一、阻火器簡述 阻火器是用來阻止、液體的火焰蔓延和防止回火而引起爆炸的安全裝置。通常裝在輸送或排放易燃易爆氣體的儲罐和管線上。（作用是防止外部火焰竄入存有易燃易爆氣體的設備、管道內或阻止火焰在設備、管道間蔓延。阻火器是應用火焰通過熱導體的狹小孔隙時,由于熱量損失而熄滅的原理設計制造。阻火器的阻火層結構有礫石型、金屬絲網型或波紋型。）
石油化工裝置的設計中,阻火器是用于阻止可燃氣火焰繼續傳播的安全裝置,自1928 年首先應用于石油工業以來,由于其簡便易行而被石油及化工裝置大量采用。國內石油化工裝置中,阻火器應用已很普通,但在裝置設計中,尤其是在線(管道) 阻火器選型中的某些細節問題還容易被忽視。現依據石化裝置設計時收集（上海路野石化）到的有關資料,就阻火器選用的一些問題進行簡要探討。
1 阻火器的工作原理 關于阻火器的工作原理,目前主要有兩種觀點:一是基于傳熱作用;一是基于器壁效應。
1. 1 傳熱作用 燃燒所需要的必要條件之一就是要達到一定的溫度,即著火點。低于著火點,燃燒就會停止。依照這一原理,只要將燃燒物質的溫度降到其著火點以下,就可以阻止火焰的蔓延。當火焰通過
阻火元件的許多細小通道之后將變成若干細小的火焰。設計阻火器內部的阻火元件時,則盡可能擴大細小火焰和通道壁的接觸面積,強化傳熱,使火焰溫度降到著火點以下,從而阻止火焰蔓延。
1. 2 器壁效應 燃燒與爆炸并不是分子間直接反應,而是受外來能量的激發,分子鍵遭到破壞,產生活化分子,活化分子又分裂為壽命短但卻很活潑的自由基,自由基與其它分子相撞,生成新的產物,同時也產生新的自由基再繼續與其它分子發生反應。當燃燒的可燃氣通過阻火元件的狹窄通道時,自由基與通道壁的碰撞幾率增大,參加反應的自由基減少。當阻火器的通道窄到一定程度時,自由基與通道壁的碰撞占主導地位,由于自由基數量急劇減少,反應不能繼續進行,也即燃燒反應不能通過阻火器繼續傳播。
2 阻火器的分類 目前有幾類分類方法。產品（阻火器）使用場合不同可分放空阻火器和管道阻火器;依阻火元件可劃分為:填充型、板型、金屬絲網型、液封型和波紋型等5種。其中,波紋型阻火器性能穩定,在石油化工裝置中應用較多。這里以波紋型阻火器為例,說明其在石油化工裝置設計中的選用。
3 阻火器的選用
3. 1 實驗安全間隙—MESG值 火焰通過阻火元件的細小通道并在通道內降溫。當火焰被分割小到一定程度時,經通道移走的熱量足以將溫度降到可燃物燃點以下,使火焰熄滅。或由器壁效應解釋,當通道窄到一定程度時,自由基與管道壁的碰撞占主導地位,自由基大量減少,燃燒反應不能繼續進行。因此,把在一定條件下(0. 1 MPa ,20 ℃) 剛好能夠使火焰熄滅的通道尺寸定義為“實驗安全間隙"(MESG,Maximum Experimental Safe Gap) 。阻火元件的通道尺寸是決定阻火器性能的關鍵因素,不同氣體具有不同的MESG值。因此,在選擇阻火器時, 應根據可燃氣體的組成確定其MESG值。在具體選擇時,又根據MESG值將氣體劃分為幾個等級。目前國際上經常采用兩類方法。一是美國全國電氣協會(NEC) 的分類法,它根據氣體的MESG值將氣體分為四個等級(A ,B ,C ,D) ;另一類是國際電工協會( IEC) 的方法,它也將氣體分為四個等級( IIC , IIB , IIA 及I) 。兩種標準劃分的各類氣體的MESG 值及測試氣體如表1所示。
表1 兩種MESG分類標準
NEC IEC MESG/ mm 測試氣體
A IIC 0. 25 乙炔
B IIC 0. 28 氫氣
C IIB 0. 65 乙烯
D IIA 0. 90 丙烯
G M I 1. 12 甲烷
這樣,在選用阻火器時,即可在設計規定使用的規范中首先查出所用可燃氣體的等級,然后根據該組氣體對應的MESG 值來選擇相應的阻火元件。
3. 2 混合氣體MESG值的確定 在化工裝置設計中,經常會遇到混合可燃性氣體。在這種情況下,可根據混合氣體的具體組成來確定選用依據。表2 給出不同的可燃性氣體混合后可能出現的幾種情況以及選用建議。
表2 混合氣體MESG值
混合氣體 化學反應 選用建議 舉例
屬NEC/ IEC分類相同類別(如全部為IIA) 不易發生 以混合氣體中MESG值 最小者為設計依據 甲烷、乙烷與丁烷 采用MESG= 1. 12
可能發生 實驗確定 乙炔與氫氣
屬NEC/ IEC 分類不同類別 不易發生 以混合氣體中MESG值最小者為設計依據 乙烯與丙烯 采用MESG= 0. 65
可能發生 實驗確定 乙烯與氫氣
對于混合可燃氣體選取MESG時,應更加慎重。當可燃混合氣體的組分之間有可能發生反應時,的方法是將氣體組成及操作條件提供給專業制造廠, 由制造廠根據模擬實驗確定MESG值。另外,雖然理論上選用所有可燃氣體中MESG值最小的阻火器可能是安全的,但在實際應用中,還要考慮整個管路系統(尤其是管道阻火器) 是否對該元件有壓力降要求。因為MESG值越小,通過阻力越大,有可能需要擴大阻火器直徑以達到工藝要求。
阻火器選擇得當,就會在一定的條件下起到阻止火焰傳播的作用。但是,每種阻火器都有其特定的工作范圍,只能在一定的條件下起到安全保護作用,并不是任何情況下都能阻止火焰的
傳播。每種阻火器都應標出其阻火元件的通道尺寸,它只能用于MESG值大于該值的氣體,否則會失效;每種阻火器在特定的條件下都有一定的阻火時間,當火焰端燃燒時間超過其阻火時間時,阻火器也會失效;對于在線型阻火器的選用更要注意由于安裝位置不同而引起的選型變化,否則可能會因起不到預想的效果而埋下安全隱患。綜上所述,在阻火器的選型過程中,在按照規范計算MESG值的同時,還要十分注意影響選型的各種因素,根據實際工況,確定適宜的阻火器,只有這樣才能達到既確保安全又經濟實用的目的。
3. 3 選擇阻火器類型的影響因素
3. 3. 1 火源距離的影響 火焰在充滿可燃氣體管道中的傳播速度隨火焰的傳播有很大的變化。如果點燃充滿可燃氣體的水平管道的一端,火焰首先傳向管壁,然后迅速向還末引燃的氣體傳播,燃燒產生的熱量使得燃燒氣體迅速膨脹,氣體膨脹又導致可燃氣體前端被壓縮,產生“壓升"(pressure piling) 現象?；鹧媲岸藲怏w被壓縮,密度增加,燃燒傳播速度加快,燃燒時產生的熱量增多,導致可燃氣體前端更劇烈的“壓升"。由于火焰在管道中傳播的這一特性,使得火焰的傳播速度可以從零加速至聲速甚至超聲速,火焰前端壓力也可增至約20 MPa 。因此,火源點距阻火器的距離對阻火器的選擇有很大影響。如果阻火器距火源較遠,那么燃燒就有了一定的加速距離,可能會由爆燃轉變為爆轟,火焰前端壓力的增加,對阻火元件耐壓能力提出了更為嚴格的要求。不同制造商的產品可能會有不同。
對同種可燃氣體,在相同工況下,僅僅因安裝位置不同,在阻火器制造強度和阻火時間的選擇上就會有很大差異。因此在選用在線阻火器時,要十分注意安裝位置的影響,在滿足工藝條件的情況下,應盡可能使之靠近火源點,以降低對阻火器的制造要求,在保證安全的前提下,提高經濟性。
阻火器選擇得當,就會在一定的條件下起到阻止火焰傳播的作用。但是,每種阻火器都有其特定的工作范圍,只能在一定的條件下起到安全保護作用,并不是任何情況下都能阻止火焰的
傳播。每種阻火器都應標出其阻火元件的通道尺寸,它只能用于MESG值大于該值的氣體,否則會失效;每種阻火器在特定的條件下都有一定的阻火時間,當火焰端燃燒時間超過其阻火時間時,阻火器也會失效;對于在線型阻火器的選用更要注意由于安裝位置不同而引起的選型變化,否則可能會因起不到預想的效果而埋下安全隱患。綜上所述,在阻火器的選型過程中,在按照規范計算MESG值的同時,還要十分注意影響選型的各種因素,根據實際工況,確定適宜的阻火器,只有這樣才能達到既確保安全又經濟實用的目的。
