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20L球形抑爆試驗裝置，研究了不同濃度的水泥粉體對甲烷爆炸特性的影響。結果表明，水泥粉體對甲烷-空氣預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-空氣預混氣體的最大爆炸壓力分別下降9.5%、15.5%和21.2%，到達壓力峰值的時間從0.13s延長至0.24s。最后結合熱重分析對水泥粉體的甲烷抑爆機理進行了討論。

關鍵詞：水泥粉體;最大爆炸壓力;甲烷抑爆;抑爆機理

1 引言

瓦斯爆炸是煤礦工業安全生產的重大災害之一，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9.5%甲烷-空氣預混氣體抑爆研究表明，甲烷-空氣預混氣體的爆炸壓力隨CO2體積分數上升呈現出下降的趨勢且火焰傳播速度減小。朱新娜等[3]則采用稀釋氣體和超細水霧抑制甲烷爆炸并得出只有當稀釋氣體的體積分數超過6%時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，由于其易儲存、成本低廉、環保高效的特點而備受專家學者的關注。

研究表明，CaCO3、SiO2、NaHCO3、Al（OH）3、（NH4）2SO4、NaCl、硅藻土、礬土等都對甲烷爆炸具有一定的抑制效果[4]。王燕等[1]制備了KHCO3/赤泥復合粉體，熱分析顯示其具有吸熱特性，抑爆實驗結果表明預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。孔杰[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，預混氣體的最大爆炸壓力在降低30%同時壓力峰值出現時間延遲32%左右。水泥粉體作為一種價格低廉且耐高溫性能優異的粉體填料，作為滅火劑可以有效撲滅金屬鎂火災并具有優異的抗復燃性能[6]。本文選取市場上常見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9.5%甲烷-空氣預混氣體的抑爆特性。

2 試驗部分

2.1試驗材料

實驗選用長沙地區常見的復合硅酸鹽水泥，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構和組成，測試儀器為捷克Nicolet公司的MIRA3 LMU型掃描電鏡和英國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，測試氣氛為氮氣氣氛，溫升速率10℃/min，溫升范圍25～800℃。

2.2抑爆試驗裝置

本實驗采用的是20L球形爆炸裝置，具體結構見圖1[5]。該系統采用分壓法進行配氣，先按計算的預配甲烷濃度抽至相應的真空度，然后通過負壓進甲烷氣至罐內真空度為-0.06MPa，為保證爆炸在常壓下進行，向裝有抑爆粉體的600mL儲粉罐內通入高壓空氣至額定噴粉壓力2MPa，在電磁閥觸發后10ms內，儲粉罐內的高壓空氣將粉體通過罐體底部的反彈式噴嘴高速噴入爆炸罐中，系統設定噴粉時間為50ms，因此設置點火延遲時間為60ms。噴粉結束后，采用脈沖方式進行點火，點火能約為100J。噴粉和點火過程通過控制箱的點火按鈕控制，數據結果由計算機采集壓力數據并進行分析。

3 結果與討論

3.1水泥粉體的結構表征

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構，尺寸在1μm～5μm之間。結合EDS結果可以看出，水泥粉體主要由Ca、Si、Fe、Al、Mg、O、K等元素組成，其中以O和Ca含量最高分別達到54.69%和33.52%，這進一步表明水泥粉體主要由硅酸鈣等無機組成。

圖3為水泥粉體樣品氮氣氣氛中的TG-DSC曲線。由圖3可以看出，水泥粉體在氮氣氣氛下只存在一個熱解過程，初始分解溫度為681.7℃，熱穩定性較高，900℃下的殘余質量分別為85.4%，表明水泥粉體高溫下基本不分解。對于失重過程，水泥粉體的DSC曲線存在兩個峰：第一個吸熱峰出現在500-550℃，峰值溫度為521.7℃;第二個吸熱峰出現在660℃-760℃，峰值溫度為726.7℃。由此可以看出，水泥粉體在氮氣氣氛下的分解過程為吸熱過程。

3.2抑爆試驗結果

20L球形爆炸裝置測得的水泥粉體對體積分數為9.5%甲烷-空氣預混氣體爆炸的抑制結果見圖4。由圖4可以看出，添加水泥粉體后，甲烷-空氣預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壓力峰值的時間也明顯延長，從0.13s延長至0.24s。

3.3抑爆機理分析

水泥粉體對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抑制作用。水泥粉體中的碳酸鈣在690℃左右會發生分解，釋放出CO2氣體起到降低反應產物濃度的惰化作用。此外，碳酸鈣高溫下分解產生的鈣氧自由基和鈣自由基能夠與爆炸產生的羥基自由基和氫自由基結合，中斷爆炸鏈式反應，從而起到抑爆效果。碳酸鈣受熱分解過程如下所示：

甲烷的爆炸機理如下所示：

4 結語

（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等無機礦物成分組成，具有較高的熱穩定性且熱失重過程為吸熱過程。

（2）抑爆測試表明，水泥粉體對甲烷-空氣預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-空氣預混氣體的峰值爆炸壓力分別下降9.5%，15.5%和21.2%，到達壓力峰值的時間也從0.13s延長至0.24s。

作者簡介：

顏龍，博士學歷，副教授，碩士生導師，主要從事火災防治技術研究。

參考文獻：

[1] 王燕，程義伸，曹建亮，等.核-殼型KHCO3/赤泥復合粉體的甲烷抑爆特性[J].煤炭學報， 2017， 42（03）： 653-658.

[2] 馮翼鯤.密閉管道甲烷火焰傳播及其抑爆特性研究[D].中北大學， 2018.

[3] 朱新娜.稀釋氣體和超細水霧抑制甲烷爆炸實驗研究[D].河南理工大學， 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.

[5] 孔杰.赤泥基復合粉體抑爆材料制備及其抑爆性能實驗研究[D].焦作：河南理工大學， 2014.

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