磷酸二氫銨對鋁粉的爆炸抑制研究

譚迎新，李亞男

（中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原030051）

0 引 言

鋁粉是金屬粉塵中具有很大爆炸危險(xiǎn)性的物質(zhì)，而且在工業(yè)上的應(yīng)用也十分廣泛.鋁粉具有遇水反應(yīng)易燃的特性，鋁粉的爆炸壓力巨大，爆炸范圍又很小，因此在鋁粉的制備、運(yùn)輸、儲存、應(yīng)用中都極具危險(xiǎn)性.

對于粉塵的防爆抑爆目前有控制點(diǎn)火源、避免粉塵云的形成及采用隔離、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，有很多不可避免的靜電環(huán)境和靜電效應(yīng)，消除點(diǎn)火源幾乎是不可能的.而在粉體加工時，會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，后果將會無法想象［4］.采取惰化抑爆將粉塵的最小點(diǎn)火能有效提高，磷酸二氫銨是一種常見、廉價的物質(zhì)，在以往的煤粉抑爆實(shí)驗(yàn)中抑爆效果優(yōu)于碳酸鈣，所以研究磷酸二氫銨對鋁粉的惰化抑爆效果非常必要.

1 測試裝置及方法

1.1 測試裝置

利用美國MIETA點(diǎn)火能測試儀完成試驗(yàn)測定，MIETA點(diǎn)火能測試儀可以用來評價粉塵云的潛在爆炸危險(xiǎn)性.儀器由粉塵擴(kuò)散裝置哈特曼管，能量控制箱和電壓圖表記錄器組成.能量控制箱可提供從2～2 000 mJ的火花能量，調(diào)節(jié)步長為1 mJ，最大充電電壓為15 k V.試驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 MIE點(diǎn)火能測試裝置 Fig.1 Minimum ignition energy test device

粉塵擴(kuò)散系統(tǒng)是1.2 L的哈特曼裝置，管底是一個蘑菇狀噴頭，用來擴(kuò)散粉塵，點(diǎn)火電極位于距離管底100 mm處［5］.測試的具體過程為：噴粉后，一定濃度的粉塵在哈特曼管中呈漂浮狀態(tài)，兩個電極擊穿空氣進(jìn)行放電，如果點(diǎn)火能量超過了混合粉塵的最小點(diǎn)火能，則混合粉塵就會發(fā)生爆炸，并伴有強(qiáng)烈的火焰燃燒；如果能量接近臨界點(diǎn)，則只會發(fā)生閃燃.混合粉塵是否發(fā)生爆炸要以火焰離開電極的距離為準(zhǔn)，當(dāng)火焰離開電極50 mm時，就認(rèn)為混合粉塵發(fā)生爆炸，反之，則沒有發(fā)生爆炸［6］.

1.2 試驗(yàn)樣品

根據(jù)試驗(yàn)要求，購買了分析純級別，含量不少于99%的磷酸二氫銨，并用藥品篩篩分出75，90，109μm三種不同的粒徑；試驗(yàn)所用鋁粉的粒徑為45μm.所有樣品試驗(yàn)前置于60℃溫度下干燥20 h，放在室溫下保存，環(huán)境濕度不大于30%［7］.

1.3 測試方法

在研究磷酸二氫銨對鋁粉抑爆效果試驗(yàn)中，按國家標(biāo)準(zhǔn)固定點(diǎn)火能量，在鋁粉的敏感濃度1 000 g／cm3下，添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磷酸二氫銨，直到使得混合粉塵穩(wěn)定不再發(fā)生爆炸.

測試時要求對每一質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磷酸二氫銨進(jìn)行反復(fù)測試觀察，如果有爆炸或火焰現(xiàn)象，則增加質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，直到10次重復(fù)試驗(yàn)都未有明顯現(xiàn)象為止，此時金屬粉塵才被完全惰化.

哈特曼管中的兩個電極一般間距為2～6 mm，低于2 mm時，電極會受到淬火效應(yīng)的影響，電極間距受電容充電能量影響，為了保證電極間的放電頻率，可適當(dāng)放大電極間距.電極的放電頻率以1次／s為宜，放電頻率過快，粉塵可能發(fā)生能量疊加的現(xiàn)象，使得在該能級下不能爆炸的粉塵發(fā)生爆炸［7］.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 磷酸二氫銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對抑爆效果的影響

試驗(yàn)選用鋁粉的粒徑為45μm，（NH4）H2PO4的 粒 徑 為75μm.鋁 粉 濃 度 為1 000 g／cm3，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%，10%，15%的磷酸二氫銨分別添加到鋁粉中，表1為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磷酸二氫銨對鋁粉的抑爆試驗(yàn)結(jié)果.

由表1可以看出當(dāng)混合粉塵中磷酸二氫銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，混合粉塵發(fā)生爆炸；而混合粉塵中磷酸二氫銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時，連續(xù)點(diǎn)火10次混合粉塵都未燃，說明此時混合粉塵被完全惰化.

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的（NH4）H2PO4對鋁粉的抑爆效果 Tab.1 Explosion suppression effect of different mass fraction of（NH4）H2PO4on aluminum dust

2.2 磷酸二氫銨粒徑對抑爆效果的影響

試驗(yàn)選用鋁粉的粒徑為45μm，（NH4）H2PO4的粒徑為75，90和109μm.鋁粉濃度為1 000g／cm3，表2是粒徑為90μm的磷酸二氫銨對鋁粉的爆炸抑制試驗(yàn)結(jié)果.

表2 90μm的磷酸二氫銨對鋁粉的爆炸抑制試驗(yàn) Tab.2 Eexplosion suppression test of（NH4）H2PO4of 90μm to aluminum dust

由表2可以看出，當(dāng)混合粉塵中磷酸二氫銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過15%時，連續(xù)點(diǎn)火10次混合粉塵都不會被引燃，此時混合粉塵被完全惰化.

表3是粒徑為109μm的磷酸二氫銨對鋁粉的爆炸抑制試驗(yàn)結(jié)果.

表3 109μm的磷酸二氫銨對鋁粉的爆炸抑制試驗(yàn) Tab.3 Explosion suppression test of（NH4）H2PO4of 109μm to aluminum dust

由表3可以看出，當(dāng)混合粉塵中磷酸二氫銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過20%時，連續(xù)點(diǎn)火10次混合粉塵都不會被引燃，此時混合粉塵被完全惰化.

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，3種不同粒度的磷酸二氫銨對鋁粉有不同程度的爆炸抑制作用.在鋁粉中，加入相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磷酸二氫銨，粒徑越小，抑爆效果越好.混合粉塵中，75，90，109μm的磷酸二氫銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到10%，15%，20%時，混合粉塵無法被引燃，此時代表混合粉塵完全被惰化，說明75μm的磷酸二氫銨具有最佳的爆炸抑制效果，90μm的次之，109μm的再次之.究其原因，是因?yàn)榱姿岫滗@分解溫度低，分解時從周圍的環(huán)境中吸收熱量分解出氨與磷酸，繼而生成P2O5.磷酸二氫銨的分解反應(yīng)都是吸熱的反應(yīng)，因而具有很好的冷卻作用；而分解產(chǎn)物游離氨還能吸收燃燒反應(yīng)中生成的自由基并與之反應(yīng)，燃燒反應(yīng)速率就會因?yàn)槿鄙僮杂苫蟠蠼档?如果在燃燒過程中游離氨的濃度很高又能與火焰充分接觸，那么自由基消耗的速率就會大于燃燒反應(yīng)產(chǎn)生自由基的速率，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就會因缺乏自由基而終止，火焰就會被熄滅［8-10］.

試驗(yàn)結(jié)果還表明，在鋁粉被完全惰化之前，加入相同粒度的磷酸二氫銨，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，抑爆效果越好.

3 結(jié) 論

1）在鋁粉中添加粒徑分別為75，90，109μm的磷酸二氫銨，要達(dá)到金屬粉塵完全惰化所需磷酸二氫銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%，15%，20%，試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著鋁粉中所添加的磷酸二氫銨粒徑不斷增大，能使金屬粉塵完全惰化所需的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不斷增大.75μm的磷酸二氫銨具有最佳的爆炸抑制效果.

2）在鋁粉中添加具有相同粒徑的磷酸二氫銨，在鋁粉被完全惰化之前，鋁粉中所添加的磷酸二氫銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，對鋁粉的抑爆效果越好.

3）添加極少量的磷酸二氫銨，鋁粉就可以被完全惰化，說明磷酸二氫銨對鋁粉的抑爆效果非常明顯.

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