關(guān)鍵詞：爆炸；改性煤矸石；海藻酸鈉；抑爆

甲烷爆炸是礦井開采和管道運(yùn)輸中常見的意外事故，往往會造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成人員傷亡[1-2]，具有極高的破壞性。為此，研發(fā)高效的爆炸抑制劑來降低甲烷爆炸的危害性，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，應(yīng)用比較廣泛的甲烷抑爆劑有惰性氣體[3-4]、細(xì)水霧[5-6]以及粉體[7-8]抑制劑等。其中，粉體抑制劑因其穩(wěn)定高效、低毒環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被普遍用于瓦斯防爆中。以往研究較多的抑爆粉體材料主要有CaCO3、KHCO3、Al（OH）3、NaCl、NH4H2PO4和SiO2等[9-11]。由于這些傳統(tǒng)的單一組分抑爆材料的抑制效果有限且價(jià)格高昂，因而難以投入到實(shí)際應(yīng)用中。近年來，具有協(xié)同抑爆效果的復(fù)合型粉體在甲烷爆炸中的研究引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[12-13]。

工業(yè)固廢煤矸石（coalgangue，CG）是一種在煤礦開采、洗選等生產(chǎn)過程中排放出的工業(yè)廢棄物，主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO和K2O等。然而，隨著全球煤炭產(chǎn)量的增加，CG的產(chǎn)生量也呈指數(shù)增長，導(dǎo)致CG在戶外大量堆積，不僅污染環(huán)境，而且占用土地，甚至引發(fā)自然災(zāi)害[14]。因此，CG的資源化利用成為當(dāng)前學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。目前，CG的綜合利用途徑有廢水處理、生物肥料、建筑材料和覆土綠化等[15-16]，但將CG作為甲烷抑爆材料的研究較少。

海藻酸鈉（sodiumalginate，SA）是一種水溶性線狀多糖，分子式為C6H7NaO6，主要由β-d-甘露醛酸（M）和α-l-古魯醛酸（G）通過1→4鍵連接而成。SA作為一種有機(jī)酸鹽，其分子結(jié)構(gòu)中含有大量的親水性羥基和羧基，不僅可以在遇到火源時(shí)發(fā)生酯化反應(yīng)釋放水，促進(jìn)碳化過程的進(jìn)行，而且可以吸收空氣中的水分使其本身不易引燃，從而達(dá)到阻燃效果[17-18]。此外，在SA燃燒過程中，鈉離子通過自身的阻燃性和獨(dú)特的催化作用影響SA的燃燒過程和一次熱解產(chǎn)物，從而使SA具有較好的阻燃性[19]。因此，SA具有獨(dú)特的吸熱性能，被廣泛應(yīng)用于阻燃領(lǐng)域[20-21]。然而，有關(guān)SA對甲烷抑爆作用的研究卻鮮有報(bào)道。

盡管CG中含有不少的抑爆成分，但原CG粉中雜質(zhì)成分較多，因此，將CG作為抑爆材料直接用于甲烷抑爆并不理想。本文中，首先，選取原CG為原料，經(jīng)過焙燒活化、酸堿協(xié)同激發(fā)等一系列改性處理，得到一種表面粗糙、結(jié)構(gòu)松散、呈微孔結(jié)構(gòu)的MCG粉體；然后，將MCG材料作為載體，采用機(jī)械化學(xué)技術(shù)（mechanochemicaltechnology，MCT）將MCG與SA粉體進(jìn)行復(fù)配，制備MCG-SA復(fù)合抑爆劑；最后，利用自制的爆炸實(shí)驗(yàn)平臺研究不同組分抑爆劑對甲烷-空氣預(yù)混氣體爆炸的抑爆特性和機(jī)理，探究粉體質(zhì)量和復(fù)配比例對爆炸抑制作用的影響，以期為后續(xù)研究提供參考。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1材料制備

實(shí)驗(yàn)中選用的CG由河北宗潤礦產(chǎn)品有限公司提供，其化學(xué)成分如表1所示。

實(shí)驗(yàn)中所使用的鹽酸、NaOH、NaCl和無水乙醇等溶液試劑均為分析純試劑。CG的改性及復(fù)合材料的制備工藝如圖1所示，共分為4步。

（1）稱取一定量CG進(jìn)行破碎處理，并過200目篩。粉磨后的CG粉體用自來水和去離子水分別清洗3次以除去表面雜質(zhì)，然后置于80℃烘箱中進(jìn)行烘干。

（2）將上述CG粉與氯化鈉以1∶0.25的質(zhì)量比混合，置于1000℃馬弗爐中，在缺氧氣氛下焙燒活化3h，從而提高CG的活性，并進(jìn)一步去除未燃碳和三氧化硫等雜質(zhì)。

（3）稱取30g的CG煅燒粉，置于150mL去離子水中，均勻攪拌1h使其充分溶解，得到分散液。緩慢加入6mol/L的稀鹽酸溶液150mL，在80℃下攪拌2h，靜置1.5h，制備金屬鹽溶液。將5%氫氧化鈉溶液緩慢滴入金屬鹽溶液中，進(jìn)行沉淀和凝膠處理；然后，加入150mL無水乙醇進(jìn)行陳化處理，并在50℃下恒溫?cái)嚢?h，靜置24h至充分沉淀；最后，對樣品進(jìn)行過濾、干燥和研磨，得到MCG粉體。

（4）將MCG和SA分別研磨并過300目篩。采用機(jī)械化學(xué)技術(shù)（mechanochemicaltechnology，MCT）將MCG與SA按一定質(zhì)量比在行星球磨機(jī)中混合1h，每次制備的復(fù)合粉體總質(zhì)量為10g，球粉質(zhì)量比為2.5∶1，轉(zhuǎn)速為350r/min。制備SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wSA）分別為30%、40%、50%、60%、70%的MCG-SA復(fù)合粉體。

由于粉體粒徑對實(shí)驗(yàn)結(jié)果會產(chǎn)生一定的影響，因此，本次實(shí)驗(yàn)中使用的MCG、SA及MCG-SA復(fù)合粉體均已通過300目（48μm）篩網(wǎng)進(jìn)行篩分。

1.2材料表征及結(jié)果分析

通過熱重分析儀（TG-DTG）在N2氣氛下，升溫速率為10℃/min，升溫區(qū)間為30～900℃，分析樣品的熱解特性。采用X射線衍射（X-raydiffraction，XRD）分析確定樣品的晶相組成。采用SUPRA55場發(fā)射掃描電鏡（scanningelectronmicroscope，SEM）觀察粉體的表面形貌。

1.2.1熱重分析

MCG、SA和wSA=50%的MCG-SA的TG和DTG曲線如圖2～3所示。MCG的失重過程主要分為3個(gè)階段，總減重率為32.73%。第1階段溫度為30.00～193.16℃，失重率為10.77%，對應(yīng)于粉體表面吸附水和層間水分子的去除。第2階段溫度為193.16～588.92℃，失重率為9.76%，對應(yīng)于金屬氫氧化物分解脫去結(jié)晶水的過程。第3階段溫度為588.92～900.00℃，失重率為12.20%，對應(yīng)于硅鋁酸鹽礦物結(jié)構(gòu)的分解[22]。SA的失重過程主要分為4個(gè)階段，總減重率為86.42%。第1階段溫度為30.00～212.23℃，失重率為24.64%，對應(yīng)于粉體自由水和結(jié)合水的去除階段。第2階段溫度為212.23～269.44℃，失重率為33.41%，對應(yīng)于SA裂解為較穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，表現(xiàn)為糖苷鍵的斷裂，相鄰羥基以水分子的形式脫去[23]。第3階段溫度為269.44～417.90℃，失重率為10.11%，此階段中間產(chǎn)物進(jìn)一步分解，羰基、羧基依次脫去形成CO2，產(chǎn)物部分碳化[24]。第4階段溫度為417.90～765.89℃，失重率為17.94%，SA的碳化物進(jìn)一步氧化分解，最終反應(yīng)生成Na2O[25]。從wSA=50%的MCG-SA的熱解曲線可以看出，失重過程主要分為4個(gè)階段，總減重率為67.02%。第1階段溫度為30.00～212.64℃，失重率為13.83%，對應(yīng)于粉體微孔裂隙吸附水分和分子結(jié)晶水揮發(fā)的階段。第2階段溫度為212.64～250.37℃，失重率為16.19%，對應(yīng)于金屬氫氧化物分解脫去結(jié)晶水以及SA裂解為中間產(chǎn)物的過程。第3階段溫度為250.37～650.23℃，失重率為18.19%，含氧官能團(tuán)羥基、羧基、羰基等依次分解，形成低分子量物質(zhì)并揮發(fā)出來。第4階段溫度為650.23～900.00℃，失重率為18.81%，粉體內(nèi)部礦物結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。不難看出，復(fù)合后的MCG-SA的熱分解過程兼具M(jìn)CG和SA的失重特征，說明MCG與SA復(fù)合是成功的。

1.2.2XRD分析

MCG、SA和wSA=50%的MCG-SA的XRD譜如圖4所示。經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)卡片對比，發(fā)現(xiàn)復(fù)合粉體的XRD特征衍射峰與MCG基本一致，分別在2θ為11.435o、19.063o、22.546o、26.642o、40.374o處觀察到了SA的特征衍射峰。研究結(jié)果表明，復(fù)合粉體中含有MCG和SA。

1.2.3SEM分析

MCG、SA和wSA=50%的MCG-SA的表面形貌如圖5所示。圖5（a）～（c）的放大倍數(shù)均為1000倍，圖5（d）的放大倍數(shù)為2000倍。從圖5（a）可以看出，MCG呈無規(guī)則微孔結(jié)構(gòu)堆積，表面粗糙，結(jié)構(gòu)松散，孔隙率較大，但團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重。從圖5（b）可以看出，SA呈無規(guī)則粒狀分布，小部分呈片狀堆積，表面光滑。從圖5（c）～（d）可以看出，MCG-SA整體呈無規(guī)則顆粒狀，表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分布微孔裂隙較多，不僅表面粗糙，而且復(fù)合后分散性良好，團(tuán)聚效果也明顯減弱，這有利于MCG-SA在甲烷爆炸過程充分發(fā)揮吸熱性能，削弱爆炸威力。

1.3實(shí)驗(yàn)平臺

圖6展示的系統(tǒng)包括甲烷爆炸管道、氣體充配系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)、自動(dòng)化點(diǎn)火系統(tǒng)和壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這些均與之前的實(shí)驗(yàn)平臺類似[26-27]。在本實(shí)驗(yàn)中，自制甲烷爆炸管道為半封閉式亞克力玻璃管道，厚度為0.02m，管道尺寸為0.05m×0.05m×1.00m，體積為2.5L。實(shí)驗(yàn)時(shí)，管道左端用PVC塑料薄膜密封，右端用同種材質(zhì)的玻璃密封，以保證管道的氣密性。氣體充配系統(tǒng)由40L空氣（21%O2+79%N2）鋼瓶、40L甲烷鋼瓶和2個(gè)ALICAT氣體質(zhì)量流量計(jì)組成。實(shí)驗(yàn)中使用的氣體由常州大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院提供，氣體純度高于99.9%。根據(jù)道爾頓分壓定律，實(shí)驗(yàn)期間甲烷氣體流量計(jì)的流速設(shè)置為0.38L/min，空氣流速設(shè)置為3.62L/min。高速攝影系統(tǒng)由高速攝影機(jī)（PhantomV1212）和同步控制器組成，實(shí)驗(yàn)時(shí)，高速攝影儀的拍攝幀率設(shè)置為12000s–1，相機(jī)像素分辨率設(shè)置為1280×800，單位時(shí)間吞吐量為每秒12G像素。噴粉系統(tǒng)主要由粉末儲罐（響應(yīng)時(shí)間為0.2ms，綜合精度為0.25%）、電磁閥、噴嘴、壓力表和高壓甲烷儲罐組成。當(dāng)電磁閥打開時(shí)，高壓氣瓶產(chǎn)生的高壓氣體攜帶粉末儲罐中的粉末從噴嘴噴射到管道中。根據(jù)不同噴粉量的實(shí)驗(yàn)要求，整個(gè)噴粉過程持續(xù)時(shí)間為30～60ms，保證粉末均勻分散在管道中。自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)由輸出電壓為6kV的高頻脈沖點(diǎn)火控制器和管道側(cè)壁的點(diǎn)火電極組成。當(dāng)粉末均勻噴入實(shí)驗(yàn)管道并擴(kuò)散后，點(diǎn)火裝置在延遲30ms后自動(dòng)啟動(dòng)，點(diǎn)火時(shí)間持續(xù)為60ms。壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用2個(gè)PCB113B21壓力傳感器，傳感器的測量范圍（±10Voutput）為2758kPa，分辨率為0.007kPa。

1.4實(shí)驗(yàn)過程

在甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%的條件下，設(shè)置了35種工況，包括不同質(zhì)量（100、150、200、250、300mg）MCG、SA以及MCG-SA混合粉體（wSA為30%～70%）的抑爆實(shí)驗(yàn)，探究了復(fù)合粉體的最佳抑爆質(zhì)量及復(fù)配比。實(shí)驗(yàn)過程中，首先，對管道進(jìn)行抽真空，待整個(gè)管道處于95kPa的負(fù)壓狀態(tài)時(shí)停止抽氣。然后，分別打開40L甲烷氣瓶和40L空氣氣瓶的閥門，經(jīng)輸氣管道對2種氣體進(jìn)行輸送。同時(shí)根據(jù)氣體體積分?jǐn)?shù)配比設(shè)置相應(yīng)的ALICAT氣體質(zhì)量流量計(jì)來控制氣體流速，并確保兩者在進(jìn)入管道前充分混合，當(dāng)管道內(nèi)壓力達(dá)到常壓時(shí)停止通氣。整個(gè)過程中氣體應(yīng)在管道中保持10min，以保證氣體混合均勻，減少氣體流動(dòng)對火焰?zhèn)鞑サ挠绊憽Ｅ錃饨Y(jié)束后，按照順序依次啟動(dòng)噴粉系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)、壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和自動(dòng)化點(diǎn)火系統(tǒng)。在自動(dòng)化點(diǎn)火系統(tǒng)啟動(dòng)后，高速攝影機(jī)和壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會自動(dòng)記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的火焰圖像和壓力數(shù)據(jù)，并同步傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。利用火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒈▔毫Φ葏?shù)描述上述粉體對甲烷爆炸的抑制效果。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每種工況重復(fù)3～5次實(shí)驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)為多次實(shí)驗(yàn)的平均值，確保實(shí)驗(yàn)誤差不超過5%。每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用高壓空氣對管道內(nèi)部進(jìn)行吹掃，用除塵器收集管道內(nèi)的殘留物，確保每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后無殘留物。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1MCG-SA復(fù)合抑制劑對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

甲烷爆炸時(shí)的火焰前端高度、火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒒鹧孀畲髠鞑ニ俣龋╲max）等能直觀地反映甲烷爆炸的激烈程度，可據(jù)此來確定抑爆性能[28]。本文中探究了MCG、SA及其混合物對甲烷爆炸vmax和火焰前端高度（H）的影響。如圖7所示，相較于未添加粉體的工況，vmax隨著MCG、SA及其復(fù)合粉體含量的增加而呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢。圖8為未加入抑制劑、噴粉量為250mg的MCG、SA及wSA=50%的MCG-SA復(fù)合粉體在同一時(shí)刻（0.03～0.30s）的火焰?zhèn)鞑D像。可以看出，MCG和SA組在相同時(shí)刻的火焰前端高度均明顯小于純甲烷組，說明MCG和SA能夠削弱火焰沖擊波的推進(jìn)，而加入復(fù)合粉體后能夠進(jìn)一步減小火焰前端高度，抑制火焰的傳播。此外，由于焰色反應(yīng)[29]，添加MCG、SA以及wSA=50%的MCG-SA粉體工況的火焰呈橘黃色，并依次變亮，色度加深。MCG-SA（wSA=50%）、SA和MCG粉體阻礙火焰?zhèn)鞑ツ芰σ来螠p弱。因此，無論是單一組分還是多組分復(fù)合粉體，均能抑制甲烷爆炸火焰的傳播。

圖7中，當(dāng)噴粉質(zhì)量為100mg時(shí)，較純甲烷組實(shí)驗(yàn)，添加MCG和SA使得vmax分別降低了15.01%和31.19%，而加入復(fù)合粉體后vmax較加入MCG和SA的vmax顯著降低。其中，wSA=70%的MCG-SA的vmax下降效果最明顯，vmax較純甲烷組降低了50.51%。在圖8中，wSA=50%的MCG-SA在0.03～0.30s的火焰前端高度均低于單一粉體工況，說明wSA=50%的MCG-SA能夠顯著抑制火焰?zhèn)鞑?，減小火焰前端高度。因此，復(fù)合粉體對甲烷爆炸火焰的傳播具有協(xié)同抑制的效果，且優(yōu)于單一組分工況。

對于上述復(fù)合抑制劑，vmax隨著SA負(fù)載量的增加呈現(xiàn)不同程度的降低。當(dāng)噴粉質(zhì)量為250mg時(shí)，無論相較于同種多組分還是單一組分粉體工況，wSA=50%的MCG-SA使vmax降幅最大。同時(shí)，wSA=50%的MCG-SA的vmax隨著粉體質(zhì)量的增加呈現(xiàn)先降后升的趨勢。

探究了質(zhì)量為250mg、不同SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MCG-SA復(fù)合粉體對9.5%甲烷-空氣爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩Ч?。所得不同抑制劑的火焰速度變化曲線、vmax以及火焰峰值抵達(dá)時(shí)間（tf，max）的變化分別如圖9和10所示。

未添加抑制劑時(shí)，管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣仍邳c(diǎn)火后快速上升，在短時(shí)間內(nèi)（tf，max=0.143s）便達(dá)到vmax（17.3685m/s），隨后先急后緩呈波峰狀下降，直至火焰消失。當(dāng)添加250mg的純MCG和SA時(shí)，vmax分別為8.7868和7.9270m/s，tf，max分別為0.184和0.218s，火焰?zhèn)鞑ニ俣认噍^于純甲烷組均有降低。而MCG與SA結(jié)合使用時(shí)，MCG-SA復(fù)合粉體的vmax依次為7.1503、6.6959、5.3958、8.0978和8.4362m/s，tf，max依次為0.265、0.311、0.388、0.223和0.217s，相較于純甲烷組和單一組分工況，整體火焰速度有所降低，火焰?zhèn)鞑r(shí)間有所延長。其中wSA=50%的MCG-SA對甲烷爆炸火焰速度的削弱作用最佳，相較于未噴粉工況，vmax下降了68.93%，tf，max上升了171.33%。根據(jù)vmax和tf，max的變化率，可知MCG-SA（wSA=50%）、MCG-SA（wSA=40%）、MCG-SA（wSA=30%）、SA、MCG-SA（wSA=60%）、MCG-SA（wSA=70%）和MCG對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种谱饔靡来螠p弱。

隨著SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，MCG與SA對甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膮f(xié)同抑制效果應(yīng)變得更加顯著。然而，當(dāng)wSA＞50%時(shí)，由于參與反應(yīng)所需的SA已達(dá)到上限，導(dǎo)致抑制效果減弱[30]。當(dāng)SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加時(shí)，SA不能完全附著在MCG表面。同時(shí)，相應(yīng)的MCG比例降低，導(dǎo)致復(fù)合粉體整體的分散、懸浮和吸附性能減弱，抑制了兩組分的協(xié)同作用[31]。

為了探究wSA=50%的MCG-SA復(fù)合粉體的最佳噴粉質(zhì)量，比較了其在不同質(zhì)量下對甲烷爆炸火焰速度的影響。圖11為wSA=50%的MCG-SA在添加質(zhì)量為100～300mg時(shí)甲烷-空氣爆炸的火焰速度-時(shí)間曲線，圖12為vmax和tf，max的變化。

相較于純甲烷組，隨著wSA=50%的MCG-SA質(zhì)量的增加，火焰速度均得到不同程度的削弱，火焰在管道中的傳播時(shí)間顯著延長，添加不同質(zhì)量復(fù)合粉體工況下的vmax依次為8.5346、6.4059、5.8164、5.3958和6.3307m/s，分別下降了50.86%、63.12%、66.52%、68.93%和63.55%，相應(yīng)的tf，max依次為0.214、0.3050.363、0.388和0.312s，分別升高了49.65%、113.29%、153.85%、171.33%和118.18%。因此，wSA=50%的MCG-SA噴粉質(zhì)量對火焰速度的抑制效果由強(qiáng)到弱依次為250、200、300、150、100mg。顯然，vmax在噴粉質(zhì)量為250mg時(shí)達(dá)到最小值（5.3958m/s），較純甲烷組下降最明顯。

然而，當(dāng)粉體添加量為300mg時(shí)，其火焰速度較前述工況有所增大，火焰在管道中的傳播時(shí)間也相應(yīng)縮短。這是由于，粉體顆粒可能會發(fā)生較強(qiáng)的團(tuán)聚和沉降現(xiàn)象，使得對爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的抑制效果與粉體含量較少時(shí)相同[32-33]。因此，當(dāng)噴粉量超過一定量（250mg）時(shí)，復(fù)合粉體對甲烷爆炸火焰速度的抑制效果會減弱。

2.2MCG-SA復(fù)合抑制劑對爆炸壓力的影響

通過管道內(nèi)壓力參數(shù)的變化可以直觀地反映甲烷爆炸的劇烈程度[34]。為了進(jìn)一步驗(yàn)證不同組分粉體對甲烷爆炸的抑制效果，探究了MCG、SA及其復(fù)合粉體對甲烷-空氣爆炸壓力的影響。圖13為添加MCG、SA以及不同wSA的MCG-SA在質(zhì)量為250mg時(shí)抑制甲烷-空氣爆炸的壓力-時(shí)間曲線。相應(yīng)的最大爆炸超壓（pmax）和最大爆炸超壓抵達(dá)時(shí)間（tp，max）如表2所示。從圖13能夠看出，爆炸過程可以分為上升和下降2個(gè)階段。在上升階段，坡度越大，爆炸的危險(xiǎn)程度越高[35]。不難看出，相較于無粉體工況，隨著不同組分抑制劑的加入，各組分壓力顯著降低，升壓階段趨于平緩，說明不同組分粉體的加入可以有效降低甲烷爆炸的pmax，延長tp，max。

按照粉體添加的次序，pmax依次為682.1、623.2、613.4、558.1、495.0、635.1和651.5kPa，較無粉體工況（782.2kPa）分別下降了12.80%、20.33%、21.58%、28.65%、36.72%、18.81%和16.71%，相應(yīng)的tp，max依次為0.168、0.225、0.279、0.337、0.388、0.221和0.214s，較無粉體工況（0.113s）分別延遲了48.67%、99.12%、146.90%、198.23%、243.36%、95.58%和89.38%。MCG-SA（wSA=50%）、MCG-SA（wSA=40%）、MCG-SA（wSA=30%）、SA、MCG-SA（wSA=60%）、MCG-SA（wSA=70%）、MCG對爆炸壓力的抑制效果依次減弱。因此，MCG-SA復(fù)合粉體抑制甲烷爆炸壓力的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%。

為了探究復(fù)合粉體抑制甲烷爆炸壓力的最佳粉體質(zhì)量，比較了wSA=50%的MCG-SA粉體在不同質(zhì)量條件下對爆炸壓力的影響。圖14為wSA=50%的MCG-SA粉體在質(zhì)量為100～300mg時(shí)抑制甲烷-空氣爆炸的壓力-時(shí)間曲線，圖15為相應(yīng)的pmax和tp，max的變化。

在圖14和15中，相較于無粉體工況，隨著wSA=50%的MCG-SA含量的增加，升壓階段逐漸趨于平緩，壓力上升速率明顯減緩。質(zhì)量為100～300mg的MCG-SA（wSA=50%）對應(yīng)的pmax依次為662.2、614.8、556.8、495.0和603.7kPa，整體呈現(xiàn)先降后升的趨勢。其中，pmax在噴粉量為250mg時(shí)達(dá)到最小值（495.0kPa），減小了36.72%。從圖15可以看出，較無粉體工況，隨著MCG-SA（wSA=50%）質(zhì)量的增加，tp，max均有所延長，依次為0.167、0.221、0.334、0.388和0.225s，整體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。當(dāng)MCG-SA（wSA=50%）質(zhì)量為250mg時(shí)，tp，max由0.113s增加到0.388s，延遲了243.36%。綜上可以推斷，當(dāng)MCGSA（wSA=50%）質(zhì)量為250mg時(shí)，對甲烷/空氣爆炸壓力的抑制效果最好。然而，當(dāng)粉末含量超過一定限值（250mg）時(shí)，pmax有逐漸升高的趨勢。該現(xiàn)象與上述火焰結(jié)果趨勢相吻合，可能是由于自主搭建的爆炸管道中粉末自由分散的空間有限，即當(dāng)MCG-SA（wSA=50%）的用量達(dá)到一定量時(shí)，會發(fā)生嚴(yán)重的團(tuán)聚和沉降，從而對爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的抑制效果與低含量時(shí)相同。因此，在預(yù)防瓦斯爆炸的過程中，選擇低含量的抑制劑，可以達(dá)到相同的抑制效果，節(jié)約成本。

3機(jī)理分析

綜上分析，MCG-SA復(fù)合粉體的抑制作用包括吸熱效應(yīng)、屏障效應(yīng)、吸附和消耗自由基等，其對甲烷爆炸的整體抑制機(jī)理如圖16所示。

在甲烷爆炸中，由于火焰沖擊波的作用，MCG-SA復(fù)合粉體破裂成小顆粒。SA會從MCG表面脫離，依次發(fā)生酯化反應(yīng)和脫羧反應(yīng)，熱分解分別生成H2O、OH?、CO2和COOH?，CO2和H2O通過稀釋反應(yīng)物的濃度和吸收大量熱量分別達(dá)到窒息和冷卻滅火的效果[36]。由于羥基本身可以形成自由基參與反應(yīng)[37-38]，羧基可以被氧化從而釋放出活性自由基[39]并參與下一步的反應(yīng)。因此，上述反應(yīng)產(chǎn)生或未參與反應(yīng)的羥基和羧基可以消耗關(guān)鍵自由基使其數(shù)量急劇減少，導(dǎo)致爆炸連鎖反應(yīng)中斷[40]。此外，SA和MCG分解產(chǎn)物中的堿金屬離子（Na+、K+等）以及SA的碳化產(chǎn)物通過氧化反應(yīng)最終分解生成的Na2O會與甲烷爆炸產(chǎn)生的OH?和H?等自由基發(fā)生反應(yīng)，可以中斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，起到化學(xué)抑制的作用[41-42]。

MCG作為一種表面粗糙的微孔材料，具有較大的比表面積和優(yōu)異的吸附性能，不僅能夠吸收大量熱量，還能物理吸附爆炸反應(yīng)中的關(guān)鍵自由基，減少自由基的碰撞[43]。同時(shí)，MCG的主要成分為鋁、鎂、鐵的金屬氫氧化物以及SiO2。爆炸過程中，這些金屬氫氧化物在高溫下能分解釋放出結(jié)晶水，不僅可以吸收大量熱量，還能夠稀釋反應(yīng)管內(nèi)的氧氣，起到冷卻和窒息的作用。而SiO2可以通過物理吸熱來達(dá)到抑制爆炸的效果。

4結(jié)論

探究了MCG、SA及其復(fù)合粉體在不同質(zhì)量、不同負(fù)載量條件下對甲烷爆炸的抑制性能，以9.5%純甲烷-空氣爆炸為對照組，另外設(shè)計(jì)了35組不同工況下的實(shí)驗(yàn)，通過分析火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒒鹧媲岸宋恢?、爆炸超壓等參?shù)，得到以下主要結(jié)論。

（1）采用MCT成功制備了MCG-SA復(fù)合粉體。通過SEM分析，可以清楚地觀察到粉體呈不規(guī)則顆粒堆積，微孔裂隙較多，表面粗糙，團(tuán)聚效果明顯減弱。XRD分析結(jié)果顯示，復(fù)合粉體中存在SA和MCG的特征峰，證明兩者的復(fù)配是成功的。從熱重分析可以看出，復(fù)合粉體兼具M(jìn)CG和SA的熱失重特征，熱分解的質(zhì)量損失高達(dá)67.02%，具備優(yōu)異的吸熱性能。

（2）實(shí)驗(yàn)選用的MCG和SA單一組分粉體對甲烷爆炸均有較好的抑制作用，而復(fù)合粉體的抑爆效果明顯優(yōu)于單一組分，兩者之間存在協(xié)同抑制的效果。

（3）在本次實(shí)驗(yàn)的36組工況中，相較于其他工況，250mg、wSA=50%的MCG-SA復(fù)合粉體均能有效抑制甲烷爆炸，其pmax、vmax較無粉體實(shí)驗(yàn)組分別下降36.72%和68.93%，tp，max、tf，max分別延遲243.36%和171.33%。因此，可以推斷MCG-SA復(fù)合粉體的最佳噴粉質(zhì)量為250mg，SA的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%。

（4）結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了MCG-SA復(fù)合粉體的抑爆機(jī)理。MCG-SA對甲烷爆炸的協(xié)同抑制主要體現(xiàn)為自由基的吸附和消耗、吸熱和屏障效應(yīng)，具備物理、化學(xué)協(xié)同抑制的效果。

（5）MCG-SA對甲烷爆炸具有良好的抑制效果，對后續(xù)相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)具有一定的參考意義。