鋁粉的爆炸特性研究

陳成 胡雙啟 范裕如 陳國防 馮永安

（1.中北大學 化工與環(huán)境學院 太原 030051；2.山西蘭花集團北巖煤礦有限公司 晉城 048000）

鋁粉的爆炸特性研究

陳成1胡雙啟1范裕如1陳國防2馮永安1

（1.中北大學 化工與環(huán)境學院 太原 030051；2.山西蘭花集團北巖煤礦有限公司 晉城 048000）

本研究的目的是在哈特曼管中確定納米鋁粉的粒徑與其最大爆炸壓力，最大上升速率，最小爆炸濃度和最小點火能量的關系。結果表明：35納米鋁粉最大爆炸壓力為0.73MPa，粉塵爆炸強度為34.9 MPa·m/s；100納米鋁粉最大爆炸壓力為1.25MPa，粉塵爆炸強度為29.6MPa·m/s；40微米鋁粉最大爆炸壓力為0.59MPa，粉塵爆炸強度為7.7 MPa·m/s.35納米的粉塵爆炸強度是40微米的4.5倍。35納米、100納米、40微米鋁粉的爆炸下限分別為40g/m3，50 g/m3，65g/m3.35納米鋁粉，100納米鋁粉的最小點火能都小于1mJ。然而，40微米鋁粉的最小點火能為59.7mJ。

納米粉塵 最大爆炸壓力 最大壓力上升速率 爆炸下限 最小點火能

在生產(chǎn)過程中，機械研磨仍是大規(guī)模生產(chǎn)納米鋁粉的主要技術[1]。這不僅是一種成本相對較低的過程，而且但也容易地縮放的大規(guī)模生產(chǎn)。其結果，機械研磨具有更好的可控參數(shù)，并能使用于軋機的粉末顆粒下降到30納米的直徑。納米粉末機床的原理是使用高速的空氣，以使粉末相互碰撞。它會導致粉末將在納米尺度從微米尺度。所有發(fā)生粉塵爆炸的工廠的原料中都包含足夠多的納米粉塵[2]。

粉塵爆炸的危險性用最低爆炸性濃度，最大爆炸力、最大壓力上升速率、極限氧濃度、點火溫度來表示[3]。粉塵的顆粒直徑是非常重要的因素，用于評估風險粉塵爆炸。除顆粒的直徑外，爆炸特性因素還包括初始壓力、氧濃度等[5]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

粉塵爆炸特性研究大多數(shù)都限制于微觀尺度[6]。例如：在高的初始壓力，高的粉塵溫度下爆炸特性（Lázaro and Torrent,2000)；煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程特性研究[7](Cashdollar and Zlochower,2007)；微米鋁粉爆炸特性結果如下[8]：最低爆炸濃度分別約為170 g/m3（0-8微米），180 g/m3（8-20微米），200 g/m3（20-37微米），240 g/m3（以上超過37微米）。最小點火能量為8mJ（0-8米），6mJ（8-20微米），14mJ（20-37微米），48mJ（超過37微米）(Nifuku et al., 2007)。納米鈦，鐵的最小點火能量小于1mJ（Wu et al.,2009）, 這意味著納米鈦、鐵粉塵爆炸具有較高的敏感度[9]。.

2 實驗材料與方法

2.1 原料與裝置

在此所使用的鋁粉規(guī)格在表1中列出。從表1中可以看出，粒徑越小，比表面積越大。

實驗采用1.2L哈特曼管高壓點火花放電引起粉塵爆炸。此哈特曼管能提供1mJ，3 mJ，10 mJ,30 mJ,100 mJ,300 mJ,1000 mJ七種電火花能量，延遲時間為120ms。實驗中要通過觀察來判斷粉塵云是否被點燃。哈特曼管結構示意圖如圖1。

2.2 實驗方法

在本實驗中，四種爆炸數(shù)據(jù)需要測定，分別為最大爆炸壓力，最大爆炸壓力上升速率，爆炸下限，最小點火能量。鋁粉有35納米、100納米和45微米三種不同粒徑。實驗溫度為30℃，壓力為標準大氣壓。

最大爆炸壓力是有管內(nèi)的大部分物質(zhì)燃燒放出的能量決定。最大壓力上升速率是額定燃料濃度，它被定義為通過壓力-時間曲線的上升部分拐點的切線的最大斜率。爆炸下限濃度表示物質(zhì)多大濃度時爆炸能在空氣中以火焰形式傳播開來。最小點火能量就是高壓電容放出的能點燃可燃性粉塵和空氣混合物的最小能量。

3 實驗結果與分析

3.1 最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率

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三種鋁粉的爆炸實驗數(shù)據(jù)如表2。當35納米的鋁粉濃度達1300g/m3-1800 g/m3時，最大爆炸壓力為0.73MPa，當粉塵濃度達1800g/m3，最大爆炸壓力上升速率為128.6 MPa/s；當100納米的鋁粉濃度達1500g/m3-2000 g/m3時，最大爆炸壓力為1.25MPa，當粉塵濃度達2000g/m3，最大爆炸壓力上升速率為109MPa/s；當45微米的鋁粉濃度達1250g/m3時，最大爆炸壓力為0.59MPa，當粉塵濃度達1750g/m3，最大爆炸壓力上升速率為28.2 MPa/s；這三種粒徑的鋁粉，不同的濃度對應著不同的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率。

35納米、100納米、45微米鋁粉的爆炸強度分別為34.9 MPa·m/s,29.6 MPa·m/s,7.7 MPa·m/s，如表3。從圖中粉塵爆炸分類等級可以看出，35納米鋁粉的爆炸強度很大，屬于三級；100納米鋁粉的爆炸強度稍小，屬于二級，45微米鋁粉爆炸強度比較微弱，屬于一級?？梢钥闯?，粒徑越小的粉塵，爆炸壓力和爆炸強度越大。

3.2 爆炸下限

實驗結果為，35納米、100納米、45微米鋁粉所對應的爆炸下限，分別為40 g/m3、50 g/m3、65 g/m3。從微觀角度來說，三種粒徑的鋁粉爆炸下限顯然不同。粉塵粒徑越小，比表面積越大，更容易爆炸，所對應的爆炸下限越低。

3.3 最小點火能

實驗結果為，35納米、100納米的鋁粉最小點火能都小于1mJ，40微米鋁粉最小點火能為59.7mJ。由于能量裝置最小放電能量為1mJ，在mJ能量下，35納米、100納米的鋁粉都爆炸了，由此說明35納米、100納米鋁粉最小點火能小于1mJ。實驗表明，由于納米級鋁粉的比表面積更大，更容易獲得能量將爆炸傳播下去，所以納米級的鋁粉最小點火能遠小于微米級鋁粉的最小點火能。

4 結論

本文通過實驗，研究了三種不同粒徑鋁粉在1.2L哈特曼管中的爆炸特性，并對其最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率、爆炸強度、爆炸下限、最小點火能進行了測定。對鋁粉爆炸特性有了進一步的認識，并得到以下結論。

（1）35納米鋁粉的最大爆炸壓力為0.73MPa，其最大爆炸強度為34.9 MPa·m/s；100納米鋁粉的最大爆炸壓力為1.25MPa，其最大爆炸強度為29.6 MPa·m/s；45微米鋁粉的最大爆炸壓力為0.59MPa，起最大爆炸強度為7.7 MPa·m/s；35納米鋁粉的爆炸強度是45微米鋁粉爆炸強度的4.5倍。

（2）35納米、100納米、45微米鋁粉的爆炸下限分別為40 g/m3、50 g/m3、65 g/m3；爆炸下限隨粒徑的增大而逐漸增大。

（3）35納米、100納米鋁粉的最小點火能都小于1 mJ；40微米鋁粉的最小點火能為59.7 mJ；最小點火能隨粉塵粒徑減小而減小，從整體趨勢來看，鋁粉粒徑小于10微米時，最小點火能小于1 mJ。

由實驗可知鋁粉爆炸壓力之大、程度之強，反應比較敏感，尤其是納米級鋁粉。為預防生產(chǎn)研磨納米鋁粉時的事故提供了一些理論依據(jù)。

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[1]胡雙啟,張景林.燃燒與爆炸[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1992:13-15.

[2]趙衡陽.氣體和粉塵爆炸原理[M].北京:北京理工大學出版社,1995.

[3]譚迎新,霍曉東,尉存娟.不同粒度鋁粉在水平管道內(nèi)的爆炸壓力測定[J].中國安全科學學報,2008.12(18):80-83.

[4]丁小勇,譚迎新.垂直哈特曼管與水平管道中鋁粉爆炸特性[J].消防理論研究.2012.6(31):561-563.

[5]李新光,董洪光.粉塵云最小點火能測試方法的比較與分析[J].東北大學學報.2004.1(25):44-47.

[6]李新光,董洪光. 哈特曼裝置上粉塵濃度的測量[J].東北大學學報.2007.4.(28):493-496.

[7]張景林.氣體粉塵爆炸災害及其安全技術[J].中國安全科學學報.2002.12(5):9-14.

[8]李文霞,林柏泉,魏吳晉.納米級別鋁粉粉塵爆炸的實驗研究[J].中國礦業(yè)大學學報.2010.39(4):475-479.

[9]秦澗,譚迎新.水平管道內(nèi)鋁粉爆炸特性的試驗研究[J].中國安全科學學報.2011.21(4):66-70.

Study of Aluminum powder explosion characteristics

Chen Cheng1Hu Shuang-Qi1Fan Yu-Ru1Chen Guo-Fang2Feng Yong-An1
(1.School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan 030051;2.Shanxi Lanhua Group Beiyan Coal Mine Co., Ltd.Jincheng 048000)

This research was aimed at determining the relationships between the particle diameter of an aluminum nanopower and its maximum explosion pressure (Pmax), maximum rate of pressure rise ((dP/dt)max), minimum explosion concentration(MEC), and minimum ignition energy (MIE) by 1.2L Hartmann apparatus. The results revealed that 35-nm aluminum powder has a Pmax of 0.73MPa and deflagaration index (KSt) of 34.9MPa m/s, in 100-nm aluminum powder, Pmax of 1.25MPa and KSt of 29.6 MPa m/s and 40-μm aluminum powder, Pmax of 0.59MPa and KSt of 7.7MPa m/s. The value of (dP/dt)max for the 35-nm aluminum powder is 4.5 times that for the 40-μm aluminum powder. The 35-nm, 100-nm, and 40-μm powders have MEC values of 40, 50, and 65 g/m3, respectively. The 35-nm and 100-nm powders both have MIEs less than 1mJ. while the 40-μm powder has an MIE of 59.7mJ.

nanopower; maximum explosion pressure; maximum rate of pressure rise; minimum explosion concentration;minimum ignition energy.

TF821

A

T1672-8114(2013)01-0036-03

陳成，中北大學 化工與環(huán)境學院

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