水泥粉體的甲烷抑爆特性研究

顏龍　康文東　徐志勝　陳添明　潘飛

摘要：通過(guò)20L球形抑爆試驗(yàn)裝置，研究了不同濃度的水泥粉體對(duì)甲烷爆炸特性的影響。結(jié)果表明，水泥粉體對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣體有明顯的抑爆作用，添加0.1g/L，0.15g/L和0.2g/L的水泥粉體后甲烷-空氣預(yù)混氣體的最大爆炸壓力分別下降9.5%、15.5%和21.2%，到達(dá)壓力峰值的時(shí)間從0.13s延長(zhǎng)至0.24s。最后結(jié)合熱重分析對(duì)水泥粉體的甲烷抑爆機(jī)理進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：水泥粉體;最大爆炸壓力;甲烷抑爆;抑爆機(jī)理

1 引言

瓦斯爆炸是煤礦工業(yè)安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，瓦斯的主要成分為甲烷，是一種易燃易爆氣體[1]。目前，甲烷抑爆方面取得了一定的研究成果。馮翼鯤[2]采用CO2對(duì)9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體抑爆研究表明，甲烷-空氣預(yù)混氣體的爆炸壓力隨CO2體積分?jǐn)?shù)上升呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)且火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小。朱新娜等[3]則采用稀釋氣體和超細(xì)水霧抑制甲烷爆炸并得出只有當(dāng)稀釋氣體的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)6%時(shí)才具有良好的抑爆效果。此外，粉體材料作為抑爆材料的一種，由于其易儲(chǔ)存、成本低廉、環(huán)保高效的特點(diǎn)而備受專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注。

研究表明，CaCO3、SiO2、NaHCO3、Al（OH）3、（NH4）2SO4、NaCl、硅藻土、礬土等都對(duì)甲烷爆炸具有一定的抑制效果[4]。王燕等[1]制備了KHCO3/赤泥復(fù)合粉體，熱分析顯示其具有吸熱特性，抑爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明預(yù)混氣體的爆炸壓力峰值降低了37.5%，最大壓升速率降低93.2%，抑爆效果明顯?？捉躘5]以拜耳法赤泥為原料合成的改性赤泥粉體材料在濃度為0.15g/L時(shí)，預(yù)混氣體的最大爆炸壓力在降低30%同時(shí)壓力峰值出現(xiàn)時(shí)間延遲32%左右。水泥粉體作為一種價(jià)格低廉且耐高溫性能優(yōu)異的粉體填料，作為滅火劑可以有效撲滅金屬鎂火災(zāi)并具有優(yōu)異的抗復(fù)燃性能[6]。本文選取市場(chǎng)上常見(jiàn)的水泥粉體作為抑爆填料，利用20L球形爆炸裝置研究了水泥粉體對(duì)9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體的抑爆特性。

2 試驗(yàn)部分

2.1試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用長(zhǎng)沙地區(qū)常見(jiàn)的復(fù)合硅酸鹽水泥，主要由硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣等礦物成分所組成，其中硅酸鈣含量為75%～82%，鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣含量約18%～25%。掃描電子顯微鏡（SEM）-X射線能譜儀（EDS）用于觀察水泥粉體的微觀結(jié)構(gòu)和組成，測(cè)試儀器為捷克Nicolet公司的MIRA3 LMU型掃描電鏡和英國(guó)Oxford公司的X-Max20 X-ray Probe。熱重（TG）-差熱分析（DSC）用于分析水泥粉體的熱解特性和吸放熱歷程，測(cè)試儀器為梅特勒托利多儀器有限公司的TGA/SOTA 851熱分析儀，測(cè)試氣氛為氮?dú)鈿夥?，溫升速?0℃/min，溫升范圍25～800℃。

2.2抑爆試驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用的是20L球形爆炸裝置，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1[5]。該系統(tǒng)采用分壓法進(jìn)行配氣，先按計(jì)算的預(yù)配甲烷濃度抽至相應(yīng)的真空度，然后通過(guò)負(fù)壓進(jìn)甲烷氣至罐內(nèi)真空度為-0.06MPa，為保證爆炸在常壓下進(jìn)行，向裝有抑爆粉體的600mL儲(chǔ)粉罐內(nèi)通入高壓空氣至額定噴粉壓力2MPa，在電磁閥觸發(fā)后10ms內(nèi)，儲(chǔ)粉罐內(nèi)的高壓空氣將粉體通過(guò)罐體底部的反彈式噴嘴高速?lài)娙氡ü拗?，系統(tǒng)設(shè)定噴粉時(shí)間為50ms，因此設(shè)置點(diǎn)火延遲時(shí)間為60ms。噴粉結(jié)束后，采用脈沖方式進(jìn)行點(diǎn)火，點(diǎn)火能約為100J。噴粉和點(diǎn)火過(guò)程通過(guò)控制箱的點(diǎn)火按鈕控制，數(shù)據(jù)結(jié)果由計(jì)算機(jī)采集壓力數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1水泥粉體的結(jié)構(gòu)表征

圖2所示為水泥粉體的SEM-EDS圖。從圖2可以看出，水泥粉體呈不均勻塊狀結(jié)構(gòu)，尺寸在1μm～5μm之間。結(jié)合EDS結(jié)果可以看出，水泥粉體主要由Ca、Si、Fe、Al、Mg、O、K等元素組成，其中以O(shè)和Ca含量最高分別達(dá)到54.69%和33.52%，這進(jìn)一步表明水泥粉體主要由硅酸鈣等無(wú)機(jī)組成。

圖3為水泥粉體樣品氮?dú)鈿夥罩械腡G-DSC曲線。由圖3可以看出，水泥粉體在氮?dú)鈿夥障轮淮嬖谝粋€(gè)熱解過(guò)程，初始分解溫度為681.7℃，熱穩(wěn)定性較高，900℃下的殘余質(zhì)量分別為85.4%，表明水泥粉體高溫下基本不分解。對(duì)于失重過(guò)程，水泥粉體的DSC曲線存在兩個(gè)峰：第一個(gè)吸熱峰出現(xiàn)在500-550℃，峰值溫度為521.7℃;第二個(gè)吸熱峰出現(xiàn)在660℃-760℃，峰值溫度為726.7℃。由此可以看出，水泥粉體在氮?dú)鈿夥障碌姆纸膺^(guò)程為吸熱過(guò)程。

3.2抑爆試驗(yàn)結(jié)果

20L球形爆炸裝置測(cè)得的水泥粉體對(duì)體積分?jǐn)?shù)為9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸的抑制結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，添加水泥粉體后，甲烷-空氣預(yù)混氣體的爆炸壓力的峰值都有所下降，未填充粉體的甲烷氣體的爆炸壓力為0.6485MPa，而當(dāng)填充0.1g/L，0.15g/L，0.2g/L水泥粉體后的峰值爆炸壓力分別為0.5870MPa、0.5481MPa和0.5112MPa，相比于甲烷氣體的峰值爆炸壓力下降了9.5%，15.5%和21.2%。添加水泥粉體后還使甲烷氣體到達(dá)壓力峰值的時(shí)間也明顯延長(zhǎng)，從0.13s延長(zhǎng)至0.24s。

3.3抑爆機(jī)理分析

水泥粉體對(duì)甲烷爆炸具有顯著的抑制效果，其抑制效果主要為惰化作用和化學(xué)抑制作用。水泥粉體中的碳酸鈣在690℃左右會(huì)發(fā)生分解，釋放出CO2氣體起到降低反應(yīng)產(chǎn)物濃度的惰化作用。此外，碳酸鈣高溫下分解產(chǎn)生的鈣氧自由基和鈣自由基能夠與爆炸產(chǎn)生的羥基自由基和氫自由基結(jié)合，中斷爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而起到抑爆效果。碳酸鈣受熱分解過(guò)程如下所示：

甲烷的爆炸機(jī)理如下所示：

4 結(jié)語(yǔ)

（1）水泥粉體主要由碳酸鈣、二氧化硅、硅酸二鈣、硅酸三鈣和鎂鋁酸鈣類(lèi)等無(wú)機(jī)礦物成分組成，具有較高的熱穩(wěn)定性且熱失重過(guò)程為吸熱過(guò)程。

（2）抑爆測(cè)試表明，水泥粉體對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣體的爆炸有明顯抑制作用，添加0.1g/L，0.15g/L和0.2g/L的水泥粉體使9.5%甲烷-空氣預(yù)混氣體的峰值爆炸壓力分別下降9.5%，15.5%和21.2%，到達(dá)壓力峰值的時(shí)間也從0.13s延長(zhǎng)至0.24s。

作者簡(jiǎn)介：

顏龍，博士學(xué)歷，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事火災(zāi)防治技術(shù)研究。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 馮翼鯤.密閉管道甲烷火焰?zhèn)鞑ゼ捌湟直匦匝芯縖D].中北大學(xué)， 2018.

[3] 朱新娜.稀釋氣體和超細(xì)水霧抑制甲烷爆炸實(shí)驗(yàn)研究[D].河南理工大學(xué)， 2016.

[4] Chelliah H K， Lazzarini A K， Wanilgarathne P C， et al. Inhibition?of premixed and non-premixed flames with fine droplets of water?and solution[J]. Proceedings of the Combustion Institute， 2002，?29（1）： 369-376.

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[6] 周詳，林佳，陳添明，等.氣力輸送水泥粉體撲滅金屬鎂火災(zāi)研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)， 2018， 37（08）：110-113.