余明高,孔 杰,王 燕,鄭 凱,鄭立剛

(1.河南理工大學安全科學與工程學院,河南焦作 454003;2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地,河南焦作 454003)

改性赤泥粉體抑制瓦斯爆炸的實驗研究

余明高1,2,孔 杰1,2,王 燕1,2,鄭 凱1,2,鄭立剛1,2

(1.河南理工大學安全科學與工程學院,河南焦作 454003;2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地,河南焦作 454003)

為了研制經濟且高效的抑爆劑,以拜耳法赤泥為原料,經過脫堿、改性處理后得到具有較高比表面積(255 m2/g)的超細改性赤泥粉體材料。利用自制瓦斯抑爆實驗系統(tǒng),研究了改性赤泥粉體的抑爆性能。研究結果表明:經過改性的赤泥粉體在瓦斯抑爆實驗中表現(xiàn)出良好的抑爆效果。其中,質量濃度為0.15 g/L的赤泥粉體可使甲烷體積分數(shù)為9.5%的甲烷-空氣預混氣體的爆炸最大壓力降低30%,壓力峰值出現(xiàn)時間延遲35.1%左右。結合熱分析、氮氣吸附-脫附等測試結果,對改性赤泥粉體的抑爆機理進行了討論,分析表明改性赤泥具有較高的吸熱性,同時具有較高的比表面積,能夠有效吸附爆炸中產生的活性自基,從而達到抑爆的目的。

赤泥;改性;抑爆;自由基

瓦斯爆炸具有很強的破壞性,是礦井生產的重大災害之一,嚴重制約礦井安全生產和發(fā)展。近年來,國內外許多專家學者致力于瓦斯抑爆的研究,并取得了一定的進展。粉體材料以其性能優(yōu)良、儲運方便、無毒害等特點在瓦斯抑爆領域得到一定程度的應用。SiO2,CaCO3,NH4H2PO4,KHCO3,Al(OH)3,尿素,硅藻土等都具有不同程度的抑爆效果[1-6]。通過對不同粉體的抑爆性能和抑爆機理研究表明:惰性粉體熱分解溫度越低,分解吸熱量越大,其抑爆效果越好;同時,抑爆粉體遇高溫分解產生的基團,消耗自由基的能力越強,其阻斷爆炸反應鏈的作用越明顯,抑爆效果就越好。超細粉體以其表現(xiàn)出的特殊性質,如小尺寸效應、表面效應、量子化效應等,在瓦斯抑爆研究領域越來越受關注。Laffitte和Bouchet[7], K.Cybulskii[8],蔡周全等[9]、羅振敏等[10]、謝波和范寶春[11]、秦澗等[12]研究發(fā)現(xiàn):質量濃度相同的同種粉體,粉體的粒徑越小,其抑爆性能越好。達到同等抑爆效果所需的抑爆材料越少。粉體粒徑減小,比表面積增大,表面吸附氣體分子和燃燒產生的自由基的能力增強,從而表現(xiàn)出更好的抑爆效果。然而,目前研究較多的超細粉體抑爆材料生產成本較高,不利于煤礦井下的大規(guī)模推廣應用。因此,研究開發(fā)成本低廉、簡便易得、性能優(yōu)良的新型超細抑爆粉體材料,具有更好的應用前景。

赤泥是在鋁土礦提煉氧化鋁的過程中產生的廢料,具有強堿性,平均每生產1 t氧化鋁要排放1～2 t的赤泥,我國氧化鋁廠大都采用露天筑壩堆積的儲存方式,不僅造成土地資源、有價元素的浪費,還對環(huán)境、生態(tài)造成較大的危害。因此,提高赤泥的高附加值利用率,開發(fā)赤泥廢料無害化、資源化技術,已成為國內外氧化鋁產業(yè)界面臨的重大問題。研究測試分析表明,赤泥的主要成分為SiO2,Fe2O3,Al2O3,CaO等,經過脫堿、膠凝等工藝處理后,粒度分布在幾十納米至幾十微米之間,且具有較大的比表面積和豐富的孔隙結構。目前,赤泥多被研究作為吸附材料治理污水和廢氣,或作為催化劑載體材料[13-15]。周福寶和王德明[16]將赤泥作為惰性材料應用到煤礦防滅火,通過基料、促凝劑、赤泥按一定比例混合形成復合滅火凝膠。該凝膠具有強度高、能夠滯留在工作面頂部較高的發(fā)火部位、含水量大、成本較低等優(yōu)點。但是,關于赤泥粉體的瓦斯抑爆性能研究鮮有報道。

筆者以拜耳法赤泥為原料,經過脫堿、改性處理后得到具有高比表面積和孔隙率的超細粉體材料。利用自制瓦斯抑爆實驗系統(tǒng),系統(tǒng)研究改性赤泥粉體的抑爆性能。并結合熱分析、氮氣吸附-脫附等測試結果,對改性赤泥粉體的抑爆機理進行了討論分析。

1 實驗部分

1.1 赤泥的改性處理過程

實驗中所用的拜耳法赤泥由河南中美鋁業(yè)公司提供,其化學組分見表1。

表1 拜耳法赤泥的化學組分Table 1 Chem ical com position of red m ud from Bayer process

實驗所用鹽酸、氨水、乙醇、等試劑均為分析純試劑。赤泥改性處理主要包括以下幾個步驟:

(1)脫堿:稱取赤泥(RM)粉體25 g,分散到100 mL的蒸餾水中,緩慢加入6mol/L的稀鹽酸溶液150 mL,85℃恒溫攪拌2 h,使得金屬氧化物和OH-等與鹽酸充分反應,生成金屬鹽溶液。

(2)沉淀和膠凝過程:反應液冷卻至室溫,緩慢滴入氨水至pH值為7.8。堿性環(huán)境下Fe3+,Al3+形成Fe(OH)3和Al(OH)3小顆粒,一定條件下縮水凝結形成膠?；蚰z粒子。

(3)陳化過程:加入150mL乙醇,50℃恒溫攪拌0.5 h,靜止24 h,使沉淀完全析出。

(4)洗滌、過濾、干燥和研磨:抽濾過程中使用蒸餾水反復洗滌,將沉淀中的雜質離子,如Cl-,Na+, NH4+,Ca2+等除去,經過干燥、研磨后得到改性赤泥(MAM)材料。

1.2 材料表征

通過TENSOR 37紅外光譜儀產生的紅外光譜圖(IR)分析改性赤泥中主要基團;利用JSM-6380LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析其微觀結構;使用AsiQM0000-3型N2吸附儀,考察改性赤泥孔隙率和比表面積大小;采用STA449C同步熱分析儀,得到赤泥粉體的熱解失重曲線(TG)和差式掃描曲線(DSC),研究改性赤泥粉體的熱解參數(shù)。

1.3 抑爆實驗

本文使用的實驗平臺主要由瓦斯爆炸管道、反應觸發(fā)控制系統(tǒng)、高速攝錄系統(tǒng)、光電和壓力信號采集系統(tǒng)、甲烷-空氣預混配氣充氣系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)等6部分構成,如圖1所示。

圖1 瓦斯抑爆實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of gas explosion suppression

瓦斯爆炸管道為透明有機玻璃管,管道腔體截面為150 mm×150 mm,長500 mm,有效容積為1.125 L。管道點火端封閉,腔體內設有6塊金屬障礙物,尺寸為150 mm×37.5 mm×10 mm。管道另一端由聚乙烯薄膜密封,爆炸時薄膜破裂泄壓。

高速攝像系統(tǒng)由德國生產的Lab vision Super高速攝影儀、攝像儀控制器和電腦主機組成,實驗時調節(jié)其采集時間為2.046 s,采集速率為2 000 ftp/s,采集量為4 092張,圖片曝光時間為1/2 000 s,能清晰表現(xiàn)爆炸過程中火焰形狀、顏色的變化。

光電壓力信號采集系統(tǒng)主要由紅外光電傳感器,壓力傳感器和數(shù)據采集卡組成,壓力傳感器型號為MD-HF,量程為-0.1～0.1 MPa,安裝在管道的閉口端,距離點火頭20 mm處,光電傳感器安置在管道外能直接采集點火器電火花的位置,作為點火起始時刻的標準。壓力傳感器和光電傳感器的采集頻率均為15 kHz。

實驗配氣時以空氣壓縮機和甲烷高壓鋼瓶為氣體動力輸出源,由電子流量計調節(jié)甲烷與空氣流量分別為0.475 L/min與4.525 L/min,得到甲烷體積分數(shù)為9.5%的預混氣體。充氣時采用排氣法,向實驗管道內通入4倍管道容積的甲烷-空氣預混氣體,以排出原有空氣[17]。

噴粉系統(tǒng)主要由高壓儲氣罐、儲粉噴頭、電磁閥等構成,由直流電源開關控制電磁閥開啟,利用儲氣罐內的高壓氣體將噴頭內的粉體噴出,分散的粉體自由沉降充滿整個爆炸管道。

觸發(fā)系統(tǒng)主要由自制高頻脈沖點火器、6 V穩(wěn)壓直流電源和觸發(fā)開關組成。

首先,按照一定比例充入預混氣體,接著啟動噴粉裝置,均勻噴射抑爆粉體,待粉體自由沉降3 s后,由延遲開關觸發(fā)點火系統(tǒng)引爆反應氣體。通過高速攝像儀拍攝爆炸火焰?zhèn)鞑サ膭討B(tài)過程,同時采集光電信號和壓力信號。

2 實驗結果與分析

2.1 改性赤泥粉體的表征分析

通過TENSOR37紅外光譜儀分析測試改性赤泥的化學成分和化學基團,得到的紅外光譜如圖2所示。由圖2中可以看出,紅外光譜曲線分別在750, 1 030,3 435 cm-1處出現(xiàn)3個波峰。其中,位于3 435 cm-1的峰對應為羥基(—OH)的伸縮振動,MRM中位于1 030 cm-1處對應為Si—O鍵突出振動峰,位于750 cm-1處對應為針鐵礦(FeOOH)的振動峰。

圖2 改性赤泥(MRM)紅外光譜Fig.2 Infrared spectrum of MRM

利用STA449C同步熱分析儀測得改性赤泥的TG和DSC曲線,如圖3所示。由圖3中TG曲線可以看到,改性赤泥在112℃開始熱解失重,這是由于樣品中的金屬氫氧化物逐漸失去結晶水造成的。溫度達到600℃以后質量基本不再發(fā)生變化,說明此時樣品已經完全轉化為性質較穩(wěn)定的金屬氧化物,最終失重率為40%左右。通過分析DSC曲線可發(fā)現(xiàn),改性赤泥的熱解為吸熱過程,其粉體樣品吸熱量約為1 227 J/g,DSC峰值溫度為307℃。綜合熱分析結果表明:改性赤泥熱解溫度低,熱解過程中需要吸收大量的熱,熱解產物性質穩(wěn)定。結合赤泥化學組分表(表1)、紅外光譜震動波峰的位置以及TG和DSC隨溫度的變化曲線,可以發(fā)現(xiàn)經過酸中和、膠凝、洗滌等處理工藝,赤泥的主要成分由SiO2,Fe2O3和Al2O3等,變?yōu)镾iO2及Fe,Al等金屬氫氧化物。

利用電子掃描顯微鏡,對改性赤泥微粒的表面結構形態(tài)表征分析。掃描電鏡照片如圖4所示。從圖4可看出改性赤泥微粒是由50～100 nm的顆粒堆疊而成,形成不規(guī)則的納米縫隙,這種獨特的多孔架空結構,是在赤泥改性處理過程中,由Al(OH)3和Fe(OH)3等金屬氫氧化物成膠、析出的晶粒堆疊形成的。

圖3 改性赤泥熱重、差示掃描量熱分析曲線Fig.3 TG and DSC curves of MRM

圖4 改性赤泥掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM photograph of MRM

圖5為赤泥(a)和改性赤泥(b)的氮氣等溫吸附-脫附曲線。圖5(a)所示赤泥的吸附等溫線為Ⅲ型,表明赤泥顆粒中孔隙較少,赤泥與被吸附分子(N2)之間的作用力較弱,而被吸附分子之間的作用力相對更強。圖5(b)中改性赤泥的吸附-脫附等溫線為Ⅳ型,并且在P/P0=0.5～1.0(P為N2分壓, P0為液氮溫度下N2的飽和蒸汽壓)范圍內出現(xiàn)一個明顯的滯后環(huán)。表明改性赤泥對被吸附分子的吸附作用較強,吸附-脫附實驗中發(fā)生毛細凝聚現(xiàn)象。該結果說明改性赤泥內部具有豐富的孔隙結構,這與樣品的掃描電鏡照片觀察到的結果相符合。由多點Brunauer-Emmett-Teller(BET)法計算所得,改性赤泥具有較高的比表面積,為255 m2/g,相比未處理赤泥(RM)的比表面積(56 m2/g)顯著增加。

圖5 赤泥和改性赤泥氮氣吸附-脫附實驗結果Fig.5 Results of N2adsorption-desorption of RM and MRM

2.2 改性赤泥的抑爆性能

為了盡可能地減小實驗誤差,筆者選取當量濃度即甲烷體積分數(shù)為9.5%的甲烷-空氣預混氣體作為爆炸體系,利用自主搭建的爆炸實驗平臺,分別測試了MRM質量濃度分別為0.02,0.05,0.10,0.15, 0.20 g/L下瓦斯爆炸壓力參數(shù)的變化規(guī)律,具體結果見表2。結果發(fā)現(xiàn):隨著粉體質量濃度的增加,爆炸壓力的峰值逐漸降低。在MRM質量濃度為0.15 g/L時,對比無粉體作用下的爆炸最大壓力值下降幅度最大,達到3 464 Pa,降幅為30%左右。在MRM質量濃度為0.20 g/L時,壓力峰值出現(xiàn)時間延遲最長,達到4.7 ms,延遲率達35.10%。同時,筆者也對比測試了未處理赤泥的抑爆性能。

表2 不同濃度改性赤泥的抑爆效果Table 2 Effectiveness of exp losion suppression of MRM w ith different concentration

圖6為在無粉體、RM質量濃度為0.15 g/L和MRM質量濃度為0.15 g/L和0.20 g/L四種情況下的爆炸壓力變化情況。結果表明:添加抑爆粉體后爆炸壓力上升速率變慢,且爆炸壓力峰值時間出現(xiàn)較大幅度的延遲。添加質量濃度為0.15 g/L和0.20 g/L的MRM粉體時爆炸壓力峰值下降較為明顯,而添加質量濃度為0.15 g/L的RM粉體時,對爆炸壓力最大值也有一定的降低作用,但相比相同質量濃度下的MRM而言抑爆效果較差。這主要是由于:①改性赤泥的主要成分由金屬氧化物轉化為氫氧化物,其分解吸熱能力增強;②改性處理后的赤泥粒徑減小,比表面積顯著增加,與甲烷爆炸產生的自由基的結合能力增強。結合圖6和表2可以看出,瓦斯爆炸時使用MRM粉體進行抑爆可有效降低爆炸壓力,減小升壓速率,延長壓力峰值出現(xiàn)時間,說明改性赤泥粉體對瓦斯爆炸具有良好的抑制作用。

圖6 質量濃度為0.15 g/L和0.20 g/L的改性赤泥和質量濃度為0.15 g/L的原始赤泥對爆炸壓力的影響Fig.6 The explosion pressure of MRM at the concentration of0.15 g/L and 0.20 g/L and RM at the concentration of 0.15 g/L

圖7為高速攝像儀所記錄的無粉體時、RM粉體質量濃度為0.15 g/L和MRM粉體質量濃度為0.15 g/L三種工況下的甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ卣髡掌?所取照片時間間隔為3 ms。對比A,B,C三圖發(fā)現(xiàn):在18 ms前,3種工況下的火焰?zhèn)鞑テ椒€(wěn)、速度緩慢,沒有表現(xiàn)出明顯區(qū)別。18 ms后火焰?zhèn)鞑コ霈F(xiàn)明顯加速,傳播速度產生突變,同一時刻A和B中火焰鋒面?zhèn)鞑ゾ嚯x相對C明顯變大。說明18 ms后爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣?、加速度在改性赤泥粉體的抑制作用下明顯減小。因此,改性赤泥粉體對瓦斯爆炸傳播和發(fā)展具有一定的抑制作用。瓦斯爆炸時減小爆炸火焰的傳播速度,可以減緩事故破壞規(guī)模的擴大和發(fā)展,對井下工作人員撤離和及時采取有效控爆措施具有重大意義。

2.3 改性赤泥粉體的抑爆機理分析

圖7 赤泥和改性赤泥對爆炸火焰的影響Fig.7 The effect of red mud and modified red mud on explosion flameA—無粉體作用時爆炸火焰?zhèn)鞑D片;B—原始赤泥粉體(0.15 g/L)時火焰?zhèn)鞑D片;C—改性赤泥(0.15 g/L)時火焰?zhèn)鞑D片

瓦斯爆炸必須同時滿足3個基本條件:①瓦斯體積分數(shù)處于爆炸界限內(5%～16%);②有足夠引爆瓦斯的點火能;③氧氣體積分數(shù)大于12%。另外,甲烷爆炸過程實際上是由多個基元反應組合而成的支鏈型鏈式反應過程。因此,破壞瓦斯體積分數(shù)、氧氣體積分數(shù)、熱量和反應鏈等4個條件中的一個或多個才能達到對爆炸的抑制作用。固體粉體微粒的抑爆機理主要表現(xiàn)為:固體微粒在爆炸高溫環(huán)境中升溫吸熱和粉體高溫分解或汽化吸熱,降低系統(tǒng)溫度;固體微粒和活性物質反應產生惰性氣體稀釋易爆氣體和氧氣的濃度;通過化學反應吸收消耗活性自由基,阻斷反應鏈等。未處理赤泥主要通過自身升溫吸熱和碰撞銷毀自由基阻斷反應鏈的化學效應降低爆炸威力,其抑爆效果不能達到理想要求。

經過改性處理的赤泥粉體,其組分有所變化,原有鋁、鐵等金屬氧化物變成金屬氫氧化物。經對改性赤泥的熱分析結果(圖3)證明:Al(OH)3在溫度為230～370℃分解失去結構水生成一水軟石(Al2O3· H2O),560℃以后熱解過程結束,生成Al2O3和H2O, Fe(OH)3在溫度達到600℃前完全脫水生成Fe2O3。因此,當MRM被噴入爆炸火焰溫度高達2 000℃的高溫環(huán)境時,金屬氫氧化物迅速分解,粉體內結晶水瞬間升華為氣態(tài)水,化學方程式如下:

整個過程中改性赤泥粉體從爆炸火焰中吸收大量的熱,有效地減少熱量的集聚,降低環(huán)境溫度。赤泥受熱脫水后剩余物質的主要成分為SiO2和金屬氧化物。SiO2和金屬氧化物的性質穩(wěn)定,在瓦斯爆炸環(huán)境中不會參與其他反應,以惰性物質的形式存在。

另外,由掃描電鏡圖片(圖4)和氮氣吸附-脫附實驗結果(圖5)可看出,改性赤泥粉體顆粒表面布滿狹小縫隙和突起,且內部具有多微孔結構。這種多孔隙結構對爆炸反應鏈傳遞有較好的抑制作用,其作用機理是在狹小空間內活性自由基受“冷壁效應”的作用而消亡[18],降低系統(tǒng)自由基濃度,迫使爆炸反應鏈中斷,有效降低熱化學反應速率,達到抑制爆炸的作用。其次,改性后的赤泥粉體具有超大的比表面積,說明改性赤泥具有較強的表面能和吸附能力。瓦斯爆炸時產生大量活性自由基,爆炸系統(tǒng)內噴入赤泥粉體后,具有高表面活性的赤泥粉體迅速吸附附近的活性自由基,使其由游離態(tài)變成吸附態(tài)。吸附態(tài)的活性自由基在粉體表面繼續(xù)參與鏈式反應,其反應方程式為

吸附態(tài)自由基與游離態(tài)活性基團反應,放出的熱量被惰性壁吸收,減少爆炸環(huán)境熱量集聚,反應新生成的自由基受抑爆粉體表面吸附力的作用被捕獲成吸附態(tài)繼續(xù)參與鏈式反應。通過這種方式,系統(tǒng)中游離態(tài)自由基和活性基團不斷被轉化成吸附態(tài)或生成穩(wěn)態(tài)物質(CO2,H2O等),爆炸空間游離自由基和活性分子的濃度降低,使得反應物相遇碰撞的概率減小,熱化學反應速率降低,有效限制了爆炸的傳播和發(fā)展。

綜上所述,改性赤泥的化學組分使其具有較高的熱分解吸熱量,能夠有效降低爆炸系統(tǒng)的溫度;改性赤泥的多孔隙結構特點使其具有較高的比表面積,能夠有效吸附爆炸中產生的活性自由基。從而使瓦斯爆炸最大壓力和爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣却蠓档?。改性赤泥粉體材料對瓦斯爆炸具有一定程度抑制作用,具有重要的研究意義和良好的應用前景。

3 結 論

(1)對拜耳法赤泥進行改性處理后獲得超細粉體材料。通過紅外、熱分析、掃描電鏡和氮氣吸脫附等技術手段對改性赤泥進行表征分析,結果表明:該材料的主要成分為SiO2及Fe,Al等金屬的氫氧化物,并且具有較高的比表面積(255 m2/g)和多孔隙結構。

(2)改性赤泥粉體在實驗中表現(xiàn)出良好的抑爆效果。其中,在MRM質量濃度為0.15 g/L時,對比無粉體作用下的爆炸最大壓力值下降幅度最大,達到3 464 Pa,降幅為30%左右。在MRM質量濃度為0.20 g/L時,壓力峰值出現(xiàn)時間延遲最長,達到4.7 ms,延遲率達35.10%。與未處理赤泥相比,改性赤泥具有更為優(yōu)越的抑爆性能,具有良好的應用前景。

(3)結合改性赤泥熱解特性和結構特征,對改性赤泥的抑爆機理進行了探討分析。改性赤泥的化學組分使其具有較高的熱分解吸熱量,能夠有效降低爆炸系統(tǒng)的溫度;改性赤泥的多孔隙結構特點使其具有較高的比表面積,能夠有效吸附爆炸中產生的活性自由基。

(4)利用制鋁產業(yè)的廢料-赤泥為原料,通過改性處理應用到抑制礦井瓦斯爆炸中,開發(fā)抑制瓦斯爆炸的新材料,同時提出赤泥應用的新思路。在今后的深入研究中,可以通過改進赤泥的處理工藝,研究開發(fā)赤泥基復合抑爆材料等方式,優(yōu)化并提高赤泥的抑爆效應。

[1] Liu Qingming,Hu Yongli,Bai Chunhua.Methane/coal dust/air explosions and their suppression by solid particle suppressing agents in a large-scale experimental tube[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2013,26:310-316.

[2] Mikhail Krasnyansky.Prevention and suppression ofexplosions in gasair and dust-air mixtures using powder aerosol-inhibitor[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2006,19:729-735.

[3] Chen Zhihua,Fan Baochun,Jiang Xiaohai.Suppression effects of powder suppressants on the explosions of oxyhydrogen gas[J].Journal of Loss Prevention in Process Industries,2006,19:648-655.

[4] 文 虎,曹 瑋,王開闊,等.ABC干粉抑制瓦斯爆炸的實驗研究[J].中國安全生產科學技術,2011,7(6):9-12.

Wen Hu,CaoWei,Wang Kaikuo,et al.Experimental study on ABC dry powder to repress gas explosion[J].Journal of Safety Science and Technology,2011,7(6):9-12.

[5] 程方明,鄧 軍,羅振敏,等.硅藻土粉體抑制瓦斯爆炸的實驗研究[J].采礦與安全工程學報,2010,27(4):604-607.

Cheng Fangming,Deng Jun,Luo Zhenmin,et al.Experimental study on inhibiting gas explosion using diatomite powder[J].Journal of Mining&Safety Engineering,2010,27(4):604-607.

[6] 余明高,王天政,游 浩.粉體材料熱特性對瓦斯抑爆效果影響的研究[J].煤炭學報,2012,37(5):830-835.

Yu Minggao,Wang Tianzheng,You Hao.Study on gasexplosion suppression influence of thermal properties of powder[J].Journal of China Coal Society,2012,37(5):830-835.

[7] Laffitte P,Bouchet R.Suppression of explosion waves in gaseousmixtures bymeans of fine powders[J].Seventh Symposium(Intern.)on Combust,1959:504-508.

[8] Cybulski K.The tests on triggered barriers in cross-roads of mining galleries[J].Fuel and Energy Abstracts,1995,36(5):376.

[9] 蔡周全,張引合.干粉滅火劑粒度對抑爆性能的影響[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2001,28(4):14-16.

Cai Zhouquan,Zhang Yinhe.The influence of explosion suppression performance form the granularity of dry powder[J].Mining Safety&Environmental Protection,2001,28(4):14-16.

[10] 羅振敏,葛玲梅,鄧 軍,等.納米粉體對礦井瓦斯的抑制作用[J].湖南科技大學學報(自然科學版),2009,24(2):19-23.

Luo Zhenmin,Ge Lingmei,Deng Jun,etal.The suppression activity of nanoparticles to mine gas[J].Journal of Hunan University of Science and Technology,2009,24(2):19-23.

[11] 謝 波,范寶春.大型管道中主動式粉塵抑爆現(xiàn)象的實驗研究[J].煤炭學報,2006,31(1):54-57.

Xie Bo,Fan Baochun.Study on active explosion suppression by powder in large-scale duct[J].Journal of China Coal Society, 2006,31(1):54-57.

[12] 秦 澗,譚迎新,王志青.管道內障礙物形狀對瓦斯爆炸影響的實驗研究[J].煤炭科學技術,2012,40(2):60-62.

Qin Jian,Tan Yingxin,Wang Zhiqing.Experiment study on obstacle shape in pipeline affected to gas explosion[J].Coal Science and Technology,2012,40(2):60-62.

[13] Paredes J R,Ordó?ez S,Vega A,et al.Catalytic combustion ofmethane over red mud-based catalysts[J].Applied Catalysis B:Environmental,2004,47:37-45.

[14] Mastral A,Mayoral C,Izquierdo M,et al.Iron catalyzed hydrogenation of high sulphur content coals[J].Fuel Processing Technology, 1993,36:177-184.

[15] Khalafalla S,Haas L.The role ofmetallic component in the iron-alumina bifunctional catalyst for reduction of SO2with CO[J].Journal of Catalysis,1972,24:121-129.

[16] 周福寶,王德明.含氮氣三相泡沫惰化火區(qū)的機理及應用研究[J].煤炭學報,2005,30(4):443-446.

Zhou Fubao,Wang Deming.Inerting mechanism of three-phase foam containing nitrogen and its application to underground fire zone[J].Journal of China Coal Society,2005,30(4):443-446.

[17] Ibrahim SS,Masri A R.The effects of obstructions on overpressure resulting from premixed flame deflagration[J].Journalof Loss Prevention in the Process Industries,2001,14(3):213-221.

[18] NiXiaomin,Kuang Kaiqian,Yang Donglei,et al.A new type of fire suppressant powder of NaHCO3/zeolite nanocomposites with coreshell structure[J].Fire Safety Journal,2009,44:968-975.

Experimental research on gas explosion suppression by modified red mud

YU Ming-gao1,2,KONG Jie1,2,WANG Yan1,2,ZHENG Kai1,2,ZHENG Li-gang1,2

(1.School ofSafety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China;2.State Key Laboratory Cultivation Bases Gas Geology and Gas Control(Henan Polytechnic University),Jiaozuo 454003,China)

In order to develop cheep and high-efficiency explosion suppression agent,the superfine red mud powders, with a high specific surface area(255 m2/g),were obtained after dealkalization andmodification from redmud in Bayer process.The gas explosion-suppression properties of the modified red mud powders were researched by self-designed experimental system.The results indicate that themodified red mud powders presents excellent gas explosionsuppression properties.Themaximum explosion pressure is decreased about30%,and the time of pressure peaks appeared is delayed about 35.1%,when the methane volume concentration 9.5%and the powders concentration is 0.15 g/L.Combined with the results of TG,DSC and N2adsorption-desorption ofmodified red mud,the explosionsuppression mechanism of themodified red mud powders were discussed.It indicates that superfine red mud powder has high properties of heat absorption and great specific surface area,which could effectively adsorb active free radial occuring from gas explosion and achieve the aim of explosion suppression.

red mud;modification;explosion suppression;free radical

煤礦科技規(guī)范名詞與廢棄名詞比對(12)

TD712.7

A

0253-9993(2014)07-1289-07

余明高,孔 杰,王 燕,等.改性赤泥粉體抑制瓦斯爆炸的實驗研究[J].煤炭學報,2014,39(7):1289-1295.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0847

Yu Minggao,Kong Jie,Wang Yan,et al.Experimental research on gas explosion suppression by modified red mud[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1289-1295.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0847

2013-07-01 責任編輯:畢永華

國家自然科學基金資助項目(50974055);河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地開放課題資助項目(WS2013B03)

余明高(1963—),男,四川瀘州人,教授,博士生導師,博士。E-mail:mgyu@hpu.edu.cn