气固两相介质协同抑制瓦斯爆炸实验及分子动力学研究

摘要： 针对传统单相抑爆介质效果不佳的问题，提出气固两相介质通过不同抑爆原理的协同作用，实现高效快速抑制瓦斯爆炸。研究使用NaHCO3 粉体与CO2 气体协同抑制瓦斯爆炸的方法，选用标准20 L 球形爆炸测试装置，并通过密度泛函理论对甲烷爆炸微观反应机理中各反应物、过渡态、产物进行构型优化，在此基础上进行后续计算。结果表明：体积分数为16% 的CO2 和质量浓度为0.35 g/L 的NaHCO3 单相介质对瓦斯爆炸具有优良的抑制效果，但0.1 g/L粉体存在时会使最大升压速率提升17.9%；气固两相介质抑爆相较单相CO2、单相NaHCO3 粉体使最大爆炸压力降低，采用体积分数为8% 的CO2 协同0.125 g/L 粉体时，瓦斯爆炸最大爆炸压力降低72.42%，最大升压速率降至2.345 MPa/s，抑制效果达到最优；但当体积分数为4% 的CO2 协同0.05 g/L 粉体时会使最大爆炸升压速率上升93.68%，反应呈现出一定的加剧现象；量子化学计算表明，在气固两相介质协同抑制瓦斯爆炸的过程中，NaHCO3 粉体裂解会吸收反应体系中的热量，其分解产物会与混合体系中的OH·、H·优先反应，阻碍O·的产生，将链式过程抑制在CH2O 阶段，进而抑制链式反应的传递过程； NaHCO3 粉体分解产生的CO2 与混合体系中的CO2 稀释了混合体系中甲烷的体积分数，减少甲烷与氧气分子之间碰撞发生的概率，对反应进程起到有效抑制作用。

关键词： 抑制瓦斯爆炸；气固两相介质协同；反应机理；混合体系；吸热；分子动力学

中图分类号： O389 国标学科代码： 13035 文献标志码： A