開(kāi)口阻塞比對(duì)粉體抑制甲烷爆炸的影響研究*

鄭立剛，李 剛，王亞磊，朱小超，竇增果，杜德朋，余明高

（1. 河南理工大學(xué)煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；2. 重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；3. 河南理工大學(xué)瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454003）

瓦斯爆炸是最嚴(yán)重的煤礦事故災(zāi)害之一，每年造成大量的人身傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。為此，相關(guān)學(xué)者在其防災(zāi)減災(zāi)方面開(kāi)展了大量研究工作。惰性氣體、細(xì)水霧、多孔介質(zhì)和粉體等為抑制劑的主動(dòng)式抑爆措施在煤礦安全中起到了重要作用[1-8]。依據(jù)瓦斯抑爆效果與煤礦井下環(huán)境條件而言，粉體抑制劑具有優(yōu)越的抑制效率[3]。粉體材料作為一種具有便于儲(chǔ)存、成本低廉、環(huán)保高效特點(diǎn)的抑爆材料，備受專家學(xué)者的關(guān)注，并在抑爆領(lǐng)域得到了一定程度的應(yīng)用。研究結(jié)果表明：化學(xué)抑制型粉體(如二茂鐵、NaHCO3干粉)、物理抑制型粉體(如Al (OH)3、巖粉、硅石)等以單一或協(xié)同機(jī)制削弱爆炸強(qiáng)度達(dá)到抑制甲烷爆炸的目的[3-6]。

真空腔、泄壓口則是泄爆釋放能量的被動(dòng)措施，亦受到煤礦與化工行業(yè)學(xué)者關(guān)注[9-12]。在輸送可燃?xì)夤艿郎贤瑫r(shí)采用主動(dòng)式和被動(dòng)式措施能提高抑爆效果。在采取主動(dòng)式抑爆措施的場(chǎng)所中，也存在不同面積的通風(fēng)口或者強(qiáng)度薄弱區(qū)域，這就自然形成了釋放爆炸壓力的泄壓口，即在釋放抑制劑的受限空間中無(wú)法避免主動(dòng)型和被動(dòng)型措施同時(shí)存在。研究表明，火焰形態(tài)不僅受甲烷濃度的影響而且與爆炸空間的尺度、泄壓狀況密切相關(guān)[13]。例如，封閉管道爆炸產(chǎn)生的超壓高于部分開(kāi)口的管道爆炸超壓，且火焰形態(tài)比傳統(tǒng)的4 個(gè)階段更為復(fù)雜[14-15]。泄壓口比例也極大地影響著受限空間的爆炸強(qiáng)度[9]。所以，被動(dòng)型泄爆措施必然會(huì)影響主動(dòng)型措施的抑爆效果。

近年來(lái)，人們?cè)谛〕叨葘?shí)驗(yàn)條件下分別進(jìn)行了被動(dòng)泄爆[9-12]和粉體主動(dòng)抑爆[3-6]的研究，但被動(dòng)措施（泄爆）對(duì)主動(dòng)措施（粉體抑爆通常以主動(dòng)措施形式存在）的影響鮮有報(bào)道。因此，本文以當(dāng)量比1 的甲烷/空氣預(yù)混氣為研究對(duì)象，在5 L 垂直管中開(kāi)展NaHCO3、Al (OH)3這2 種粉體的4 種質(zhì)量濃度（0、80、160、240 g/m3）抑制6 組開(kāi)口阻塞比（0、0.2、0.4、0.6、0.7、1.0）管道內(nèi)瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)；通過(guò)研究6 組開(kāi)口阻塞比管內(nèi)火焰結(jié)構(gòu)、傳播速度及爆炸特征參數(shù)，以期望探索出2 種減災(zāi)模式相互作用機(jī)制，為預(yù)防可燃?xì)怏w爆炸和減輕爆炸危害提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 抑爆實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示，包括透明方形有機(jī)玻璃管道、配氣系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、火焰圖像采集系統(tǒng)、壓力與光信號(hào)采集系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)。管道長(zhǎng)500 mm，當(dāng)φ為0 時(shí)，管道開(kāi)口尺寸為邊長(zhǎng)100 mm的正方形，管道下端剛性封閉，管道上端用PVC 膜或盲板密封。質(zhì)量流量控制器控制通入9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣持續(xù)10 min 以保證3～5 倍容積的預(yù)混氣流經(jīng)管道[16]。隨后關(guān)閉進(jìn)氣和排氣閥，靜置30 s。在此期間將預(yù)先制備的9.5%預(yù)混氣通至壓縮氣瓶中至0.3 MPa，關(guān)閉通氣閥，啟動(dòng)同步控制器的一鍵觸發(fā)按鈕。啟動(dòng)噴粉650 ms 后，點(diǎn)火系統(tǒng)、火焰圖像采集系統(tǒng)、壓力與光電信號(hào)采集系統(tǒng)同時(shí)觸發(fā)。研究過(guò)程中，每組工況都進(jìn)行3 次以上重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。

圖 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig. 1 Schematic diagram of experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

Al (OH)3粉體在高溫下發(fā)生分解，放出結(jié)晶水，水受熱蒸發(fā)進(jìn)一步吸收潛熱而降低溫度，而分解生成的水蒸氣又可稀釋燃燒區(qū)域的氧氣濃度，起到了冷卻與窒息的作用，因此Al (OH)3對(duì)瓦斯爆炸的抑制主要來(lái)源于是物理作用[5]。相比較而言，NaHCO3受熱除了冷卻、窒息稀釋物理抑制外，其分解產(chǎn)生的部分原子或化合物參與燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，化學(xué)抑制作用優(yōu)于Al(OH)3。本文意在研究泄壓口阻塞比對(duì)粉體抑爆性能的影響，探討泄壓口引起火焰動(dòng)力學(xué)對(duì)抑爆劑物理化學(xué)抑制機(jī)制的影響，因此實(shí)驗(yàn)采用抑制機(jī)制具有較大差異的兩種粉體。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，較大粒徑的粉體抑制效果較差，而較小粒徑粉體又存在無(wú)法點(diǎn)火現(xiàn)象。綜合實(shí)際抑制效果，本文采用經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)篩制備的200～220 目NaHCO3粉體和未過(guò)篩的Al(OH)3粉體。采用同一粒徑分布的粉體，而粒徑對(duì)抑制效率的影響將通過(guò)后續(xù)具體的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。利用Malvern Sizer 2000 設(shè)備測(cè)試粒度分布(particle size distribution, PSD)結(jié)果如圖2 所示。利用公式：

分別計(jì)算粉體粒度的分散性[17]。其中D10代表粉體中有10%的粉體顆粒的粒徑小于此值，另外90%的粉體顆粒大于該值，D50和D90定義與D10類似。NaHCO3的D10、D50、D90值分別為65.5 μm、97.3 μm、141 μm，而Al(OH)3的D10、D50、D90值則分別為1.87 μm、8.93 μm、19.66 μm。NaHCO3粉體分散度σD=0.775 遠(yuǎn)小于Al(OH)3粉體分散度σD=1.992，表明NaHCO3粉體顆粒大小均勻性較好。由于Al(OH)3和NaHCO3粉體抑爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，為避免重復(fù)，對(duì)爆燃指數(shù)Kst、最大超壓峰值pmax、最大升壓速率(dp/dt)max研究時(shí)，均選取NaHCO3粉體的抑制曲線為分析對(duì)象。

圖 2 樣品的粒度分布Fig. 2 Particle size distributions of samples

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 火焰結(jié)構(gòu)與傳播速度

分析火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程有助于進(jìn)一步理解物理和化學(xué)抑制機(jī)制。對(duì)于化學(xué)粉體來(lái)說(shuō)，其熱分解對(duì)抑制效率至關(guān)重要[18]。Al(OH)3、NaHCO3顆粒在熱解時(shí)會(huì)吸收部分爆炸釋放的熱量，熱解產(chǎn)生的水蒸氣降低火焰溫度，降低火焰亮度?；鹧孢M(jìn)行截取時(shí)首先確定在每組工況中處在管內(nèi)最后時(shí)刻的火焰圖像，然后經(jīng)過(guò)Photoshop 軟件進(jìn)行整體截取火焰區(qū)域，最后將完整的圖像粘貼到PowerPoint 里進(jìn)行局部截圖和同比例的局部放大，圖像處理結(jié)果如圖3 所示，Al(OH)3抑制的火焰亮度普遍暗淡。一方面由于金屬氫氧化物的比熱容較高，在爆炸環(huán)境中大量吸熱，產(chǎn)生的水蒸氣冷卻作用顯著[19]。另一方面受金屬元素特征光譜影響，Na 發(fā)出黃橙色火焰，即使加入少量NaHCO3粉體，火焰亮度都會(huì)增強(qiáng)。對(duì)于φ為1.0 工況而言，管道封閉不存在泄爆，較其他工況而言除了器壁散熱幾乎不存在散熱效果，也就使得爆炸產(chǎn)生的熱量持續(xù)累積，管內(nèi)溫度大于其他工況（φ=0，0.2，0.4，0.6，0.7），就造成了φ為1.0 的圖像比其他工況（φ=0，0.2，0.4，0.6，0.7）的圖像更亮。由于管壁和顆粒之間的熱交換，管壁處火焰暗淡且邊緣存在消光現(xiàn)象。火焰受抑制作用越大，散失的熱量越多，火焰結(jié)構(gòu)中邊緣消光現(xiàn)象越嚴(yán)重。通過(guò)觀察所有被Al(OH)3、NaHCO3粉體抑制的火焰，發(fā)現(xiàn)其前緣出現(xiàn)撕裂或片狀孤立的火焰。隨開(kāi)口阻塞比的增加，鋒面的破碎度先增大后減小，φ值0.4 和0.6 之間達(dá)到最大。這種規(guī)律不受粉體質(zhì)量濃度及抑制機(jī)制類型的影響。

比較3 種NaHCO3粉體質(zhì)量濃度抑制的火焰結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量濃度越大，其火焰鋒面出現(xiàn)撕裂與破碎現(xiàn)象越嚴(yán)重。以NaHCO3粉體為例分析原因如下：一方面NaHCO3粉體分解吸熱釋放CO2和H2O 形式的揮發(fā)物，導(dǎo)致火焰鋒面熱量散失及局部混合物稀釋。另一方面，作為典型自由基清除劑的氣相分解產(chǎn)物（例如Na/NaOH/Na2O）濃度增加，使得反應(yīng)區(qū)中的自由基與氣相分解產(chǎn)物之間的重組反應(yīng)速率增加。此外，隨著質(zhì)量濃度持續(xù)增加，火焰前沿變得模糊不均勻，火焰前鋒撕裂的情況加劇。例如，抑制劑質(zhì)量濃度C=80 g/m3的火焰鋒面在側(cè)壁附近破碎出現(xiàn)胞絡(luò)面。當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)到160 g/m3時(shí)，局部消光出現(xiàn)在火焰前端以及側(cè)壁附近。當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)到240 g/m3時(shí)，火焰前鋒撕裂，中心局部出現(xiàn)消光。由此推測(cè)，高效率抑制的火焰前沿不連續(xù)且破裂度高。同時(shí)，受粉體抑制的火焰前沿不再沿管道軸線呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這是由于噴粉時(shí)很難做到粉體分布均勻的緣故[20]。

為了更加詳細(xì)地研究開(kāi)口阻塞比對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣葀的影響，對(duì)四種典型φ值的v值進(jìn)行比較，如圖4 所示，指形火焰的v值在φ=0.7 時(shí)最大，在φ=1.0 時(shí)最小，按φ=0.7, 0.6, 0.4, 1.0 的順序依次減小。火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饕獊?lái)源于火焰前沿未燃?xì)馑俣?，火焰前方未燃?xì)獾耐牧鞫戎饾u增加，速度逐漸增大。由圖4 可知，φ=0.6、0.7 時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣容^為接近，表明φ=0.6 的管內(nèi)湍流度幾乎達(dá)到最值。湍流強(qiáng)弱嚴(yán)重依賴φ值，即φ值從0 增加至1.0 時(shí)湍流度呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)。有趣的是，粉體的抑制效率及火焰結(jié)構(gòu)隨φ值的變化規(guī)律與湍流度的趨勢(shì)保持高度一致。

圖 4 四種開(kāi)口阻塞比下的火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig. 4 The flame tip velocity under four blockage ratios with different powder concentrations

2.2 爆炸特征參數(shù)分析

抑爆效果采用Rallis[21]提出的爆燃指數(shù)：

以及最大超壓峰值pmax、最大升壓速率(dp/dt)max、超壓峰值下降率δ 進(jìn)行評(píng)估。圖5 為C=0 g/m3時(shí)爆炸特征參數(shù)，三條曲線走勢(shì)相同，即φ＜0.7 時(shí)相應(yīng)特征參數(shù)相差不大，φ=1.0 的參數(shù)是φ=0.7 參數(shù)的7～10 倍。曲線存在拐點(diǎn)φ=0.7，曲線斜率自φ=0.7 處急劇增大。例如，pmax和(dp/dt)max隨開(kāi)口阻塞比φ值減小而單調(diào)下降，即φ=1.0、0.7、0.6、0.4、0.2、0 的值依次減小。由Kst公式可知，爆燃指數(shù)正比于(dp/dt)max，所以其變化趨勢(shì)等同于(dp/dt)max。管內(nèi)爆炸壓力升高主要取決于燃燒速率與泄爆速率的共同作用。當(dāng)阻塞比從0 增加到0.7 時(shí)，泄爆時(shí)氣流速度逐漸增加(見(jiàn)圖4)，但較大阻塞比意味著泄爆面積減少，總泄爆速率降低，有利于壓力升高。從圖6 可以看出，C=80、160、240 g/m3的爆炸特征參數(shù)Kst、pmax、(dp/dt)max變化趨勢(shì)與C=0 g/m3的結(jié)果相似。因此，開(kāi)口阻塞比對(duì)爆炸特性參數(shù)的作用規(guī)律幾乎一致，不因粉體質(zhì)量濃度而改變?？傊?，開(kāi)口阻塞比φ值越小，爆炸特征參數(shù)Kst、pmax、(dp/dt)max值越小，其爆炸所產(chǎn)生的破壞力也就越小。φ值在0～0.7 區(qū)間時(shí)爆炸破壞力單調(diào)遞增，但增大的幅度較小；φ值大于0.7 之后爆炸破壞力陡增，這種規(guī)律同樣不受粉體質(zhì)量濃度及粉體類型的影響。所以，現(xiàn)實(shí)受限空間應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)高開(kāi)口阻塞比結(jié)構(gòu)。

圖 5 NaHCO3 質(zhì)量濃度C=0 g/m3 時(shí)封閉端爆炸參數(shù)Fig. 5 The explosion parameters at the lower end with C=0 g/m3

圖 6 NaHCO3 抑制時(shí)封閉端超壓峰值及最大升壓速率Fig. 6 The pmax and (dp/dt)max at the lower end with NaHCO3

定義超壓峰值下降率δ 為有無(wú)粉體時(shí)的pmax差值與無(wú)粉體時(shí)pmax的比值。Kst、pmax、(dp/dt)max有效地評(píng)估了爆炸強(qiáng)度，而δ 直觀地體現(xiàn)了開(kāi)口阻塞比對(duì)粉體抑爆效率的影響。本文2.1 節(jié)已經(jīng)揭示了火焰結(jié)構(gòu)的破碎度隨φ值的關(guān)系，得到了與圖7 高度一致的結(jié)論?；鹧嫫扑槎燃唉?值隨開(kāi)口阻塞比的變化走勢(shì)一致，且最大火焰破碎度及最大δ 值出現(xiàn)在開(kāi)口阻塞比0.4 和0.6 之間(圖3 和圖7)。

圖 7 封閉端超壓峰值下降率Fig. 7 The drop rate of pmax at the lower end as a function of the blockage ratio

在圖7 的基礎(chǔ)上，以相鄰質(zhì)量濃度引起的δ 增量δ|C=160-δ|C=80、δ|C=240-δ|C=160為參量，分析質(zhì)量濃度對(duì)抑制效率的作用程度隨φ值的變化。由表1 可知，質(zhì)量濃度C從80 g/m3增加到160 g/m3時(shí)的δ 增量（δ|C=160-δ|C=80）大于質(zhì)量濃度從160 g/m3到240 g/m3時(shí)的δ 增量（δ|C=240-δ|C=160）。這說(shuō)明，粉體質(zhì)量濃度越高，抑爆效率越好；但在高濃度區(qū)間增加粉體質(zhì)量濃度引起的抑爆效率增加低于低濃度區(qū)間，即濃度越高，濃度間抑制效果差值越小，表明濃度效應(yīng)相對(duì)在減弱，如表1 所示。

表 1 不同工況下超壓峰值下降率增值的比較Table 1 Comparison of the increment in the drop rate of pmax with different experimental conditions

3 抑爆作用機(jī)理分析

結(jié)合圖3 和圖7 可知，隨開(kāi)口阻塞比的增加，粉體的抑制效率δ 及火焰鋒面的破碎度先增大后減小，在φ值0.4 和0.6 之間達(dá)到最大。阻塞比φ通過(guò)影響管內(nèi)流場(chǎng)的湍流度以及粉體顆粒間的凝并狀態(tài)改變粉體的抑爆效率。當(dāng)φ從0 增大到0.7 時(shí)，火焰前方未燃?xì)獾乃俣戎饾u增大(見(jiàn)圖4，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饕獊?lái)源于火焰前沿未燃?xì)馑俣?，湍流度逐漸增加；當(dāng)φ從0.7 增大到1.0 時(shí)，泄爆面積急劇減小，使管內(nèi)湍流度減小。一方面，增大的湍流度使粉體在反應(yīng)區(qū)停留時(shí)間及火焰經(jīng)過(guò)預(yù)熱區(qū)的時(shí)間越短，粉體的抑爆效率下降；再者，湍流輸運(yùn)有利于傳熱傳質(zhì)，增大了粉體抑爆效率。另一方面，粉體顆粒間普遍存在兩種團(tuán)聚狀態(tài)：軟團(tuán)聚和硬團(tuán)聚[22]。范德華力是顆粒軟團(tuán)聚的根本原因[23]，增大的湍流度促使管內(nèi)粉體顆粒劇烈運(yùn)動(dòng)，而顆粒劇烈的運(yùn)動(dòng)減弱了因吸引力造成的凝并程度[24]。當(dāng)φ從0 增大到1.0 時(shí)，管內(nèi)湍流度先增加后減少，使顆粒軟團(tuán)聚程度先減少后增加，進(jìn)而因軟團(tuán)聚引起的抑制效率先增加后減少，因此中等阻塞比的抑制效率最佳。Eckhoff 等[24]、李國(guó)棟等[25]認(rèn)為羥基層間的化學(xué)反應(yīng)是硬團(tuán)聚的根源?；瘜W(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度與顆粒在火焰中的停留時(shí)間（即火焰?zhèn)鞑ニ俣葀)有關(guān)，φ=0.7 的火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥讦諡?.4、0.6 的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋ㄒ?jiàn)圖4），這將減弱顆粒間的化學(xué)反應(yīng)(如OH·基間聚合反應(yīng))，進(jìn)而極大地降低了抑制粉體效率。因此，中等φ值(0.4～0.6)的抑制效率最佳，火焰破碎度最大。由此推斷火焰結(jié)構(gòu)及抑制效率是由隨φ變化的湍流度和軟硬團(tuán)聚共同競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。

粉體的抑制效率與抑制機(jī)理密不可分。由圖8 可知，Al(OH)3參與自由基反應(yīng)較弱，主要通過(guò)物理機(jī)制抑爆；而NaHCO3可能通過(guò)物理抑制和化學(xué)機(jī)制抑爆。理論上，偏重于物理抑制的Al(OH)3與化學(xué)抑制顯著的NaHCO3兩者的抑制效率本應(yīng)相差很大。但由圖7 可知，總體上，兩種粉體的抑爆效率相近。這是因?yàn)榉垠w粒徑會(huì)影響抑爆機(jī)理。NaHCO3如要發(fā)揮化學(xué)抑制，它首先必須能分解形成氣態(tài)NaOH(g)。理論分析證明，NaHCO3在甲烷預(yù)混火焰中的臨界分解直徑為16 μm[20]，本文中NaHCO3索特爾直徑D32=92.7 μm，因此NaHCO3在反應(yīng)區(qū)中難以完全分解。一方面，Al(OH)3索特爾粒徑(D32=4.139 μm)遠(yuǎn)小于NaHCO3索特爾粒徑，依據(jù)顆粒升溫速率反比于顆粒直徑的平方(dTp/dt∝)；且較小粒徑的Al(OH)3顆粒與爆炸流場(chǎng)之間的速度滑移小（顆粒與氣流速度差），在反應(yīng)區(qū)中的停留時(shí)間更長(zhǎng)，所以Al(OH)3顆粒較NaHCO3顆粒吸熱速率要快得多；而Al(OH)3的熱容(cp=1.17 J/g·K)與NaHCO3的熱容(cp=1.04 J/g·K)相近，因此在質(zhì)量濃度C相同時(shí)，Al(OH)3的吸熱能力(CcpdTp/dt)高于NaHCO3。據(jù)此可以推斷，NaHCO3仍然發(fā)揮了一部分化學(xué)抑制作用。盡管NaHCO3平均粒徑D32遠(yuǎn)大于臨界分解直徑，但仍然有一部分NaHCO3顆粒能夠在后燃燒區(qū)部分或完全分解，形成的氣態(tài)NaOH 反向擴(kuò)散到反應(yīng)區(qū)，參與自由基重組反應(yīng)。因此，兩者粉體的抑制效率差別不大。另一方面，某些阻塞比下Al(OH)3的抑制效率優(yōu)于NaHCO3，這表明阻塞比能夠改變粉體的抑制效率。管內(nèi)顆粒存在沉降現(xiàn)象，并且小粒徑的Al(OH)3顆粒沉降程度弱于大粒徑的NaHCO3。由于φ為1.0 時(shí)的湍流度較其他阻塞比而言較小，大粒徑的NaHCO3粉體更易沉降（顆粒沉降方向與未燃?xì)饬鲃?dòng)方向相反），使得偏重于物理抑制的Al(OH)3在湍流度較小的工況(φ=1.0)下其抑制效率反而較好（圖7）。除此之外，比較封閉端所有阻塞比的抑制效率發(fā)現(xiàn)，φ在0.4 與0.6 時(shí)，即湍流度較高的工況，Al(OH)3的抑制效率也較好，這是由于小粒徑Al(OH)3顆粒與爆炸流場(chǎng)之間的速度滑移遠(yuǎn)小于NaHCO3顆粒，使其在反應(yīng)區(qū)的停留時(shí)間更長(zhǎng)，Al(OH)3顆粒有更充分機(jī)會(huì)與反應(yīng)區(qū)發(fā)生熱量交換。

文虎等[5]的研究表明1.3 μm 的Al(OH)3最佳抑爆粉體質(zhì)量濃度為250 g/m3。本文采用最高質(zhì)量濃度240 g/m3且粒徑遠(yuǎn)大于1.3 μm 的Al(OH)3。NaHCO3質(zhì)量濃度的抑制效率同樣沒(méi)有達(dá)到飽和（見(jiàn)圖6）。因此這兩種粉體的抑制效率會(huì)隨著質(zhì)量濃度的增加而逐漸增加。從表1 可以看出，抑制效果隨著粉體質(zhì)量濃度增加而相對(duì)地減弱。在粉體粒子處于低濃度區(qū)域時(shí)，熱阻低，反應(yīng)區(qū)的熱量更容易傳導(dǎo)到粒子云內(nèi)部，粒子云內(nèi)部顆粒都能有效吸收反應(yīng)區(qū)熱量，使粒子云中顆粒處于單顆粒吸熱分解模式；在高粉體質(zhì)量濃度下，顆粒的體積荷載增加，這導(dǎo)致粒子間空間的減少，熱阻增加，限制了反應(yīng)區(qū)的熱量向粒子云內(nèi)部擴(kuò)散[26]，從而只有粒子云外圍的顆粒才能有效受熱分解，而粒子云內(nèi)部的顆粒不能有效受熱分解，粉體顆粒呈粒子云外鞘分解模式，如圖8 所示。在單顆粒吸熱分解模式下，粒子云中的每個(gè)粒子都可以被周圍火焰獨(dú)立分解；在外鞘分解模式下，粒子云中的內(nèi)部顆粒不能有效分解。隨著粉體質(zhì)量濃度的增加，粒子云半徑增加，增大了熱量向粒子云內(nèi)部擴(kuò)散的特征時(shí)間，粒子云外鞘分解模式程度加劇[27]。因此，粉體顆粒分解模式取決于顆粒質(zhì)量濃度。在各個(gè)開(kāi)口阻塞比作用下，160 g/m3的分解效果比240 g/m3的分解效果好，高濃度抑制效果相對(duì)地弱化。

圖 8 NaHCO3 與Al(OH)3 粉體抑爆機(jī)理示意Fig. 8 Mechanism illustration of the methane explosion suppression by NaHCO3 and Al(OH)3 powders

4 結(jié) 論

（1）隨著開(kāi)口阻塞比φ的增大，火焰鋒面的破碎度先增大后減小，在φ處于0.4 和0.6 之間達(dá)到最值。提高抑爆粉體的質(zhì)量濃度，火焰前鋒撕裂度大。這是由于變化的湍流度和粒子自發(fā)凝并改變了粉體抑制效率。綜合分析可得：高效率抑制的火焰前沿不連續(xù)且破裂度高。

（2）爆炸特征參數(shù)Kst、pmax、(dp/dt)max隨著開(kāi)口阻塞比φ增加單調(diào)上升，φ= 0.7 是一個(gè)拐點(diǎn)。無(wú)論是偏重于物理抑制作用的Al(OH)3還是偏于化學(xué)抑制作用的NaHCO3，粉體的抑制效率隨開(kāi)口阻塞比變化規(guī)律不變。最大爆炸超壓下降率δ 表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即隨著φ增加，δ 值先增加后減小。在φ處于0.4 和0.6 之間時(shí)，δ 值達(dá)到最大。這歸因于泄爆產(chǎn)生的湍流及粉體團(tuán)聚機(jī)制對(duì)抑制的兩個(gè)相對(duì)作用。綜合以上兩條結(jié)論可知，采取過(guò)抑爆措施的爆炸危險(xiǎn)空間，其開(kāi)口阻塞比處在0.4 至0.6 之間時(shí)抑爆措施能達(dá)到最佳的減災(zāi)效果。

（3）總體上，Al(OH)3和NaHCO3兩種粉體的抑爆效率相近。考慮到兩者的比熱容相近，因粒徑差異，Al(OH)3的升溫速率遠(yuǎn)高于NaHCO3，推測(cè)NaHCO3發(fā)揮了一定的化學(xué)抑制作用。在某些阻塞比（如φ=1.0）下，阻塞比引起的低湍流影響著粉體顆粒的沉降行為，使得Al(OH)3抑爆效率優(yōu)于NaHCO3。

（4）當(dāng)粉體質(zhì)量濃度從80 g/m3增加到240 g/m3時(shí)，δ 差值逐漸減少，表明濃度效應(yīng)越來(lái)越弱，即在高濃度區(qū)間提高粉體質(zhì)量濃度對(duì)提高抑爆效率有限。結(jié)合粉體抑爆機(jī)理可知：抑制劑濃度較高時(shí)，熱阻越來(lái)越大，增大了熱量向粒子云內(nèi)部擴(kuò)散的特征時(shí)間，火焰的熱量不能擴(kuò)散到粒子云的中心，從而使內(nèi)部粒子不能完全分解，從而起不到抑制作用。