• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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干水材料对瓦斯爆燃抑制的实验研究

陈先锋 樊傲 袁必和 廖若愚 何松 代华明

引用本文:
Citation:

干水材料对瓦斯爆燃抑制的实验研究

    作者简介: 陈先锋(1975- ),男,博士,教授,cxf618@whut.edu.cn;
    通讯作者: 袁必和, yuanbh@whut.edu.cn
  • 中图分类号: O381

Experimental study on suppression of gas deflagration by dry water materials

    Corresponding author: YUAN Bihe, yuanbh@whut.edu.cn ;
  • CLC number: O381

  • 摘要: 为了研制绿色环保高效的抑爆剂,以疏水型气相二氧化硅和去离子水为原料,采用机械搅拌法制备具有“固包液”结构的干水材料。利用20 L近球形爆炸装置测试干水材料对瓦斯爆燃的抑制效果。实验结果表明:当添加的干水材料较少(2 g和3 g)时,干水材料对瓦斯爆燃产生促进效果;当添加的干水材料大于4 g时,对瓦斯爆燃有抑制效果。通过研究不同粒径的干水材料对瓦斯爆燃的影响,发现干水材料的粒径对瓦斯爆燃最大压力的影响较小,但显著影响最大爆燃压力上升速率;对比不同类型改性干水材料对瓦斯爆燃的抑制效果,综合比较得出抑制效果由强到弱顺序为:尿素改性干水材料、磷酸二氢铵改性干水材料、聚磷酸铵改性干水材料、普通干水材料。
  • 图 1  休止角测试示意图

    Figure 1.  The diagram of repose angle test

    图 2  实验装置示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of experimental device

    图 3  干水材料质量变化图

    Figure 3.  Mass variation diagram of dry water materials

    图 4  甲烷气体爆燃特性曲线图

    Figure 4.  Deflagration characteristic curves of methane gas

    图 5  不同体积分数甲烷的最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率曲线图

    Figure 5.  Maximum deflagration pressure and maximum deflagration pressure rising rate curves at different volume fractions of methane

    图 6  添加抑爆剂后甲烷气体爆燃特性曲线图

    Figure 6.  Deflagration characteristic curves of methane gas after adding suppression agent

    图 7  干水材料TG-DSC曲线图

    Figure 7.  TG-DSC curves of dry water materials

    图 8  干水材料抑制甲烷气体爆燃的原理图

    Figure 8.  Schematic diagram of methane gas deflagration inhibition by dry water materials

    图 9  添加不同质量干水材料后甲烷爆燃特性曲线图

    Figure 9.  Deflagration characteristic curves of methane gas after adding different concentrations of dry water materials

    图 10  添加不同质量干水材料时甲烷爆燃的最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率曲线图

    Figure 10.  Methane deflagration curves of maximum deflagration pressure and maximum deflagration pressure rising rate after adding different concentrations of dry water materials

    图 11  添加不同粒径干水材料甲烷气体爆燃特性曲线图

    Figure 11.  Deflagration characteristic curves of methane gas after adding different sizes of dry water materials

    图 12  添加不同粒径干水材料后甲烷爆燃的最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率曲线图

    Figure 12.  Methane deflagration curves of maximum deflagration pressure and maximum deflagration pressure rising rate after adding different sizes of dry water materials

    图 13  添加不同改性干水材料甲烷气体爆燃特性曲线图

    Figure 13.  Deflagration characteristic curves of methane gas after adding different modified dry water materials

    图 14  添加不同改性干水材料后甲烷爆燃的最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率曲线图

    Figure 14.  Methane deflagration curves of maximum deflagration pressure and maximum deflagration pressure rising rate after adding different modified dry water materials

    图 15  添加不同含量聚磷酸铵改性干水、磷酸二氢铵改性干水尿素改性干水的甲烷气体爆燃特性曲线

    Figure 15.  Deflagration characteristic curves of methane gas after adding different concentrations of ammonium polyphosphate modified dry water, ammonium dihydrogen phosphate modified dry water and urea modified dry water

    表 1  干水材料的流动性与离心测试结果

    Table 1.  Flowability and centrifugal test results of dry water materials

    材料名称休止角/(°)在离心机不同转速下破裂干水材料的体积/mL
    2 000 r/min3 000 r/min4 000 r/min
    干水材料33.105.512.1
    磷酸二氢铵改性干水材料34.905.110.4
    聚磷酸铵改性干水材料35.205.29.8
    尿素改性干水材料34.405.110.3
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    表 2  改性剂含量对甲烷气体爆燃特性参数的影响

    Table 2.  Effect of modifier concentration on deflagration characteristic parameters of methane gas

    改性剂
    种类
    改性剂
    含量/%
    最大爆燃
    压力/MPa
    最大爆燃压力上升速率/(MPa·s−1)
    聚磷酸铵100.343.71
    200.425.12
    300.445.20
    磷酸二氢铵100.283.13
    200.353.56
    300.507.10
    尿素100.202.00
    200.272.87
    300.292.67
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  • [1] 陈娟, 赵耀江. 近十年来我国煤矿事故统计分析及启示 [J]. 煤炭工程, 2012, 1(3): 137–139. DOI: 10.3969/j.issn.1671-0959.2012.03.049.
    CHEN Juan, ZHAO Yaojiang. Statistical analysis and enlightenment of China’s coal mine accidents in recent ten years [J]. Coal Engineering, 2012, 1(3): 137–139. DOI: 10.3969/j.issn.1671-0959.2012.03.049.
    [2] 牛超, 施龙青, 肖乐乐, 等. 2001-2013年煤矿生产事故分类研究 [J]. 煤矿安全, 2015, 46(3): 208–211.
    NIU Chao, SHI Longqing, XIAO Lele, et al. Study on accidents classification of coal mine from 2001 to 2013 [J]. Safety in Coal Mines, 2015, 46(3): 208–211.
    [3] SHEN X, XIU G, WU S. Experimental study on the explosion characteristics of methane/air mixtures with hydrogen addition [J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 120: 741–747. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2017.04.040.
    [4] KUNDU S, ZANGANEH J, MOGHTADERI B. A review on understanding explosions from methane–air mixture [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2016, 40: 507–523. DOI: 10.1016/j.jlp.2016.02.004.
    [5] 罗振敏, 康凯. CO2抑制甲烷-空气链式爆炸微观机理的仿真分析 [J]. 中国安全科学学报, 2015, 25(5): 42–48.
    LUO Zhenmin, KANG Kai. Simulative analysis of microscopic mechanism of CO2 inhibiting methane-air chain explosion [J]. China Safety Science Journal, 2015, 25(5): 42–48.
    [6] 罗振敏, 葛岭梅, 邓军, 等. 纳米粉体对矿井瓦斯的抑爆作用 [J]. 湖南科技大学学报(自然科学版), 2009, 24(2): 19–23.
    LUO Zhenmin, GE Lingmei, DENG Jun, et al. The antidetonation effect of nano powder on mine gas [J]. Journal of Hunan University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2009, 24(2): 19–23.
    [7] 罗振敏, 邓军, 文虎, 等. 小型管道中瓦斯爆炸火焰传播特性的实验研究 [J]. 中国安全科学学报, 2007, 17(5): 106–109. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3033.2007.05.019.
    LUO Zhenmin, DENG Jun, WEN Hu, et al. Experimental Study on Flame Propagation Characteristics of Gas Explosion in Small-scale Duct [J]. China Safety Science Journal, 2007, 17(5): 106–109. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3033.2007.05.019.
    [8] 毕明树, 李铮, 张鹏鹏. 细水雾抑制瓦斯爆炸的实验研究 [J]. 采矿与安全工程学报, 2012, 29(3): 440–443.
    BI Mingshu, LI Zheng, ZHANG Pengpeng. Experimental investigation on suppression of gas explosion with water mist [J]. Journal of Mining and Safety Engineering, 2012, 29(3): 440–443.
    [9] 范宝春, 李鸿志. 惰性颗粒抑爆过程的数值模拟 [J]. 爆炸与冲击, 2000, 20(3): 208–214.
    FAN Baochun, LI Hongzhi. Numerical simulations of explosion suppression by inert particles pipelines [J]. Explosion and Shock Waves, 2000, 20(3): 208–214.
    [10] SCHUTTE D, SCHMITZ FZ, BRUNNER H. Predominantly aqueous compositions in a fluffy powdery form approximating powdered solids behavior and process for forming same: US3393155[P]. 1968-07-16.
    [11] BINKS B P, TYOWUA A T. Particle-stabilized powdered water-in-oil emulsions [J]. Langmuir: the ACS Journal of Surfaces and Colloids, 2016, 32(13): 3110–3115.
    [12] SALEH K, FORNY L, GUIGON P, et al. Dry water: From physico-chemical aspects to process-related parameters [J]. Chemical Engineering Research and Design, 2011, 89(5): 537–544.
    [13] 梁华杰. 干水的性能及水合物储气研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2010.
    LIANG Huajie. Study on the properties of dry water and hydrate gas storage[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2010.
    [14] CARTER B O, WANG W, ADAMS D J, et al. Gas storage in " dry water” and " dry gel” clathrates [J]. Langmuir: the ACS Journal of Surfaces and Colloids, 2010, 26(5): 3186–3193.
    [15] 贺娟. 新型干水灭火剂的研究 [D]. 西安: 西安科技大学, 2014.
    HE Juan. Research of new dry water extinguishing agent [D]. Xi’an: Xi’an University of Science and Technology, 2014.
    [16] 李云峰. 超细氢氧化铝粉体的表面改性及其阻燃研究[D]. 长沙: 中南大学, 2012.
    LI Yunfeng. Study on surface modification and flame retardant of super-fine aluminium trihydroxide powder [D]. Changsha: Central South University, 2012.
    [17] 胡双启. 燃烧与爆炸[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2015:18-21.
    [18] 汪齐方, 李春忠, 王志庭, 等. 六甲基二硅胺烷对气相法白炭黑的表面改性 [J]. 华东理工大学学报(自然科学版), 2001, 27(6): 626–630. DOI: 10.3969/j.issn.1006-3080.2001.06.011.
    WANG Qifang, LI Chunzhong, WANG Zhiting, et al. Fumed silica modified by hexamethyldisilazane [J]. Journal of East China University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2001, 27(6): 626–630. DOI: 10.3969/j.issn.1006-3080.2001.06.011.
    [19] 林金斌, 刘畅, 陈洪龄, 等. HDI/SiO2与HMDS/HDI/SiO2有机无机杂化颗粒的合成与表征 [J]. 南京工业大学学报(自科版), 2012, 34(6): 12–17.
    LIN Jinbin, LIU Chang, CHEN Hongling, et al. Preparation and characterization of HDI/SiO2 and HMDS/HDI/SiO2 hybrid particles [J]. Journal of Nanjing University of Technology (Natural Science Edition), 2012, 34(6): 12–17.
    [20] 刘晅亚, 陆守香, 朱迎春. 水雾作用下甲烷/空气预混火焰的光谱特性 [J]. 燃烧科学与技术, 2008, 14(1): 44–49. DOI: 10.3321/j.issn:1006-8740.2008.01.009.
    LIU Hengya, LU Shouxiang, ZHU Yingchun. Study of methane air premixed flame emission spectrum under the influence of water mist [J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2008, 14(1): 44–49. DOI: 10.3321/j.issn:1006-8740.2008.01.009.
    [21] 张鹏鹏. 超细水雾增强与抑制瓦斯爆炸的实验研究[D].大连: 大连理工大学, 2013.
    ZHANG Pengpeng. Experimental Study of enhancing and mitigating the methane/air explosion by ultrafine water mist [D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2013.
  • [1] 陈曦陈先锋张洪铭刘晅亚张英牛奕胡东涛 . 惰化剂粒径对铝粉火焰传播特性影响的实验研究. 爆炸与冲击, 2017, 37(4): 759-765. doi: 10.11883/1001-1455(2017)04-0759-07
    [2] 张迎新吴强刘传海江丙友张保勇 . 惰性气体N2/CO2抑制瓦斯爆炸实验研究. 爆炸与冲击, 2017, 37(5): 906-912. doi: 10.11883/1001-1455(2017)05-0906-07
    [3] 胡洋尹尚先Bjørn J.ARNTZEN朱建芳李雪冰Ragnhild Dybdal OIE秦汉圣 . 瓦斯/空气预混气体爆燃流场测试系统多参数耦合同步控制实验方法. 爆炸与冲击, 2019, 39(9): 094201-1-094201-7. doi: 10.11883/bzycj-2018-0312
    [4] 何昆李孝斌石英杰 . 初始温度对CO2抑爆作用的影响. 爆炸与冲击, 2016, 36(3): 429-432. doi: 10.11883/1001-1455(2016)03-0429-04
    [5] 钟英鹏徐冬李刚苑春苗陈宝智 . 镁粉尘云最低着火温度的实验测试. 爆炸与冲击, 2009, 29(4): 429-433. doi: 10.11883/1001-1455(2009)04-0429-05
    [6] 陈晓坤张自军王秋红邓军李海涛徐青峰 . 20 L近球形容器中微米级铝粉的爆炸特性. 爆炸与冲击, 2018, 38(5): 1130-1136. doi: 10.11883/bzycj-2017-0101
    [7] 邵继伟庄春吉王志荣黄予楠卢雯婷 . 组合型多孔材料对容器管道系统内甲烷/空气的抑爆效果. 爆炸与冲击, 2018, 38(4): 905-912. doi: 10.11883/bzycj-2017-0064
    [8] 杨艺何学秋刘建章王从银 . 瓦斯爆燃火焰内部流场分形特性研究. 爆炸与冲击, 2004, 24(1): 30-36.
    [9] 范宝春李鸿志 . 惰性颗粒抑爆过程的数值模拟. 爆炸与冲击, 2000, 20(3): 208-214.
    [10] 甘波高伟张新燕姜海鹏毕明树 . 不同粒径PMMA粉尘云火焰温度特性研究. 爆炸与冲击, 2019, 39(1): 015401-1-015401-8. doi: 10.11883/bzycj-2017-0244
    [11] 谢波范宝春夏自柱王克全 . 大型通道中主动式水雾抑爆现象的实验研究. 爆炸与冲击, 2003, 23(2): 151-156.
    [12] 黄勇解立峰张红伟鲁长波安高军熊春华陈群 . 新型微乳化柴油抛撒和云雾爆炸实验及其抑爆性能评估. 爆炸与冲击, 2019, 39(3): 035401-1-035401-10. doi: 10.11883/bzycj-2017-0457
    [13] 周布奎周早生唐德高王安宝 . 刚玉块石粒径对刚玉块石砼抗侵彻性能影响的试验研究. 爆炸与冲击, 2004, 24(4): 370-375.
    [14] 胡栋龙属川吴传谦孙珠妹程新路王春彦 . 可爆性气体爆炸极限和爆燃转变成爆轰的研究. 爆炸与冲击, 1989, 9(3): 266-275.
    [15] 龙新平韩勇蒋治海黄辉黄毅民洪滔 . 炸药爆轰驱动水的初期过程. 爆炸与冲击, 2010, 30(1): 12-16. doi: 10.11883/1001-1455(2010)01-0012-05
    [16] 祝明水胡美娥龙新平蒋小华 . 含能材料爆燃快速合成氮化硼的初步研究. 爆炸与冲击, 2006, 26(4): 377-380. doi: 10.11883/1001-1455(2006)04-0377-04
    [17] 丁玉珍胡栋王翠莲李招宁 . 氢氧混合物爆燃转变为爆轰的时间测量. 爆炸与冲击, 1990, 10(4): 350-354.
    [18] 郭强王明洋高康华赵天辉孙松 . 方形空间可燃气体爆燃泄爆实验及三维数值模拟研究. 爆炸与冲击, 2018, 38(5): 1099-1105. doi: 10.11883/bzycj-2017-0087
    [19] 孙松王明洋高康华赵天辉郭强 . 大尺度泄爆构件对室内爆燃压力影响的实验研究. 爆炸与冲击, 2018, 38(2): 359-366. doi: 10.11883/bzycj-2016-0211
    [20] 朱雨建杨基明J.H.S.Lee . 爆轰波透射孔栅形成的高速爆燃波的结构和行为. 爆炸与冲击, 2008, 28(2): 97-104. doi: 10.11883/1001-1455(2008)02-0097-08
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-07-02
  • 录用日期:  2018-11-27
  • 网络出版日期:  2019-09-25
  • 刊出日期:  2019-11-01

干水材料对瓦斯爆燃抑制的实验研究

    作者简介:陈先锋(1975- ),男,博士,教授,cxf618@whut.edu.cn
    通讯作者: 袁必和, yuanbh@whut.edu.cn
  • 武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430070

摘要: 为了研制绿色环保高效的抑爆剂,以疏水型气相二氧化硅和去离子水为原料,采用机械搅拌法制备具有“固包液”结构的干水材料。利用20 L近球形爆炸装置测试干水材料对瓦斯爆燃的抑制效果。实验结果表明:当添加的干水材料较少(2 g和3 g)时,干水材料对瓦斯爆燃产生促进效果;当添加的干水材料大于4 g时,对瓦斯爆燃有抑制效果。通过研究不同粒径的干水材料对瓦斯爆燃的影响,发现干水材料的粒径对瓦斯爆燃最大压力的影响较小,但显著影响最大爆燃压力上升速率;对比不同类型改性干水材料对瓦斯爆燃的抑制效果,综合比较得出抑制效果由强到弱顺序为:尿素改性干水材料、磷酸二氢铵改性干水材料、聚磷酸铵改性干水材料、普通干水材料。

English Abstract

  • 根据统计,在煤矿事故中顶板事故发生的次数最多,约占总数的43%,其次为瓦斯煤尘爆炸事故,约占总数的20%[1],但其造成的危害最大,死伤人数为各类煤矿灾害之首[2]。针对煤矿瓦斯事故频发的现状,科研人员开展了一系列的研究。如Shen等[3]使用20 L球形爆炸罐研究了甲烷-氢气与空气混合物的爆炸特性,发现加入氢气会降低甲烷气体的爆炸上限和下限,且甲烷气体的最大爆炸压力上升速率升高,氢气还会加剧爆炸罐中的压力聚集,提高混合体系的爆炸风险和严重程度。Kundu等[4]讨论了甲烷燃烧爆炸过程的爆炸阶段以及爆燃到爆轰的过渡阶段,并介绍了不同模型中障碍物的位置和几何形状对地下矿井和管道中爆炸的影响,为甲烷爆炸实验与模拟中的误差来源提供了重要数据支撑。罗振敏等[5-7]对瓦斯爆炸传播特性和抑制技术进行了一系列的研究,利用自制的小型瓦斯爆炸实验装置研究初期火焰传播特性,验证了系统的可行性,并探讨了二氧化碳对甲烷爆炸的抑制机理;罗振敏等[5]还利用20 L近球形爆炸罐研究纳米粉体对瓦斯爆炸的抑制作用,实验结果表明纳米级二氧化硅的抑爆效果要优于微米粉体。毕明树等[8]在自制的内径为68 mm、长为1 200 mm的竖直管道中进行细水雾对瓦斯爆炸抑制的研究,实验结果显示在细水雾含量较少时,细水雾对瓦斯的爆炸具有促进作用,瓦斯最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率会有所升高,达到峰值的时间提前;而当细水雾含量升高时,获得比较明显抑制效果,细水雾达到一定量时瓦斯不会被点燃。范宝春等[9]通过数值模拟分析研究惰性粉体对火焰和激波的抑制作用,结果表明在抑爆区中,当惰性粉体质量小于某一值时,增加抑爆区的长度不能有效地抑制爆炸波,只有惰性粉体颗粒质量大于某一值时才能进行有效地抑制。

    干水材料在1968年首次制成[10],是将疏水型粉体与水溶液在高速剪切力的作用下混合,形成的疏水型粉体包裹液体的核壳结构新型材料,外观呈粉末状,具有良好的流动性和分散性[11-12],在化妆品、催化剂、钻井液[13]、水合物储气[14]、灭火剂[15]等方面有较高的潜在应用价值。由于干水材料由水溶液和疏水型粉体构成,并且水和疏水型粉体均有抑爆作用[16],所以干水材料同时具有水溶液和粉体抑爆的效果,有成为一种新型的抑爆剂的潜质。本文中采用20 L近球形爆炸装置进行甲烷气体爆燃的抑制实验,研究不同质量、粒径和类型的干水材料对甲烷气体爆燃的抑制作用。通过分析爆燃特征曲线得到最大爆燃压力、最大爆燃压力上升速率和达到爆燃压力峰值时间等参数表征干水材料的抑爆性能,以期对煤矿瓦斯爆炸的防治工作起到一定的作用。

    • 实验所用疏水型二氧化硅型号为AEROSIL R812S的德固赛疏水型气相二氧化硅(平均粒径为7 nm),实验所用磷酸二氢铵、聚磷酸铵、尿素均为国药集团化学试剂有限公司提供,实验使用的压缩气体和甲烷气体均来自武汉市翔云工贸有限责任公司,实验所用去离子水为实验室自制。

    • 干水材料的制备步骤如下:用电子天平分别称量9 g疏水型气相二氧化硅和100 g去离子水,加入到料桶中混合,然后将搅拌转速调节到5 000 r/min并启动分散机,搅拌120 s后得到干水材料。改性干水材料的制备参照普通干水的制备方法。在水中分别添加磷酸二氢铵、聚磷酸铵(ammonium polyphosphate, APP)、尿素改性剂,制备条件不变,实验中控制水溶液的质量和疏水型气相二氧化硅的质量比例不变。制备而得的粉体通过一系列不同筛孔的标准筛得到不同粒径的干水材料。

    • 实验采用休止角法对粉体的流动性进行测试。实验步骤如下:如图1所示实验平台,调整漏斗位置,使漏嘴下端正对下部圆形平台中心,然后将干水材料缓慢倒入漏斗中,直至堆积成圆锥体形状,当多余的干水材料从底部圆台边缘溢出时停止倒入,测出堆积所得圆锥体顶点到圆台平面的高。实验重复3次,取平均值,休止角计算公式如下:

      图  1  休止角测试示意图

      Figure 1.  The diagram of repose angle test

      $ {\rm{\theta }} = {\rm{arctan}}\frac{h}{r} $

      式中:θ为休止角,(°);h为堆积圆锥粉体高度,cm;r为底部圆盘直径,cm。

    • 实验采用离心法对干水的稳定性进行测定。实验步骤如下:称取30 mL的干水材料以及改性干水材料分别加入到离心管中,分别调节搅拌器的转速为2 000、3 000和4 000 r/min,在每个转速下转动5 min后将离心管中的干水材料倒出,测量干水材料破裂后释放出水的体积并记录。

    • 实验采用静置法,在鼓风干燥箱中对干水材料的保水性进行测量。实验步骤如下:取5 g的干水材料和改性干水材料分别装入到直径为50 mm的坩埚中,然后将其放置在鼓风干燥箱中,调节干燥箱温度为20 ℃,每隔10 h取出,测量质量并记录。

    • 实验装置如图2所示,由20 L近球形爆炸罐、真空泵、储粉罐、储气罐、电磁阀、高压气瓶、同步控制器等部件构成,共有爆炸系统、喷粉系统、配气系统、数据采集系统、同步控制系统、清洁系统组成。

      图  2  实验装置示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of experimental device

    • 图2所示连接各个实验装置,对各个实验装置进行调试,保证实验系统能够稳定工作;用电子天平称取不同质量的干水材料,将干水材料装入到储粉罐中,关闭储粉罐旋钮,打开与储气罐相连的高压空气瓶,使储气罐中压力为0.2 MPa,然后关闭高压气瓶;将点火能为1 J的电化学点火药头绑在点火电极上,然后放入20 L爆炸装置中拧紧,再通过导线将点火电极与同步控制器相连;对20 L爆炸装置进行抽真空,为−0.07 MPa时;打开LFIX混气仪,按一定比例进行配气,将混气仪器中气体通入到20 L爆炸装置中,使爆炸装置中的绝对压强为0.006 MPa,然后关闭混气仪阀门;打开同步控制器和数据采集仪开关,使数据采集仪处于等待触发的状态;按下点火开关,使实验按照系统设定的顺序进行,待实验完成后,断开同步控制器开关,将压力传感器中的数据在数据采集仪中储存;清理爆炸装置中的残留粉体;按照上述步骤进行下次实验。

    • 干水材料的流动性和稳定性测量实验结果如表1所示。

      材料名称休止角/(°)在离心机不同转速下破裂干水材料的体积/mL
      2 000 r/min3 000 r/min4 000 r/min
      干水材料33.105.512.1
      磷酸二氢铵改性干水材料34.905.110.4
      聚磷酸铵改性干水材料35.205.29.8
      尿素改性干水材料34.405.110.3

      表 1  干水材料的流动性与离心测试结果

      Table 1.  Flowability and centrifugal test results of dry water materials

      从表1可知,干水材料、磷酸二氢铵改性干水材料、聚磷酸铵改性干水材料、尿素改性干水材料的休止角分别为33.1°、34.9°、35.2°、34.4°,均小于40°,说明流动性良好。当离心机转速为2 000 r/min时,干水材料结构很稳定未发生破裂,而随着转速的提高,破裂产生的水体积越多,当离心机转速为4 000 r/min时破裂生成水的体积约为11 mL,可以发现干水材料具有一定的稳定性,但随着离心转速增大,有部分干水发生破裂,因此在存储干水材料时要尽量避免干水材料发生挤压和震动。

      干水材料的保水性结果如图3所示,从图中可以看出,干水材料在放置约170 h后水分会完全蒸发,并且在含水量较高的初期,其蒸发速度要比含水量低时要快。

      图  3  干水材料质量变化图

      Figure 3.  Mass variation diagram of dry water materials

    • 图4为不同体积分数的甲烷气体的爆燃特性曲线,可以发现,在甲烷爆燃的过程中,随着爆燃波的传播,爆燃压力先上升后下降。点火药头点火后,点燃部分气体,温度升高,形成一个高温热源,此时火焰呈球体形状向四周扩散,压力值发生变化;由于甲烷气体中发生自由基链式反应,当反应速度加快时,压力上升速率也越来也快,此时爆燃呈加速传播趋势,随着反应的继续进行,在自由基消耗后,反应速度有所减慢,爆燃压力达到峰值;最后由于体系中甲烷分子不足、氧气减少和容器的器壁效应等原因,使得爆燃的压力开始下降。

      图  4  甲烷气体爆燃特性曲线图

      Figure 4.  Deflagration characteristic curves of methane gas

      根据图4可得,在甲烷体积分数为9.5%时,达到爆燃压力峰值的时间最短,为0.14 s。不同体积分数甲烷气体最大爆燃压力变化如图5(a)所示和最大爆燃压力上升速率变化如图5(b)所示。可以看出,随着预混气体中甲烷体积分数的增加,最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率均先上升后下降,在甲烷体积分数为9.5%时出现最大值,分别为0.77 MPa和13.29 MPa/s。

      图  5  不同体积分数甲烷的最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率曲线图

      Figure 5.  Maximum deflagration pressure and maximum deflagration pressure rising rate curves at different volume fractions of methane

      根据可燃气体爆炸理论[17],当碳氢化合物完全燃烧时,即分子中的碳元素完全生成二氧化碳,分子中的氢元素完全生成水时,此时燃烧最快或最剧烈。在甲烷体积分数较低时,甲烷燃烧速度慢,这是由于混合气体中的氧气还有富余,较高的氧气含量使得更多甲烷气体继续完全燃烧,使反应速度继续加快;当甲烷的体积分数上升到当量体积分数时,甲烷气体与氧气恰好完全反应,爆燃所产生的热量最多,反应最剧烈,因此所产生的超压值和压力上升速率也最大,达到爆燃压力峰值的时间也最短;随着甲烷体积分数继续上升,氧气不足,部分碳与氧气反应生成一氧化碳,不能完全燃烧,因此最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率也减小。

      为验证干水材料对甲烷爆燃的抑制效果,并分析干水材料的抑爆机理,实验选用原料二氧化硅与所制干水材料进行对比分析。图6为当甲烷体积分数为9.5%时,加入二氧化硅和干水材料后甲烷气体的爆燃特性曲线。可以看出,加入二氧化硅和干水材料后,甲烷气体的最大爆燃压力分别下降到8.78和8.35 MPa。与无添加剂的甲烷爆燃相比,加入二氧化硅和干水材料后甲烷气体的最大爆燃压力分别下降了15.4%和29.1%,达到压力峰值的时间从0.12 s分别延长到0.16 s和0.15 s。在甲烷发生爆燃的过程中,压力变化趋势相类似,压力均在上升达到峰值后下降。加入二氧化硅和干水材料后,甲烷的最大爆燃压力减小,达到压力峰值的时间推迟。综合比较,在本实验条件下(延迟时间为5 s)干水材料的抑爆效果要优于二氧化硅。

      图  6  添加抑爆剂后甲烷气体爆燃特性曲线图

      Figure 6.  Deflagration characteristic curves of methane gas after adding suppression agent

      瓦斯爆炸的机理为热爆炸理论和链式反应机理。

      本文采用耐驰STA449F3同步热分析仪称取7.38 mg的干水材料进行TG-DSC(thermogravimetry-differential scanning calorimetry)分析,结果如图7所示,左侧纵坐标轴表示的是样品归一化质量与温度的变化曲线,右侧纵坐标轴表示的是样品吸热或放热速率,单位为W/g。结果如图7所示。从40 ℃开始升温时,干水材料发生分解,在106.62 ℃出现吸热峰,在40 ℃~163.34 ℃共计失重为68.67%,主要是由于水的挥发,进一步说明干水材料中的主要成分为水。

      图  7  干水材料TG-DSC曲线图

      Figure 7.  TG-DSC curves of dry water materials

      放热超过散热是反应自动加速的条件,热爆炸理论的实质就是在一定的条件下温度、压力及其他条件,反应放热速率超过热损失速率,混合气体形成热积累而自动加热,从而使反应不断地自动加速,直至达到爆炸。干水材料在高温下释放出水,由于水的比热容较大,在受热蒸发后能够吸收大量的热量,从而使系统冷却降温;水汽化所生成的水蒸汽稀释燃烧区域的氧气,使反应速度减慢,最终达到抑爆的效果。

      链式反应理论认为化学反应是由单一的分子变化引起一系列分子连续反应的反应过程,其过程为可燃物质吸收能量分解产生自由基,自由基与其他分子发生化学反应生成新的自由基从而引发一系列链式反应,并将燃烧热进行释放,最终形成燃烧或爆炸。当甲烷分子吸收一定的能量后,断裂分解产生自由基,自由基具有较强的活性,通过链式反应不断产生新的自由基并与气体分子进行反应,体系能量不断上升,最终发生爆炸。由于干水材料中的疏水型气相二氧化硅是由二氧化硅经由HMDS有机改性处理后生成的,疏水型气相二氧化硅的结构[18]图8所示,受热后表面接枝的三甲基硅基会从疏水型气相二氧化硅上分解[19],生成二氧化硅和三甲基硅基。二氧化硅会继续起到对甲烷爆燃的物理抑制,并且纳米气相二氧化硅粉体和参与自由基的碰撞,消耗了大量HO·和H·等自由基,使自由基的数量迅速下降,导致自由基的消耗速率大于增长速率,达到中断爆燃链式反应的目的。

      图  8  干水材料抑制甲烷气体爆燃的原理图

      Figure 8.  Schematic diagram of methane gas deflagration inhibition by dry water materials

    • 当甲烷体积分数为8%时,添加粒径为150~109 μm的不同质量干水材料,甲烷气体爆燃特性曲线如图9所示。从图9中可以看出,当添加的干水材料较少(2 g和3 g),甲烷气体的爆燃并没有被抑制,最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率反而增高,在0.12 s时达到了爆燃压力的峰值,说明添加较少的干水材料对瓦斯爆燃有促进作用。随着添加干水材料质量的增大(4 g),甲烷气体的最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率降低至低于空爆情况下的数值,说明该质量下的干水材料已经起到了抑制作用,并且添加的干水材料的质量越高时,对甲烷爆燃的抑制效果越好。

      图  9  添加不同质量干水材料后甲烷爆燃特性曲线图

      Figure 9.  Deflagration characteristic curves of methane gas after adding different concentrations of dry water materials

      不同质量干水材料对甲烷气体最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率的影响分别如图10所示。当添加的干水材料为2 g时,对甲烷气体爆燃的促进效果最明显,最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率均在甲烷体积分数为8%时上升幅度最大,分别为42.5%和56.2%,最大爆燃压力从0.73 MPa上升到1.05 MPa,最大爆燃压力上升速率从11.76 MPa/s上升到18.37 MPa/s。当添加的干水材料增加到3 g时,对甲烷的促进作用已经明显减弱,在甲烷体积分数为9.5%时最明显,最大爆燃压力从0.77 MPa上升到0.82 MPa,最大爆燃压力上升速率从13.29 MPa/s上升到15.02 MPa/s。当添加的干水材料质量继续增加到4 g以上时,其对甲烷气体产生抑爆作用。

      图  10  添加不同质量干水材料时甲烷爆燃的最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率曲线图

      Figure 10.  Methane deflagration curves of maximum deflagration pressure and maximum deflagration pressure rising rate after adding different concentrations of dry water materials

      干水材料的质量对甲烷气体爆燃的促进或抑制作用的影响:当添加的干水材料较少时,参与抑制甲烷气体爆燃的水较少,在高温下水分子会发生分解,使体系中HO·和H·的自由基增多[20],促进链式反应的进行,因此甲烷气体爆燃反应变快。此外,悬浮的干水材料破裂后产生的水溶液可能会导致火焰峰面湍流化[21],对甲烷爆燃有促进作用。当添加的干水材料增加到4 g以上时,大量的水溶液汽化吸热,开始对甲烷爆燃起到抑制的效果,并且添加的干水材料越多,对甲烷气体爆燃的抑制效果越明显。

    • 当甲烷体积分数9.5%时,添加质量为4 g的不同粒径干水材料,甲烷气体爆燃特性曲线如图11所示。从图中可以看出,随着添加的干水材料粒径的减小,甲烷气体的最大爆燃压力有所降低,最大爆燃压力上升速率明显降低,当干水材料的粒径小于109 μm时,达到爆燃压力峰值的时间从0.12 s升高到0.20 s。

      图  11  添加不同粒径干水材料甲烷气体爆燃特性曲线图

      Figure 11.  Deflagration characteristic curves of methane gas after adding different sizes of dry water materials

      不同粒径的干水材料对甲烷最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率的影响如图12所示。当甲烷体积分数为9.5%时,添加粒径为250~150 μm、150~109 μm、小于109 μm的干水材料对应的最大爆燃压力分别为0.69、0.65、0.61 MPa;添加粒径为150~109 μm、小于109 μm的干水材料相对于粒径为250~150 μm的干水材料,甲烷的最大爆燃压力分别下降了4.7%和10.9%;其余浓度下甲烷气体爆燃压力降幅也不超过10%。可以看出,干水材料粒径对甲烷气体的最大爆燃压力影响较小。相较于甲烷气体的最大爆燃压力,干水材料的粒径可以显著影响最大爆燃压力上升速率。当甲烷体积分数为6.5%时,添加粒径为250~150 μm、150~109 μm、小于109 μm的干水材料对应的最大爆燃压力上升速率分别为5.58、4.58、3.52 MPa/s,添加粒径为150~109 μm、小于109 μm的干水材料的甲烷最大爆燃压力上升速率相对添加粒径为250~150 μm的干水材料分别降低了17.9%和36.9%。实验结果表明:干水材料的粒径越小对甲烷空气爆燃反应的抑制效果越明显。

      图  12  添加不同粒径干水材料后甲烷爆燃的最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率曲线图

      Figure 12.  Methane deflagration curves of maximum deflagration pressure and maximum deflagration pressure rising rate after adding different sizes of dry water materials

      干水材料粒径的变化对甲烷气体爆燃抑制效果的影响机理:干水材料(视为制备所得理想状态下的干水材料,下同)粒径的减小主要体现在作为芯材的球形水溶液粒径会减小,因此球形水溶液的表面积也会减小,表面作为壁材用来包裹芯材的疏水型气相二氧化硅含量也会相应的减少,但相对于单个大粒径干水材料,单个小粒径干水材料中水溶液与疏水二氧化硅的质量比要稍大,所以在添加相同质量的干水材料时,小粒径的干水材料所含水溶液的质量要高于大粒径的干水材料。由于小粒径的干水材料所含水溶液的质量较高,在爆燃过程中吸收的热量也更多,因此添加小粒径的干水材料后甲烷的最大爆燃压力比添加大粒径的干水材料要低一些,但由于粒径的减小对干水材料中水溶液与疏水二氧化硅的质量比影响较小,在宏观上表现出最大爆燃压力的降低幅度也不大。

    • 当甲烷体积分数为9.5%时,分别添加粒径为150~109 μm、质量为4 g的普通干水材料、聚磷酸铵改性干水材料、磷酸二氢铵改性干水材料、尿素改性干水材料(改性剂质量分数均为10%),甲烷气体爆燃特性曲线如图13所示。从图13中可以看出,在对干水材料进行改性处理后,改性干水材料降低了甲烷气体的最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率,且抑制效果要比普通干水材料更明显。聚磷酸铵改性干水材料、磷酸二氢铵改性干水材料、尿素改性干水材料分别使达到甲烷气体爆燃压力峰值的时间从空爆的0.12 s提升到0.21、0.23、0.25 s。初步判断3种改性干水材料对甲烷气体爆燃抑制效果从强到弱的顺序为尿素改性干水材料、磷酸二氢铵改性干水材料、聚磷酸铵改性干水材料。

      图  13  添加不同改性干水材料甲烷气体爆燃特性曲线图

      Figure 13.  Deflagration characteristic curves of methane gas after adding different modified dry water materials

      不同的改性干水材料对甲烷最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率的影响如图14所示。从加入改性干水材料后甲烷气体最大爆燃压力的变化可得,当甲烷体积分数从6.5%上升到11%时,聚磷酸铵改性干水材料、磷酸二氢铵改性干水材料、尿素改性干水材料对甲烷气体爆燃的抑制效果从强到弱的顺序为尿素改性干水材料、磷酸二氢铵改性干水材料、聚磷酸铵改性干水材料。

      图  14  添加不同改性干水材料后甲烷爆燃的最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率曲线图

      Figure 14.  Methane deflagration curves of maximum deflagration pressure and maximum deflagration pressure rising rate after adding different modified dry water materials

    • 当甲烷体积分数为9.5%时,添加粒径为150~109 μm、质量为4 g的含有不同改性剂含量(10%、20%、30%)的聚磷酸铵改性干水材料、磷酸二氢铵改性干水材料、尿素改性干水材料对甲烷气体爆燃特性曲线如图15所示。从图15中可以看出,添加改性干水材料的质量为4 g时,随着改性剂含量的提高,甲烷气体最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率均增大,改性干水材料的抑制效果逐渐下降。当改性剂含量增加到30%时,添加聚磷酸铵改性干水材料、磷酸二氢铵改性干水材料、尿素改性干水材料后甲烷气体爆燃达到压力峰值的时间由0.21、0.23和0.25 s分别下降到0.20、0.19和0.22 s。

      图  15  添加不同含量聚磷酸铵改性干水、磷酸二氢铵改性干水尿素改性干水的甲烷气体爆燃特性曲线

      Figure 15.  Deflagration characteristic curves of methane gas after adding different concentrations of ammonium polyphosphate modified dry water, ammonium dihydrogen phosphate modified dry water and urea modified dry water

      当甲烷体积分数为9.5%时,聚磷酸铵改性干水材料、磷酸二氢铵改性干水材料、尿素改性干水材料中改性剂含量变化对甲烷气体最大爆燃压力和最大爆燃压力上升速率的影响如表2所示。

      改性剂
      种类
      改性剂
      含量/%
      最大爆燃
      压力/MPa
      最大爆燃压力上升速率/(MPa·s−1)
      聚磷酸铵100.343.71
      200.425.12
      300.445.20
      磷酸二氢铵100.283.13
      200.353.56
      300.507.10
      尿素100.202.00
      200.272.87
      300.292.67

      表 2  改性剂含量对甲烷气体爆燃特性参数的影响

      Table 2.  Effect of modifier concentration on deflagration characteristic parameters of methane gas

      表2可以得出,磷酸二氢铵的含量变化对甲烷气体爆燃抑制效果影响最大,当磷酸二氢铵含量提高到30%时,最大爆燃压力从0.28 MPa提高到0.50 MPa,最大爆燃压力上升速率从3.13 MPa/s提高到7.10 MPa/s;尿素改性剂含量变化对甲烷气体爆燃抑制效果影响最小,当尿素含量提高到30%时,最大爆燃压力从0.20 MPa提高到0.29 MPa,最大爆燃压力上升速率从2.00 MPa/s提高到2.67 MPa/s。

      改性剂含量的升高对甲烷气体爆燃抑制效果变差的可能原因如下:由于添加的改性干水材料质量较低(4 g)时,改性剂含量的升高使干水材料中水的含量下降,而在水的含量比较少时水分子的分解使体系中HO·、H·、O·自由基增多,加剧了爆燃反应的进行。此时由于少部分水分解出自由基后对甲烷爆燃的促进效果要高于改性剂含量提高后的抑制效果,因此在改性剂含量升高时改性干水材料抑爆效果变差。

    • (1)对比研究干水材料和纯二氧化硅对甲烷气体爆燃的抑制效果,实验表明在本文的实验条件下(爆燃延迟时间5 s),干水材料的抑制效果要优于二氧化硅。

      (2)添加较低质量(小于4 g)的干水材料会促进甲烷的爆燃反应,添加较高质量(大于4 g)的干水材料会抑制甲烷爆燃,且抑制效果随着质量的提高而增强;干水材料的粒径变化对最大爆燃压力影响不大,而对最大爆燃压力上升速率产生显著影响;在干水材料中添加不同改性剂时,最好抑制效果为尿素改性的干水材料,且改性剂的含量对甲烷爆燃的抑制效果也有一定的影响。

      (3)干水材料的特殊结构使其在抑制矿井瓦斯爆炸中具有潜在的应用价值,随着相关技术及理论的发展,干水材料将会在煤矿安全领域得到广泛的应用。

参考文献 (21)

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