粉尘爆炸抑爆器及其关键技术

张磊 张永丰 曹丽英

（上海消防研究所，上海200438）

摘要：粉尘爆炸抑爆技术是降低粉尘爆炸危害，防止二次爆炸的主要手段之一。本文调研了我国粉尘爆炸抑爆器的技术要求及研究进展，归纳了粉尘爆炸抑爆器触发、驱动及雾化三大关键技术，分析了我国粉尘爆炸抑爆器存在的不足，提出了粉尘爆炸抑爆器的研究思路。 关键词：消防；粉尘爆炸；抑爆器；关键技术

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1 引言

粉尘爆炸是指悬浮于空气中的可燃粉尘，触及明火或电火花等火源时发生的爆炸现象[1]

。自1785年意大利发生历史上第一次有记载的粉尘爆炸事故以来，全球粉尘爆炸事故发生频繁。2014年2月7日，美国帝国糖业制糖厂发生粉尘爆炸，造成10多人死亡；2014年8月2日，昆山中荣金属制品有限公司汽车轮毂抛光车间发生铝粉爆炸，造成75人死亡，180多人受伤；2015年6月27日，台湾新北市一游乐园发生粉尘爆燃，导致516人受伤。 国内外学者通过对大量粉尘爆炸事故的归纳和分析，发现，粉尘爆炸易引起二次爆炸，且二次爆炸时的粉尘浓度比一次爆炸时高得多，爆炸威力更大，这是粉尘爆炸易造成大规模破坏的重要原因。

为降低粉尘爆炸危害，防止二次爆炸，必须采取有力措施，将爆炸限制在有限范围内，而基于“灭早，灭小”原理的抑爆技术是其中最主要最有效的方法之一。

2 粉尘爆炸抑爆原理及技术要求

粉尘爆炸抑爆装置主要包括探测器，控制器及抑爆器。可燃粉尘一旦发生燃烧，探测器（温度、压力或光学传感器）即发出信号，并将信号传递给控制器，控制器通过阙值运算，发出抑爆指令，触发抑爆器喷撒灭火剂，从而在温度不是很高，压力不是很大的时候起到抑爆效果。

国内有关粉尘爆炸抑爆装置的标准主要有GB/T 25445《抑制爆炸系统》及GB/T 18154《监控喷洒式抑爆装置技术要求》，其中，《监控喷洒式抑爆装置技术要求》对抑爆器的关键技术参数提出了具体要求：喷撒滞后时间：小于15ms；成雾时间：3m2面积小于60ms；有效雾面持续时间：大于500ms（除气体抑爆剂外）；喷撒率：大于80%。

3 粉尘爆炸抑爆器

粉尘爆炸抑爆器是指贮存和快速喷撒抑爆剂的装置，主要包括抑爆剂，触发装置，驱动装置及雾化装置。

3.1 抑爆剂

抑爆剂是直接作用于火焰的固态、液态或气态类灭火介质。由于整个抑爆过程极为短暂，一般仅为毫秒级，这对抑爆剂的灭火效能，雾化性能及扩散性能提出了很高的要求。目前投 1

基金项目：上海市自燃科学基金（14ZR1409400）

作者简介：张磊，男，硕士，公安部上海消防研究所工程师，主要研究方向为新型清洁高效灭火技术及抑爆技术；E-mail：zhlzlgty@163.com。

入应用的主要为Halon1301，HFC-227，Novec1230，干粉等，表1列出了其主要的理化性能。

表1 抑爆剂的理化性能 灭火剂 灭火浓度 ODP值 GWP值 安全余量

Halon 1301 2.9%-4% 16 5800 无

HFC-227 5.8%-7.5%

0 3880 3~20%

Novec1230 4%-6% 0 1 67~150%

干粉 100 -300g/m3

0 0

Halon 1301以其优良的灭火性能，曾在抑爆领域得到了较为广泛的应用，但因其对大气臭氧层的破坏，联合国环境规划署（UNEP）于1987年在加拿大蒙特利尔制定了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，开始实施哈龙淘汰计划，Halon 1301就此逐步淘汰[2]。

HFC-227是美国大湖公司研发的一种哈龙替代灭火剂，在全球气体灭火系统中占据着主导地位。HFC-227灭火性能好，喷射后无残留，且可应用于有人场所，加拿大国家研究委员会开展了HFC-227的抑爆技术研究，发现，HFC-227在高压下呈液态，其对雾化技术的要求很高，且抑爆后会产生大量HF，这在很大程度上限制了HFC-227在抑爆方面的应用。此外，HFC-227的GWP值高达3880，联合国于1997年12月在日本京都签订的《京都议定书》中，将其列为受限物质之一。

Novec1230是2001年美国3M公司研究推出的一种新型防火液体，Novec1230以其灭火浓度低，ODP值为0，GWP值为1，ALT值为5天，灭火后无残留及无毒等优越的性能，一经推出，便得到了较为广泛的应用。目前，Novec1230在美国、加拿大、欧洲、澳大利亚、日本及韩国等地已登记使用，2010年被加拿大温哥华冬奥会指定为气体灭火剂唯一使用产品。2000年以来，美国陆军，空军及加拿大国家研究委员会等机构开展了Novec1230抑爆技术的应用研究项目，该项目主要包括Novec1230抑爆器结构开发、火药装药驱动技术、快速雾化技术等，部分研究已有公开报道[3]。

干粉是目前发展最成熟，应用最广泛的抑爆剂之一，具有灭火浓度低，流动性能好，成本低，工艺成熟等优点。干粉抑爆剂相对Novec1230等液体抑爆剂而言，雾化技术要求较低；相对Halon1301等气体抑爆剂而言，抑爆倘若失效，扬起沉积的可燃粉尘，促进二次爆炸的风险较低。目前，国内粉尘爆炸抑爆器大都使用干粉抑爆剂。

3.2 抑爆驱动技术

目前，以抑爆驱动方式可将抑爆器分为储压式和气体发生器式两类[4]。

储压式抑爆器采用氮气或其他惰性气体驱动，控制器发出抑爆信号后，抑爆剂在氮气的作用下快速喷撒分散，充斥整个爆炸空间，从而达到抑爆效果。储压式抑爆器的抑爆效能与其充装压力有关，充装压力越大，抑爆剂喷撒速度越快，抑爆效果越好；但越高的压力对抑爆器的密封性能要求越高。由于储压式抑爆器无需压力积累过程，一旦触发，立即释放，因此，比较容易满足喷撒滞后时间小于15毫秒的技术要求。然而，储压式抑爆器存在泄漏风险，需要连续监控瓶内压力，定期维护，运行成本比较高。

气体发生器式抑爆器的工作原理与汽车的安全气囊类似，平时不储压，点火器一旦接收到抑爆信号，立即启动，引燃气体发生剂（一般由火药组成），促其快速燃烧，产生大量高温高压气体，冲破密封膜，驱动抑爆剂快速释放，达到抑爆效果。由于气体发生器式抑爆器平时无需储压，不存在泄漏风险，维护成本较低，且通过结构设计，如添加活塞结构，可有效阻止气体喷入粉尘场所，防止粉尘飞扬，降低引起二次爆炸的风险。 气体发生器一般由点火器，引火药及产气药组成。点火器是通过电或热的作用引燃引火药的元器件；引火药是一种感度较高，燃速较慢的火药，被点火器点燃后，产生高温气体，

进而引燃产气药；产气药是一种感度较低，燃速较快的火药，被引火药引燃后，产生大量高温高压气体，从而驱动抑爆剂，促其快速喷撒。

3.3 抑爆触发技术

抑爆触发技术是抑爆器的核心技术之一，抑爆器触发一般是在电的作用下，打开密封阀或点燃气体发生剂，从而引导抑爆剂快速喷撒，触发效果的好坏将直接影响抑爆效果。

储压式抑爆器主要利用瓶头阀或耐压膜片等装置实现密封。通过电磁阀与瓶头阀的结合使用，可实现抑爆剂的快速喷撒，响应时间可缩短至毫秒级。耐压膜片是一种金属或非金属薄膜，在电爆管的强射流作用下，可迅速破裂，形成一个大口径喷口，抑爆剂在高压氮气的作用下，实现快速喷撒，整个爆破过程持续时间很短，一般仅为几毫秒。电爆管结合耐压膜片的触发方式避免了电磁阀气路管道复杂的问题，具有结构简单，可靠性高，稳定性好等优点，目前已得到较多应用，如我国YBW型抑爆器。

气体发生器式抑爆器无需设置耐压装置，一般通过金属或高分子薄膜密封，如铝膜等。与储压式的触发对象不同，控制器在接收到抑爆信号后，触发点火器点火产生大量高温高压的气体，促使薄膜被动破裂，抑爆剂快速喷撒。

3.4 雾化技术

雾化是指通过喷头优化设计，实现抑爆剂均匀快速释放，以得到良好喷撒效果的技术，是粉尘爆炸抑爆器的关键技术之一。由于抑爆过程很短，喷头流量系数较大，因此，对抑爆剂的快速雾化技术要求很高，且针对固体、液体及气体抑爆剂，其理化性质不同，喷头形式及结构存在较大差异。

气体抑爆剂具有良好的流动扩散能力，一般不需要额外的雾化处理，仅对其进行导流处理即可，使其得到最佳的全淹没效果。因此，气体抑爆器的喷头设计比较简单，甚至可用导流盘代替喷头，也可达到良好的抑爆效果[5]。

针对液体抑爆剂而言，必须通过快速雾化技术，使其形成粒径较小的雾状流体，这种雾状流体具有较强的流动扩散能力，能迅速充斥整个空间，达到抑爆效果，这对抑爆剂的性能及其雾化技术均提出了很高的要求。液体抑爆剂必须同时具备较高的饱和蒸汽压和较低的蒸发潜热，才能保证其良好的快速雾化能力，如Novec1230,2-BTP等。

针对干粉类固体抑爆剂而言，灭火颗粒粒径较小，在储压气源的驱动下，能快速成雾，覆盖整个空间，具有类气溶胶的性质，从而达到抑爆效果，因此，固体类抑爆剂对抑爆器的雾化要求也不高，一般仅需根据抑爆空间的结构，进行喷射路径设计即可。

4 结论

抑爆技术是降低粉尘爆炸危害，防止发生二次爆炸的主要手段之一。我国粉尘爆炸抑爆器的研究还处于初级阶段，目前主要以干粉抑爆器为主，应加快多种高效清洁灭火剂抑爆器的开发及应用研究，如Novec1230、2-BTP等，从而满足不同场所对抑爆剂的要求。另一方面，加强粉尘爆炸抑爆器结构优化，增加触发、驱动及雾化技术研究投入，针对复杂空间，研发有针对性的粉尘爆炸抑爆器。同时，加强国际交流，学习国外成熟先进的抑爆技术，加强我国粉尘爆炸抑爆技术储备。

参考文献

[1] 解立峰, 余永刚, 韦爱勇, 等. 防火与防爆工程[M]. 冶金工业出版社, 2010.

[2] 潘仁明, 周晓猛. “哈龙” 替代物的现状和发展趋势[J]. 爆破器材, 2001, 30(4): 30-34. [3] Holland G, McCormick J, Rivers P. Sustainable Fire Protection for Military Vehicle and

Aircraft Applications[J]. Proceedings NFPA Suppression and Detection, 2008.

[4] 田丹青, 胡双启, 周温,等. ZYBG型瓦斯输送管道主动抑爆装置技术研究[J]. 煤炭技术, 2015, 34(2): 154-156.

[5] 张赞峰, 胡振媛, 赵中亮. 一种自动灭火抑爆瓶[P]. WO 2013017060 A1. 2013.