CN109973136B - 一种抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂及其制备方法，属于煤层气的抑爆技术领域。其制备方法为：首先，将十二水磷酸氢二钠、三水磷酸氢二钾、碳酸氢镁、碳酸氢铵及硅酸钙分别磨成粉体；然后，将滑石粉及磨成的粉体分别过200目筛，收集过筛粉体，备用；按照一定配比分别称取过筛粉体，并将其加入干粉搅拌机中充分混合均匀，得混合粉体；最后，将混合粉体进行干燥，干燥温度按照15℃/h的升温速率从室温升温至40℃，恒温干燥后，即得。通过各种粉体材料的综合抑制作用，使得煤层气爆炸不能够继续进行，最终达到抑制低浓度煤层气爆炸的目的。本发明复合型抑爆剂具有优良的抑爆性能。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气的抑爆技术领域，具体涉及一种抑爆剂及该抑爆剂的制备方法。
背景技术
煤层气是一种与煤伴生的非常规天然气资源，主要成分为甲烷。在我国低浓度煤层气的储量占到总储量的60％以上，在煤矿煤层气抽采中占了很大比重，但由于低浓度煤层气中甲烷的体积浓度低，很容易处于其爆炸极限范围之内，所以在低浓度煤层气抽采和管道输送过程中存在发生爆炸的危险，严重威胁着低浓度煤层气的抽采和管道输送安全。抑爆技术是防治低浓度煤层气抽采和输送过程爆炸的重要手段，抑爆技术核心是研究开发具有较好抑爆性能的抑爆剂。
目前现有技术中关于抑爆剂及其制备方面的研究主要有：
在低浓度煤层气的抽采和输送过程中最常用的粉体抑爆剂为磷酸二氢铵，当低浓度煤层气在抽采和输送过程中发生爆炸时，磷酸二氢铵抑爆粉剂通过吸热和消耗爆炸燃烧反应过程中的自由基来达到抑制煤层气爆炸火焰传播的目的，然而磷酸二氢铵在抑制低浓度煤层气爆炸时所发挥的抑制作用较为单一，吸收热量比较慢，并且用量大，抑爆效率较低，抑爆性能不够好。
CN102562123A公开了一种矿井高爆煤尘抑制剂，其是由氢氧化铝、硅藻土、聚磷酸铵制备而成，制备方法是通过将所有原料粉碎混合而成，使用其制备得到的抑爆剂，抑爆剂与煤尘最低按照0.25:1添加，即可完全抑制爆炸生成。
CN106089288A公开了一种吸热改性磷酸二氢钾抑爆剂的制备方法，其通过将海藻酸钠与液体石蜡复配，通过均质后将其有效包覆至抑爆剂表面，形成可吸热熔融的微球结构，在爆炸物放热加剧时，有效的吸热熔融并有效抑爆，阻止爆炸性物质因突然放热导致的爆炸性事故的方法，该方法制备得到的吸热改性磷酸二氢钾抑爆剂最高可耐温度可达285～300℃。
上述现有技术虽然对抑爆剂做了有针对性的研究，但是，其还存在诸多缺陷，如抑爆效率较低，抑爆性能比较差等。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂，其具有抑爆性能好、用量少、效率高、制备简单等优点。
本发明的任务之一在于提供一种抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂，其采用了如下技术方案：
一种抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂，它包括以下重量份数的原料：十二水磷酸氢二钠20.3～33.4份、三水磷酸氢二钾12.4～18.6份、碳酸氢镁15.6～22.8份、碳酸氢铵14.3～20.2份、硅酸钙10.2～20.4份及滑石粉3.2～8.6份。
作为本发明的一个优选方案，上述原料的重量份数为：十二水磷酸氢二钠22.4～30.6份、三水磷酸氢二钾13.8～16.5份、碳酸氢镁16.8～20.7份、碳酸氢铵16.2～18.5份、硅酸钙12.5～17.8份及滑石粉3.8～7.2份；
上述原料的粒径均小于75μm。
本发明的另一任务在于提供上述复合型抑爆剂的制备方法，包括以下步骤：
a、将所述的十二水磷酸氢二钠、三水磷酸氢二钾、碳酸氢镁、碳酸氢铵及硅酸钙分别磨成粉体；
b、将滑石粉及步骤a中磨成的粉体分别过200目筛，收集过筛粉体，备用；
c、按照一定配比分别称取过筛粉体，并将其加入干粉搅拌机中充分混合均匀，得混合粉体；
d、将混合粉体进行干燥，干燥温度按照15℃/h的升温速率从室温升温至40℃，然后在40℃下恒温干燥24h后，即得。
进一步的，步骤a中选用磨粉机对各个原料进行研磨，步骤b中，未过筛粉体且粒径大于75μm的原料，分别再次加入到磨粉机器进行粉磨。
本发明的任务还在于提供上述复合型抑爆剂的使用方法，其具体步骤为：
在距离管道始端3.5米处安装点火能量为10KJ的点火药头作为引火源，并用聚氯乙烯塑料薄膜封闭管道末端，所需抑爆装置的紫外火焰传感器安装在距离管道始端10米处，在左右两侧对称布置；
所需抑爆器安装在距离管道始端30～36米处，间隔2米，共装4个抑爆器，在每个抑爆器内重装一定量的所述的复合型抑爆剂，在距离管道始端50米处安装火焰传感器用来检测是否有火焰，通过检测该测点是否有火焰来说明爆炸火焰传播是否得到抑制。
从表1可以看出，实施例1至实施例4，6kg的抑爆粉剂就完全抑制住了体积浓度为9.5％的甲烷气体爆炸火焰的传播，与磷酸二氢铵粉体抑爆剂相比，抑爆性能好、用量少、效率高。
本发明抑爆剂的抑爆机理如下：
在低浓度煤层气抽采和管道输送中发生爆炸时，将抑本发明抑爆剂喷出，当爆炸燃烧火焰与所述抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂相遇后，十二水磷酸氢二钠和三水磷酸氢二钾瞬间吸收热量分解出结晶水，然后继续吸收大量热量破坏化学键分解出游离的焦磷酸根、钠离子和钾离子，同时由于分解出的结晶水的比热容高，能够吸收大量的热量蒸发形成水蒸气，两步吸热分解以及结晶水的吸热蒸发可以吸收爆炸时产生的大量热量，从而快速降低煤层气爆炸前驱火焰温度，最终使得爆炸前驱火焰温度降低到煤层气的最小点火温度(MIT)以下，使得煤层气爆炸无法进行传播；并且结晶水蒸发形成的水蒸气不但能够有效降低空间中的煤层气浓度和氧气含量，而且水蒸气能够增加环境湿度，使得煤层气爆炸下限浓度得到提高，有利于阻断爆炸的传播；钠离子和钾离子能与爆炸火焰燃烧反应中产生的·OH自由基反应，消耗了煤层气爆炸反应中·OH自由基；焦磷酸根可以与爆炸火焰燃烧反应中产生的·H自由基反应生成焦磷酸，焦磷酸继续脱水生成偏磷酸，偏磷酸进一步吸热分解生成五氧化二磷，这不仅消耗了煤层气爆炸反应中·H自由基还吸收了爆炸中产生的热量降低了火焰温度。
同时，碳酸氢镁和碳酸氢铵瞬间吸收大量热量降低爆炸火焰温度并且分解出大量的CO2气体和H2O，H2O进一步吸热形成水蒸气并增加环境湿度，水蒸气和CO2气体的产生还可以迅速降低空间中的煤层气和氧气的浓度，综合各种材料的共同作用，最终可使煤层气浓度迅速降低到煤层气爆炸浓度下限以下，同时可使空间中的氧气浓度迅速降低到煤层气爆炸极限氧浓度(LOC)之下，达到窒息的效果，最终使得煤层气爆炸不能够继续传播；分解生成的氧化镁悬浮在空中有效降低了爆炸火焰的热辐射作用，抑制了爆炸火焰的继续传播；硅酸钙有很好的隔热效果，有效降低爆炸火焰的热辐射作用并且还具有防止抑爆剂粉体聚集结块、保持其松散或自由流动的作用；其中添加的滑石粉具有润滑、抗黏、助流、耐火等作用，滑石粉的添加能够极大提高抑爆剂喷撒时的分散性。
通过各种粉体材料的综合抑制作用，使得煤层气爆炸不能够继续进行，最终达到抑制低浓度煤层气爆炸的目的。由于上述综合作用，使得所述抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂具有优良的抑爆性能。
上述关于抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂抑爆机理文字说明中，所涉及的主要化学反应方程如下：
Na2HPO4·12H2O→Na2HPO4+12H2O
K2HPO4·3H2O→K2HPO4+3H2O
Na2HPO4→Na++P2O7 4－+H2O
K2HPO4→K++P2O7 4－+H2O
P2O7 4－+H+→H4P2O7
H4P2O7→2HPO3+H2O
HPO3→P2O5+H2O
Na++OH－→NaOH
K++OH－→KOH
Mg(HCO3)2→MgO+CO2↑+H2O
NH4HCO3→NH3↑+CO2↑+H2O
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
本发明提供的一种抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂具有用量少、抑爆效果好、制备简单等优点。尤其适用于抑制矿井低浓度煤层气的爆炸。组成所述抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂的各种材料分别从不同的抑爆机理发挥作用，各种材料协同作用，在多种综合作用下最终达到抑爆目的。
在低浓度煤层气抽采和管道输送中发生爆炸时，将抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂喷出，当爆炸燃烧火焰与所述抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂相遇后，十二水磷酸氢二钠和三水磷酸氢二钾瞬间吸收热量分解出结晶水，然后继续吸收大量热量破坏化学键分解出游离的焦磷酸根、钠离子和钾离子，同时由于分解出的结晶水的比热容高，能够吸收大量的热量蒸发形成水蒸气，两步吸热分解以及结晶水的吸热蒸发可以吸收爆炸时产生的大量热量，从而快速降低煤层气爆炸前驱火焰温度，最终使得爆炸前驱火焰温度降低到煤层气的最小点火温度(MIT)以下，使得煤层气爆炸无法进行传播；并且结晶水蒸发形成的水蒸气不但能够有效降低空间中的煤层气浓度和氧气含量，而且水蒸气能够增加环境湿度，使得煤层气爆炸下限浓度得到提高，有利于阻断爆炸的传播；钠离子和钾离子能与爆炸火焰燃烧反应中产生的·OH自由基反应，消耗了煤层气爆炸反应中·OH自由基；焦磷酸根可以与爆炸火焰燃烧反应中产生的·H自由基反应生成焦磷酸，焦磷酸继续脱水生成偏磷酸，偏磷酸进一步吸热分解生成五氧化二磷，这不仅消耗了煤层气爆炸反应中·H自由基还吸收了爆炸中产生的热量降低了火焰温度。
同时，碳酸氢镁和碳酸氢铵瞬间吸收大量热量降低爆炸火焰温度并且分解出大量的CO2气体和H2O，H2O进一步吸热形成水蒸气并增加环境湿度，水蒸气和CO2气体的产生还可以迅速降低空间中的煤层气和氧气的浓度，综合各种材料的共同作用，最终可使煤层气浓度迅速降低到煤层气爆炸浓度下限以下，同时可使空间中的氧气浓度迅速降低到煤层气爆炸极限氧浓度(LOC)之下，达到窒息的效果，最终使得煤层气爆炸不能够继续传播；分解生成的氧化镁悬浮在空中有效降低了爆炸火焰的热辐射作用，抑制了爆炸火焰的继续传播；硅酸钙有很好的隔热效果，有效降低爆炸火焰的热辐射作用并且还具有防止抑爆剂粉体聚集结块、保持其松散或自由流动的作用；其中添加的滑石粉具有润滑、抗黏、助流、耐火等作用，滑石粉的添加能够极大提高抑爆剂喷撒时的分散性。
通过各种粉体材料的综合抑制作用，使得煤层气爆炸不能够继续进行，最终达到抑制低浓度煤层气爆炸的目的。由于上述综合作用，使得所述抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂具有优良的抑爆性能。
具体实施方式
本发明提出了一种抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂及其制备方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
本发明所需原料十二水磷酸氢二钠、三水磷酸氢二钾、碳酸氢镁、碳酸氢铵、硅酸钙、滑石粉均可通过商业渠道购买获得。
实施例1：
抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂的原料配方为：按重量份数计，十二水磷酸氢二钠24份、三水磷酸氢二钾16份、碳酸氢镁20份、碳酸氢铵18份、硅酸钙17份、滑石粉5份。
制备方法具体步骤为：
第一步、将原料十二水磷酸氢二钠、三水磷酸氢二钾、碳酸氢镁、碳酸氢铵及硅酸钙分别磨成粉体；
第二步、将滑石粉及第一步中磨成的粉体分别过200目筛，收集过筛粉体，备用，未过筛粉体且粒径大于75μm的原料，分别再次加入到磨粉机器进行粉磨；
第三步、按照一定配比分别称取过筛粉体，并将其加入干粉搅拌机中充分混合均匀，得混合粉体；
第四步、将混合粉体进行干燥，干燥温度按照15℃/h的升温速率从室温升温至40℃，然后在40℃下恒温干燥24h后，即得。
复合型抑爆剂的使用方法：
在距离管道始端3.5米处安装点火能量为10KJ的点火药头作为引火源，并用聚氯乙烯塑料薄膜封闭管道末端。抑爆装置的紫外火焰传感器安装在距离管道始端10米处，在左右两侧同时对称布置两支。抑爆器安装在距离管道始端30米到36米处，间隔2米，共装4个抑爆器，并充装好所需量的抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂。在距离管道始端50米处安装火焰传感器用来检测是否有火焰，通过检测该测点是否有火焰来说明爆炸火焰传播是否得到抑制，实验结果见表1。
实施例2：
抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂的原料配方为：按重量份数计，十二水磷酸氢二钠26份、三水磷酸氢二钾15份、碳酸氢镁20份、碳酸氢铵17份、硅酸钙16份、滑石粉6份。
制备方法同实施例1。
复合抑爆剂的使用方法同实施例1。
实施例3：
抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂的原料配方为：按重量份数计，十二水磷酸氢二钠28份、三水磷酸氢二钾15份、碳酸氢镁18份、碳酸氢铵17份、硅酸钙15份、滑石粉7份。
制备方法同实施例1。
复合抑爆剂的使用方法同实施例1。
实施例4：
抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂的原料配方为：按重量份数计，十二水磷酸氢二钠30份、三水磷酸氢二钾14份、碳酸氢镁17份、碳酸氢铵18份、硅酸钙14份、滑石粉7份。
制备方法同实施例1。
复合抑爆剂的使用方法同实施例1。
对比例1：
抑爆剂使用磷酸二氢铵抑爆粉剂。
在距离管道始端3.5米处安装点火药头作为引火源，并用聚氯乙烯塑料薄膜封闭管道末端。抑爆装置的紫外火焰传感器安装在距离管道始端10米处，在左右两侧同时对称布置两支。抑爆器安装在距离管道始端30米到36米处，间隔2米，共装4个抑爆器，并充装好市售的磷酸二氢铵抑爆粉剂。在距离管道始端50米处安装火焰传感器用来检测是否有火焰，通过检测该测点是否有火焰来说明爆炸火焰传播是否得到抑制，实验结果见表1。
表1为实施例1-实施例4以及对比例1进行抑爆对比试验的结果对照表。
表1
从上述表1的分析中不难理解，上述技术方案的抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂，抑爆性能好、用量少、抑爆效率高，具有比较突出的优势。
Claims (5)
1.一种抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂，其特征在于它包括以下重量份数的原料：十二水磷酸氢二钠20.3～33.4份、三水磷酸氢二钾12.4～18.6份、碳酸氢镁15.6～22.8份、碳酸氢铵14.3～20.2份、硅酸钙10.2～20.4份及滑石粉3.2～8.6份。
2.根据权利要求1所述的一种抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂，其特征在于，所述原料的重量份数为：十二水磷酸氢二钠22.4～30.6份、三水磷酸氢二钾13.8～16.5份、碳酸氢镁16.8～20.7份、碳酸氢铵16.2～18.5份、硅酸钙12.5～17.8份及滑石粉3.8～7.2份；
上述原料的粒径均小于75μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
a、将所述的十二水磷酸氢二钠、三水磷酸氢二钾、碳酸氢镁、碳酸氢铵及硅酸钙分别磨成粉体；
b、将滑石粉及步骤a中磨成的粉体分别过200目筛，收集过筛粉体，备用；
c、按照一定配比分别称取过筛粉体，并将其加入干粉搅拌机中充分混合均匀，得混合粉体；
d、将混合粉体进行干燥，干燥温度按照15℃/h的升温速率从室温升温至40℃，然后在40℃下恒温干燥24h后，即得。
4.根据权利要求3所述的一种抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂的制备方法，其特征在于：步骤a中选用磨粉机对各个原料进行研磨，步骤b中，未过筛粉体且粒径大于75μm的原料，分别再次加入到磨粉机器进行粉磨。
5.根据权利要求1或2所述的一种抑制低浓度煤层气爆炸的复合型抑爆剂的使用方法，其特征在于：
在距离管道始端3.5米处安装点火能量为10KJ的点火药头作为引火源，并用聚氯乙烯塑料薄膜封闭管道末端，所需抑爆装置的紫外火焰传感器安装在距离管道始端10米处，在左右两侧对称布置；
所需抑爆装置安装在距离管道始端30～36米处，间隔2米，共安装4个抑爆装置，在每个抑爆装置内重装一定量的所述的复合型抑爆剂，在距离管道始端50米处安装火焰传感器用来检测是否有火焰，通过检测该测点是否有火焰来说明爆炸火焰传播是否得到抑制。
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