抑爆粉劑濃度及粒度對瓦斯爆炸抑制效果的影響*

黃子超，司榮軍，薛少謙

(1. 中煤科工集團重慶研究院有限公司 火災爆炸防治研究分院，重慶 400037； 2. 瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

0 引言

瓦斯災害事故是我國煤礦災害中最為嚴重的災害之一，在煤礦發生一次死亡10人以上的重特大事故中，瓦斯爆炸事故占70%左右[1]。近年來粉體類抑爆在瓦斯抑爆技術中應用越來越廣，尤其磷酸二氫銨粉劑具有較強的熱分解速度和捕獲自由基能力。行業標準AQ 1076-2009《煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統設計規范》中規范了粉體類抑爆裝置的應用與要求[2]。

粉體抑爆劑在瓦斯爆炸抑制反應中快速形成一定范圍的懸浮顆粒兩相反應介質，因其鏈式反應與熱量交換等作用抑制并衰減爆炸火焰和沖擊波[3]。國內外學者對不同種類的抑爆粉劑進行了大量的理論和試驗研究。J. AMROGOWICZ等[4]對比研究了碳酸鹽和磷酸鹽對粉塵爆炸的抑制效果；H.K. CHELLIAH等[5]研究了不同粒徑的碳酸氫鈉對甲烷爆炸的抑制效果，發現粒度20～30 μm與<10 μm的粉體抑制效果相當，均劣于粒度10～20 μm的抑制能力；戴曉靜[6]分析了粉體抑爆劑細小顆粒粉碎制備技術及表面改性方法；覃欣欣等[7]通過直徑DN500鋼制管道研究了不同ABC粉體面密度對瓦斯爆炸的抑制效果，發現抑爆粉劑密度大于40.8 kg/m2時，爆炸火焰被完全抑制；文虎等[8]認為粉體的抑爆效果受濃度、點火延遲時間影響，過多的粉劑會造成顆粒間的凝并、沉降，且隨點火延遲時間延長，抑爆效果下降。

目前，對ABC超細干粉滅火劑的抑爆性能研究并不系統，局限于是否撲滅火焰，沒有廣泛認可的理論。論文從氣體粉塵爆炸典型的特征參數出發，通過實驗從濃度和粒度2個方面研究磷酸鹽抑爆粉劑對爆炸壓力、壓力上升速率、峰值壓力時間等爆炸特征參數的抑制效果及變化規律。

1 實驗系統與方法

1.1 實驗系統

圖1 爆炸特性試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of explosion test system

實驗系統的主體為20 L爆炸特性實驗裝置，主要由20 L爆炸實驗罐體、點火裝置、數據采集系統、配氣裝置、控制系統等組成，圖1為20 L爆炸特性實驗裝置的組成示意圖。在爆炸實驗裝置的罐體壁面上安裝壓力傳感器，測試不同工況條件下的瓦斯爆炸最大壓力、最大壓力上升速率以及峰值壓力呈現時間等。實驗裝置的罐體還連接有控制實驗流程的電磁閥、粉塵倉、儲氣室、真空泵等。

實驗測試采用KZQ-2型爆炸特性數據采集系統，可以實現在線點火與爆炸信號的實時采集。由于系統電磁閥動作、抑爆粉劑的噴灑過程存在時間，采集系統在觸發電磁閥與點火頭引爆之間設置延遲時間，實驗測試中點火延遲時間為60 ms。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗氣體的配置

根據20 L爆炸特性實驗裝置的工作原理及組成，爆炸試驗氣體由預混瓦斯/空氣混合氣體、高壓空氣2部分組成。實驗點火前，需通過高壓空氣將一定質量的抑爆粉劑散布于爆炸罐體內，罐體內的配氣方法采用分壓法。首先向罐體內充入預配的甲烷空氣混合氣體，利用真空泵將罐體抽真空至負壓狀態。然后通過補入儲氣倉內的高壓空氣使得實驗罐體內壓力剛好為常壓，此時實驗氣體形成常壓湍流狀態。

1)實驗裝置罐體內的壓力

通過真空泵將實驗裝置罐體內預配氣體的壓力抽真空至-60 kPa，裝置儲氣倉內空氣壓力為2.0 MPa，儲氣倉的容積為0.6 L。觸發電磁閥動作后，二者在罐體內混合后的壓力為1個大氣壓。

(1)

式中：v1為實驗裝置罐體容積,L；v2為實驗裝置儲氣倉的容積，L。

2)實驗裝置罐體內的瓦斯濃度

通過配氣裝置預配的瓦斯/空氣混合氣體的甲烷體積分數為22%。預配氣體與儲氣倉內氣體混合后的甲烷體積分數可通過計算獲得，見公式(2)：

(2)

式中：φ1為預配的混合氣體甲烷體積分數；φ2為實驗裝置儲氣倉內氣體甲烷體積分數，φ2=0。

經計算得:φ(CH4) = 8.8%。

1.2.2 抑爆粉劑

實驗用抑爆粉劑選用ABC干粉滅火劑，其主要成分為NH4H2PO4，且比例>90%。在抑爆粉劑濃度實驗中，ABC干粉滅火劑的濃度范圍為0～ 225 g/m3。在粒度實驗中，通過180～1 000目標準篩篩分出5種粒度條件的抑爆粉劑，分別為：粒徑<15 μm，20～30 μm，40～50 μm，50～60 μm，70～80 μm。實驗在同一實驗室同一裝置內進行，分別通過改變濃度或粒度條件進行對比測試。

1.2.3 實驗條件

瓦斯爆炸或抑爆實驗條件如表1所示。論文實驗研究是在常溫常壓條件下進行的，實驗室環境溫度在20～30℃之間，環境相對濕度在70%～90% RH之間。實驗中均采用點火能量為10 J的化學點火藥頭作為點火源。

表1 瓦斯爆炸試驗環境條件Table.1 Environment conditions for gas explosion experiment

2 實驗結果及分析

2.1 瓦斯爆炸實驗

通過20 L爆炸特性實驗裝置，在不添加粉體抑爆劑情況下，采用實驗方法中預先配置的瓦斯/空氣混合氣體進行爆炸實驗。實驗得到的常溫常壓條件下瓦斯爆炸壓力變化曲線如圖2所示。

圖2 瓦斯爆炸壓力曲線Fig.2 Curve of gas explosion pressure

不添加抑爆粉劑時，瓦斯混合氣體爆炸感應時間極短，壓力在瞬間有明顯上升趨勢，從點火到最大爆炸壓力呈現僅需要60 ms左右，這段時間是瓦斯爆炸的快速反應階段，爆炸壓力為0.645 6 MPa，最大壓力上升速率高達149.53 MPa/s。可燃混合氣體完全反應后，實驗罐體內的爆炸壓力逐漸下降。

2.2 抑爆劑濃度對瓦斯爆炸抑制效果的影響

2.2.1 實驗結果及規律

圖3 最大爆炸壓力變化規律Fig.3 Change curve of maximum explosion pressure

爆炸壓力、最大壓力上升速率、峰值壓力呈現時間是衡量瓦斯爆炸危險性的重要特征值。抑爆劑濃度影響試驗中選用粒度<15 μm的粉劑。在添加不同濃度抑爆粉劑時，瓦斯最大爆炸壓力變化如圖3所示，最大爆炸壓力先緩慢降低，當濃度達到一定值后呈斷崖式下降。當ABC抑爆粉劑濃度為200 g/m3時，瓦斯爆炸后的最大壓力為0.518 MPa，相對于不添加抑爆劑時下降19.8%。此時，抑爆劑不能完全抑制爆炸的發生，而最大爆炸壓力仍然會比較大。而當粉劑的濃度增加到225 g/m3時，爆炸反應體系則失去爆炸性，圧力曲線急劇下降。

粉劑濃度<15 μm條件下，隨著抑爆粉劑的濃度逐漸增加，瓦斯爆炸最大壓力上升速率呈衰減指數的變化規律，如圖4所示。

圖4 壓力上升速率變化規律Fig.4 Changes of maximum pressure rising rate

抑爆粉劑濃度由50 g/m3增加到75 g/m3，最大壓力上升速率由55.43 MPa/s急劇下降到19.97 MPa/s。之后，隨抑爆劑濃度繼續增加，最大壓力上升速率下降幅度變緩。最大壓力上升速率與粉劑濃度的擬合關系如式(3)所示，擬合方程中各參數值見表2中所示。

(3)

表2 擬合函數參數Table.2Parameters of fitting function

峰值壓力時間可以反映出瓦斯氣體被點燃的容易程度以及反應的劇烈程度，如圖5所示。

圖5 峰值壓力呈現時間變化規律Fig.5 Arrival time changes of peak pressure

當抑爆粉劑濃度增加到200 g/m3時，峰值壓力呈現時間由60 ms延遲到530 ms。粉劑濃度<15 μm條件下，壓力峰值時間隨抑爆粉劑濃度的增加呈現出線性增加的變化關系，二者的擬合關系如式(4)所示，擬合方程中各參數值見表3中所示。

y=a+bx(50≤x≤200)R2=0.978 1

(4)

表3 擬合函數參數Table.3 Parameters of fitting function

2.2.2 影響分析

抑爆粉劑對瓦斯爆炸具有物理、化學2方面的抑制作用，且隨著濃度的增加，抑制效果逐漸增強。

隨著抑爆粉劑濃度的增加，在20 L爆炸實驗裝置內形成懸浮顆粒兩相反應作用更加明顯。當更多的抑爆粉劑釋放至爆炸反應混合區，其在高溫作用下失去結晶水、發生逐級分解反應，降低了爆炸反應體系的環境溫度，起到冷卻降溫的作用，分解反應如式(5)～(8)所示[9]。粉劑高溫分解后產生大量水蒸氣及不活潑氣體，可以稀釋甲烷及氧氣濃度，起到更大的隔絕與窒息作用。濃度越大時，有效碰撞幾率越低，這種屏障作用越有效[10]。

NH4H2PO4——2NH3+3H2O+P2O5

(5)

NH4H2PO4——NH3+H3PO4

(6)

H3PO4——H4P2O7+HPO3

(7)

H4P2O7——P2O5+H2O

(8)

由于抑爆粉劑固體微粒表面相對于反應體系活性物質 H·，OH·和 O·的尺寸要大得多，因而產生一種“圍墻”效應。隨著濃度的增加，這種“圍墻”效應更加明顯，加速了活性物質的消亡，降低爆炸的波及范圍和發生的可能性。另一方面，抑爆劑濃度的增加，在高溫作用下顆粒分解產生的N 和 P等中間載體增加，這些中間載體可以與H·和OH·發生支鏈反應，阻斷了鏈式反應的中間連續進程，從而抑制瓦斯爆炸的發生[11]，如式(9)～(10)所示：

N+3H——NH3

(9)

2P+5O——P2O5

(10)

所以，隨著抑爆劑濃度的增加，降低瓦斯鏈式反應體系中間物質的數量、濃度、活性，其滅火效果增強，瓦斯爆炸最大壓力下降，最大壓力上升速率迅速下降，到達最大壓力的時間明顯增加。

2.3 抑爆劑粒度對瓦斯爆炸抑制效果的影響及分析

2.3.1 實驗結果及變化規律

粒度影響實驗采用濃度為200 g/m3的5種不同粒徑的抑爆粉劑進行，瓦斯爆炸抑制實驗與空白瓦斯爆炸實驗進行對比，壓力變化曲線如圖6所示。

圖6 不同粒度條件下爆炸壓力變化曲線Fig.6 Change curves of explosion pressure under different granularity conditions

在添加不同粒度的抑爆粉劑后，瓦斯爆炸強度均有不同程度的減弱，最大爆炸壓力降低，壓力上升速率下降，爆炸延遲時間明顯增加。通過曲線對比，粒度<15 μm和70～80 μm的抑爆粉劑爆炸特征參數變化幅度更大，抑制爆炸效果更為明顯。通過圖7～9對瓦斯爆炸壓力、最大壓力上升速率、峰值壓力呈現時間等特征參數的變化進行詳細分析。

圖7 最大爆炸壓力變化規律Fig.7 Changes of maximum explosion pressure

圖8 最大壓力上升速率變化規律Fig.8 Changes of maximum pressure rising time

圖9 峰值壓力呈現時間變化規律Fig.9 Arrival time changes of peak pressure

如圖7所示，根據曲線變化，在實驗研究粒度變化范圍內，<15 μm 與70～80 μm粒度條件下抑制效果優于40～50 μm抑爆粉劑粒度。<15 μm 與70～80 μm粒度條件下最大爆炸壓力分別為0.518 ，0.531 MPa，相對于空白瓦斯爆炸最大爆炸壓力分別下降了19.8%，17.8%，而40～50 μm粒度條件下最大爆炸壓力為0.607 MPa，僅下降了6.4%。

同樣，隨著抑爆劑粒度的變化，最大爆炸壓力上升速率、壓力峰值呈現時間2個爆炸特征參數均表現出在粒度<15 μm ，70～80 μm時抑爆效果較好，而在粒度40～50 μm時抑制效果較弱。如圖8，圖9所示，在粒度<15 μm ，70～80 μm的抑爆粉劑作用時，最大壓力上升速率分別為7.735，9.023 MPa/s，分別下降了94.8%，94.0%，峰值壓力呈現時間分別為530，550 ms；而在40～50 μm粒度條件時，最大壓力上升速率分別為38.671 MPa/s，下降了74.1%，峰值壓力呈現較早，時間為150 ms。

2.3.2 影響分析

通過圖7～9中瓦斯爆炸壓力、最大壓力上升速率、峰值壓力呈現時間等特征參數變化可知，隨著抑爆粉劑粒度的降低，瓦斯爆炸抑制效果先降低后增強的變化規律，在<15 μm 與70～80 μm粒度的抑爆粉劑抑制效果優于40～50 μm粒度的抑制效果，而40～50 μm粒度條件為抑爆粉劑抑制瓦斯爆炸效果的轉折點。

一方面，超細化的粉體微粒具有表面效應，微粒的粒度越小，比表面積急劇加大，原子配位數不足，造成許多懸空鍵[12]。超細顆粒這種不飽和性導致化學活性增強，特別容易吸附其他粒子或與其他粒子發生化學反應，而趨于穩定。

另一方面，超細無機化合物粉體存在易吸濕結塊的問題，目前的研究成果有晶體橋理論和毛細管吸附理論[13-14]。除此之外，超細粉體顆粒之間存在靜電引力、范德華力以及化學鍵作用力[15]，形成顆粒團聚。粉體顆粒直徑越小，粒子表面積聚更多的正負電荷，表面能越高，故而容易自發產生團聚和凝并現象。而且，抑爆粉劑經過球磨粉碎或氣流沖擊粉碎后損壞了其表面的硅油膜，根據雙膜理論模型的吸濕機理[16]，水蒸氣進入粒子外表面液膜，液膜也由薄變厚，粉體顆粒的含水率增加，相互吸附形成大顆粒。這些因素影響了超細微粒抑爆劑的抑爆性能和貯存壽命。在一定范圍內，粒度較大的細顆粒，如70～80 μm粉劑，是目前消防應用的主要粒徑尺寸，本身具有較高的穩定性，可以長時間穩定存在于20 L密閉反應體系內，受熱分解可以有效抑制爆炸的發生。而40～50 μm粒度的粉劑在粉碎制備時表面改性，顆粒不穩定的影響因素更大，相互間容易吸附團聚，形成大顆粒，限制了抑爆效果，而<15 μm粒度粉劑的比表面效應急劇增加，分子活性增加，此時正向抑制機制起到主導作用，抑制效果增強。

所以，抑爆粉劑粒度的大小對瓦斯爆炸抑制效果存在正反2方面的影響機制。比表面效應與團聚現象同時存在，共同作用。在論文實驗條件下，在粒度15～80 μm范圍內的抑爆性能呈現出先減弱后增大的變化規律，在粒度40～50 μm處存在轉折點。

3 結論

1)抑爆粉劑濃度是影響瓦斯爆炸抑制效果的重要因素，隨著抑爆粉劑濃度的增加最大爆炸壓力下降，最大壓力上升速率降低，到達峰值壓力時間延長。

2)抑爆粉劑濃度較低時，其抑制作用較弱，而且爆炸壓力仍然會比較大；當濃度增加到一定量時，瓦斯混合氣體被完全惰化，失去爆炸性。在粉劑粒度<15 μm的條件下，抑爆粉劑濃度增加到225 g/m3時，瓦斯爆炸被完全抑制。

3)在15～80 μm粒度范圍內，隨著抑爆粉劑粒度的減小，抑爆粉劑抑爆效果呈現出先減弱后增強的變化規律，在濃度為200 g/m3時，<15 μm 與70～80 μm粉劑粒度最大爆炸壓力分別下降了19.8%、17.8%，而40～50 μm粒度條件下下降了6.4%。

4)粒度大小對ABC超細粉劑抑爆性能的影響存在著比表面效應、吸濕團聚現象2方面的作用機制，在本實驗條件下40～50 μm是該抑爆粉劑的臨界粒度，是影響瓦斯抑爆效果的轉折點。

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