孟祥豹，王俊峰，張延松，李志勇

（1. 山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590；2. 青島市生產(chǎn)安全火災(zāi)重大事故智能控制工程研究中心，山東 青島 266000；3. 山東科技大學(xué)公共安全研究院，山東 青島 266590；4. 山東能源集團(tuán)興隆莊煤礦，山東 濟(jì)寧 272102）

油頁巖是一種含可燃有機(jī)質(zhì)的沉積巖，可以直接作為燃料用來發(fā)電，也可以經(jīng)低溫干餾得到頁巖油[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球蘊(yùn)藏資源量約有10 萬億噸，比煤炭資源量多40%。我國(guó)油頁巖儲(chǔ)量在7 000 億噸以上，折算成頁巖油近500 億噸，有巨大的綜合開發(fā)利用價(jià)值[2-3]。油頁巖的開采方式主要同采煤一樣，開采到地面再進(jìn)行利用。油頁巖作為一種易燃固體，在開采、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和加工利用過程中，會(huì)伴有大量的懸浮粉塵產(chǎn)生，懸浮的油頁巖粉塵云一旦遇到足夠能量的點(diǎn)火源，很有可能引發(fā)災(zāi)難性的爆炸，這將會(huì)造成巨大的人員傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失[4-6]。美國(guó)職業(yè)安全與健康研究所(NIOSH)報(bào)道過油頁巖粉塵的爆炸風(fēng)險(xiǎn)[7]。因此，為了保障油頁巖資源的安全開發(fā)利用，對(duì)油頁巖粉塵爆炸防治的研究就顯得尤為重要。

目前，采用惰性粉體對(duì)可燃粉塵進(jìn)行惰化或抑制是防治粉塵爆炸的一種常用手段[8-9]。例如，煤礦通常在井下撒播巖粉，與產(chǎn)生的煤塵摻混形成不具爆炸性的混合粉塵，達(dá)到惰化煤塵的作用；或在巷道頂部架設(shè)巖粉棚，當(dāng)爆炸發(fā)生時(shí)可形成濃厚的巖粉帶，從而抑制爆炸火焰的傳播；或采用主動(dòng)噴粉抑爆裝置，在爆炸發(fā)生初期，迅速噴出惰性粉體來抑制爆炸火焰的傳播[10-11]。因此，惰性粉體的抑爆性能是抑爆設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，也是粉塵爆炸能否有效成功抑制的關(guān)鍵所在。對(duì)于油頁巖粉塵抑爆的研究，Hamdan等[12-13]采用Godbert-Greenwold 爐裝置和Hartmann 裝置研究了碳酸鈣、沙子和黏土3 種惰性粉體對(duì)油頁巖最低著火溫度（minimum igintion temperature, MIT）和爆炸下限濃度（minimum explosion concentration,MEC）的影響，發(fā)現(xiàn)惰化效果從優(yōu)到劣依次為碳酸鈣、沙子、黏土。Sweis[7]利用Hartmann 裝置對(duì)石灰石、石屑和粗粒徑油頁巖對(duì)油頁巖的爆炸下限濃度（MEC）的影響進(jìn)行了研究，惰化效果從優(yōu)到劣依次為石灰石、石屑、粗粒徑油頁巖。然而，目前對(duì)于油頁巖粉塵爆炸抑制的研究還不足，對(duì)惰性粉體抑制油頁巖粉塵爆炸的性能和作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)不夠充分。文獻(xiàn)[14-16]表明，油頁巖粉塵相對(duì)于煤塵，更容易被點(diǎn)燃，有更快的爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣龋╲f）和更高的最大爆炸壓力上升速率（(dp/dt)max），其爆炸機(jī)理也存在差異。因此，也不能簡(jiǎn)單地將煤塵抑爆研究成果應(yīng)用于油頁巖粉塵的抑爆設(shè)計(jì)，關(guān)于惰性粉體對(duì)油頁巖粉塵的抑爆性能和作用機(jī)理的研究有必要進(jìn)一步完善，掌握惰性粉體的抑爆性能和作用是有效抑制油頁巖粉塵爆炸的基礎(chǔ)和關(guān)鍵所在。

鑒于此，本文將通過對(duì)爆炸火焰長(zhǎng)度、最低惰化比和火焰形態(tài)結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合惰性粉體的TGDTG-DSC（thermogravimetric analysis-differential thermogravimetric analysis-differential scanning calorimeter）熱特性曲線，系統(tǒng)研究惰性粉體對(duì)油頁巖粉塵爆炸火焰的抑制性能和作用機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

本文采用粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑y(cè)試系統(tǒng)開展惰性粉體對(duì)油頁巖粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种茖?shí)驗(yàn)。如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由粉塵云生成系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、火焰?zhèn)鞑ス艿篮统龎m系統(tǒng)4 部分組成。粉塵云生成系統(tǒng)主要包括空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、電磁閥、壓力表和樣品管；點(diǎn)火系統(tǒng)主要包括加熱溫度高達(dá)1 100 ℃的鉑絲加熱器和自動(dòng)控溫裝置，鉑絲加熱器位于距離管道右端（噴粉端）400 mm 的位置；火焰?zhèn)鞑ス艿朗莾?nèi)徑為80 mm、總長(zhǎng)為1 400 mm 的透明耐高溫石英玻璃管，為避免封閉管道導(dǎo)致火焰從點(diǎn)火端向兩側(cè)傳播存在速度差，將管道左端進(jìn)行了開口改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了管道兩端開口；除塵系統(tǒng)主要包括除塵箱和吸塵器。

圖1 粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑y(cè)試系統(tǒng)Fig. 1 Dust explosion flame propagation test system

抑爆實(shí)驗(yàn)是在油頁巖粉塵的最佳爆炸濃度下進(jìn)行的，我們先前研究得到了油頁巖粉塵的最佳爆炸濃度約為1 000 g/m3[14]。本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所形成的粉塵云是在點(diǎn)火位置兩側(cè)，長(zhǎng)度約200 mm，體積約為1 L，因此采用1 g 油頁巖粉塵可形成質(zhì)量濃度約為1 000 g/m3的粉塵云。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將干燥后的1 g 油頁巖粉塵與一定質(zhì)量比的惰性粉體充分混合均勻，裝入樣品管中。然后，啟動(dòng)自動(dòng)控溫裝置，使鉑絲加熱器升溫至(1 000±1) ℃，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)使儲(chǔ)氣罐加壓至0.5 MPa。最后，按下電磁閥的啟動(dòng)按鈕，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的高壓空氣將樣品管中的粉塵樣品擴(kuò)散至玻璃管道內(nèi)，形成懸浮粉塵云。同時(shí)，利用高速攝影機(jī)（拍攝速度為1 000 Hz）記錄粉塵云在高溫鉑絲作用下的爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程。每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，啟動(dòng)吸塵器將爆炸煙氣和殘留物吸入除塵箱內(nèi)。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，同一實(shí)驗(yàn)重復(fù)5 次。在抑制實(shí)驗(yàn)中，逐漸增加惰性粉體的質(zhì)量比，直至混合粉塵在5 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中均不出現(xiàn)火焰，此時(shí)，該混合粉塵中的惰性粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)即為抑制粉塵爆炸所需最低惰化比。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及表征

本研究選取了兩個(gè)不同地區(qū)的油頁巖，分別為龍口油頁巖（Longkou oil shale, LKOS）和樺甸油頁巖（Huadian oil shale, HDOS）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)兩種油頁巖樣品進(jìn)行了粉碎篩分，并采用Mastersizer 2000 激光粒度分析儀對(duì)過篩后的粉塵樣品的粒徑分布情況進(jìn)行測(cè)定。為防止粒度差異對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響，選取了粒度相同的兩種油頁巖。圖2 給出了兩種油頁巖的粒度分布情況（D[3,2]為表面積平均粒徑；D[4,3]為體積平均粒徑；D10、D50和D90分別為樣品的累計(jì)粒度分布體積百分?jǐn)?shù)達(dá)到10%、50%和90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑，其中D50也稱為中位粒徑），從圖中可見，HDOS、LKOS 中位粒徑（D50）分別為15.45 μm 和14.78 μm。

圖2 油頁巖粉塵粒徑分布Fig. 2 Particle size distribution of oil shale dust

實(shí)驗(yàn)前將兩種油頁巖粉塵在真空干燥箱中于50 ℃下干燥12 h，以去除水分。利用WSG818 全自動(dòng)工業(yè)分析儀對(duì)干燥后的兩種油頁巖粉塵樣品分別進(jìn)行了工業(yè)分析。如表1 所示，油頁巖的灰分（Aad）含量很高，這是由于油頁巖是以沉積巖為載體的，其中含有大量的礦物質(zhì)成分；油頁巖的揮發(fā)分（Vad）含量很高，而固定碳（FCad）含量較少，這表明油頁巖中有機(jī)質(zhì)主要以輕質(zhì)揮發(fā)分為主；LKOS 的Vad和FCad含量均高于HDOS，HDOS 則含有更多的Aad，這表明LKOS 含有更多的可燃有機(jī)質(zhì)成分。

表1 油頁巖樣品的工業(yè)分析結(jié)果Table 1 Proximate analyses of the oil shale sample

本文選取ABC 干粉、巖粉、NaHCO3、Mg(OH)2和Al(OH)3等5 種典型惰性粉體作為抑爆材料。ABC 干粉購(gòu)于浙江援邦消防科技有限公司，有效成分為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的NH4HPO4和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的 (NH4)2SO4。巖粉則采用石灰?guī)r為原料，主要成分為CaCO3。NaHCO3、Mg(OH)2和Al(OH)3均購(gòu)于天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司，純度不低于99.5%（分析純）。5 種惰性粉體均為粒度相接近的微米級(jí)粉塵，在使用前均使用200 目金屬絲篩網(wǎng)進(jìn)行過篩，除去較大顆粒，并利用真空干燥箱進(jìn)行干燥處理。為避免粒度差異對(duì)抑爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，對(duì)五種惰性粉體的粒度分布也進(jìn)行了測(cè)定，表2 中給出了惰性粉體的統(tǒng)計(jì)粒徑結(jié)果，可以看出5 種惰性粉體的粒度分布差異很小，可以忽略粒度差異的影響。

表2 惰性粉體的統(tǒng)計(jì)粒徑Table 2 Statistical results of inert powder diameters

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 惰性粉體對(duì)火焰?zhèn)鞑ラL(zhǎng)度的影響

在粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑y(cè)試系統(tǒng)中，開展了5 種惰性粉體抑制兩種油頁巖粉塵爆炸火焰的實(shí)驗(yàn)，利用高速攝影記錄了火焰?zhèn)鞑ヒ种七^程。圖3 和圖4 中分別給出了由高速攝影捕捉到的惰性粉體對(duì)HDOS 和LKOS 爆炸火焰抑制圖像。

從圖3(a)和4(a)中可以看出，當(dāng)不添加惰性粉體時(shí)，油頁巖粉塵在接觸到加熱鉑絲的瞬間，爆炸火焰在管道中迅速傳播至管道口邊緣，達(dá)到火焰最大長(zhǎng)度，HDOS 和LKOS 的火焰總長(zhǎng)度均達(dá)到了900 mm左右，說明兩種油頁巖均具有很強(qiáng)的爆炸性。由于LKOS 的Vad含量明顯更高、FCad含量略高、Aad含量相對(duì)較低等原因，使得LKOS 的燃燒火焰更加明亮和劇烈。通過圖3 和圖4 可以清晰地看出，ABC 干粉對(duì)兩種油頁巖爆炸火焰的抑制效果均最好。如圖3(b)所示，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% 的ABC 干粉后，HDOS 的最大火焰長(zhǎng)度為550 mm，縮短了近40%，抑制效果明顯。逐漸增加ABC 干粉的比例，HDOS 的最大火焰長(zhǎng)度明顯逐步縮短，如圖3(b)，當(dāng)ABC 干粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí)，不再出現(xiàn)任何火焰，即HDOS 被成功抑制。如圖3(c)、3(d)、3(e)和3(f)所示，而當(dāng)分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的巖粉、NaHCO3、Mg(OH)2和Al(OH)3時(shí)，HDOS 均未被成功抑制，其最大火焰長(zhǎng)度分別減少了43%、50%、64%和75%，這表明ABC 干粉的抑制性能明顯優(yōu)于其它惰性粉體。如圖3(c)、3(d)、3(e)和3(f)所示，當(dāng)巖粉、NaHCO3、Mg(OH)2和Al(OH)3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加到60%、50%、40%和35%時(shí)，HDOS 才被成功抑制。如圖4(b)～4(e)所示，當(dāng)添加10% 的ABC 干粉后，LKOS 的最大火焰長(zhǎng)度為825 mm，縮短了不到10%，但是最大長(zhǎng)度狀態(tài)下的火焰變得稀疏和離散，亮度也明顯變暗。逐漸增加ABC 干粉的比例，LKOS 的最大火焰長(zhǎng)度明顯遞減，當(dāng)ABC 干粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)到40%時(shí)（見圖4(e)），爆炸被成功抑制，比HDOS 的最低惰化比高了10%，這表明LKOS 相比HDOS 更難被抑制。如圖4(e)、4(h)、4(g)和4(l)所示，當(dāng)分別添加40%的巖粉、NaHCO3、Mg(OH)2和Al(OH)3時(shí)，LOOS 最大火焰長(zhǎng)度分別減少了22%、52%、74%和81%。如圖4(g)、4(h)、4(k)和4(m)所示、當(dāng)巖粉、NaHCO3、Mg(OH)2和Al(OH)3的添加量分別增加到80%、65%、50%和45%時(shí)，LKOS 才被成功抑制。

圖3 惰性粉體對(duì)HDOS 粉塵火焰的抑制圖像Fig. 3 Suppression images of inert powder on dust flame of HDOS

圖4 惰性粉體對(duì)LKOS 粉塵火焰的抑制圖像Fig. 4 Suppression images of inert powder on dust flame of LKOS

圖5 中給出了5 種惰性粉體對(duì)油頁巖粉塵的最低惰化質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較，可以明顯看出，5 種惰性粉體抑爆性能從優(yōu)到劣依次為：ABC 干粉、Al(OH)3、Mg(OH)2、NaHCO3、巖粉。且5 種惰性粉體對(duì)HDOS 的抑爆效果均強(qiáng)于對(duì)LKOS。

圖5 惰性粉塵對(duì)油頁巖粉塵的最低惰化比Fig. 5 Minimum inerting ratio of inert dust to oil shale dust

為了具體研究惰性粉體添加比對(duì)油頁巖爆炸火焰長(zhǎng)度的抑制影響規(guī)律，在圖6 中給出了惰性粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與火焰從點(diǎn)火位置向單側(cè)傳播長(zhǎng)度（取火焰長(zhǎng)度最長(zhǎng)的一側(cè)）的關(guān)系。如圖6 所示，隨著惰性粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，兩種油頁巖最大火焰長(zhǎng)度逐漸減小。值得注意的是，減小趨勢(shì)為先緩慢再快速最后再緩慢，直至火焰消失。這是因?yàn)椋?dāng)惰性粉體添加量較小時(shí)，不能夠有效阻止火焰向前傳播，當(dāng)添加到一定比例時(shí)，燃燒反應(yīng)熱釋放率減慢至燃燒反應(yīng)不能自持的溫度，此時(shí)會(huì)發(fā)生淬熄，使得火焰無法傳播，但只有再增加一定的惰性粉體時(shí)，才能徹底使得油頁巖粉塵不能夠被點(diǎn)燃，達(dá)到成功抑制的效果。但是，如圖6(a)所示，由于ABC 干粉和Al(OH)3具有良好的抑爆性能，僅添加10%時(shí)，HDOS 的火焰長(zhǎng)度就得到了有效減小，但由于LKOS 的強(qiáng)爆炸性，其火焰長(zhǎng)度未得到有效降低，如圖6(b)中所示。因此，當(dāng)惰性粉體添加比較小時(shí)，很難有效阻止油頁巖粉塵爆炸火焰的傳播發(fā)展，當(dāng)增加到一定比例時(shí)，可以有效阻止火焰的自持燃燒發(fā)展，但仍然具有一定的爆炸危險(xiǎn)性，只有添加至最低惰化濃度時(shí)，才能使得油頁巖粉塵完全被抑制。

圖6 惰化比與油頁巖粉塵爆炸火焰長(zhǎng)度的關(guān)系Fig. 6 Relationship between inerting ratio and explosive flame length of oil shale dust

2.2 惰性粉體對(duì)傳播火焰形態(tài)和結(jié)構(gòu)的影響

為了研究惰性粉體對(duì)油頁巖粉塵爆炸傳播火焰形態(tài)和結(jié)構(gòu)的影響，取添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的惰性粉體時(shí)爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ种七^程中的圖像進(jìn)行分析。圖7 和圖8 分別為燃燒火焰從點(diǎn)火位置向一側(cè)傳播至約200 mm 時(shí)的火焰狀態(tài)。

圖7 HDOS 粉塵爆炸火焰結(jié)構(gòu)Fig. 7 Dust explosion flame structure of HDOS dust

圖7(a)顯示了不添加任何惰性粉體時(shí)HDOS 粉塵的火焰狀態(tài)，從圖中可以看出其傳播火焰形態(tài)較為飽滿、結(jié)構(gòu)較均勻、火焰明亮。圖8(a)顯示了不添加任何惰性粉體時(shí)LKOS 粉塵的火焰狀態(tài)，其傳播火焰形態(tài)結(jié)構(gòu)更加飽滿均勻、火焰更明亮。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的 ABC 干粉時(shí)（如圖7(b)和8(b)所示），油頁巖粉塵的燃燒火焰變得不規(guī)則，火焰變薄，并且出現(xiàn)了許多空腔，火焰前鋒變窄，火焰亮度明顯變暗，這說明ABC 干粉對(duì)火焰燃燒區(qū)揮發(fā)分的氣相燃燒反應(yīng)有很好的抑制作用。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的巖粉時(shí)（如圖7(c)和8(c)），燃燒火焰形態(tài)結(jié)構(gòu)較均勻，亮度有少許變暗，抑制效果不明顯。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaHCO3粉末時(shí)（如圖7(d)和8(d)所示），可以明顯看出，火焰前鋒變窄變?nèi)酰颁h后的燃燒火焰區(qū)無明顯變化，這說明NaHCO3對(duì)火焰前鋒有一定的抑制效果，但對(duì)前鋒后燃燒火焰區(qū)的影響不大。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的Mg(OH)2和Al(OH)3粉末（如圖7(e)、7(f)、8(b)和8(f)所示），燃燒火焰結(jié)構(gòu)變得不規(guī)則，火焰變薄，亮度變暗，火焰前鋒變窄，但不如ABC 干粉的抑制效果明顯。

圖8 LKOS 粉塵爆炸火焰結(jié)構(gòu)Fig. 8 Dust explosion flame structures of LKOS dust

2.3 惰性粉體的抑制作用分析

分析惰性粉體的熱分解特性是研究其抑制作用的重要手段[17-18]。本文利用熱重-差示掃描量熱聯(lián)用儀（Thermogravimetric analysis-differential scanning calorimeter, TG-DSC）分析了4 種惰性粉體的熱分解特性。實(shí)驗(yàn)升溫速率為10 ℃/min，升溫范圍是從室溫至800 ℃，實(shí)驗(yàn)氣氛為高純空氣、氣流速度為100 ml/min。圖9 中給出了惰性粉體的TG、DTG 和DSC 曲線與溫度的變化關(guān)系（TG 曲線：熱重曲線，在程序控制溫度下待測(cè)樣品的剩余質(zhì)量百分比與溫度的變化關(guān)系；DTG：微商熱重，TG 曲線求微分，即質(zhì)量變化率；DSC 曲線：在程序控制溫度下待測(cè)樣品的吸熱或放熱速率，單位為W/g）。

如圖9(a)所示，ABC 干粉的失重過程總共經(jīng)歷4 個(gè)階段。第1 階段是在室溫至120 ℃之間，失重率不到1%，為樣品中少量吸附水分的蒸發(fā)。第2 階段是在155～278 ℃之間，失重率為13.41%，主要為ABC干粉中的NH4H2PO4吸熱分解生成磷酸（H3PO4）和NH3（NH4H2PO4→H3PO4+NH3(g)），該階段DSC 曲線上出現(xiàn)明顯的吸熱峰，吸熱量為390.6 J/g。第3 階段是在278～530 ℃之間，失重率為22.26%，主要為H3PO4脫水分解為偏磷酸（HPO3）和H2O(g) （H3PO4→HPO3+H2O(g)）；同時(shí)ABC 干粉中的(NH4)2SO4也開始分解生成NH3、H2O(g)、SO2和N2（3(NH4)2SO4→4NH3(g)+6H2O(g)+3SO2(g)+N2(g)）；該階段DSC 曲線上有3 個(gè)小的吸熱峰，吸熱量分別為31.89、26.98 和12.37 J/g。第4 階段是在530～800 ℃之間，失重率為8.49%，主要為HPO3分解生成五氧化二磷（P2O5）和H2O(g)（2HPO3→P2O5+ H2O(g)）。ABC 干粉的總失重率為55.15%，總吸熱量為461.84 J/g。

如圖9(b)所示，NaHCO3粉末的熱穩(wěn)定性差，失重過程只有一個(gè)快速分解階段：當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃，NaHCO3就開始迅速分解生成Na2CO3、H2O(g)和CO2（2NaHCO3→Na2CO3+H2O(g)+CO2(g)）；當(dāng)溫度到達(dá)185 ℃時(shí)，NaHCO3完全分解，失重率為36.43%。DSC 曲線上有2 個(gè)明顯的吸熱峰，吸熱量分別為36.9 J/g和754.9 J/g，總共為791.8 J/g。

如圖9(c)所示，Mg(OH)2粉末的失重過程分2 個(gè)階段：第1 階段是在310～429 ℃之間，Mg(OH)2快速脫水分解生成MgO 和H2O(g) （Mg(OH)2→MgO+H2O(g)），失重率為20.41%，相對(duì)應(yīng)的DSC 曲線上出現(xiàn)明顯的吸熱峰，吸熱量為587.54 J/g；第2 階段是在429～711 ℃，Mg(OH)2緩慢脫水，失重率為9.81%。

如圖9(d)所示，Al(OH)3粉末的失重過程也分兩個(gè)階段。第一階段是在215～350 ℃之間，Al(OH)3快速脫水分解生成Al2O3和H2O(g) （2Al(OH)3→Al2O3+3H2O(g)），失重率為29.07%，相對(duì)應(yīng)的DSC 曲線上出現(xiàn)明顯的吸熱峰，吸熱量為1 151.45 J/g。第2 階段是在350～793 ℃之間，Al(OH)3緩慢脫水，失重率為4.26%。

圖9 惰性粉體的TG-DTG-DSC 曲線Fig. 9 TG-DTG-DSC curves of inert powders

惰性粉體對(duì)油頁巖粉塵爆炸的抑制過程涉及化學(xué)反應(yīng)、氣固兩相燃燒、熱分解、傳熱傳質(zhì)、吸熱隔熱等復(fù)雜過程，但總的來說可以概括為兩類：物理抑制作用和化學(xué)抑制作用[19]。可燃粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程主要可以分為未燃區(qū)、預(yù)熱區(qū)、燃燒火焰區(qū)和火焰后區(qū)[20-21]，惰性粉體主要在預(yù)熱區(qū)和燃燒火焰區(qū)發(fā)揮抑制作用。為研究惰性粉體的抑制作用機(jī)理，本文建立了基于預(yù)熱區(qū)和燃燒火焰區(qū)的抑制機(jī)理物理模型，如圖10 所示，在預(yù)熱區(qū)，溫度達(dá)到油頁巖熱解溫度時(shí)，油頁巖顆粒開始熱解并析出揮發(fā)分。預(yù)熱區(qū)溫度達(dá)到惰性粉體顆粒的熱解溫度時(shí)，惰性粉體也開始吸熱分解，通過吸收預(yù)熱區(qū)熱量來降低預(yù)熱區(qū)溫度，減緩油頁巖顆粒的熱解。在燃燒火焰區(qū)，油頁巖析出的可燃揮發(fā)分發(fā)生氣相燃燒、油頁巖顆粒則繼續(xù)加速熱解并伴隨著表面異相燃燒反應(yīng)，燃燒過程釋放大量熱量。惰性粉體由于燃燒火焰的高溫，則會(huì)加速分解反應(yīng)過程，并通過吸收燃燒熱、降低火焰區(qū)溫度、減緩反應(yīng)速率等方式對(duì)油頁巖的燃燒進(jìn)行抑制；同時(shí)，惰性粉體分解產(chǎn)生的中間態(tài)自由基與燃燒反應(yīng)活性自由基相結(jié)合，消耗燃燒反應(yīng)自由基，從而終斷鏈反應(yīng)；分解H2O(g)、CO2等氣態(tài)產(chǎn)物能夠稀釋揮發(fā)分和氧氣濃度；分解固態(tài)產(chǎn)物可覆蓋在油頁巖顆粒表面來阻止表面燃燒反應(yīng)，并彌散在燃燒區(qū)空間中，達(dá)到隔熱作用。

圖10 惰性粉體抑制油頁巖粉塵爆炸火焰機(jī)理Fig. 10 Inhibition mechanism of inert powder on dust explosion flame in oil shale

巖粉的主要成分為CaCO3，其熱穩(wěn)定性很好，在800 ℃以上高溫時(shí)才會(huì)發(fā)生分解，生成CaO 和CO2。在爆炸瞬間，僅會(huì)有少部分巖粉發(fā)生吸熱分解，而主要抑制作用為物理隔熱，因此抑制性能最差，需要大量的CaCO3才能有效抑制油頁巖粉塵的爆炸。

NaHCO3粉末分解吸熱量較高，但其熱穩(wěn)定性差，溫度較低時(shí)就能快速分解，因此它在預(yù)熱區(qū)就容易完全分解，難以在燃燒火焰區(qū)發(fā)揮作用，它的主要抑制作用為吸熱降低預(yù)熱區(qū)溫度，減緩油頁巖的熱解脫揮發(fā)分過程，因此對(duì)火焰前鋒有一定的影響，對(duì)火焰區(qū)的影響較小，因此抑制性能也較差。

Mg(OH)2和Al(OH)3粉末的分解溫度在200～400 ℃，熱穩(wěn)定性相對(duì)較好，在預(yù)熱區(qū)會(huì)有少部分發(fā)生分解，大多數(shù)能夠穿過火焰前鋒進(jìn)入燃燒火焰區(qū)吸熱分解，主要抑制作用為吸收燃燒反應(yīng)所釋放的熱量、降低火焰溫度，生成的MgO 或Al2O3能夠有效隔熱和阻礙油頁巖顆粒的表面燃燒反應(yīng)，生成的H2O(g)還可以有效稀釋揮發(fā)分和氧氣濃度，因此抑制性能比較好。因Al(OH)3的吸熱量（1 151.45 J/g）高于Mg(OH)2的吸熱量（587.54 J/g），因此Al(OH)3的抑制性能要優(yōu)于Mg(OH)2。

ABC 干粉的熱穩(wěn)定性也相對(duì)較好，分多階段分解。一部分在預(yù)熱區(qū)會(huì)發(fā)生分解，降低預(yù)熱區(qū)溫度。一部分穿過火焰前鋒進(jìn)入火焰區(qū)分解，吸收大量燃燒熱，降低火焰溫度。分解固態(tài)產(chǎn)物P2O5能夠有效隔熱和阻礙表面反應(yīng)，分解氣態(tài)產(chǎn)物NH3、H2O(g)、N2和SO2有效稀釋揮發(fā)分和氧氣濃度。分解含P 原子中間態(tài)自由基能夠與爆炸燃燒反應(yīng)中的OH·和H·活性自由基結(jié)合生成穩(wěn)定產(chǎn)物H2O[22]，消耗活性自由基數(shù)量從而終止燃燒鏈反應(yīng)，起到化學(xué)抑制作用。 故ABC 干粉具有物理化學(xué)協(xié)同抑制作用，因此抑制性能最好。

由上述分析可知，抑爆性能優(yōu)良的惰性粉體主要應(yīng)具備以下特性：具有較好的熱穩(wěn)定性（分解溫度在200～400 ℃左右），具有好的吸熱能力，分解中間態(tài)產(chǎn)物能夠與燃燒反應(yīng)過程活性自由基結(jié)合發(fā)揮化學(xué)抑制作用。

3 結(jié) 論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了5 種惰性粉體對(duì)油頁巖粉塵爆炸火焰長(zhǎng)度、火焰形態(tài)和結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)比了惰性粉體的抑制性能，建立了基于預(yù)熱區(qū)和燃燒火焰區(qū)的惰性粉體對(duì)油頁巖粉塵爆炸火焰的抑制機(jī)理物理模型。研究了惰性粉體對(duì)油頁巖粉塵爆炸火焰的抑制作用機(jī)理，得出以下結(jié)論。

（1）五種惰性粉體對(duì)油頁巖粉塵爆炸火焰的抑制性能優(yōu)劣依次為ABC 干粉、Al(OH)3、Mg(OH)2、NaHCO3、巖粉。少量的惰性粉體很難有效阻止油頁巖粉塵爆炸火焰的傳播發(fā)展，當(dāng)增加到一定比例時(shí)，可以有效阻止火焰的自持燃燒發(fā)展，使得火焰長(zhǎng)度明顯縮短，但仍然具有一定的爆炸危險(xiǎn)性，只有添加至最低惰化比時(shí)，才能使得油頁巖粉塵完全被抑制。

（2）在爆炸過程中，因巖粉的熱穩(wěn)定性強(qiáng)，僅有少部分分解，主要抑制作用為物理隔熱，因此抑制性能最差。NaHCO3熱穩(wěn)定性差，難以進(jìn)入燃燒火焰區(qū)發(fā)揮抑制作用，主要抑制作用為吸熱降低預(yù)熱區(qū)溫度，減緩油頁巖的熱解脫揮發(fā)分過程，對(duì)火焰區(qū)的影響較小，因此抑制性能也較差。Mg(OH)2和Al(OH)3粉末的分解溫度在200～400 ℃，能夠穿過火焰前鋒進(jìn)入燃燒火焰區(qū)發(fā)揮物理抑制作用，因此抑制性能比較好，Al(OH)3的吸熱量更大，因此其抑制性能更好。ABC 干粉熱穩(wěn)定性也較好，分多階段分解，具有物理化學(xué)協(xié)同抑制作用，因此抑制性能最好。

（3）對(duì)油頁巖粉塵具有優(yōu)良抑爆性能的惰性粉體應(yīng)具有較好的熱穩(wěn)定性（分解溫度在200～400 ℃）和較高的吸熱能力，同時(shí)分解產(chǎn)生的中間態(tài)產(chǎn)物需要能夠與燃燒反應(yīng)過程活性自由基結(jié)合，從而發(fā)揮化學(xué)抑制作用。