《水泥粉体的甲烷抑爆特性》
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摘 要：通过20L球形抑爆试验装置,研究了不同浓度的水泥粉体对甲烷爆炸特性的影响.结果表明,水泥粉体对甲烷-空气预混气体有明显的抑爆作用,添加0.1g/L,0.15g/L和0.2g/L的水泥粉体后甲烷-空气预混气体的最大爆炸压力分别下降9.5%、15.5%和21.2%,到达压力峰值的时间从0.13s延长至0.24s.最后结合热重分析对水泥粉体的甲烷抑爆机理进行了讨论.
关键词：水泥粉体;最大爆炸压力;甲烷抑爆;抑爆机理
1 引言
瓦斯爆炸是煤矿工业安全生产的重大灾害之一,瓦斯的主要成分为甲烷,是一种易燃易爆气体[1].目前,甲烷抑爆方面取得了一定的研究成果.冯翼鲲[2]采用CO2对9.5%甲烷-空气预混气体抑爆研究表明,甲烷-空气预混气体的爆炸压力随CO2体积分数上升呈现出下降的趋势且火焰传播速度减小.朱新娜等[3]则采用稀释气体和超细水雾抑制甲烷爆炸并得出只有当稀释气体的体积分数超过6%时才具有良好的抑爆效果.此外,粉体材料作为抑爆材料的一种,由于其易储存、成本低廉、环保高效的特点而备受专家学者的关注.
研究表明,CaCO3、SiO2、NaHCO3、Al（OH）3、（NH4）2SO4、NaCl、硅藻土、矾土等都对甲烷爆炸具有一定的抑制效果[4].王燕等[1]制备了KHCO3/赤泥复合粉体,热分析显示其具有吸热特性,抑爆实验结果表明预混气体的爆炸压力峰值降低了37.5%,最大压升速率降低93.2%,抑爆效果明显.孔杰[5]以拜耳法赤泥为原料合成的改性赤泥粉体材料在浓度为0.15g/L时,预混气体的最大爆炸压力在降低30%同时压力峰值出现时间延迟32%左右.水泥粉体作为一种低廉且耐高温性能优异的粉体填料,作为灭火剂可以有效扑灭金属镁火灾并具有优异的抗复燃性能[6].本文选取市场上常见的水泥粉体作为抑爆填料,利用20L球形爆炸装置研究了水泥粉体对9.5%甲烷-空气预混气体的抑爆特性.
2 试验部分
2.1试验材料
实验选用长沙地区常见的复合硅酸盐水泥,主要由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙等矿物成分所组成,其中硅酸钙含量为75%～82%,铝酸三钙和铁铝酸四钙含量约18%～25%.扫描电子显微镜（SEM）-X射线能谱仪（EDS）用于观察水泥粉体的微观结构和组成,测试仪器为捷克Nicolet公司的MIRA3 LMU型扫描电镜和英国Oxford公司的X-Max20 X-ray Probe.热重（TG）-差热分析（DSC）用于分析水泥粉体的热解特性和吸放热历程,测试仪器为梅特勒托利多仪器有限公司的TGA/SOTA 851热分析仪,测试气氛为氮气气氛,温升速率10℃/min,温升范围25～800℃.
2.2抑爆试验装置
本实验采用的是20L球形爆炸装置,具体结构见图1[5].该系统采用分压法进行配气,先按计算的预配甲烷浓度抽至相应的真空度,然后通过负压进甲烷气至罐内真空度为-0.06MPa,为保证爆炸在常压下进行,向装有抑爆粉体的600mL储粉罐内通入高压空气至额定喷粉压力2MPa,在电磁阀触发后10ms内,储粉罐内的高压空气将粉体通过罐体底部的反弹式喷嘴高速喷入爆炸罐中,系统设定喷粉时间为50ms,因此设置点火延迟时间为60ms.喷粉结束后,采用脉冲方式进行点火,点火能约为100J.喷粉和点火过程通过控制箱的点火按钮控制,数据结果由计算机采集压力数据并进行分析.
3 结果与讨论
3.1水泥粉体的结构表征
图2所示为水泥粉体的SEM-EDS图.从图2可以看出,水泥粉体呈不均匀块状结构,尺寸在1μm～5μm之间.结合EDS结果可以看出,水泥粉体主要由Ca、Si、Fe、Al、Mg、O、K等元素组成,其中以O和Ca含量最高分别达到54.69%和33.52%,这进一步表明水泥粉体主要由硅酸钙等无机组成.
图3为水泥粉体样品氮气气氛中的TG-DSC曲线.由图3可以看出,水泥粉体在氮气气氛下只存在一个热解过程,初始分解温度为681.7℃,热稳定性较高,900℃下的残余质量分别为85.4%,表明水泥粉体高温下基本不分解.对于失重过程,水泥粉体的DSC曲线存在两个峰：第一个吸热峰出现在500-550℃,峰值温度为521.7℃;第二个吸热峰出现在660℃-760℃,峰值温度为726.7℃.由此可以看出,水泥粉体在氮气气氛下的分解过程为吸热过程.
3.2抑爆试验结果
20L球形爆炸装置测得的水泥粉体对体积分数为9.5%甲烷-空气预混气体爆炸的抑制结果见图4.由图4可以看出,添加水泥粉体后,甲烷-空气预混气体的爆炸压力的峰值都有所下降,未填充粉体的甲烷气体的爆炸压力为0.6485MPa,而当填充0.1g/L,0.15g/L,0.2g/L水泥粉体后的峰值爆炸压力分别为0.5870MPa、0.5481MPa和0.5112MPa,相比于甲烷气体的峰值爆炸压力下降了9.5%,15.5%和21.2%.添加水泥粉体后还使甲烷气体到达压力峰值的时间也明显延长,从0.13s延长至0.24s.
3.3抑爆机理分析
水泥粉体对甲烷爆炸具有显著的抑制效果,其抑制效果主要为惰化作用和化学抑制作用.水泥粉体中的碳酸钙在690℃左右会发生分解,释放出CO2气体起到降低反应产物浓度的惰化作用.此外,碳酸钙高温下分解产生的钙氧自由基和钙自由基能够与爆炸产生的羟基自由基和氢自由基结合,中断爆炸链式反应,从而起到抑爆效果.碳酸钙受热分解过程如下所示：
甲烷的爆炸机理如下所示：
4 结语
（1）水泥粉体主要由碳酸钙、二氧化硅、硅酸二钙、硅酸三钙和镁铝酸钙类等无机矿物成分组成,具有较高的热稳定性且热失重过程为吸热过程.
（2）抑爆测试表明,水泥粉体对甲烷-空气预混气体的爆炸有明显抑制作用,添加0.1g/L,0.15g/L和0.2g/L的水泥粉体使9.5%甲烷-空气预混气体的峰值爆炸压力分别下降9.5%,15.5%和21.2%,到达压力峰值的时间也从0.13s延长至0.24s.
作者简介：
颜龙,博士学历,副教授,硕士生导师,主要从事火灾防治技术研究.
参考文獻：
[1] 王燕,程义伸,曹建亮,等.核-壳型KHCO3/赤泥复合粉体的甲烷抑爆特性[J].煤炭学报, 2017, 42（03）： 653-658.
[2] 冯翼鲲.密闭管道甲烷火焰传播及其抑爆特性研究[D].中北大学, 2018.
[3] 朱新娜.稀释气体和超细水雾抑制甲烷爆炸实验研究[D].河南理工大学, 2016.
[4] Chelliah H K, Lazzarini A K, Wanilgarathne P C, et al. Inhibitionof premixed and non-premixed flames with fine droplets of waterand solution[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2002,29（1）： 369-376.
[5] 孔杰.赤泥基复合粉体抑爆材料制备及其抑爆性能实验研究[D].焦作：河南理工大学, 2014.
[6] 周详,林佳,陈添明,等.气力输送水泥粉体扑灭金属镁火灾研究[J].消防科学与技术, 2018, 37（08）：110-113.
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甲烷和水泥引用文献:
[1] 甲烷和水泥论文范本 关于甲烷和水泥论文范本2万字
[2] 水泥论文范文 关于水泥方面论文范本2000字
[3] 水泥混凝土路面和隧道开题报告范文 水泥混凝土路面和隧道有关硕士论文范文2500字
