打開電磁閥開關(guān)。噴氣裝置由氮氣噴頭、電磁閥、減壓閥和氮氣鋼瓶組成，電磁閥為整個噴氣裝置的開關(guān)，電磁閥打開后，便開始噴出氮氣；噴氣后經(jīng)設(shè)定時間（本文實驗中為3 s）電磁閥又處于關(guān)閉狀態(tài)，停止噴出氮氣。在管道下表面設(shè)置了兩個噴頭點，都在泄壓口的左邊，火焰?zhèn)鞑サ南掠?。右左噴頭點距離泄壓口中心分別是20、35 cm。噴氣方式共有3 種：右噴頭噴氣、左噴頭噴氣、雙噴頭噴氣。

2 實驗過程

通過改變噴頭的設(shè)置方式來觀測其對阻爆的影響。三種噴頭設(shè)置下，噴氣壓力有0（即不噴氣）、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 MPa 等6 種情況，對應(yīng)的噴頭氮氣噴出流率分別為0、1.78、2.97、4.24、5.31、6.42 L/s。為了更清晰地對噴氣狀態(tài)進行示蹤，每次實驗前，將適量示蹤劑放置在噴氣口處。檢查整套實驗設(shè)施的密閉性，檢查合格后即可開始配氣。為了保證安全，防止預(yù)混氣體在實驗室泄漏，充氣過程中用導(dǎo)管將排氣孔和室外連接。電磁閥在起爆前處于關(guān)閉狀態(tài)，因此氮氣不會噴出，爆炸發(fā)生后，氮氣阻爆系統(tǒng)自動打開電磁閥，噴出氮氣。

充氣完成后立刻關(guān)閉甲烷和空氣，并關(guān)閉實驗管道上的排氣孔。充氣完成后，將氮氣減壓閥開啟到預(yù)定壓力，電磁閥保持關(guān)閉。為了讓混合氣體均勻混合，并降低管道內(nèi)湍流，需要靜置10 min。然后點火、記錄、保存實驗中的各種數(shù)據(jù)，如壓力、圖像等。完成每次實驗后，換掉破裂的PVC 薄膜，并擦干管道中殘留的示蹤劑，為下次實驗做好準(zhǔn)備。每組實驗都需要重復(fù)做三組，并使誤差在一定范圍內(nèi)，最終得出具有良好重復(fù)性的數(shù)據(jù)。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 噴頭距泄壓口20 cm 時的火焰?zhèn)鞑?/h3>

管道左端和下方泄壓口用PVC 薄膜密封，爆炸發(fā)生后兩處泄壓口薄膜破裂。噴頭距泄壓口20 cm，爆炸火焰從管道右端向左傳播，爆炸發(fā)生后，電磁閥自動打開噴出氮氣，圖2 為噴氣壓力0.5 MPa 下的爆炸火焰?zhèn)鞑D片，右端的數(shù)字為火焰到達該位置時的時刻，相鄰兩張圖片之間的間隔為20 ms，部分火焰到達泄壓口、噴頭、管道左端圖片與相鄰圖片間隔不為20 ms，圖片的兩端即為管道的兩端，圖片下方刻度標(biāo)明管道長度，泄壓口中心在刻度尺1.15 m 處，兩個噴頭位置分別在1.5，1.35 m 處。

圖 2 單噴頭距泄壓口20 cm、噴氣壓力為0.5 MPa下的爆炸火焰Fig. 2 Explosion flame while single nozzle 20 cm away from the vent and spurting pressure of 0.5 MPa

從圖2 可以看出火焰在100 ms 前，火焰面較為平滑，主要呈現(xiàn)出層流火焰，之后由于氮氣和泄壓的影響，火焰狀態(tài)逐漸變得紊亂，開始呈現(xiàn)出湍流狀態(tài)?；鹧娴竭_前，在氮氣和爆炸沖擊波的共同作用下，泄壓口薄膜破裂，部分預(yù)混氣體經(jīng)泄壓口流出管道外，在泄壓口外聚集?；鹧嬖?62 ms 到達泄壓口后，在泄壓口外發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生明亮火焰，之后火焰繼續(xù)向左傳播，在201 ms 左右到達噴頭處。氮氣對管道內(nèi)預(yù)混氣體進行了稀釋，但甲烷與氧氣的濃度仍在可燃極限以上，仍被到達的火焰點燃反應(yīng)，火焰便穿過噴頭位置繼續(xù)向左傳播，并在246 ms 到達管道左端。之后火焰反應(yīng)強度加強，在266 ms 左右火焰反應(yīng)最為劇烈，然后逐漸趨于熄滅。實驗中所噴出的氮氣并未能阻止爆炸火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

由表1 可以看出，噴氣時火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥谖磭姎鈺r，這是因為氮氣導(dǎo)致的氣體紊流會加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，另一方面，火焰?zhèn)鞑サ竭_噴頭和管道左端的時間隨著氮氣壓力的增加而延長，即火焰?zhèn)鞑ニ俣扔兴陆担f明氮氣的惰性特性會阻礙火焰?zhèn)鞑?，這與其他抑爆文獻中的抑爆規(guī)律相同[3,5]，所以噴入氮氣具有紊流加速和惰性減速的雙重作用。

表 1 單噴頭距泄壓口20 cm 的爆炸傳播特征表Table 1 Spread characteristics of the flame while single nozzle 20 cm away from the vent

不能阻爆的原因在于：氮氣未將管道內(nèi)可燃預(yù)混氣體稀釋到可燃極限以下，未對管道實現(xiàn)完全徹底的遮斷。因為爆炸反應(yīng)劇烈，爆炸火焰速度快，而氮氣的擴散又比較慢，當(dāng)爆炸火焰到達時，噴頭附近仍有處于可燃極限以上的預(yù)混氣體，火焰便會穿過噴頭到達管道左端，阻爆失敗。

3.2 噴頭距泄壓口35 cm 時火焰?zhèn)鞑?/h3>

管道左端端面和下方泄壓口用PVC 薄膜密封，爆炸發(fā)生后系統(tǒng)控制電磁閥開關(guān)打開，噴出氮氣，兩處薄膜破裂，火焰從管道右端向管道左端傳播，圖3（a）～（d）氮氣壓力分別為0、0.3、0.4、0.5 MPa，相鄰兩張圖片間隔選定為30 ms，部分火焰到達泄壓口、噴頭、管道左端的圖片與相鄰圖片間隔不為30 ms，圖片下方刻度為管道長度，泄壓口中心在刻度尺1.15 m 處，兩個噴頭位置刻度分別為1.5，1.35 m。

圖3（a）、（b）中，火焰穿過噴頭位置到達管道左端；圖3（c）中，大部分火焰被阻止于噴頭處，但仍有少量火焰越過噴頭，接著反應(yīng)繼續(xù)加強并布滿整個管道左端；圖3（d）中火焰被阻止于噴頭處，實現(xiàn)了阻爆，且火焰反應(yīng)的劇烈程度大為降低。因此，通過改變噴頭設(shè)置能實現(xiàn)對爆炸火焰的阻止撲滅。

圖 3 噴頭距泄壓口35 cm 時的爆炸火焰圖像Fig. 3 Explosion flame while single nozzle 35 cm away from the vent

圖3（a）中，未噴射氮氣，火焰在184 ms 到達泄壓口，并在管道外發(fā)生劇烈反應(yīng)，生成明亮火焰，火焰到達泄壓口處時速度明顯變慢，這是因為泄壓作用使得已燃區(qū)壓力變小，與未燃區(qū)壓力差縮小，火焰向左傳播的推動力減小。接著火焰繼續(xù)向左傳播，在496 ms 左右到達噴頭處。圖中可以看到，由于沒有氮氣噴出，爆炸火焰越過泄壓口以后，仍呈現(xiàn)出較好的層流狀態(tài)。在層流狀態(tài)下，傳播速度較慢，并于632 ms到達管道左端，

圖3（b）中，爆炸火焰在172 ms 時到達泄壓口處，405 ms 時到達噴頭位置，512 ms 到達管道左端。由于氮氣的持續(xù)噴出，在120 ms 時爆炸火焰已經(jīng)由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳎撕蟮臅r間內(nèi)爆炸火焰也一直呈湍流狀態(tài)向左傳播。由于湍流的加速作用，爆炸火焰的傳播用時比圖3（a）中的少很多。壓力0.3 MPa 下，噴出的氮氣未能阻爆。

圖3（c）中，火焰的傳播狀況與圖3（b）大致相同，噴氣壓力0.4 MPa 情況下也未能阻爆?；鹧嬖?82 ms 到達泄壓口，到達噴頭時刻為419 ms，較圖（b）中時間有所延長。接著大部分火焰被阻擋于噴頭處?？梢钥吹?，在419 ms 時，有少量火焰越過噴頭?；鹧孢M入噴頭左側(cè)后，火焰范圍會不斷擴大，在581 ms時火焰充滿噴頭左側(cè)的整個管道空間，這說明爆炸火焰?zhèn)鞑サ膭×倚院涂臻g性，火焰面上任一點都是火源，只要跟火焰面接觸的未燃空間中存在預(yù)混氣體處于可燃極限以上，那么該氣體就會被點燃。該燃燒的氣體又成為新的火源，點燃相鄰的可燃氣，以此循環(huán)不斷向前傳播。

圖3（d）中，火焰在184 ms 左右到達泄壓口，大量預(yù)混氣體從泄壓口涌出，并在外發(fā)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生明亮火焰，直到反應(yīng)結(jié)束。相比于圖3（b）與圖3（c），火焰從274 ms 開始直到427 ms 到達噴頭位置，火焰反應(yīng)劇烈程度明顯較低，火焰呈現(xiàn)出昏暗狀態(tài)，之后逐漸趨于熄滅?？梢钥闯鰣D3（c）中，242～302 ms內(nèi)火焰在管道內(nèi)的傳播較弱，這是因為管道內(nèi)大量預(yù)混氣體泄出，甲烷濃度降低，這有利于火焰的阻爆。噴氣壓力0.5 MPa 情況下成功阻爆。阻爆成功的原因是：噴出的氮氣壓力較大，對噴頭附近管道內(nèi)預(yù)混氣體稀釋充分，火焰到達噴頭前，噴頭所在斷面的預(yù)混氣被完全驅(qū)離和稀釋到可燃極限以下，形成完整的氮氣阻斷面，當(dāng)火焰到達噴頭附近時，氮氣形成的阻斷面阻止了火焰向噴頭左側(cè)的傳播，火焰便于噴頭處停止傳播、熄滅。

對比圖2 與圖3（d）氮氣壓力都是0.5 MPa，可以發(fā)現(xiàn)，圖2 中：爆炸火焰在到達管道左端時呈現(xiàn)明亮狀態(tài)且充滿整個管道，明顯未能成功阻爆，圖3（d）中火焰熄滅于噴頭處，阻爆成功。當(dāng)噴頭位置離左端更近、泄壓口更遠時，對爆炸的阻隔效果越好。原因有兩點：一是，噴頭離泄壓口越遠，火焰到達噴頭所需時間越長，氮氣對預(yù)混氣體稀釋也越充分；二是，噴頭離泄壓口越近，噴出的氮氣就越容易從泄壓口流出，減弱了對管道內(nèi)預(yù)混氣體稀釋作用。

表 2 單噴頭距泄壓口35 cm 的爆炸傳播特征表Table 2 Spread characteristics of the flame while single nozzle 35 cm away from the vent

對比表1、表2 可知：噴氣壓力0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 MPa 下，單噴頭距泄壓口20 cm 和單噴頭距泄壓口35 cm，爆炸火焰到達泄壓口位置時刻分別為162、163、169、166 和162 ms 以及170、171、172、182 和184 ms。兩者到達泄壓口時刻相近，相差10 ms 左右。同樣，兩者到達噴頭位置時刻分別為179、196、192、200 和201 ms 以及382、394、405、419 和397 ms，兩噴頭位置相距15 cm，相同壓力下兩者到達噴頭位置時間差距分別為203、208、213、219、和196 ms?？梢钥闯鲈跍p速作用下，適當(dāng)延后噴頭的布置，火焰到達噴頭的時間大大延遲，就會有更多氮氣噴出對管道內(nèi)預(yù)混氣體進行稀釋，這有利于阻爆。從火焰到達前的氮氣噴出量來看，表1 中0.5 MPa 下的氮氣量為0.854 L，表2 中0.5 MPa 下為2.080 L，后者遠大于前者。噴頭距離泄壓口越遠，爆炸火焰到達時間就越長，因此，在爆炸火焰到達前，噴氣時間越長噴氣量就越大，對預(yù)混氣的稀釋驅(qū)離就越充分，阻爆效果也越好。另外，單噴頭距泄壓口35 cm 比單噴頭距泄壓口20 cm 位置更遠，從泄壓口涌出的氮氣相對更少，管道內(nèi)存留的氮氣就會更多，對預(yù)混氣體的稀釋也就更充分，這也有利于阻爆。

3.3 雙噴頭時的火焰?zhèn)鞑?/h3>

管道下表面設(shè)置雙噴頭，噴頭距泄壓口分別為20 和35 cm。爆炸火焰從管道右端向左傳播，爆炸發(fā)生時系統(tǒng)控制電磁閥打開噴出氮氣，圖4（a）～（e）中，左右兩噴頭噴氣壓力相同，噴氣壓力分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 MPa，圖片右端的數(shù)字為火焰到達該位置時的時刻，圖片的兩端即為管道的兩端，圖片下方刻度為管道長度，泄壓口中心在刻度尺1.15 m 處，兩個噴頭位置刻度分別為1.5 和1.35m。圖4（a）和（b）組相鄰兩張圖片間隔30 ms，圖4（c）～（e）組相鄰兩張圖片間隔20 ms，部分火焰到達泄壓口、噴頭、管道左端圖片與相鄰圖片間隔不為20 或30 ms。圖4（a）、（b）兩組示蹤劑為粉筆，其他組為墨水，爆炸火焰遇到粉塵顆粒時會發(fā)生較強的散射，因此圖片效果稍有差別，但示蹤劑的不同對實驗結(jié)果無影響。

由圖4 可以看出在噴氣壓力0.1、0.2 MPa 情況下未能阻爆，火焰穿過噴頭到達管道左端。在噴氣壓力0.3、0.4 MPa 情況下，火焰熄滅于右噴頭處，實現(xiàn)阻爆。在噴氣壓力0.5 MPa 情況下，火焰熄滅于泄壓口與噴頭中間，同樣實現(xiàn)阻爆。

圖 4 雙噴頭下的爆炸火焰圖像Fig. 4 Explosion flame images with double nozzle

圖4（a）中預(yù)混氣體被點燃，氣體膨脹，火焰加速向左傳播，在145 ms 左右時到達泄壓口，并在泄壓口外發(fā)生劇烈反應(yīng)，并產(chǎn)生明亮火焰，爆炸火焰在經(jīng)過泄壓口和噴頭附近時，速度明顯下降，為稀釋預(yù)混氣體爭取了更多時間。接著火焰繼續(xù)向左傳播，在205 ms 左右時少量火焰零星分布于泄壓口與右噴頭之間（管道外表面火焰是經(jīng)泄壓口涌出的火焰），在253 ms 火焰到達右噴頭處時，爆炸火焰頭部再次充滿整個管道，這是因為爆炸具有劇烈性和空間性，只要空間內(nèi)還存在可燃極限以上的氣體，爆炸火焰便能繼續(xù)反應(yīng)并向前傳播。接著火焰繼續(xù)向左傳播，并于433 ms 到達管道左端，噴氣壓力0.1 MPa 下未能阻爆，圖4（b）中火焰?zhèn)鞑顩r與圖4（a）類似，火焰到達管道左端，未能成功阻爆。

圖4（c）中火焰在167 ms 到達泄壓口，因為爆炸壓力總是先于爆炸火焰前產(chǎn)生，沖擊波在爆炸火焰到達前將泄壓口薄膜沖破，氮氣對管道內(nèi)預(yù)混氣體進行稀釋的同時，大量預(yù)混氣體經(jīng)泄壓口涌出，在泄壓口外發(fā)生劇烈反應(yīng)，并伴隨有明亮火焰。管道內(nèi)甲烷和氧氣濃度迅速下降，但并未降到可燃極限以下，爆炸火焰便繼續(xù)向左傳播。圖4（c）相比于圖4（a）～4（b）火焰亮度明顯下降，火焰在267 ms 到達右噴頭位置，并不再向前傳播，阻爆成功原因是因為在0.3 MPa 下，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，氮氣噴出時間和量較大，對管道內(nèi)預(yù)混氣體稀釋較為充分，預(yù)混氣體濃度達到可燃極限以下，火焰不能繼續(xù)向左傳播。

圖4（d）和4（e）與圖4（c）反應(yīng)過程類似。圖4（d）火焰在274 ms 左右到達噴頭處，并停止向前傳播。圖4（e）火焰在158 ms 到達泄壓口處，之后繼續(xù)向左傳播，并在泄壓口與噴頭之間停止傳播。

雙噴頭下0.3 MPa 就能夠阻爆，而單噴頭距泄壓口35 cm 下0.5 MPa 才能夠阻爆，雙噴頭阻爆效果明顯優(yōu)于單噴頭。這是因為雙噴頭噴出氮氣形成的抑制窒息區(qū)范圍更大，而單噴頭噴出氮氣形成的抑制窒息區(qū)范圍相對很小。阻爆成功的關(guān)鍵在于爆炸火焰到達噴頭處時，氮氣能否將噴頭附近預(yù)混氣體充分稀釋到可燃極限以下，從而不被火焰點燃。爆炸傳播形成高速的橫向火焰流，當(dāng)?shù)獨庖种浦舷^(qū)較小時，橫向火焰流就有可能穿過窒息區(qū)而點燃后部預(yù)混可燃氣，從而阻爆失敗。在單噴頭下就需要更大的氮氣壓力，噴出更多氮氣才能實現(xiàn)阻爆。雙噴頭下形成一個較大范圍的氮氣抑制窒息區(qū)，橫向火焰流就更難以穿過窒息區(qū)，從而需要較小的氮氣壓力，噴出較少的氮氣就可以實現(xiàn)阻爆。

由于爆炸氣流的橫向流動，所噴出的氮氣并不能一直積聚于噴頭位置，也會流動離開，氮氣抑制區(qū)域受橫向流動影響越小，噴頭附近氮氣含量越多、阻爆效果越好。表3 中0.3 MPa 下火焰到右噴頭時氮氣噴出量1.671 L 能阻爆，而0.2 MPa 下火焰到左噴頭時氮氣噴出量1.865 L 卻不能阻爆，說明氮氣噴出量不是阻爆的唯一和絕對標(biāo)準(zhǔn)。氮氣的噴出強度（即流率）是影響阻爆的另一個重要因素。在0.3 MPa下氮氣的噴出強度大，單位時間內(nèi)能聚集在噴頭附近抑制區(qū)內(nèi)的氮氣量多，從而有利于稀釋預(yù)混氣，阻隔爆炸火焰?zhèn)鞑ァＴ?.2 MPa 下氮氣的噴出強度相對小，單位時間內(nèi)能聚集在噴頭附近抑制區(qū)內(nèi)的氮氣量相對少，從而不利于稀釋預(yù)混氣和阻隔爆炸火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

表 3 雙噴頭下的爆炸傳播特征表Table 3 The characteristics of explosion spread when double nozzle used

表3 中0.3 MPa 下雙噴頭氮氣總噴出量1.671 L 能阻爆，表2 中0.4 MPa 下單噴頭氮氣總噴出量1.901 L 卻不能阻爆，說明雙噴頭的大抑制區(qū)比單噴頭的小抑制區(qū)更有利于實現(xiàn)阻爆。氮氣噴出需要形成一個阻隔氣幕以實現(xiàn)阻爆，但爆炸傳播是橫向傳播的，會沖散氮氣，從而削弱阻隔氣幕的形成。在單噴頭噴氣下，氮氣幕區(qū)域小，在橫向氣流的沖散作用下需要更大的流量才能達到阻隔的效果。在雙噴頭噴氣下，形成了一個更大范圍的氮氣幕區(qū)域，受橫向氣流的影響相對要小，因此較小的流量就能達到阻隔的效果，更易于對爆炸反應(yīng)進行抑制窒息。所以雙噴頭下需要較低氮氣壓力、較小氮氣噴出量就可以成功阻爆。

3.4 爆炸超壓變化

實驗中同時進行爆炸超壓數(shù)據(jù)采集，以了解壓力變化情況。噴氣壓力0.5 MPa 下，單噴頭距泄壓口20 cm 噴氣、單噴頭距泄壓口35 cm 噴氣和雙噴頭噴氣的超壓曲線如圖5 所示。

由圖5 能夠清晰看出，爆炸發(fā)生后，向CH4/Air 預(yù)混氣中噴入氮氣，爆炸壓力曲線呈現(xiàn)清晰的“雙峰”構(gòu)造。造成此現(xiàn)象的原因為：在爆炸的早期過程中，管道左端和泄壓口PVC 薄膜未破裂，但因爆炸產(chǎn)生的高溫使管道內(nèi)氣體擴張、壓力升高；而后造成泄壓口膜破碎后，管道內(nèi)部分氣體溢出，壓力下落，造成第一峰值。爆炸火焰到達泄壓口時，與管道外新鮮空氣相遇，爆炸火焰面積不斷擴大、亮度增強，爆炸超壓迅速上升，從而形成第二峰值。在管道超壓變化中，第二峰值變化較為明顯，單噴頭距泄壓口20 cm、單噴頭距泄壓口35 cm、雙噴頭的第二峰值大小依次為：1.37、1.29、0.88 kPa。

圖 5 0.5 MPa 下噴頭不同布置的爆炸超壓Fig. 5 Explosion overpressure at 0.5 MPa with different nozzle arrangement

單噴頭距泄壓口20 cm 時，噴頭距離泄壓口較近，氮氣更容易從泄壓口泄出，管道內(nèi)的氮氣相對來說更少，對爆炸的抑制作用較低，因此第二超壓峰值較高。單噴頭距泄壓口35 cm 時，噴頭距離泄壓口較遠，因為噴頭處壓力大于泄壓口處壓力，氮氣逆著爆炸火焰?zhèn)鞑シ较蛄鞒鲂箟嚎冢獨庠诠艿纼?nèi)逆流趨于更大，管道內(nèi)氮氣更多，有利于稀釋預(yù)混氣體和降溫，對爆炸的抑制作用較高，所以第二超壓峰值小于單噴頭距泄壓口20 cm。雙噴頭時，氮氣噴射量最多，氮氣抑制窒息區(qū)域最大，對爆炸的抑制作用最好，第二超壓峰值最低。第二超壓峰值從大到小順序依次為單噴頭距泄壓口20 cm、單噴頭距泄壓口35 cm、雙噴頭。

4 結(jié) 論

（1）單噴頭距泄壓口20 cm 噴氮氣時，噴氣壓力為0.1～0.5 MPa 均未能阻爆。單噴頭距泄壓口35 cm 噴氮氣時，噴氣壓力0.1～0.4 MPa 未能阻爆，而0.5 MPa 下成功阻爆。雙噴頭同時噴氮氣時，噴氣壓力0.1 和0.2 MPa 下未能阻爆，而0.3 到0.5 MPa 均成功阻爆。因此氮氣噴出作為阻爆劑能夠?qū)崿F(xiàn)對爆炸火焰的傳播阻隔。

（2）在爆炸火焰?zhèn)鞑サ竭_前，噴頭附近氮氣量越多，越有利于對預(yù)混可燃氣進行充分的驅(qū)離稀釋，越易于阻爆。對于單噴頭噴氮氣，當(dāng)噴頭距泄壓口較遠時，爆炸火焰需要更多的時間才傳播到噴頭處，從而有更多的時間噴出氮氣，氮氣的總量也就更大，更有利于實現(xiàn)阻爆。由于存在爆炸傳播氣流對氮氣的沖散作用，因此氮氣噴出強度（流率）也是影響阻爆的一個重要參數(shù)。

（3）雙噴頭噴氮氣可以形成一個較大的抑制窒息區(qū)，有利于對爆炸反應(yīng)進行抑制。同時大的抑制區(qū)受橫向流動氣流的沖散作用影響較小，噴頭附近區(qū)域存留的氮氣更多，因此相對于單噴頭，雙噴頭下需要較低氮氣壓力，較小的氮氣總量就可實現(xiàn)阻爆。

（4）在噴氣壓力0.5 MPa 情況下，不同噴頭布置下的阻爆能力和超壓峰值變化趨勢相同，阻爆能力越強的噴頭布置實驗，其爆炸超壓越低。