惰性粉塵對鋁鎂混合粉塵云最低點燃溫度的影響*

胡海燕　胡立雙　武學

(1.中北大學化工與環(huán)境學院　太原 030051；　2.忻州師范學院　山西忻州 034000)

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惰性粉塵對鋁鎂混合粉塵云最低點燃溫度的影響*

胡海燕1,2胡立雙1武學1

(1.中北大學化工與環(huán)境學院太原 030051；2.忻州師范學院山西忻州 034000)

為了研究惰性粉塵存在氛圍下，鋁鎂混合粉著火爆炸的規(guī)律，采用Godbert-Greenwald恒溫爐設備研究了設備吹粉壓力、惰性BaCO3和SiO2粉塵粒徑、惰性粉塵含量對鋁鎂混合粉塵云最低點燃溫度的影響。結(jié)果表明，試驗存在最佳吹粉壓力，此時最有利于鋁鎂混合粉燃燒，且高濃度鋁鎂混合粉的最佳吹粉壓力比低濃度的大；最低點燃溫度隨著不活潑粉塵粒徑的減小而升高，粒徑相同條件下，BaCO3抑制效果比SiO2明顯；惰性粉塵對鋁鎂混合粉塵云最低點燃溫度影響很大，當BaCO3和SiO2粉塵含量增加時，最低點燃溫度先升高，達到一定值后趨于不變；混合粉塵中，惰性粉塵質(zhì)量分數(shù)在53%以下時，BaCO3的抑制作用比SiO2強，但當惰性粉塵質(zhì)量分數(shù)在53%以上時，SiO2和BaCO3對混合粉塵抑制作用正好相反；當爐體溫度在630 ℃以上時，鋁鎂混合粉最低點燃溫度受BaCO3和SiO2粉塵影響很小。

鋁鎂混合粉塵云最低點燃溫度惰性粉塵G-G恒溫爐

0　引言

鋁鎂混合粉可作為金屬燃料廣泛應用于煙火劑配方設計和固體火箭推進劑配方設計中[1-3]。在鋁鎂混合粉的現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)加工過程中，鋁鎂混合粉以粉塵云的形態(tài)普遍存在[4]。鋁鎂混合粉物理化學性質(zhì)十分活潑，如果受到高溫表面或者明火作用，很容易點燃，發(fā)生事故，造成人員傷亡及財產(chǎn)損失。所以，做好鋁鎂混合粉的抑爆、防爆工作，測試鋁鎂混合粉的爆炸特性參數(shù)就變得十分迫切。最低點燃溫度則是衡量粉塵云著火感度和爆炸危險性的重要參數(shù)之一[5-7]，在可燃粉塵中添加惰性粉塵可以從根本上確?？扇挤蹓m生產(chǎn)、儲存和運輸過程中的安全性。所以，本文選用鋁鎂混合粉(鋁粉與鎂粉的質(zhì)量比為1∶9)，改變裝置吹粉壓力、BaCO3及SiO2粉塵粒徑和含量，研究鋁鎂混合粉塵云在這些外界條件作用下的最低點燃溫度變化規(guī)律，為深入研究鋁鎂混合粉的安全防護措施，保證鋁鎂混合粉安全生產(chǎn)提供一定的指導參考意義。

1　實驗研究

1.1實驗裝置及原理

本文采用G-G恒溫爐實驗儀器來研究BaCO3及SiO2惰性粉塵對鋁鎂混合粉塵云最低點燃溫度影響規(guī)律[8]，裝置圖如圖1所示。G-G恒溫爐裝置組成分為3部分：220 mL的爐體部分、吹氣控制系統(tǒng)部分以及加熱控制系統(tǒng)部分，其中吹氣壓力可在0～0.1 MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，加熱溫度可在0～1 000 ℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)控制。

實驗前，調(diào)節(jié)加熱控制系統(tǒng)部分，將裝置爐體溫度設定為某一恒定值，裝置的吹粉壓力可由吹氣控制系統(tǒng)部分調(diào)控，實驗時將鋁鎂混合粉放在樣品室中，打開控制開關(guān)，由空氣將鋁鎂混合粉吹入裝置爐體中，可通過實驗裝置底部的鏡面反射板判定鋁鎂混合粉是否被點燃。

根據(jù)標準，如果實驗裝置爐體中有火焰出現(xiàn)且現(xiàn)象很明顯，則判定混合粉被點燃；如果沒有觀察到明顯火焰，則判定混合粉未被點燃。實驗從低溫開始測定，某溫度條件下重復進行10次實驗都無明顯的火焰出現(xiàn)則認為此溫度條件下鋁鎂混合粉未著火，那么繼續(xù)升高爐體溫度并恒定在某一數(shù)值，重復上述步驟直到獲得鋁鎂混合粉的最低點燃溫度。

1-加熱控制器；2-熱電偶；3-加熱爐；4-觀察玻璃管；5-裝樣室；6-高度拋光板；7-空氣存儲器；8-電磁閥；9-粉塵擴散開關(guān)；10-調(diào)節(jié)閥；11-空氣壓縮機

1.2實驗樣品

實驗所用的鋁鎂混合粉粒徑53～75 μm，純度≥99%；惰性粉塵BaCO3和SiO2有粒徑為38～45，48～53 ，53～75 ，75～150 μm的4種規(guī)格，純度為分析純。實驗前，需要將BaCO3粉塵和SiO2粉塵置于干燥箱中，對其干燥脫水處理，設定的干燥溫度為70 ℃，干燥時間為12 h，干燥結(jié)束后，迅速將BaCO3和SiO2粉塵分別存放于干燥瓶中。鋁鎂混合粉一般存放在真空干燥箱中，這樣可以避免鋁鎂混合粉被空氣氧化而影響實驗結(jié)果測試的準確性。

2　實驗結(jié)果與討論

2.1最低點燃溫度受吹粉壓力影響規(guī)律

實驗選用鋁鎂混合粉質(zhì)量濃度分別為0.45，1.36，2.73 kg/m3，粒徑范圍為53～75 μm。研究裝置吹粉壓力分別為0.02，0.025，0.03，0.035，0.04，0.045，0.05 MPa時，鋁鎂混合粉塵云的最低點燃溫度。實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2　最低點燃溫度受吹粉壓力影響規(guī)律

由圖2可得出，在同一濃度和同一粒徑條件下，鋁鎂混合粉塵云的最低點燃溫度隨吹粉壓力的升高，呈現(xiàn)出先變小后增大的規(guī)律，實驗還得出，該實驗條件下存在一個最佳的吹粉壓力；質(zhì)量濃度為0.45，1.36 kg/m3的鋁鎂混合粉，其最佳吹粉壓力為0.03 MPa，而當質(zhì)量濃度變成2.73 kg/m3時，最佳吹粉壓力則變成0.035 MPa，即高濃度鋁鎂混合粉的最佳吹粉壓力要大于低濃度鋁鎂混合粉，這是因為當鋁鎂混合粉濃度增大時，鋁鎂混合粉顆粒之間的距離相對減小，原子間作用力增強，故需要增大吹粉壓力以利于鋁鎂混合粉在爐體中均勻分散。

吹粉壓力過高過低都不利于鋁鎂混合粉著火燃燒，存在最佳吹粉壓力，當吹粉壓力低于最佳吹粉壓力時，由于吹氣系統(tǒng)吹進爐體中的空氣量很少，使鋁鎂混合粉燃燒不完全，同時由于吹粉壓力很小，不能使鋁鎂混合粉在爐體中均勻分布，鋁鎂混合粉因發(fā)生團聚而使其比表面積變小，這也不利于鋁鎂混合粉和O2及N2反應，反應不完全，降低了反應放出的熱量。所以隨著吹粉壓力變小，鋁鎂混合粉塵云的最低點燃溫度會增大。

當吹粉壓力比最佳吹粉壓力大時，氣流速度變大，大大縮短了鋁鎂混合粉在爐體中的停留時間，在一定程度上縮短了粒子與爐體環(huán)境及粒子間的換熱時間，導致?lián)Q熱不充分，吸收的熱量不足，與此同時，會將大量的低溫空氣帶入到反應爐體中，低溫空氣的進入降低了爐體的溫度。所以在高于最佳吹粉壓力時，隨著吹粉壓力的增大，鋁鎂混合粉塵云的最低點燃溫度會升高[9]。

2.2最低點燃溫度受惰性粉塵粒徑影響規(guī)律

實驗的吹粉壓力控制在0.03 MPa，鋁鎂混合粉的質(zhì)量濃度確定為1.36 kg/m3，惰性粉塵BaCO3和SiO2質(zhì)量分數(shù)為44%不變，研究4種不同粒徑38～45，48～53，53～75，75～150 μm的惰性BaCO3和SiO2粉塵對鋁鎂混合粉塵云最低點燃溫度的影響情況，實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3　最低點燃溫度受惰性粉塵粒徑影響規(guī)律

由圖3可得出，當惰性粉塵粒徑變小，鋁鎂混合粉塵云的最低點燃溫度會升高，惰性粉塵粒徑越小對鋁鎂混合粉著火燃燒的抑制效果越好。惰性粉塵的粒徑由75～150 μm減小到38～45 μm時，在鋁鎂混合粉塵云中加入BaCO3時，則混合粉塵云的最低點燃溫度會提高22 ℃，而在鋁鎂混合粉塵云中加入SiO2時，混合粉塵云的最低點燃溫度只提高了14 ℃，這說明當惰性粉塵粒徑固定時，BaCO3的抑制效果好于SiO2的抑制效果。

微觀上，根據(jù)分子碰撞反應理論，當鎂原子與氧分子碰撞時，能量發(fā)生轉(zhuǎn)移，只有當分子能量高于反應活化能時，反應才能發(fā)生。惰性粉塵的添加使鎂原子與氧分子有效碰撞數(shù)降低，降低了反應活性。宏觀上，惰性粉塵BaCO3和SiO2的粒徑越小，與鋁鎂混合粉接觸的換熱面積越大，就越有助于吸收反應釋放的熱量，繼而起到抑制鋁鎂混合粉著火燃燒的效果。另外一個原因是，在可燃粉塵中添加惰性粉塵，這就使得單位體積中可燃粉塵的濃度變小，使得燃燒反應釋放的能量變小。由于惰性粉塵添加量不變，因此，惰性粉塵粒徑越小，單位體積中惰性粉塵顆粒越多，導致單位體積中鋁鎂混合粉相對濃度變小。所以，可以考慮在可燃粉塵中添加微小粒徑的惰性粉塵來提高其對可燃粉塵著火燃燒的抑制效果，從而大大降低可燃粉塵因著火燃燒而帶來的危害，保證生產(chǎn)加工過程的安全。

2.3低點燃溫度受惰性粉塵含量影響規(guī)律

選擇實驗吹粉壓力0.035 MPa，鋁鎂混合粉質(zhì)量濃度選擇1.36 kg/m3，研究向鋁鎂混合粉中添加不同含量的粒徑為53～75 μm的惰性粉塵BaCO3和SiO2，研究鋁鎂混合粉塵云最低點燃溫度受惰性粉塵含量影響規(guī)律，實驗結(jié)果如圖4所示。

從圖4可得出，當惰性粉塵BaCO3和SiO2在混合粉塵中含量增加時，鋁鎂混合粉塵云的最低點燃溫度會提高，這也充分表明惰性BaCO3和SiO2粉塵對鋁鎂混合粉燃燒反應有抑制效果。從圖4中還可以得出，含量不同時，BaCO3和SiO2粉塵的抑制效果是不一樣的，混合物中惰性粉塵質(zhì)量分數(shù)在53%以下時，BaCO3抑制燃燒反應的效果較好；但當混合物中惰性粉塵質(zhì)量分數(shù)在53%以上時，SiO2抑制燃燒反應的效果較好；當加熱溫度在630 ℃以上時，BaCO3和SiO2兩種惰性粉塵對鋁鎂混合粉燃燒反應的抑制效果都很差，此時即使再增加BaCO3和SiO2的含量，鋁鎂混合粉塵云最低點燃溫度也不會有很大的變化。

圖4　最低點燃溫度受惰性粉塵含量影響規(guī)律

常溫下氮氣就可以和鎂粉反應，只是該反應速率太慢，達到平衡狀態(tài)需要的時間非常漫長[10]，因此觀察不到氮氣與鎂粉的反應，只有在高溫下才能觀察到。根據(jù)分子有效碰撞理論，實驗中，鎂原子先與氧分子發(fā)生有效碰撞，激起化學反應，釋放的能量傳遞給氮分子，促使氮分子和鎂原子的化學反應。但是由于惰性粉塵BaCO3和SiO2的添加，降低了單位體積中鋁鎂混合粉的含量，從而降低了氧分子和鎂原子的有效碰撞，降低了化學反應的可能性；同時由于惰性粉塵BaCO3和SiO2不參與化學反應，在反應空間中會吸收鋁鎂混合粉與氧氣反應釋放出的一部分熱量，降低體系的溫度，抑制氮氣與鎂粉的化學反應。

實驗結(jié)果在指導實際鋁鎂混合粉工業(yè)生產(chǎn)時，考慮到實驗環(huán)境和現(xiàn)實環(huán)境的不同，為保證安全生產(chǎn)，鋁鎂混合粉實際生產(chǎn)環(huán)境中涉及的所有設備的最高表面溫度應小于實驗條件下鋁鎂混合粉塵云最低著火溫度的2/3，即當鋁鎂混合粉所處環(huán)境溫度低于420 ℃時，方可認為安全[11]。

3　結(jié)語

(1) 本次實驗條件下，當吹粉壓力設定在0.02～0.05 MPa范圍內(nèi)時，隨著吹粉壓力的增大，鋁鎂混合粉塵云的最低點燃溫度呈現(xiàn)先降低后升高的變化規(guī)律，且存在一個最佳吹粉壓力值，在此條件下鋁鎂混合粉塵云的最低點燃溫度值最小。實驗還發(fā)現(xiàn)，高濃度時鋁鎂混合粉的最佳吹粉壓力要比低濃度時鋁鎂混合粉的最佳吹粉壓力高。

(2) 隨著惰性粉塵粒徑減小，鋁鎂混合粉塵云的最低點燃溫度會增大，惰性粉塵粒徑越小，其對鋁鎂混合粉燃燒反應的抑制效果就越好，此外，粒徑對BaCO3抑制效果的影響要略強于對SiO2的影響。

(3) 隨著BaCO3和SiO2含量的增加，鋁鎂混合粉塵云最低點燃溫度呈現(xiàn)先升高后趨于穩(wěn)定的變化趨勢?；旌衔镏卸栊苑蹓m質(zhì)量分數(shù)在53%以下時，BaCO3抑制燃燒反應的效果較好；但當混合物中惰性粉塵質(zhì)量分數(shù)在53%以上時，SiO2抑制燃燒反應的效果較好；當加熱溫度在630 ℃以上時，BaCO3和SiO2兩種惰性粉塵對鋁鎂混合粉燃燒反應的抑制效果都很差。

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Research on the Influence of Inert Dust on Minimum Ignition Temperature of Aluminum and Magnesium Dust Cloud

HU Haiyan1,2HU Lishuang1WU Xue1

(1.CollegeofChemicalEngineeringandEnvironment,NorthUniversityofChinaTaiyuan030051)

In order to evaluate inhibition effect of inert dust to magnesium and aluminum dust, G-G furnace is used to study the influence of diffusing pressure, particle size and content of inert dust BaCO3and SiO2on the minimum ignition temperature (MIT) of magnesium and aluminum dust cloud. Results show that there is optimum diffusing pressure, which is most conducive to magnesium and aluminum dust combustion and the optimum diffusing pressure of high concentration of magnesium and aluminum dust is greater than that of low concentration of magnesium and aluminum dust. The MIT of magnesium and aluminum dust cloud increases with the decrease of the particle size of inert dust and the influence of inhibition effect for BaCO3by the change of size is slightly stronger than that of SiO2. The MIT of magnesium and aluminum dust cloud increases at first and then tends to be stable with the increase of the content of inert dust BaCO3and SiO2, the inhibition effect of BaCO3is stronger than that of SiO2, when the content of inert dust is lower than 53%, but when higher than 53%, the inhibition effect of SiO2is stronger than that of BaCO3. The inhibition effect of BaCO3and SiO2to magnesium and aluminum dust is weaker, when the temperature of furnace body is higher than 630 ℃.

magnesium and aluminum dust cloudminimum ignition temperatureinert dustG-G furnace

中北大學研究生科技基金(20141137)。

胡海燕，男，1975年生，博士，講師，研究方向為危險化學品評價。

2016-01-19)