碳酸鈣對(duì)金屬粉塵最小點(diǎn)火能的影響研究

李亞男，焦楓媛，聞利群

(1.中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051;2.中北大學(xué) 信息商務(wù)學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬粉塵的爆炸事故頻繁發(fā)生，從而導(dǎo)致大量的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失.鋁可以用來制造油漆、油墨、顏料和焰火，也可用作多孔混凝土的添加劑，還可以作為治療和醫(yī)藥用品.此外，鋁還用于汽車和飛機(jī)工業(yè)，可以說鋁的應(yīng)用極為廣泛，需求量也極大;鎂鋁合金也廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、航空和航天工業(yè)，由于鋁、鎂鋁合金的化學(xué)性質(zhì)都非?；顫?，它們的粉塵都具備易燃易爆的特性，因此無論是生產(chǎn)、存儲(chǔ)還是運(yùn)輸，都存在著巨大的安全隱患.所以，通過研究金屬粉塵爆炸的預(yù)防方法和抑制方法，從而減少事故的危害程度和發(fā)生概率已經(jīng)成為安全生產(chǎn)方面研究的重大課題.

目前，在預(yù)防、抑制粉塵爆炸方面國(guó)內(nèi)外主要有以下幾種方法:①消除點(diǎn)火源;②避免粉塵云的形成;③采用隔離、泄放、通風(fēng)等一系列保護(hù)措施［1-3］.但是，工業(yè)生產(chǎn)中潛在的點(diǎn)火源非常多，而且還有很多不可避免的靜電環(huán)境和靜電效應(yīng)，因此消除點(diǎn)火源幾乎是不可能的.而在粉體加工時(shí)，會(huì)有大量的粉塵暴露在空氣中形成可引發(fā)爆炸的粉塵云，所以要想避免形成粉塵云也非常困難.采取通風(fēng)、泄放、隔離等一系列保護(hù)措施確實(shí)能有效地減少粉塵爆炸的可能性，但是如果這些保護(hù)措施失效，后果將會(huì)無法想象.如果將粉塵惰化，能有效地提高它的最小點(diǎn)火能，從而避免爆炸事故的發(fā)生，屬于本質(zhì)安全方法(適度原則)［4］.碳酸鈣作為一種非常常見又廉價(jià)的物質(zhì)，被廣泛應(yīng)用在粉塵的惰化抑爆研究中，所以研究碳酸鈣對(duì)金屬粉塵最小點(diǎn)火能的影響，從而達(dá)到對(duì)金屬粉塵的惰化抑爆效果，意義深遠(yuǎn).因此，筆者以高爆特性的鋁粉和鎂鋁合金為對(duì)象，在粉塵云最小點(diǎn)火能測(cè)試裝置內(nèi)測(cè)試了碳酸鈣粉末濃度對(duì)鋁粉、鎂鋁合金粉最小點(diǎn)火能的影響，并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了分析.

1 試樣、裝置和測(cè)試方法

1.1 樣品試驗(yàn)前處理

試驗(yàn)所用鋁粉的粒徑為15～17 μm，鎂鋁合金粉的粒徑為74 μm，碳酸鈣是含量99% 以上的高純度碳酸鈣，粒徑是38 μm.試驗(yàn)中所用樣品試驗(yàn)前在60 ℃的溫度下先干燥20 h，放在室溫下保存，環(huán)境濕度不大于30%［5］.

1.2 試驗(yàn)裝置和操作

試驗(yàn)裝置主要包括擴(kuò)散裝置和能量?jī)?chǔ)存裝置兩大部分.圖1 為粉塵云最小點(diǎn)火能測(cè)試裝置的示意圖，使用時(shí)哈特曼管豎直安裝在空氣擴(kuò)散裝置的底座上.手持式遙控器控制吹粉點(diǎn)火，空氣擴(kuò)散裝置通過電線和底座連接，能量?jī)?chǔ)存裝置則是一個(gè)高壓電容的放電箱.通過穩(wěn)定的高壓直流電源向電容放電箱輸入超高壓(EHT)，電壓是9～12 kV.為了減緩電容箱的充電速度，在電源與電容高壓終端之間安裝限流電阻，從而產(chǎn)生出一連串的不連續(xù)電火花.試驗(yàn)時(shí)，先將粉塵均勻置于擴(kuò)散裝置的底座內(nèi)，然后將哈特曼管豎直安裝在空氣擴(kuò)散控制裝置的外殼上，連接好電極，接通高壓電，調(diào)好能量，調(diào)整好電極放電頻率(1 s左右放電一次)，用手持遙控器將粉塵揚(yáng)起，同時(shí)按下點(diǎn)火按鈕，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

圖1 粉塵云最小點(diǎn)火能量測(cè)試裝置示意圖Fig.1 Dust cloud minimum ignition energy test device

1.3 最小點(diǎn)火能的測(cè)試方法

最小點(diǎn)火能測(cè)試就是擴(kuò)散已知重量的試驗(yàn)樣品粉末，使樣品粉末在電極頭的附近形成粉塵云，然后對(duì)樣品粉末放電，通過仔細(xì)觀察從電極頭處開始傳播的火焰來判斷是否著火.火焰與電極頭分離且火焰半徑超過5 cm，就判定為試驗(yàn)粉塵被點(diǎn)燃［6］.

最小點(diǎn)火能測(cè)試要從高能量開始試驗(yàn)觀察，如果試驗(yàn)粉塵爆炸或火焰半徑超過5 cm，則應(yīng)該降低點(diǎn)火的能量，并重復(fù)地測(cè)試;如果在任意一個(gè)能量級(jí)別下無著火現(xiàn)象發(fā)生，那么應(yīng)該至少去重復(fù)測(cè)試20 次.為了避免電火花產(chǎn)生的淬火效應(yīng)，電極間隙不應(yīng)該小于2 mm.最佳的電極間隙是6 mm，如果點(diǎn)火能量非常低，可以縮短電極間隙從而達(dá)到更低的擊穿電壓;如果沒有觀察到點(diǎn)火現(xiàn)象，那么可以改變電極間距去研究不同的放電間距對(duì)點(diǎn)火的影響［7］.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 碳酸鈣濃度對(duì)鋁粉最小點(diǎn)火能的影響

試驗(yàn)過程中噴粉壓力為0.7 MPa，點(diǎn)火延時(shí)為60 ms，鋁粉選取敏感濃度1 000 g/m3.

從表1 可以看出，在混合粉塵中，當(dāng)碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%，10%，20%，30%，40% 時(shí)，混合粉塵的最小點(diǎn)火能分別是 34.85 mJ，42.17 mJ，48.52 mJ，54.57 mJ，60.86 mJ，隨著碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，混合粉塵的最小點(diǎn)火能也隨之增加.由圖2 可以看出，在一定范圍內(nèi)，混合粉塵中碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加與混合粉塵最小點(diǎn)火能的增加近似成線性關(guān)系，說明碳酸鈣作為鋁粉的惰化劑，確實(shí)能夠有效提高鋁粉的最小點(diǎn)火能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁粉的惰化抑爆效果.從表1中可知，當(dāng)碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到80%的時(shí)候，鋁粉的最小點(diǎn)火能大于最小點(diǎn)火能裝置能夠提供的最大能量1 J，可以推斷出在混合粉塵中，當(dāng)碳酸鈣達(dá)到一定量時(shí)，再高的點(diǎn)火能量都不能使混合粉塵發(fā)生爆炸.

表1 碳酸鈣濃度對(duì)鋁粉最小點(diǎn)火能的影響Tab.1 Effects of CaCO3concentration on the minimum ignition energy of aluminum dust

圖2 碳酸鈣濃度對(duì)鋁粉最小點(diǎn)火能的影響Fig.2 Effects of CaCO3 concentration on the minimum ignition energy of aluminum dust

最小點(diǎn)火能反映了粉塵的著火敏感性，是衡量可燃性粉塵爆炸危險(xiǎn)性的重要參數(shù)，也是靜電安全的重要技術(shù)參數(shù).在最小點(diǎn)火能測(cè)量中，有很多因素會(huì)對(duì)它造成不同程度的影響，有的來自于金屬粉塵本身，有的則與測(cè)試的裝置密切相關(guān)，還有的則來自于外部環(huán)境，甚至連分析方法也會(huì)對(duì)測(cè)試的結(jié)果造成一定的影響［8］.由于實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，由所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出的圖是理想狀態(tài)下的結(jié)果.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是:碳酸鈣的粉塵具有冷卻和抑制懸浮的效果，當(dāng)向鋁粉中加入碳酸鈣粉末后，碳酸鈣會(huì)吸收點(diǎn)火放出的熱量，降低鋁粉的著火敏感性.此外，碳酸鈣會(huì)抑制鋁粉的懸浮性，使粉塵云形成效果不佳，這樣也會(huì)降低鋁粉的著火性.在這種情況下，若要使鋁粉發(fā)生燃燒或爆炸，則要加大點(diǎn)火能量，從而實(shí)現(xiàn)了碳酸鈣對(duì)鋁粉的惰化抑爆效果.

2.2 碳酸鈣濃度對(duì)鎂鋁合金粉最小點(diǎn)火能的影響

在試驗(yàn)過程中，噴粉壓力為0.7 MPa，點(diǎn)火延時(shí)為60 ms，鎂鋁合金選取敏感濃度800 g/m3.

表2 碳酸鈣濃度對(duì)鎂鋁合金最小點(diǎn)火能的影響Tab.2 Effects of CaCO3concentration on the minimum ignition energy of magnesium alloy dust

從表2 可以看出，在混合粉塵中，當(dāng)碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%，10%，20%，30%，40%時(shí)，混合粉塵的最小點(diǎn)火能分別是161 mJ，359 mJ，434 mJ，495 mJ，589 mJ，隨著碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，混合粉塵的最小點(diǎn)火能也在隨之增加.由圖3 可以看出，在一定范圍內(nèi)，混合粉塵中碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加與混合粉塵最小點(diǎn)火能的增加近似成線性關(guān)系，說明碳酸鈣作為鎂鋁合金粉的惰化劑，確實(shí)能有效提高鎂鋁合金粉的最小點(diǎn)火能，從而起到對(duì)鎂鋁合金粉的惰化抑爆效果;而當(dāng)碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%的時(shí)候，鎂鋁合金粉的最小點(diǎn)火能大于最小點(diǎn)火能裝置所能提供的最大能量1 J，可以推斷出在混合粉塵中，當(dāng)碳酸鈣達(dá)到一定量時(shí)，再高的點(diǎn)火能量都不能使混合粉塵發(fā)生爆炸.

通過上述試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碳酸鈣可以提高金屬粉塵的最小點(diǎn)火能，對(duì)金屬粉塵有惰化抑爆的作用.這是因?yàn)樘妓徕}本身對(duì)燃燒這種特殊的化學(xué)反應(yīng)具有惰化作用，或者是混合粉塵之間進(jìn)行了熱量、動(dòng)量交換后發(fā)生了衰減，于是爆炸火焰的形成、傳播遭到了阻礙.首先，碳酸鈣是一種不可燃物，能夠吸收、消耗一部分點(diǎn)火能，在電極周圍的金屬粉塵溫度會(huì)大大降低［9］，得到的點(diǎn)火能也會(huì)大大減少;其次，碳酸鈣會(huì)擠占掉一定空間，使金屬粉塵周圍的氧氣濃度降低，單位質(zhì)量的金屬粉塵的氧濃度大大降低，從而燃燒反應(yīng)沒有了充足的氧氣去維持;再次，碳酸鈣可以吸收掉爆炸火焰的部分熱能、輻射能，從而使火焰的傳播速度減慢甚至于熄滅;同時(shí)，它還能夠充當(dāng)障礙物，阻擋火焰，衰減激波傳遞，屏蔽熱輻射、熱傳導(dǎo)［10-12］，從而使火焰陣面前的金屬粉塵不能夠得到足夠能量去發(fā)生燃燒，大大提升了傳熱的阻力，有效地阻止了爆炸的發(fā)展、傳播.

圖3 碳酸鈣濃度對(duì)鎂鋁合金粉最小點(diǎn)火能的影響Fig.3 Effects of CaCO3concentration on the minimum ignition energy of magnesium alloy dust

3 結(jié)論

1)鎂鋁合金粉的化學(xué)性質(zhì)比鋁粉更活潑一些，但通過兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鎂鋁合金粉的最小點(diǎn)火能卻明顯大于鋁粉的最小點(diǎn)火能.原因是試驗(yàn)中鋁粉的粒度要明顯小于鎂鋁合金粉.由此可以看出，金屬粉塵的粒度對(duì)它的最小點(diǎn)火能有很大的影響.

2)在鋁粉的試驗(yàn)中，隨著碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，混合粉塵的最小點(diǎn)火能也隨之增加，而且在一定范圍內(nèi)，二者近似地成線性關(guān)系;而在鎂鋁合金粉的試驗(yàn)中，碳酸鈣濃度對(duì)最小點(diǎn)火能的影響也有相似的線性規(guī)律，而且對(duì)比圖2 和圖3發(fā)現(xiàn)，碳酸鈣濃度對(duì)鎂鋁合金粉最小點(diǎn)火能的影響要更明顯一些.

3)在鋁粉試驗(yàn)中，當(dāng)碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到80%時(shí)，混合粉塵最小點(diǎn)火能超過了裝置所能提供的最大能量;而在鎂鋁合金粉試驗(yàn)中，當(dāng)碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時(shí)，混合粉塵最小點(diǎn)火能超過了裝置所能提供最大能量.以上現(xiàn)象說明，在混合粉塵中，當(dāng)碳酸鈣達(dá)到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)后，再高的點(diǎn)火能量都無法使金屬粉塵發(fā)生爆炸，此時(shí)的金屬粉塵已被完全惰化，喪失了高爆特性.

4)碳酸鈣是一種有效的惰化劑，在金屬粉塵中加入一定量的碳酸鈣，可以有效地提高它的最小點(diǎn)火能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬粉塵的惰化抑爆效果.

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