NaHCO3喷雾辅助铁镍泡沫淬熄甲烷爆炸火焰的实验研究与协同抑制机制

针对甲烷爆炸灾害防控需求，河南理工大学安全科学与工程学院团队创新性地采用NaHCO3粉末喷雾联合铁镍泡沫（Fe-Ni foam）的协同抑制方法。研究发现火焰淬熄效果与NaHCO3喷量和泡沫孔径密度（10-40ppi）显著相关，高孔隙密度泡沫可降低临界喷粉量，同时粉末能消除泡沫引发的振荡现象。该研究为开发新型气固协同抑爆技术提供了重要实验依据。

　　

随着天然气在工业和民用领域的广泛应用，甲烷爆炸事故频发成为全球性安全挑战。爆炸产生的火焰和冲击波能在毫秒级时间内造成毁灭性伤害，传统抑爆技术如惰性气体、细水雾或粉末抑制剂各自存在局限性——多孔材料虽能阻断自由基链式反应但可能引发复燃，粉末抑制剂对冲击波吸收效果欠佳。如何突破单一技术瓶颈，发展高效协同抑爆方案成为安全工程领域的关键课题。

河南理工大学安全科学与工程学院的研究团队在《Results in Engineering》发表创新成果，通过构建半封闭有机玻璃管实验系统（150×150mm），结合高速摄像（10000fps）和压力传感技术（4kHz），系统研究了NaHCO₃喷雾（86.27μm粒径）辅助不同孔隙密度铁镍泡沫（10-40ppi）的协同抑爆机制。研究采用0.4MPa空气驱动粉末喷射，通过光电传感器触发同步控制系统，精确捕捉火焰传播动态与超压变化。

3.1 喷雾粉末对火焰传播的影响

当单独使用低密度泡沫（10ppi）时，火焰可穿透孔隙导致抑爆失败。引入15g以上NaHCO₃后形成"粉末云"抑制区，通过热分解产生CO₂和NaOH，加速自由基（·OH）复合反应，使火焰破碎淬熄。值得注意的是，30ppi以上泡沫单独使用虽能淬熄火焰，但会引发上游管道振荡，而30g NaHCO₃喷雾可同步消除振荡现象。

3.2 爆炸超压变化规律

喷雾质量与超压峰值呈负相关：30ppi泡沫结合30g粉末使超压降低7.6%。但低质量喷雾（10g）会因湍流加剧燃烧，使F10工况超压反而升高10%。喷雾还使最大负压值提升251%-337%，这与粉末堵塞泡沫孔隙增强气流阻力有关。

3.3 火焰传播速度特征

喷雾初期因湍流促进燃烧，火焰到达抑制区前速度激增——F10+30g工况最大速度达61.73m/s（较未喷雾提高96.22%）。但随粉末质量增加，化学抑制效应逐渐主导，最终实现火焰完全淬熄。

该研究首次揭示了NaHCO₃/铁镍泡沫的协同抑爆机理：粉末通过物理化学双重作用（热分解吸热+自由基清除）弥补了多孔材料缺陷，而泡沫结构则强化了粉末分布均匀性。特别是发现高孔隙密度泡沫与适量粉末组合可降低临界喷粉量，为煤矿巷道等受限空间的抑爆装置设计提供了重要参数依据。未来研究可拓展至其他粉末抑制剂（如KHCO₃）与金属泡沫的组合效应，并需在真实巷道环境中验证技术可行性。