Study on the inhibitory property and mechanism of inert powder on dust explosion flame of oil shale
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摘要: 为了研究惰性粉体对油页岩粉尘爆炸火焰的抑制性能和作用机理，利用粉尘爆炸火焰传播测试系统，选取了五种常用惰性粉体和两种不同油页岩粉尘进行了爆炸火焰抑制实验。通过对爆炸火焰长度、最低惰化比和火焰形态结构的分析，结合惰性粉体的TG-DTG-DSC热特性曲线，系统研究了惰性粉体对油页岩粉尘爆炸火焰的抑制性能和作用机理。研究结果表明，惰性粉体对两种油页岩粉尘爆炸火焰的抑制性能优劣排序为：ABC干粉＞Al(OH)3＞Mg(OH)2＞NaHCO3>岩粉，且两种惰性粉体均对桦甸油页岩（HDOS）的抑爆性能优于龙口油页岩（LKOS）；本文建立了惰性粉体对油页岩粉尘爆炸火焰的抑制机理物理模型，并分析了作用机理，通过作用机理分析表明：高效抑爆粉体应具有热稳定性较好（分解温度在200～400 ℃），吸热量大，且分解中间态产物能够与燃烧反应活性自由基相结合发挥化学抑制作用等特点。Abstract: In order to study the inhibitory property and mechanism of inert powder on dust explosion flame in oil shale, five common inert powder and two types of oil shale were selected for the explosion flame inhibition experiment by using the dust explosion flame propagation test system. First, a high-speed camera was used to record the flame image during the inhibition of oil shale dust explosion by inert powder, and the differences in explosion flame length, minimum inerting ratio and flame morphology and structure were analyzed in detail. Then, the thermal decomposition and endothermic characteristics of the inert powder were tested by Thermogravimetric-Differential Scanning Calorimetry (TG-DSC), and the TG-DTG-DSC thermal characteristic curve of the inert powder was analyzed. Combined with the analysis of the inhibition effect of the inert powder in the preheating zone and the combustion flame zone, the inhibitory property and the mechanism of the inert powder on the oil shale dust explosion flame were systematically studied. The research results show that the inhibitory performance of inert powder to the explosion flame of two kinds of oil shale dust is ranked as: ABC dry powder ＞Al(OH)3＞Mg(OH)2＞NaHCO3＞rock powder, and their explosion inhibition performance against Huadian oil shale (HDOS) is better than that of Longkou oil shale (LKOS). In this paper, the physical model of the inhibition mechanism of inert powder on the explosion flame of oil shale dust is established and the inhibition mechanism is analyzed. Through the mechanism analysis, it is shown that the high-efficiency explosive inhibition powder should have good thermal stability (decomposition temperature around 200−400 ℃), high heat absorption, and the decomposition of intermediate products can combine with the combustion reactive radical to play a chemical inhibition effect. The research results can provide theoretical basis and basis for the design of explosion inhibition of oil shale dust and the development of explosive inhibition powder.
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Key words:
- oil shale dust /
- explosion flame inhibition /
- inhibition property /
- inhibition mechanism
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油页岩是一种含可燃有机质的沉积岩，可以直接作为燃料用来发电，也可以经低温干馏得到页岩油[1]。据不完全统计，全球蕴藏资源量约有10万亿吨，比煤炭资源量多40%。我国油页岩储量在7000亿吨以上，折算成页岩油近500亿吨，有巨大的综合开发利用价值[2-3]。油页岩的开采方式主要同采煤一样，开采到地面再进行利用。油页岩作为一种易燃固体，在开采、运输、储存和加工利用过程中，会伴有大量的悬浮粉尘产生，悬浮的油页岩粉尘云一旦遇到足够能量的点火源，很有可能引发灾难性的爆炸，这将会造成巨大的人员伤亡以及财产损失[4-6]。美国职业安全与健康研究所(NIOSH)报道过油页岩粉尘的爆炸风险[7]。因此，为了保障油页岩资源的安全开发利用，对油页岩粉尘爆炸防治的研究就显得尤为重要。
目前，采用惰性粉体对可燃粉尘进行惰化或抑制是防治粉尘爆炸的一种常用手段[8-9]。例如，煤矿通常在井下撒播岩粉，与产生的煤尘掺混形成不具爆炸性的混合粉尘，达到惰化煤尘的作用；或在巷道顶部架设岩粉棚，当爆炸发生时可形成浓厚的岩粉带，从而抑制爆炸火焰的传播；或采用主动喷粉抑爆装置，在爆炸发生初期，迅速喷出惰性粉体来抑制爆炸火焰的传播[10-11]。因此，惰性粉体的抑爆性能是抑爆设计的重要依据，也是粉尘爆炸能否有效成功抑制的关键所在。对于油页岩粉尘抑爆的研究，Hamdan等[12-13]采用Godbert-Greenwold炉装置和Hartmann装置研究了碳酸钙、沙子和黏土3种惰性粉体对油页岩最低着火温度（minimum igintion temperature, MIT）和爆炸下限浓度（minimum explosion concentration, MEC）的影响，发现惰化效果从优到劣依次为碳酸钙、沙子、黏土。Sweis[7]利用Hartmann装置对石灰石、石屑和粗粒径油页岩对油页岩的爆炸下限浓度（MEC）的影响进行了研究，惰化效果从优到劣依次为石灰石、石屑、粗粒径油页岩。然而，目前对于油页岩粉尘爆炸抑制的研究还不足，对惰性粉体抑制油页岩粉尘爆炸的性能和作用机理的认识不够充分。文献[14-16]表明，油页岩粉尘相对于煤尘，更容易被点燃，有更快的爆炸火焰传播速度（vf）和更高的最大爆炸压力上升速率（(dp/dt)max），其爆炸机理也存在差异。因此，也不能简单地将煤尘抑爆研究成果应用于油页岩粉尘的抑爆设计，关于惰性粉体对油页岩粉尘的抑爆性能和作用机理的研究有必要进一步完善，掌握惰性粉体的抑爆性能和作用是有效抑制油页岩粉尘爆炸的基础和关键所在。
鉴于此，本文将通过对爆炸火焰长度、最低惰化比和火焰形态结构的分析，结合惰性粉体的TG-DTG-DSC（thermogravimetric analysis-differential thermogravimetric analysis-differential scanning calorimeter）热特性曲线，系统研究惰性粉体对油页岩粉尘爆炸火焰的抑制性能和作用机理。
1. 实 验
1.1 实验装置和方法
本文采用粉尘爆炸火焰传播测试系统开展惰性粉体对油页岩粉尘爆炸火焰传播的抑制实验。如图1所示，该实验系统由粉尘云生成系统、点火系统、火焰传播管道和除尘系统4部分组成。粉尘云生成系统主要包括空气压缩机、储气罐、电磁阀、压力表和样品管；点火系统主要包括加热温度高达1100 ℃的铂丝加热器和自动控温装置，铂丝加热器位于距离管道右端（喷粉端）400 mm的位置；火焰传播管道是内径为80 mm、总长为1400 mm的透明耐高温石英玻璃管，为避免封闭管道导致火焰从点火端向两侧传播存在速度差，将管道左端进行了开口改进，实现了管道两端开口；除尘系统主要包括除尘箱和吸尘器。
抑爆实验是在油页岩粉尘的最佳爆炸浓度下进行的，我们先前研究得到了油页岩粉尘的最佳爆炸浓度约为1000 g/m3[14]。本文实验系统所形成的粉尘云是在点火位置两侧，长度约200 mm，体积约为1 L，因此采用1 g油页岩粉尘可形成质量浓度约为1000 g/m3的粉尘云。实验时，将干燥后的1 g油页岩粉尘与一定质量比的惰性粉体充分混合均匀，装入样品管中。然后，启动自动控温装置，使铂丝加热器升温至(1000±1) ℃，启动空气压缩机使储气罐加压至0.5 MPa。最后，按下电磁阀的启动按钮，储气罐内的高压空气将样品管中的粉尘样品扩散至玻璃管道内，形成悬浮粉尘云。同时，利用高速摄影机（拍摄速度为1000 Hz）记录粉尘云在高温铂丝作用下的爆炸火焰传播过程。每次实验结束后，启动吸尘器将爆炸烟气和残留物吸入除尘箱内。为了保证实验的准确性，同一实验重复5次。在抑制实验中，逐渐增加惰性粉体的质量比，直至混合粉尘在5次重复实验中均不出现火焰，此时，该混合粉尘中的惰性粉体的质量分数即为抑制粉尘爆炸所需最低惰化比。
1.2 实验材料及表征
本研究选取了两个不同地区的油页岩，分别为龙口油页岩（Longkou oil shale, LKOS）和桦甸油页岩（Huadian oil shale, HDOS）。根据实验设计，对两种油页岩样品进行了粉碎筛分，并采用Mastersizer 2000激光粒度分析仪对过筛后的粉尘样品的粒径分布情况进行测定。为防止粒度差异对实验造成影响，选取了粒度相同的两种油页岩。图2给出了两种油页岩的粒度分布情况（D[3,2]为表面积平均粒径；D[4,3]为体积平均粒径；D10、D50和D90分别为样品的累计粒度分布体积百分数达到10%、50%和90%时所对应的粒径，其中D50也称为中位粒径），从图中可见，HDOS、LKOS中位粒径（D50）分别为15.45 μm和14.78 μm。
实验前将两种油页岩粉尘在真空干燥箱中于50 ℃下干燥12 h，以去除水分。利用WS-G818全自动工业分析仪对干燥后的两种油页岩粉尘样品分别进行了工业分析。如表1所示，油页岩的灰分（Aad）含量很高，这是由于油页岩是以沉积岩为载体的，其中含有大量的矿物质成分；油页岩的挥发分（Vad）含量很高，而固定碳（FCad）含量较少，这表明油页岩中有机质主要以轻质挥发分为主；LKOS的Vad和FCad含量均高于HDOS，HDOS则含有更多的Aad，这表明LKOS含有更多的可燃有机质成分。
表 1 油页岩样品的工业分析结果Table 1. Proximate analyses of the oil shale sample样品 质量分数/% Mad Aad Vad FCad LKOS 3.39 39.37 39.49 17.75 HDOS 4.37 58.89 33.90 2.84 注：Mad，水分；Aad，灰分；Vad，挥发分；FCad，固定碳 本文选取ABC干粉、岩粉、NaHCO3、Mg(OH)2和Al(OH)3等5种典型惰性粉体作为抑爆材料。ABC干粉购于浙江援邦消防科技有限公司，有效成分为质量分数为75%的NH4HPO4和质量分数为15%的 (NH4)2SO4。岩粉则采用石灰岩为原料，主要成分为CaCO3。NaHCO3、Mg(OH)2和Al(OH)3均购于天津致远化学试剂有限公司，纯度不低于99.5%（分析纯）。5种惰性粉体均为粒度相接近的微米级粉尘，在使用前均使用200目金属丝筛网进行过筛，除去较大颗粒，并利用真空干燥箱进行干燥处理。为避免粒度差异对抑爆实验结果造成影响，对五种惰性粉体的粒度分布也进行了测定，表2中给出了惰性粉体的统计粒径结果，可以看出5种惰性粉体的粒度分布差异很小，可以忽略粒度差异的影响。
表 2 惰性粉体的统计粒径Table 2. Statistical results of inert powder diameters惰性粉体 D10/μm D50/μm D90/μm ABC干粉 5.63 29.69 69.24 岩粉 4.26 28.52 73.58 NaOH 6.58 33.28 67.18 Mg(OH)2 5.34 26.86 72.62 Al(OH)3 4.82 30.24 70.16 2. 实验结果与讨论
2.1 惰性粉体对火焰传播长度的影响
在粉尘爆炸火焰传播测试系统中，开展了5种惰性粉体抑制两种油页岩粉尘爆炸火焰的实验，利用高速摄影记录了火焰传播抑制过程。图3和图4中分别给出了由高速摄影捕捉到的惰性粉体对HDOS和LKOS爆炸火焰抑制图像。
图 3 惰性粉体对HDOS粉尘火焰的抑制图像Figure 3. Suppression images of inert powder on dust flame of HDOS
图 4 惰性粉体对LKOS粉尘火焰的抑制图像Figure 4. Suppression images of inert powder on dust flame of LKOS从图3(a)和4(a)中可以看出，当不添加惰性粉体时，油页岩粉尘在接触到加热铂丝的瞬间，爆炸火焰在管道中迅速传播至管道口边缘，达到火焰最大长度，HDOS和LKOS的火焰总长度均达到了900 mm左右，说明两种油页岩均具有很强的爆炸性。由于LKOS 的Vad含量明显更高、FCad含量略高、Aad含量相对较低等原因，使得LKOS的燃烧火焰更加明亮和剧烈。通过图3和图4可以清晰地看出，ABC干粉对两种油页岩爆炸火焰的抑制效果均最好。如图3(b)所示，当添加质量分数为10% 的ABC干粉后，HDOS的最大火焰长度为550 mm，缩短了近40%，抑制效果明显。逐渐增加ABC干粉的比例，HDOS的最大火焰长度明显逐步缩短，如图3(b)，当ABC干粉的质量分数达到30%时，不再出现任何火焰，即HDOS被成功抑制。如图3(c)、3(d)、3(e)和3(f)所示，而当分别添加质量分数为30%的岩粉、NaHCO3、Mg(OH)2和Al(OH)3时，HDOS均未被成功抑制，其最大火焰长度分别减少了43%、50%、64%和75%，这表明ABC干粉的抑制性能明显优于其它惰性粉体。如图3(c)、3(d)、3(e)和3(f)所示，当岩粉、NaHCO3、Mg(OH)2和Al(OH)3的质量分数分别增加到60%、50%、40%和35%时，HDOS才被成功抑制。如图4(b)～4(e)所示，当添加10% 的ABC干粉后，LKOS的最大火焰长度为825 mm，缩短了不到10%，但是最大长度状态下的火焰变得稀疏和离散，亮度也明显变暗。逐渐增加ABC干粉的比例，LKOS的最大火焰长度明显递减，当ABC干粉的质量分数到40%时（见图4(e)），爆炸被成功抑制，比HDOS的最低惰化比高了10%，这表明LKOS相比HDOS更难被抑制。如图4(e)、4(h)、4(g)和4(l)所示，当分别添加40%的岩粉、NaHCO3、Mg(OH)2和Al(OH)3时，LOOS最大火焰长度分别减少了22%、52%、74%和81%。如图4(g)、4(h)、4(k)和4(m)所示、当岩粉、NaHCO3、Mg(OH)2和Al(OH)3的添加量分别增加到80%、65%、50%和45%时，LKOS才被成功抑制。
图5中给出了5种惰性粉体对油页岩粉尘的最低惰化质量分数比较，可以明显看出，5种惰性粉体抑爆性能从优到劣依次为：ABC干粉、Al(OH)3、Mg(OH)2、NaHCO3、岩粉。且5种惰性粉体对HDOS的抑爆效果均强于对LKOS。
为了具体研究惰性粉体添加比对油页岩爆炸火焰长度的抑制影响规律，在图6中给出了惰性粉体的质量分数与火焰从点火位置向单侧传播长度（取火焰长度最长的一侧）的关系。如图6所示，随着惰性粉体质量分数的增加，两种油页岩最大火焰长度逐渐减小。值得注意的是，减小趋势为先缓慢再快速最后再缓慢，直至火焰消失。这是因为，当惰性粉体添加量较小时，不能够有效阻止火焰向前传播，当添加到一定比例时，燃烧反应热释放率减慢至燃烧反应不能自持的温度，此时会发生淬熄，使得火焰无法传播，但只有再增加一定的惰性粉体时，才能彻底使得油页岩粉尘不能够被点燃，达到成功抑制的效果。但是，如图6(a)所示，由于ABC干粉和Al(OH)3具有良好的抑爆性能，仅添加10%时，HDOS的火焰长度就得到了有效减小，但由于LKOS的强爆炸性，其火焰长度未得到有效降低，如图6(b)中所示。因此，当惰性粉体添加比较小时，很难有效阻止油页岩粉尘爆炸火焰的传播发展，当增加到一定比例时，可以有效阻止火焰的自持燃烧发展，但仍然具有一定的爆炸危险性，只有添加至最低惰化浓度时，才能使得油页岩粉尘完全被抑制。
图 6 惰化比与油页岩粉尘爆炸火焰长度的关系Figure 6. Relationship between inerting ratio and explosive flame length of oil shale dust2.2 惰性粉体对传播火焰形态和结构的影响
为了研究惰性粉体对油页岩粉尘爆炸传播火焰形态和结构的影响，取添加质量分数为20%的惰性粉体时爆炸火焰传播抑制过程中的图像进行分析。图7和图8分别为燃烧火焰从点火位置向一侧传播至约200 mm时的火焰状态。
图7(a)显示了不添加任何惰性粉体时HDOS粉尘的火焰状态，从图中可以看出其传播火焰形态较为饱满、结构较均匀、火焰明亮。图8(a)显示了不添加任何惰性粉体时LKOS粉尘的火焰状态，其传播火焰形态结构更加饱满均匀、火焰更明亮。添加质量分数为20%的 ABC干粉时（如图7(b)和8(b)所示），油页岩粉尘的燃烧火焰变得不规则，火焰变薄，并且出现了许多空腔，火焰前锋变窄，火焰亮度明显变暗，这说明ABC干粉对火焰燃烧区挥发分的气相燃烧反应有很好的抑制作用。添加质量分数为20%的岩粉时（如图7(c)和8(c)），燃烧火焰形态结构较均匀，亮度有少许变暗，抑制效果不明显。添加质量分数为20%的NaHCO3粉末时（如图7(d)和8(d)所示），可以明显看出，火焰前锋变窄变弱，但前锋后的燃烧火焰区无明显变化，这说明NaHCO3对火焰前锋有一定的抑制效果，但对前锋后燃烧火焰区的影响不大。添加质量分数为20%的Mg(OH)2和Al(OH)3粉末（如图7(e)、7(f)、8(b)和8(f)所示），燃烧火焰结构变得不规则，火焰变薄，亮度变暗，火焰前锋变窄，但不如ABC干粉的抑制效果明显。
2.3 惰性粉体的抑制作用分析
分析惰性粉体的热分解特性是研究其抑制作用的重要手段[17-18]。本文利用热重-差示扫描量热联用仪（Thermogravimetric analysis-differential scanning calorimeter, TG-DSC）分析了4种惰性粉体的热分解特性。实验升温速率为10 ℃/min，升温范围是从室温至800 ℃，实验气氛为高纯空气、气流速度为100 ml/min。图9中给出了惰性粉体的TG、DTG和DSC曲线与温度的变化关系（TG曲线：热重曲线，在程序控制温度下待测样品的剩余质量百分比与温度的变化关系；DTG：微商热重，TG曲线求微分，即质量变化率；DSC曲线：在程序控制温度下待测样品的吸热或放热速率，单位为W/g）。
如图9(a)所示，ABC干粉的失重过程总共经历4个阶段。第1阶段是在室温至120 ℃之间，失重率不到1%，为样品中少量吸附水分的蒸发。第2阶段是在155～278 ℃之间，失重率为13.41%，主要为ABC干粉中的NH4H2PO4吸热分解生成磷酸（H3PO4）和NH3（NH4H2PO4→H3PO4+NH3(g)），该阶段DSC曲线上出现明显的吸热峰，吸热量为390.6 J/g。第3阶段是在278～530 ℃之间，失重率为22.26%，主要为H3PO4脱水分解为偏磷酸（HPO3）和H2O(g) （H3PO4→HPO3+H2O(g)）；同时ABC干粉中的(NH4)2SO4也开始分解生成NH3、H2O(g)、SO2和N2（3(NH4)2SO4→4NH3(g)+6H2O(g)+3SO2(g)+N2(g)）；该阶段DSC曲线上有3个小的吸热峰，吸热量分别为31.89、26.98和12.37 J/g。第4阶段是在530～800 ℃之间，失重率为8.49%，主要为HPO3分解生成五氧化二磷（P2O5）和H2O(g)（2HPO3→P2O5+ H2O(g)）。ABC干粉的总失重率为55.15%，总吸热量为461.84 J/g。
如图9(b)所示，NaHCO3粉末的热稳定性差，失重过程只有一个快速分解阶段：当温度达到80 ℃，NaHCO3就开始迅速分解生成Na2CO3、H2O(g)和CO2（2NaHCO3→Na2CO3+H2O(g)+CO2(g)）；当温度到达185 ℃时，NaHCO3完全分解，失重率为36.43%。DSC曲线上有2个明显的吸热峰，吸热量分别为36.9 J/g和754.9 J/g，总共为791.8 J/g。
如图9(c)所示，Mg(OH)2粉末的失重过程分2个阶段：第1阶段是在310～429 ℃之间，Mg(OH)2快速脱水分解生成MgO和H2O(g) （Mg(OH)2→MgO+H2O(g)），失重率为20.41%，相对应的DSC曲线上出现明显的吸热峰，吸热量为587.54 J/g；第2阶段是在429～711 ℃，Mg(OH)2缓慢脱水，失重率为9.81%。
如图9(d)所示，Al(OH)3粉末的失重过程也分两个阶段。第一阶段是在215～350 ℃之间，Al(OH)3快速脱水分解生成Al2O3和H2O(g) （2Al(OH)3→Al2O3+3H2O(g)），失重率为29.07%，相对应的DSC曲线上出现明显的吸热峰，吸热量为1151.45 J/g。第2阶段是在350～793 ℃之间，Al(OH)3缓慢脱水，失重率为4.26%。
惰性粉体对油页岩粉尘爆炸的抑制过程涉及化学反应、气固两相燃烧、热分解、传热传质、吸热隔热等复杂过程，但总的来说可以概括为两类：物理抑制作用和化学抑制作用[19]。可燃粉尘爆炸火焰传播过程主要可以分为未燃区、预热区、燃烧火焰区和火焰后区[20-21]，惰性粉体主要在预热区和燃烧火焰区发挥抑制作用。为研究惰性粉体的抑制作用机理，本文建立了基于预热区和燃烧火焰区的抑制机理物理模型，如图10所示，在预热区，温度达到油页岩热解温度时，油页岩颗粒开始热解并析出挥发分。预热区温度达到惰性粉体颗粒的热解温度时，惰性粉体也开始吸热分解，通过吸收预热区热量来降低预热区温度，减缓油页岩颗粒的热解。在燃烧火焰区，油页岩析出的可燃挥发分发生气相燃烧、油页岩颗粒则继续加速热解并伴随着表面异相燃烧反应，燃烧过程释放大量热量。惰性粉体由于燃烧火焰的高温，则会加速分解反应过程，并通过吸收燃烧热、降低火焰区温度、减缓反应速率等方式对油页岩的燃烧进行抑制；同时，惰性粉体分解产生的中间态自由基与燃烧反应活性自由基相结合，消耗燃烧反应自由基，从而终断链反应；分解H2O(g)、CO2等气态产物能够稀释挥发分和氧气浓度；分解固态产物可覆盖在油页岩颗粒表面来阻止表面燃烧反应，并弥散在燃烧区空间中，达到隔热作用。
图 10 惰性粉体抑制油页岩粉尘爆炸火焰机理Figure 10. Inhibition mechanism of inert powder on dust explosion flame in oil shale岩粉的主要成分为CaCO3，其热稳定性很好，在800 ℃以上高温时才会发生分解，生成CaO和CO2。在爆炸瞬间，仅会有少部分岩粉发生吸热分解，而主要抑制作用为物理隔热，因此抑制性能最差，需要大量的CaCO3才能有效抑制油页岩粉尘的爆炸。
NaHCO3粉末分解吸热量较高，但其热稳定性差，温度较低时就能快速分解，因此它在预热区就容易完全分解，难以在燃烧火焰区发挥作用，它的主要抑制作用为吸热降低预热区温度，减缓油页岩的热解脱挥发分过程，因此对火焰前锋有一定的影响，对火焰区的影响较小，因此抑制性能也较差。
Mg(OH)2和Al(OH)3粉末的分解温度在200～400 ℃，热稳定性相对较好，在预热区会有少部分发生分解，大多数能够穿过火焰前锋进入燃烧火焰区吸热分解，主要抑制作用为吸收燃烧反应所释放的热量、降低火焰温度，生成的MgO或Al2O3能够有效隔热和阻碍油页岩颗粒的表面燃烧反应，生成的H2O(g)还可以有效稀释挥发分和氧气浓度，因此抑制性能比较好。因Al(OH)3的吸热量（1151.45 J/g）高于Mg(OH)2的吸热量（587.54 J/g），因此Al(OH)3的抑制性能要优于Mg(OH)2。
ABC干粉的热稳定性也相对较好，分多阶段分解。一部分在预热区会发生分解，降低预热区温度。一部分穿过火焰前锋进入火焰区分解，吸收大量燃烧热，降低火焰温度。分解固态产物P2O5能够有效隔热和阻碍表面反应，分解气态产物NH3、H2O(g)、N2和SO2有效稀释挥发分和氧气浓度。分解含P原子中间态自由基能够与爆炸燃烧反应中的OH·和H·活性自由基结合生成稳定产物H2O[22]，消耗活性自由基数量从而终止燃烧链反应，起到化学抑制作用。 故ABC干粉具有物理化学协同抑制作用，因此抑制性能最好。
由上述分析可知，抑爆性能优良的惰性粉体主要应具备以下特性：具有较好的热稳定性（分解温度在200～400 ℃左右），具有好的吸热能力，分解中间态产物能够与燃烧反应过程活性自由基结合发挥化学抑制作用。
3. 结 论
本文通过实验研究了5种惰性粉体对油页岩粉尘爆炸火焰长度、火焰形态和结构的影响，对比了惰性粉体的抑制性能，建立了基于预热区和燃烧火焰区的惰性粉体对油页岩粉尘爆炸火焰的抑制机理物理模型。研究了惰性粉体对油页岩粉尘爆炸火焰的抑制作用机理，得出以下结论。
（1）五种惰性粉体对油页岩粉尘爆炸火焰的抑制性能优劣依次为ABC干粉、Al(OH)3、Mg(OH)2、NaHCO3、岩粉。少量的惰性粉体很难有效阻止油页岩粉尘爆炸火焰的传播发展，当增加到一定比例时，可以有效阻止火焰的自持燃烧发展，使得火焰长度明显缩短，但仍然具有一定的爆炸危险性，只有添加至最低惰化比时，才能使得油页岩粉尘完全被抑制。
（2）在爆炸过程中，因岩粉的热稳定性强，仅有少部分分解，主要抑制作用为物理隔热，因此抑制性能最差。NaHCO3热稳定性差，难以进入燃烧火焰区发挥抑制作用，主要抑制作用为吸热降低预热区温度，减缓油页岩的热解脱挥发分过程，对火焰区的影响较小，因此抑制性能也较差。Mg(OH)2和Al(OH)3粉末的分解温度在200～400 ℃，能够穿过火焰前锋进入燃烧火焰区发挥物理抑制作用，因此抑制性能比较好，Al(OH)3的吸热量更大，因此其抑制性能更好。ABC干粉热稳定性也较好，分多阶段分解，具有物理化学协同抑制作用，因此抑制性能最好。
（3）对油页岩粉尘具有优良抑爆性能的惰性粉体应具有较好的热稳定性（分解温度在200～400 ℃）和较高的吸热能力，同时分解产生的中间态产物需要能够与燃烧反应过程活性自由基结合，从而发挥化学抑制作用。
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图 3 惰性粉体对HDOS粉尘火焰的抑制图像
Figure 3. Suppression images of inert powder on dust flame of HDOS
图 4 惰性粉体对LKOS粉尘火焰的抑制图像
Figure 4. Suppression images of inert powder on dust flame of LKOS
图 6 惰化比与油页岩粉尘爆炸火焰长度的关系
Figure 6. Relationship between inerting ratio and explosive flame length of oil shale dust
图 10 惰性粉体抑制油页岩粉尘爆炸火焰机理
Figure 10. Inhibition mechanism of inert powder on dust explosion flame in oil shale
表 1 油页岩样品的工业分析结果
Table 1. Proximate analyses of the oil shale sample
样品 质量分数/% Mad Aad Vad FCad LKOS 3.39 39.37 39.49 17.75 HDOS 4.37 58.89 33.90 2.84 注：Mad，水分；Aad，灰分；Vad，挥发分；FCad，固定碳 
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表 2 惰性粉体的统计粒径
Table 2. Statistical results of inert powder diameters
惰性粉体 D10/μm D50/μm D90/μm ABC干粉 5.63 29.69 69.24 岩粉 4.26 28.52 73.58 NaOH 6.58 33.28 67.18 Mg(OH)2 5.34 26.86 72.62 Al(OH)3 4.82 30.24 70.16
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