聚多巴胺包覆混合粉体抑制甲烷爆炸的实验研究

为了减小甲烷爆炸带来的影响,研究了多巴胺自聚合合成聚多巴胺,包覆二氧化硅和碳酸钙混合粉体,在自主研发的亚克力管道实验平台进行甲烷爆炸实验。进行不同浓度聚多巴胺包覆混合粉体的抑爆对比实验,以探究多巴胺浓度对甲烷爆炸的影响。通过粒径分析、电镜扫描、热重分析等技术手段对聚多巴胺包覆混合粉体进行表征分析。实验结果表明聚多巴胺包覆混合粉体符合一般抑爆粉体特征。结合分析最大爆炸超压、火焰传播特征图像来探究其甲烷抑爆性能。分析其爆炸超压时,当多巴胺浓度为0.6 g/L时,相比未喷粉工况,最大爆炸超压下降了32.31%。结合表征分析探究了抑爆机理。     

CO2-双流体细水雾抑制管道甲烷爆炸实验

搭建了尺寸为120 mm×120 mm×840 mm透明有机玻璃瓦斯爆炸管道实验平台,采用双流体喷嘴将二氧化碳和细水雾送入实验系统,从火焰速度、瓦斯爆炸超压两个方面探讨双流体细水雾的抑爆有效性。实验结果表明CO₂双流体细水雾抑制瓦斯爆炸效果显著。随着喷雾时间的延长,火焰传播速度呈缓慢增加趋势,火焰传播速度峰值大幅降低;爆炸超压曲线呈先增大后缓慢减小的趋势,超压峰值大幅降低;当CO₂压力增至0.4 MPa喷雾时间大于3 s时,经多次点火无法引爆, 说明CO₂-双流体细水雾抑制甲烷爆炸时具有协同效应,有利于提高细水雾的抑爆效率。     

MPP抑制铝镁合金粉尘爆炸微观机理研究

铝镁合金在抛光打磨过程中,存在一定的粉尘爆炸危险性。为了减小铝镁合金粉尘爆炸事故的危害,选取三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)对铝镁合金粉尘的抑爆特性进行研究。利用20 L爆炸球及热分析实验,分析MPP对铝镁合金粉尘爆炸特性的抑制效果。结合爆炸产物化学成分分析和官能团变化情况,分析MPP抑制铝镁合金粉尘爆炸机理。研究结果表明,70%(质量)的MPP添加量的铝镁合金粉尘可实现完全抑爆。MPP分解反应本身为吸热反应,生成惰性气体NH₃、H₂O和CO₂,降低了反应体系的氧浓度。抑爆过程中,聚磷酸本身还原成磷酸,反应生成物可与活性基团反应。MPP抑制Al氧化生成AlO基团的效果,明显优于其抑制Mg的氧化反应。研究结果为铝镁合金粉尘事故工业预防提供数据支撑及理论依据。     

超细水雾协同甲烷氧化菌降解与抑制甲烷爆炸的实验研究

搭建了半封闭的实验管道平台,开展了不同喷雾量的超细水雾降解与抑制甲烷爆炸的实验研究,分析了甲烷氧化菌的形态,抑爆过程中火焰变化,管道内部最大爆炸超压,平均升压速率的变化规律。结果表明：含甲烷氧化菌-无机盐的超细水雾能够有效降解甲烷,喷雾量越大,降解甲烷的速率越快,当甲烷的体积分数为9.5%,在喷雾量达到0.7 ml,立即引爆后的火焰亮度和火焰传播速率明显高于降解时间为360 min且二次喷雾量为0.7 ml的工况。喷雾量从0.7 ml增加至4.9 ml,无论近端还是远端最大爆炸超压均呈现下降的趋势,对于近端的平均升压速率也呈现下降的趋势。以无机盐为培养基的甲烷氧化菌和超细水雾降解与抑制甲烷爆炸具有协同作用,能够在一定时间内有效降解甲烷。     

聚磷酸铵抑制PMMA粉尘爆炸特性研究

为研究聚磷酸铵(APP)对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)粉尘爆炸的抑制特性,从最大爆炸压力P_ex、最大爆炸压力上升速率(dP/dt)_ex、最小点火能量(MIE)和最小点火温度(MIT)等多方面分析了APP对PMMA粉尘爆炸特性的影响。结果表明,APP可有效降低PMMA粉尘最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率,并延迟最大爆炸压力峰值到达时间;对于不同浓度PMMA粉尘的MIE,APP均有显著的抑制效果,且存在临界抑制浓度配比1∶1,在该浓度配比条件下PMMA粉尘很难通过静电点火;对于不同浓度PMMA粉尘的MIT,APP同样均具有一定抑制作用,且相同浓度配比条件下,抑制作用随PMMA浓度的增大而增大。此外,结合APP和PMMA热特性及红外光谱分析结果,分析了APP抑制PMMA粉尘爆炸机理。     

BC粉体抑爆剂改性及抑制甲烷/空气混合物爆炸

采用不同工艺和配方,对BC干粉进行细化和表面改性,制备了3种规格的碳酸氢钠抑爆粉体,应用扫描电镜及激光粒度测试仪表征其表面特性及粒径分布,结果表明:采用MM4及MT3工艺所制备的抑爆粉体,粒径得到大幅度降低,比表面积显著增大,表面特性得到改善。自主设计了主动式抑爆器并进行了参数优化,膜片开启压力为8 MPa,抑爆器在敞开空间冷态喷射实验表明:从药柱点火到抑爆剂完全喷射的时间为12 ms,抑爆粉体射流最大喷射速度可达5～15 m·s^-1。在容积为200 L的爆炸实验装置中,以化学当量比的甲烷-空气混合物爆炸为抑制对象,开展了细化改性抑爆粉体主动式抑爆的实验研究,研究表明:粉体抑爆效果不仅与平均粒径有关,同时粒径分布的影响也较为重要;粒径呈正态分布、表面形状不规则的粉体更有利于与爆炸火焰相互作用,抑爆效能得以提升,较常规BC粉体相比,抑爆粉体粒径细化到10 mm数量级时,抑爆性能提高8～10倍。     

草酸盐和碳酸氢盐抑制聚乙烯粉尘爆炸特性

为研究草酸盐和碳酸氢盐抑制聚乙烯粉尘爆炸特性,选取NaHCO₃、KHCO₃、Na₂C₂O₄和K₂C₂O₄四种粉体,从火焰结构和火焰传播速度两方面分析其对聚乙烯粉尘爆炸的抑制性能,并结合抑爆粉体的理化性质分析抑爆机理。结果表明,四种抑爆粉体均可抑制聚乙烯粉尘爆炸火焰传播,且抑制效果随抑爆粉体浓度增加而增强。相同条件下,抑爆性能KHCO₃>NaHCO₃>K₂C₂O₄>Na₂C₂O₄,即钾盐粉体抑爆性能优于具有相同酸根离子的钠盐,碳酸氢盐粉体抑爆性能优于具有相同金属离子的草酸盐。另外,结合抑爆粉体热解特性测试及爆炸产物分析,探究了四种抑爆粉体的抑爆机理及离子构成带来的抑爆性能差异性原因。     

乙烯/聚乙烯两相体系爆炸特性

基于改进的20 L球形爆炸装置,实验测量了乙烯/聚乙烯两相体系爆炸特性参数,系统地分析了两相体系爆炸下限和爆炸强度变化规律,并对比分析了乙烯、聚乙烯和乙烯/聚乙烯3种体系爆炸强度之间的关系。结果表明：乙烯诱导聚乙烯最小爆炸浓度显著降低,低于爆炸下限的乙烯气体与低于最小爆炸浓度的聚乙烯混合后仍具有爆炸危险性。向不同浓度的聚乙烯粉尘中添加乙烯后,爆炸压力p_ex和压力上升速率（dp/dt）_ex均显著提高,但增幅随粉尘浓度的增大而减小。乙烯/聚乙烯两相体系最大爆炸压力p_max和爆炸指数K_st均随乙烯浓度的增大而增大,但不同乙烯浓度下的两相体系最大爆炸压力p_max和爆炸指数K_st均大于单相聚乙烯粉尘,小于单相乙烯气体。     

惰性气体对粉尘爆炸泄放特性影响的实验研究

爆炸泄放和爆炸抑制是工业上降低粉尘爆炸危害性的两个重要手段,同时实现粉尘爆炸抑制和泄放共同作用的效果值得关注。基于标准20 L球形粉尘爆炸装置侧向开泄放口,实验研究不同泄放口径和静态动作压力时CO₂/N₂对石松子粉泄放过程压力的影响,采用热重分析法分析了石松子粉尘分别在CO₂、N₂氛围的热重变化。结果表明,在20 mm泄放口径时,随着CO₂/N₂浓度的增加,泄放压力的降低幅值逐渐增大,且CO₂对粉尘爆炸泄放最大超压的减小效果要优于N₂。泄放压力值随着CO₂浓度的增加基本呈线性降低,当体系中的CO₂和N₂浓度增加到10%时对体系泄放压力值的降低效果开始趋于一致。对于40 mm泄放口径,添加相同浓度的CO₂体系泄放压力值要略低于N₂,降低幅值为6%~8%。对于60 mm泄放口径,CO₂/N₂两者抑制效果差别不大,且在添加浓度不超过8%时对体系泄放压力值的降低幅值影响较小。通过TGA曲线可以发现,在N₂气氛和CO₂气氛的热流条件中,石松子粉的热解过程在370℃左右开始出现明显的差异,CO₂气氛中石松子粉的热解速率要快于其在N₂气氛中的,因此在这个过程中CO₂的存在一定程度上会促进石松子粉的热解,随着热解温度进一步提升,CO₂对石松子粉热解的抑制效果开始逐渐体现。     

铝粉爆炸危险性实验研究

利用水平管道式实验装置,对不同粒度的铝粉爆炸极限进行实验研究和分析。实验结果表明,粒度越小,其爆炸范围越大,爆炸的可能性也越大,需要防护的力度也要加大。为预防和减少铝粉爆炸的损害提供了理论依据。     

甲烷/石墨粉与甲烷/煤粉爆炸特性对比研究

借助20 L球形爆炸系统研究了甲烷/石墨粉和甲烷/煤粉复合体系爆炸特性异同,结果表明：甲烷浓度对甲烷/石墨粉和甲烷/煤粉两相体系的爆炸特性有重要影响,当甲烷的浓度为6%（体积）时,随着石墨粉粒径的增加,甲烷/石墨粉体系的压力曲线由单峰转为双峰,三种粒径的石墨粉（D₅₀：7、18、75 μm）浓度分别在60、200、30 g/m³达到爆炸压力最大值0.691、0.657、0.611 MPa;甲烷/煤粉体系则在400 g/m³达到最大值0.724 MPa,高于甲烷/石墨粉体系。当甲烷浓度接近当量比时,三种粒径石墨粉的爆炸压力峰值均呈现逐渐减小的趋势,石墨粉的粒径越小,甲烷/石墨粉两相体系的爆炸压力峰值越小,甲烷/石墨粉体系在质量浓度为10 g/m³时达到最大值;甲烷/煤粉体系的爆炸压力则在60 g/m³时达到最大值0.776 MPa。甲烷浓度由6%增加至9%时,甲烷/石墨粉和甲烷/煤粉的爆炸火焰由不规则形状转为近似球形发展,火焰表面褶皱消失,同时两相体系的爆燃指数显著增高,当粉尘质量浓度大于30 g/m³时,甲烷/煤粉的爆燃指数大于甲烷/石墨粉体系,这是由于煤粉挥发分含量高,燃烧更为充分,且焦炭参与了爆炸过程;石墨粉本身的挥发分含量低,含碳量远超过煤粉,爆炸中仅有少部分石墨粉参与了爆炸。研究结果将对气粉两相混合物爆炸防治提供指导。     

甲烷/石墨粉与甲烷/煤粉爆炸特性对比研究

借助20 L球形爆炸系统研究了甲烷/石墨粉和甲烷/煤粉复合体系爆炸特性异同,结果表明：甲烷浓度对甲烷/石墨粉和甲烷/煤粉两相体系的爆炸特性有重要影响,当甲烷的浓度为6%（体积）时,随着石墨粉粒径的增加,甲烷/石墨粉体系的压力曲线由单峰转为双峰,三种粒径的石墨粉（D₅₀：7、18、75 μm）浓度分别在60、200、30 g/m³达到爆炸压力最大值0.691、0.657、0.611 MPa;甲烷/煤粉体系则在400 g/m³达到最大值0.724 MPa,高于甲烷/石墨粉体系。当甲烷浓度接近当量比时,三种粒径石墨粉的爆炸压力峰值均呈现逐渐减小的趋势,石墨粉的粒径越小,甲烷/石墨粉两相体系的爆炸压力峰值越小,甲烷/石墨粉体系在质量浓度为10 g/m³时达到最大值;甲烷/煤粉体系的爆炸压力则在60 g/m³时达到最大值0.776 MPa。甲烷浓度由6%增加至9%时,甲烷/石墨粉和甲烷/煤粉的爆炸火焰由不规则形状转为近似球形发展,火焰表面褶皱消失,同时两相体系的爆燃指数显著增高,当粉尘质量浓度大于30 g/m³时,甲烷/煤粉的爆燃指数大于甲烷/石墨粉体系,这是由于煤粉挥发分含量高,燃烧更为充分,且焦炭参与了爆炸过程;石墨粉本身的挥发分含量低,含碳量远超过煤粉,爆炸中仅有少部分石墨粉参与了爆炸。研究结果将对气粉两相混合物爆炸防治提供指导。     

三元混合气体燃料爆炸特性实验研究

利用定容燃烧弹爆炸实验平台结合高速纹影摄像技术,系统研究了组分浓度和当量比对氢气/二甲醚/甲烷三元混合气体燃料爆炸特性的影响。结果表明：平均火焰传播速度S_a随氢气浓度X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}的增加单调递增,随二甲醚浓度X_DME和甲烷浓度X_{\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}}的增加单调递减。压力峰值p_max与X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}的关系受到当量比φ的强烈影响,当φ=0.8、1.0和1.2时,p_max随X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}先缓慢线性增加然后快速增加;而当φ=0.6、1.4和1.6时,p_max始终线性增加;同时,p_max随X_{\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}}线性递减,而随X_DME的变化可分为两个时期。X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}与最大压力上升速率(dp/dt)_max呈正相关关系,X_{\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}}与之呈负相关关系,而X_DME对(dp/dt)_max的影响不大。燃烧时间t_c与X_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}}和X_{\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}}存在线性关系;而X_DME对t_c的影响较为复杂,与φ有关。     

氮气幕对瓦斯爆炸进行阻爆实验

为阻断瓦斯爆炸在管道方向上的传播,保护管道后方区域,本文采用氮气幕来进行阻爆,所设计的实验装置在爆炸发生后能自动喷出氮气。主要研究了氮气的喷气压力和喷气时刻对阻爆功能的影响。结果表明,在喷气压力为0.1MPa时,氮气幕仅起到抑制作用,爆炸火焰能穿过整个实验管道。在喷气压力为0.2MPa时,仅部分实验能够阻爆,氮气幕产生不稳定的阻爆效果。在喷气压力为0.3MPa时,阻爆位置均稳定在左喷头和右喷头之间区域,氮气幕产生稳定地阻爆效果。喷气压力超过0.4MPa后,阻爆位置稳定在右喷头附近。在较低氮气压力0.2MPa下,喷气时刻对阻爆效果产生显著影响。随着喷气时刻延迟,氮气喷出量减小,氮气幕由不稳定阻爆变为不阻爆。喷气时刻延迟到198ms后,氮气幕便丧失阻爆功能。在喷气压力超过0.3MPa后,氮气幕阻爆效果便不受喷气时刻的影响,喷气压力对能否阻爆起决定作用。     

圆柱形可燃气云爆炸实验研究与数值模拟

与半球形可燃气云模型相比,圆柱形模型更接近于气云爆炸事故的实际情况。进行了乙炔浓度7.75%、气云体积0.26m³的圆柱形可燃气云爆炸实验,记录了距气云中心1.2 m与1.6 m两点的爆炸超压。建立了描述气云爆炸的理论模型,采用SIMPLE算法编制了计算程序。计算结果经实验数据考核,最大与平均相对偏差分别 为18.3%与5.4%,证实程序满足气云爆炸模拟与预测的要求。研究结果显示：爆炸流场不具备球形对称的性质,爆炸超压与火焰传播方向有关,当气云高径比0.2时,沿地面方向的最大超压可达垂直方向的3.3倍;气云体积不变而形状变化时,爆炸强度随着高径比的增大而增大,高径比1.0时的最大超压可达高径比0.1时的3.1倍;气云高径比降低时,火焰传播距离增大,燃烧时间增长,气云释能速率下降,因此爆炸超压降低。研究结果对可燃气云爆炸灾害的预测具有一定的指导意义。     

含草酸钾的超细水雾抑制甲烷爆炸的特性

为研究含草酸钾的超细水雾对抑制甲烷爆炸有效性的影响,采用自制的半封闭管道进行抑爆实验,研究了草酸钾浓度的变化对超细水雾粒径的影响以及对甲烷抑爆性能的影响,分析了不同浓度草酸钾条件下火焰传播速度、爆炸超压、平均升压速率以及爆炸威力指数参数变化。实验结果表明：添加草酸钾对超细水雾的粒径特性影响较小;对于体积分数为9.5%的甲烷,在相同的通雾时间下,当草酸钾浓度为2%时,抑爆性能最显著,火焰传播速度、最大爆炸超压、平均升压速率以及爆炸威力指数较纯甲烷自由爆炸时分别下降了57.1%、66.3%、77.9%、91.5%;较纯水超细水雾分别下降了43.1%、61.3%、75.3%、90.5%;草酸钾的热解温度较低能够增强超细水雾的物理惰化作用并阻断化学链式反应从而有效抑制甲烷爆炸。     

聚乙烯薄膜对可燃气云爆炸影响的实验研究与数值模拟

聚乙烯薄膜作为约束物，对可燃气云爆炸有着重要的影响.采用7.8%的乙炔/空气混合气进行了实验研究，薄膜厚度分别为0.02、0.04 mm和0.06 mm，层数为1～4层.结果显示，当采用单层厚度0.02 mm的薄膜时，半径0.5 m的半球形气云爆炸可产生2.410 kPa的最大超压;厚度0.06 mm时，最大超压达到3.642 kPa;薄膜层数为4层时，最大超压上升到13.125 kPa.建立了描述气云爆炸的理论模型，模型考虑了薄膜强度、层数对爆炸的影响，采用SIMPLE算法进行了数值求解.计算结果与实验值相比较，最大相对偏差14.8%，平均相对偏差4.73%.提出的方法对有弱约束物存在时，气云爆炸的灾害预测具有重要的指导意义.