改性赤泥粉体抑制瓦斯爆炸的实验研究

为了研制经济且高效的抑爆剂,以拜耳法赤泥为原料,经过脱碱、改性处理后得到具有较高比表面积(255 m2/g)的超细改性赤泥粉体材料。利用自制瓦斯抑爆实验系统,研究了改性赤泥粉体的抑爆性能。研究结果表明:经过改性的赤泥粉体在瓦斯抑爆实验中表现出良好的抑爆效果。其中,质量浓度为0.15 g/L的赤泥粉体可使甲烷体积分数为9.5%的甲烷-空气预混气体的爆炸最大压力降低30%,压力峰值出现时间延迟35.1%左右。结合热分析、氮气吸附-脱附等测试结果,对改性赤泥粉体的抑爆机理进行了讨论,分析表明改性赤泥具有较高的吸热性,同时具有较高的比表面积,能够有效吸附爆炸中产生的活性自基,从而达到抑爆的目的。     

超细Al(OH)3粉体浓度对甲烷爆炸压力的影响

采用20 L的球形不锈钢爆炸罐试验系统,考察不同浓度Al(OH)₃超细粉体抑制瓦斯爆炸的效果.实验结果表明,随着Al(OH)₃粉体浓度的增加,甲烷最大爆炸压力先减小后增大,即存在控制瓦斯爆炸的最佳的粉体浓度.当甲烷浓度为9.5%时,1.3 μm超细粉体Al(OH)₃的最佳控爆浓度约为250 g/m³,此粉体浓度下的最大爆炸压力、最大压力上升速率、到达最大爆炸压力的时间分别为0.583 MPa,9.082 MPa/s,190 ms;当甲烷浓度为7.0%时的最佳控爆浓度约为200 g/m³,此粉体浓度下的最大爆炸压力、最大压力上升速率、到达最大爆炸压力的时间分别为0.474 MPa,3.76 MPa/s,400 ms.     

惰性气体对KHCO3冷气溶胶甲烷抑爆性能的影响研究

主动式喷粉抑爆装置是煤矿甲烷爆炸的防控装备之一,该装置装填的超细粉体抑爆剂可在甲烷爆炸初期主动喷洒,使其中超细粉体颗粒形成冷气溶胶,减少后续甲烷爆炸危害。为进一步提升主动式喷粉抑爆装置的抑爆性能,探究冷气溶胶抑爆剂的抑爆规律,使用5 L爆炸管道系统,测试了N₂和CO₂两种惰性气体对KHCO₃冷气溶胶甲烷抑爆性能的影响。试验结果表明:N2、CO₂显著强化了KHCO₃冷气溶胶对9.5%甲烷/空气预混气的抑制性能,相比于空气驱动的KHCO₃冷气溶胶,气体介质中含有惰性气体的KHCO₃冷气溶胶使甲烷爆炸最大压力下降更为显著,到达峰值压力时间也更长;CO2对KHCO₃冷气溶胶抑爆性能的增效作用强于N2。其中,体积分数0.03 g/L的KHCO₃冷气溶胶仅使甲烷最大爆炸压力降低60.4%,而在气体介质内充入体积分数15%~20%的N2或5%~10%的CO2时,同浓度KHCO₃冷气溶胶可以完全抑制甲烷爆炸,继续增加惰性气体的体积分数可以进一步减少KHCO₃冷气溶胶用量,从而降低主动式喷粉抑爆装置的成本。试验考察了在不同浓度KHCO₃冷气溶胶与不同体积分数N2、CO2作用下的甲烷爆炸情况,得到了KHCO₃冷气溶胶与惰性气体的最佳抑爆用量配比,能够为基于KHCO₃冷气溶胶的主动式喷粉抑爆装置的设计提供理论依据及技术参数。此外,讨论了含惰性气体的KHCO₃冷气溶胶系统的甲烷抑爆机理,并分析了惰性气体的增效原因。     

Experimental study on gas explosion suppression based on ferrocene

In order to study the gas explosion suppression performance based on ferrocene, the self-constructed experimental facility was used to accomplish the experiment of gas explosion suppression. By means of thermogravimetric analysis, the thermal characteristics of ferrocene have been gotten and the gas explosion suppression mechanism of ferrocene has been analyzed. The results show that ferrocene had good effects on gas explosion suppression, and the explosion pressure and flame propagation speed declined obviously. When ferrocene concentration is 0.08 g/L and methane volume concentration is 9.5%, the maximum explosion overpressure and maximum flame propagation speed of methane-air respectively decreased by about 59.5% and 19.6%, respectively. TG and DSC curves showed that the mass loss of ferrocene consists of two processes, which are sublimation and lattice fracture. The temperature of mass loss ranged from 128 °C to 230 °C. The results showed profoundly theoretical significance to gas explosion suppression by ferrocene in coal mines.     

超细粉体抑爆装置瞬态喷射特征参数

在敞开空间开展了容积为2 L及5 L的超细粉体抑爆装置瞬态喷射参数研究，重点介绍了5种典型装配条件下的喷射性能，并对相关特征参数进行定量分析。结果表明：抑爆剂喷射所形成的超细粉体云幕特性由气体发生器装配结构和膜片开启压力共同决定，但两者之间必须恰当配置，作用在膜片上的能量份额较大时，膜片开启状态恶化，抑爆器腔体聚压不足，抑爆剂二次喷射严重，反之膜片不能正常开启。装配优化后的I型抑爆器在触发后10 ms内腔体聚压达到峰值，膜片破裂后5 ms内抑爆剂全部喷射，喷射动态性能较好，在第1个100 ms内扩散速度达到15 m/s，在第2个100 ms内扩散速度约13 m/s，0~1 000 ms内平均扩散速度约8 m/s，扩散过程较为连续，不存在二次喷射现象，喷射距离可达到7.5 m，抑爆剂质量分布呈渐进增长，产生的超细粉体云幕特征参数优良。Ⅱ型抑爆器两种装配的喷射表明：当抑爆装置中压力上升历程及压力峰值较为接近时，抑爆剂粉体喷射特性无显著差异。上述结论的可重复性得到了数百次喷射实验的验证。     

二氧化碳-超细水雾抑制甲烷爆炸的实验研究

为了研究受限空间内二氧化碳-超细水雾对甲烷爆炸的影响,通过自行设计的120mm×120mm×840mm半封闭透明的甲烷爆炸实验台,开展不同气雾比二氧化碳-超细水雾对化学当量比甲烷-空气预混气体的抑爆研究。实验结果表明：二氧化碳和超细水雾结合的抑爆效果要优于单独使用任何一种抑制剂效果之和;CO2体积分数一定的情况下,甲烷气体的爆炸压力、压升速率和爆炸火焰的传播速度均随着超细水雾体积量的增加而明显减小。当单独加入体积分数为2%CO2和1.4mL超细水雾时,两种工况下压力峰值下降之和为72.3mbar;而在两者共同作用下,9.5%甲烷爆炸的超压峰值下降了92.95mbar,说明二氧化碳-超细水雾抑制甲烷爆炸时具有协同效应。     

超细水雾-多孔材料协同抑制瓦斯爆炸实验研究

为探究超细水雾与多孔介质在协同作用下对多孔介质淬熄效果以及多孔介质上游爆炸超压的影响,自行设计并搭建了尺寸为80 mm×80 mm×1 000 mm透明有机玻璃瓦斯爆炸管道实验平台,研究超细水雾质量分数、多孔材料孔径及孔隙率对9. 5%甲烷压的协同抑制效果。实验结果表明,改变超细水雾质量分数、多孔材料孔径以及孔隙率,在多孔材料上游,最大火焰传播速度和最大爆炸超压有着显著变化,随着超细水雾质量分数增加,火焰锋面传播速度峰值和爆炸超压逐渐减小,爆炸超压峰值出现时间随之缩短,而随着孔径的减小,火焰锋面传播速度也逐渐减小,压力衰减率明显增加。同时,超细水雾和多孔材料的组合方式对瓦斯爆炸具有耦合抑制作用,管道内通入超细水雾可吸收反应区大量热能,降低反应速率与火焰传播速度,此外多孔材料的存在吸收了部分前驱冲击波,破坏正反馈机制,因此两者协同抑制优于单一抑制效果。放置在管道中的多孔材料使得传播火焰淬熄,且添加的超细水雾降低了多孔材料上游的超压,但是一旦多孔介质淬熄失败,火焰湍流加剧,可能会导致更为严重的事故发生。此外,与9. 5%甲空气预混气相比,孔隙率为87%,孔隙密度为20 PPI和超细水雾质量浓度为1 453. 1 g s,下降比例达到44. 23%,且多孔材料上游的最大爆炸超压为6. 13 kPa,降低了40. 62%,抑制效果最明显。     

点火延迟时间对甲烷煤尘爆炸特性的影响

为研究不同湍流环境下,煤尘对甲烷爆炸特性的影响,基于20 L爆炸球采用0、25、50、100、200 g/m^3的煤尘分别与6.5%、9.5%、12%的甲烷在点火延迟时间60 ms和120 ms的条件下进行混合爆炸实验。结果表明:点火延迟时间的增大对单相甲烷爆炸最大爆炸压力影响较小,显著降低最大压力上升速率;有煤尘参与时,3种甲烷浓度下,点火延迟时间的提高能够降低最大爆炸压力和最大压力上升速率,当甲烷浓度为9.5%时,2种点火延迟时间下,对应的最佳煤尘浓度不同,点火延迟时间越小,最佳煤尘浓度越小,甲烷浓度为12%时,点火延迟时间为60 ms时,最大爆炸压力和最大压力上升速率对高浓度煤尘比较敏感,火延迟时间为120 ms时,最大爆炸压力和最大压力上升速率对低浓度煤尘较为敏感。     

超细粉体云幕抑制大型管道内瓦斯爆炸火焰传播

在内径357 mm、长32.4 m的管道中,以电离探针作为爆炸火焰传播速度的主要检测手段,利用自主研制的爆炸抑制装置,开展了超细粉体云幕抑制体积分数为9.5%的瓦斯爆炸火焰传播的研究。结果表明:触发时间为125 ms条件下,采用超细ABC粉体抑爆剂,能使爆炸火焰传播得到不同程度的抑制,当抑爆剂充装量为800 g时,爆炸火焰得以完全熄灭;就抑爆介质而言,其爆炸抑制效果依次为:超细ABC粉体、超细SiO_2粉体、普通ABC、超细Mg(OH)_2;抑爆装置触发时间大于一临界值时,仅能够减弱火焰传播,而不能将其完全熄灭。     

大型管道中主动式粉尘抑爆现象的实验研究

利用自行设计的简易主动式粉剂抑爆装置，在直径0.7 m、长25 m大型爆炸实验管中充入浓度8%~10%的甲烷空气混合物，采用电雷管起爆5 g TNT起爆方式，对粉尘抑爆现象进行了实验再现，并对不同抑爆剂种类、浓度、粒度等抑爆剂参数下产生的抑爆效果进行了实验研究.结果表明：① 抑爆剂种类是影响抑爆效果的重要因素之一；② 对粒度相同的某种抑爆剂，浓度越大，抑爆效果越明显，且存在一个极限浓度，低于该浓度时，激波在抑爆区不会被安全抑制，穿过抑爆区后会重新成长；③ 相同浓度下的某种抑爆剂，粒度愈小，抑爆效果愈好.     

核-壳型KHCO_3/赤泥复合粉体的甲烷抑爆特性

为了获取新型经济、环保、高效的粉体抑爆材料,以制铝工业废料赤泥为原料加以改性作为载体,采用反溶剂-溶析法制备出具有核-壳结构的KHCO_3/赤泥复合粉体。通过20 L球形抑爆实验系统,测试新型复合粉体对甲烷爆炸压力参数的影响,并与单一赤泥粉体和KHCO_3粉体的抑制效果对比。结果表明:核-壳型KHCO_3/赤泥复合粉体具有更好的抑爆效果。其中,负载含量为30%的KHCO_3/赤泥复合粉体使9.5%的甲烷-空气预混气体的爆炸最大压力降低37.5%,最大升压速率降低93.2%,爆炸延迟时间大幅度延长。并对核-壳型KHCO_3/赤泥复合粉体的抑爆机理进行了讨论分析。     

气液两相介质抑制管道甲烷爆炸协同增效作用

瓦斯抽采管道一旦泄漏或受到外部火源波及,极有可能引发爆炸事故。基于自行搭建的惰性气体-超细水雾惰化抑制可燃气体爆炸试验系统,研究了气液两相介质抑制9.5%甲烷/空气预混气爆炸的影响因素和协同作用规律,并分析了其抑爆协同增效的原因,提出气液两相介质抑爆存在相间耦合作用。实验结果表明:在CO2,N2,He和Ar四种惰性气体与超细水雾的共同作用下,气液两相介质对9.5%甲烷/空气预混气爆炸超压、火焰传播速度和最大火焰温度的抑制均表现出明显的协同增效作用。当4种惰性气体稀释体积分数达到14%、细水雾通入量8-4 mL(质量浓度694.4 g/m3)后,均能对9.5%甲烷/空气爆炸产生良好的抑制效果;控制参数继续增加,抑爆增效作用的增长幅度缩小;其中CO2与超细水雾下的协同抑爆效果最好,N2次之,He,Ar与超细水雾的协同抑爆水平相差不大,为清洁、高效惰化细水雾抑爆技术的应用提供了技术指导。     

管道内不同浓度甲烷爆炸传播特性的实验研究

在水平管道式气体爆炸装置中,选取5种不同浓度的甲烷进行爆炸实验,研究在甲烷爆炸传播过程中,最大爆炸压力、压力上升速率及压力峰值时间随甲烷浓度及传播距离的变化规律。研究结果表明:甲烷浓度对最大爆炸压力、压力上升速率和压力峰值时间的影响显著:甲烷浓度越接近化学当量浓度,最大爆炸压力和压力上升速率越大,压力峰值时间越短。随着传播距离的增大,最大爆炸压力和压力上升速率先增大再减小,压力峰值时间则依次延长。甲烷浓度偏离化学当量浓度越多,压力峰值时间成倍延长。     

改性高岭土抑爆剂对瓦斯煤尘复合爆炸压力的影响

瓦斯煤尘复合爆炸严重影响了煤矿的安全生产,造成了大量的生产损失与人员伤亡。研发能应用在煤矿中高湿低温等复杂环境中的抑爆剂成为了研究的难点与热点。为研发出新型改性高岭土瓦斯煤尘抑爆剂,通过插层改性的方法制备了3种改性高岭土抑爆剂,采用热重分析、扫描电镜和红外光谱分析对样品的热稳定性、表面结构以及官能团变化进行了研究。选用重庆南桐煤样,通过标准筛对煤样进行筛分,通过粒径扫描与扫描电镜观测了煤粉的粒径分布与表面形貌。使用20 L球型爆炸系统对抑制剂抑制瓦斯煤尘爆炸的特性进行了研究,探究改性后高岭土对爆炸最大压力、最大压力上升速率及爆炸峰值时间等爆炸特征参数的影响;基于粉体表征结果及抑爆数据对改性高岭土抑制作用下的瓦斯煤尘爆炸的抑爆机理进行了分析。结果表明:改性高岭土抑爆剂兼具高岭土及插层粒子的双重抑爆效果,改善了高岭土的团聚现象,同时氨基磺酸铵粒子提升了高岭土的热解与抑爆性能。对瓦斯煤尘复合爆炸的抑制性能明显优于改性前粉体,且抑爆效果随着抑制剂质量浓度增加而增大,存在临界质量浓度,试验表明,当改性高岭土与煤尘比例为2∶3,且质量浓度为0.175 g/L时,最大爆炸压力的降幅达到了32.6%,爆炸峰值时间延缓了0.45 s,展现出最佳的抑爆效果。     

改性高岭土抑爆剂对瓦斯煤尘复合爆炸压力的影响

瓦斯煤尘复合爆炸严重影响了煤矿的安全生产,造成了大量的生产损失与人员伤亡。研发能应用在煤矿中高湿低温等复杂环境中的抑爆剂成为了研究的难点与热点。为研发出新型改性高岭土瓦斯煤尘抑爆剂,通过插层改性的方法制备了3种改性高岭土抑爆剂,采用热重分析、扫描电镜和红外光谱分析对样品的热稳定性、表面结构以及官能团变化进行了研究。选用重庆南桐煤样,通过标准筛对煤样进行筛分,通过粒径扫描与扫描电镜观测了煤粉的粒径分布与表面形貌。使用20 L球型爆炸系统对抑制剂抑制瓦斯煤尘爆炸的特性进行了研究,探究改性后高岭土对爆炸最大压力、最大压力上升速率及爆炸峰值时间等爆炸特征参数的影响;基于粉体表征结果及抑爆数据对改性高岭土抑制作用下的瓦斯煤尘爆炸的抑爆机理进行了分析。结果表明:改性高岭土抑爆剂兼具高岭土及插层粒子的双重抑爆效果,改善了高岭土的团聚现象,同时氨基磺酸铵粒子提升了高岭土的热解与抑爆性能。对瓦斯煤尘复合爆炸的抑制性能明显优于改性前粉体,且抑爆效果随着抑制剂质量浓度增加而增大,存在临界质量浓度,试验表明,当改性高岭土与煤尘比例为2∶3,且质量浓度为0.175 g/L时,最大爆炸压力的降幅达到了32.6%,爆炸峰值时间延缓了0.45 s,展现出最佳的抑爆效果。     

典型盐粉及盐溶液对甲烷爆燃火焰传播特性的影响研究

为了探究典型盐粉及盐溶液对瓦斯爆炸的抑制规律,在自行搭建的不锈钢火焰加速管道内开展了NaCl、KCl粉末及NaCl溶液抑制甲烷/空气预混气体爆炸试验,研究了不同粉末铺设面密度、铺设长度、铺液浓度、铺液长度对甲烷爆燃火焰传播的抑制效果及其抑爆机理。结果表明,铺设NaCl、KCl盐粉对甲烷爆燃火焰传播具有抑制作用,爆燃压力及火焰平均传播速度均低于空白对照组|当NaCl、KCl盐粉的铺设面密度为150mg/cm2时,两种盐粉的火焰平均传播速度均衰减最大|随着粉末铺设长度的增加,对火焰传播抑制和促进作用均增强,KCl粉末的抑制作用相对于NaCl粉末更明显。布设NaCl溶液,爆燃火焰压力低于空白组。随着NaCl浓度的增加,爆燃压力的变化不明显,火焰平均传播速度呈降低趋势。溶液铺设长度增加,火焰平均传播速度、爆燃峰值压力逐渐降低。     

含弱约束结构受限空间甲烷爆炸及传播特征实验研究

为研究含弱约束受限空间内甲烷爆炸压力升高及沿扩散管的传播特征,对不同体积分数甲烷的爆炸特征参数进行了系列实验。获得了含弱约束结构受限空间在不同浓度甲烷爆炸时的压力升高规律,研究表明,含弱约束受限空间内的甲烷爆炸压力升高趋势类似封闭空间,但压力峰值远小于封闭空间,封闭空间最大压力是含弱约束结构空间的3.2倍。由于若约束结构的存在,甲烷体积分数较低时破膜压力较大,腔体内高压持续时间较短,而接近爆炸当量浓度时腔体内高压持续时间增长。扩散管中的爆炸压力和火焰传播规律随甲烷体积分数变化呈现明显不同。在实验条件下,当甲烷体积分数低于7.0%时,破膜激波与火焰锋面时间差最大为5.255 ms,扩散管中的火焰主要为膨胀火焰。而甲烷体积分数高于7.4%时,破膜激波与火焰锋面时间差为28~40 ms,说明在管外发生了二次爆炸,以湍流火焰为主。爆炸压力的沿管道传播则分为3种情况,甲烷体积分数低于7.0%时,爆炸压力随传播距离增大而减小;甲烷体积分数为7.4%和11.0%时,爆炸压力随传播距离增大呈线性增大;甲烷浓度为当量浓度时,其压力传播特征类似于全管道甲烷爆炸的特征,随传播距离呈现锯齿形增大。实验结论对天然气长输管道、LNG和CNG储罐检修过程中的爆炸事故预防和含弱约束结构的其他气体泄爆具有参考意义。     

基于Simtec的近球体瓦斯爆炸数值模拟

为了研究瓦斯爆炸过程中压力、温度等参数变化规律,利用Simtec软件并基于大涡模型模拟研究了壁面辐射系数分别为0.9、0.1条件下密闭近球体容器中甲烷体积分数为6%~14%时的预混气体爆炸过程,并将模拟结果与已发表的实验结果进行对比。结果表明:当壁面辐射系数为0.1时,模拟结果与实验结果吻合性较好;爆炸压力、温度先迅速增高而后下降,其中温度震荡缓慢下降;最大爆炸超压和最大压力上升速率在峰值左侧呈正相关关系,在峰值右侧呈负相关关系。     

瓦斯抑爆材料研究进展及瓦斯吸收剂初步研究

瓦斯抑爆材料作为瓦斯治理的辅助技术,在瓦斯爆炸发生后,可以降低瓦斯爆炸的危害。本文总结了瓦斯抑爆材料的研究进展,并提出以吸附降低瓦斯浓度的方式设计瓦斯抑爆材料的设想,并以甲烷作为瓦斯的模型气体,用顶空气相色谱法测定吸收液中甲烷的浓度,研究了3种吸收剂十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、土温80(Tween 80)对甲烷的吸收效果。结果表明三种吸收剂均对甲烷有一定吸收作用,且Tween 80的吸收效果最好。     

抑制瓦斯煤尘爆炸传播的主动喷粉抑爆技术

通过阐述主动喷粉抑爆技术的技术原理,分析总结瓦斯煤尘爆炸传播规律,认为主动喷粉抑爆技术的应用效果主要与抑爆粉剂浓度、主动喷粉抑爆技术装备动作时间及瓦斯煤尘爆炸传播规律有关;并通过大型地下试验巷道,模拟实际应用主动喷粉抑爆技术及装备抑制实际发生的瓦斯煤尘爆炸传播试验,分析了主动喷粉抑爆技术对爆炸火焰及冲击波压力的抑爆效果,验证了主动喷粉抑爆技术能够在爆炸初期抑制瓦斯煤尘爆炸传播。