摘要
在全球能源消费结构中，化石能源仍占据较大比重。随着环保要求的不断提高，化石能源燃烧带来的温室效应及碳排放问题亟待解决。为实现甲烷的高效燃烧，掺混氢气是较常见的方式。同时，甲烷/氢气混合燃料也是实现氢能这一清洁能源全面应用的必经之路。然而，甲烷/氢气预混气体的爆炸风险是其市场推广、使用的主要限制因素。因此本文着眼甲烷/氢气/空气预混气体燃烧爆炸行为，合成了一种磷-氮协同复合抑制剂，通过实验与数值计算的方式对复合抑制剂作用下流场灾变，爆炸动力学行为进行深入探讨。同时，阐明了气-固两相作用下，预混气体爆燃的阻火抑爆机理。主要研究工作与结论如下： 新型复合抑制剂的合成。将植酸（PA）、三聚氰胺（MEL）通过简单易行的超分子自组装方式接枝到矾土（主要成分Al2O3）表面，合成了磷-氮抑制剂PA-MEL@NH2-Al2O3。该抑制剂表面凸起的类荷叶状结构导致其亲水性被极大削弱，使得粉体不易团聚、结块。该复合粉体内部多为介孔结构，最大比表面积153.635m2/g，同时具有优异的吸热性能。 复合抑制剂长效抑制性评估。利用20L球形爆炸系统，探讨了PA、MEL负载量及喷粉浓度对复合粉体爆炸抑制性能的影响。随着负载量的增加，爆炸压力先减小后增大，负载量60%时爆炸压力由1.44MPa衰减为0.80MPa，衰减率44.83%，压力上升速率衰减67.13%，获得了最佳抑制效果。随喷粉浓度的增加，峰值超压先减小后增大，诱导时间、峰值压力时间先增大后减小。抑制剂浓度0.25g/L时，诱导时间与峰值压力时刻被推迟至193ms，400ms，体现了复合抑制剂的长效抑制性。 流场演化及爆炸动力学过程研究。使用离散-连续相耦合计算方式，模拟计算了CO2驱动下CO2-复合抑制剂气-固两相在水平管道内的宏观形态、动态浓度分布、运移规律等参数。基于数值模拟确定了喷粉量、喷粉压力的最佳组合形式。水平方管道实验发现，当喷粉量3g时，抑爆区内观察到火焰淬熄现象；喷粉量1g或2g时，抑爆区仅可起到短暂的衰减作用，激波、火焰穿过抑爆区后再次增强导致反射火焰、冲击波的出现。喷粉量3g，当量比为0.8时预混火焰淬熄位置提前。当量比为1.2时，复合抑制剂难以有效阻止预混气体的剧烈燃爆，穿过抑爆区后，在反射激波的扰动下，燃烧反应继续增强，冲击波超压上升44.44%。 物理-化学协同抑制机理的阐述。借助零维均质反应器模型和GRI-Mech3.0反应机理，计算研究了复合粉体热解挥发物中CO、NH3的化学抑制作用。CO在燃烧反应中通过R99，R31基元反应大量消耗?OH与O2。NH3除直接通过反应R278、R279等参与以O?、?OH为主的活性自由基的销毁，还可以通过生成反应中间含N产物（如HCN、HNCO）及自由基（如NCO?）快速消除H?、O?、?OH。气-固两相抑制机理归纳总结为物理-化学协同抑制。CO2、复合粉体的吸热分解行为及释放的挥发性气体（N2、H2O等）主要发挥冷却、可燃气体浓度稀释、热隔绝等物理作用。NH3、CO及相关含P基团主要参与链式反应，捕获H?、O?、?OH等关键自由基，中断链式反应。
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