基于20 L球形爆炸裝置的微米級鋁粉爆炸特性實(shí)驗(yàn)

林柏泉，梅曉凝，王可，李慶釗

(中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇，徐州 221116)

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基于20 L球形爆炸裝置的微米級鋁粉爆炸特性實(shí)驗(yàn)

林柏泉，梅曉凝，王可，李慶釗

(中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇，徐州 221116)

采用20 L球形爆炸裝置，對6種不同粒徑分布的微米鋁粉在不同濃度下的爆炸特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，考察了濃度和粒徑對鋁粉爆炸特性的影響規(guī)律，并分析了其爆炸產(chǎn)物的表面特征. 結(jié)果表明，鋁粉的最大爆炸壓力、壓力上升速率和爆炸指數(shù)隨鋁粉濃度的增加呈拋物線變化，在最適爆炸濃度(copt=500 g/m3)時(shí)三者均達(dá)到峰值. 隨著鋁粉粒徑的減小時(shí)，最大爆炸壓力、壓力上升速率呈指數(shù)增加趨勢，且在鋁粉粒徑小于10 μm時(shí)，其增幅更為顯著. 爆炸過程中的鋁粉粉塵云的燃燒時(shí)間隨鋁粉濃度的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減并趨于平緩，同時(shí)隨著鋁粉粒徑的減小而降低.

微米鋁粉；最大爆炸壓力；最大爆炸壓力上升速率；燃燒時(shí)間

鋁粉是一種重要的金屬工業(yè)原料，在冶金、化工、包裝、油漆、建筑、制造、航空航天及軍事工業(yè)等眾多領(lǐng)域被廣泛使用. 鋁粉的制備過程中會產(chǎn)生大量粉塵，有嚴(yán)重的爆炸危險(xiǎn)性，屬于高危冶煉行業(yè). 近年來鋁粉爆炸事故頻發(fā)，爆炸時(shí)產(chǎn)生的巨大壓力和熱量對人員和設(shè)備產(chǎn)生了很大的破壞作用，造成了嚴(yán)重的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失. 如2014年8月2日，昆山中榮金屬制品有限公司發(fā)生特別重大事故，鋁粉粉塵爆炸造成了97人死亡，185人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3.51億元. 如何有效預(yù)防鋁粉爆炸、控制鋁粉爆炸及減輕爆炸事故后果顯得尤為重要，因此，對于鋁粉爆炸的研究十分必要.

對鋁粉爆炸的研究大致可分為3個(gè)方面：鋁粉爆炸機(jī)理的研究、鋁粉爆炸特性參數(shù)的研究和鋁粉爆炸防爆抑爆措施的研究[1]，并且取得了一定的成果. 鋁粉的粒徑、濃度等自身因素，還有外部因素包括實(shí)驗(yàn)裝置、點(diǎn)火能量、點(diǎn)火延遲時(shí)間、濕度等，都會影響鋁粉的最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率、爆炸下限、最小點(diǎn)火能等爆炸特性參數(shù)[2-7]. 不斷增大鋁粉的濃度，則最大爆炸壓力和壓力上升速率先增大后減小[2-4]. 微米鋁粉的粒徑越小，最大爆炸壓力越大，壓力升高得越快，最大爆炸壓力上升速率越大[2，4]. 在不同測試裝置中測得粒徑和濃度都相同的鋁粉粉塵的爆炸特性參數(shù)也是不同的，哈特曼管中測得的最大爆炸壓力和壓力上升速率比水平管道內(nèi)所測得的要小[5]. 當(dāng)點(diǎn)火能量高于鋁粉的最小點(diǎn)火能，則不同點(diǎn)火能量下的最大爆炸壓力和壓力上升速率幾乎沒有變化[4]. 點(diǎn)火延遲時(shí)間與鋁粉濃度對最大爆炸壓力和壓力上升速率的影響趨勢是相同的[7]. 水分對鋁粉爆炸的作用是雙方面的：既可能促進(jìn)鋁粉爆炸，也可能抑制爆炸，促進(jìn)還是抑制與鋁粉濃度是相關(guān)的[2]. 納米鋁粉的爆炸下限比微米鋁粉的爆炸下限要低[4]，但是各因素對爆炸下限的影響規(guī)律研究還不充分.

對于微米鋁粉的爆炸研究已經(jīng)很充分，但是所選鋁粉種類較少或是粒徑分布相差較大，對于鋁粉在爆炸過程中的燃燒時(shí)間研究較少. 本文利用20 L球形爆炸裝置對6種不同粒徑分布的微米級鋁粉在不同濃度下進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)，探討鋁粉的粒徑和濃度對爆炸的影響，以期對預(yù)防鋁粉爆炸有所幫助.

1 實(shí)驗(yàn)樣品及裝置

1.1 鋁粉樣品粒度特性

選取河南遠(yuǎn)洋鋁業(yè)有限公司生產(chǎn)的6種不同粒徑的鋁粉作為研究對象，其粒徑分布及特征參數(shù)如表1和圖1所示，試驗(yàn)前將所選鋁粉在50 ℃的惰氣環(huán)境中經(jīng)30 min的烘干處理.

表1 鋁粉粒度性質(zhì)

1.2 鋁粉樣品表面特性

對6種鋁粉樣品進(jìn)行掃描電子顯微鏡分析，得到結(jié)果如圖2所示.

從圖2可以看出本實(shí)驗(yàn)所選用的鋁粉顆粒是球形的，分布無規(guī)則. 當(dāng)體積中位直徑d50<10 μm時(shí)，鋁粉顆粒形狀是規(guī)則的球形，大小較均勻，表面光滑；當(dāng)體積中位直徑d50>10 μm時(shí)，有些顆粒呈橢球形，大小不均，含有部分粒徑較小的顆粒，有些顆粒表面還有小顆粒附著. 鋁粉在空氣中極易被氧化，顆粒表面能譜(EDS)檢測顯示球體表面附著一層薄的氧化鋁薄膜[8].

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

鋁粉爆炸參數(shù)的實(shí)測值與所使用的儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)條件等緊密相關(guān). 研究粉塵爆炸參數(shù)的儀器大多采用1.3 L Hartmann 管、20 L球形爆炸測試裝置和1 m3筒形容器. 使用Hartmann 管來測量爆炸威力參數(shù)時(shí)，由于其爆炸室為管狀結(jié)構(gòu)，鋁粉燃燒后火焰很快接觸冷管壁被吸收掉部分燃燒反應(yīng)熱；Hartmann管的點(diǎn)火方式和點(diǎn)火位置都不利于爆炸過程的快速發(fā)展；鋁粉在Hartmann管中的未燃鋁粉約占32.6%[9]，而在20 L球內(nèi)爆炸后會殘留約20%的未燃鋁粉[10].

本實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)20 L球形爆炸裝置(如圖3所示)上進(jìn)行，該系統(tǒng)主要包括爆炸球裝置本體、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等.

爆炸裝置的粉塵罐體積為0.6 L，實(shí)驗(yàn)時(shí)粉塵罐預(yù)先充氣使壓力達(dá)到2 MPa，隨后高壓氣流攜帶鋁粉經(jīng)分散噴嘴進(jìn)入球體內(nèi)形成高紊流度的粉塵云；爆炸實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火采用能量為2 kJ的化學(xué)點(diǎn)火頭，探究弱點(diǎn)火條件下鋁粉的爆炸特性，根據(jù)噴粉裝置特性及傳感器靈敏度，經(jīng)多次預(yù)備性實(shí)驗(yàn)，確定點(diǎn)火延遲時(shí)間為230 ms.

鋁粉在20 L球形爆炸裝置中爆炸后，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以對爆炸壓力信號進(jìn)行采集和處理，得到鋁粉的爆炸壓力隨時(shí)間的變化曲線，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為1 000 ms，如圖4所示(體積中位直徑d50=24.62 μm，濃度為250 g/m3的鋁粉).

根據(jù)鋁粉燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的能量與損失的熱量的關(guān)系，可將鋁粉爆炸過程分為3個(gè)階段[3]：爆炸壓力上升區(qū)、峰值區(qū)和衰減區(qū). 在曲線上定義從點(diǎn)火(此時(shí)罐內(nèi)壓力為0)到達(dá)到最大爆炸壓力所需時(shí)間為鋁粉的燃燒時(shí)間t.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 鋁粉爆炸特性參數(shù)的分析

2.1.1 濃度對鋁粉爆炸的影響

選取不同粒徑分布的鋁粉分別在7種不同的鋁粉濃度下進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)，探索鋁粉濃度對爆炸特性參數(shù)的影響規(guī)律.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了粒徑分布不同時(shí)，鋁粉濃度對爆炸特性參數(shù)的影響規(guī)律是大致相同. 選取d50分別為1.58 ，9.03 ，30.51 μm的鋁粉作出說明，實(shí)驗(yàn)時(shí)測定了濃度為30，60，125，250，500，750，1 000 g/m3時(shí)的爆炸特性參數(shù)(圖5).

圖5表明鋁粉粒徑一定時(shí)，最大爆炸壓力pm隨鋁粉濃度的增大呈拋物線變化，存在一個(gè)最適爆炸濃度copt=500 g/m3，使最大爆炸壓力達(dá)到峰值. 當(dāng)鋁粉濃度不足500 g/m3時(shí)，最大爆炸壓力隨鋁粉濃度的增大而逐漸變大，在鋁粉濃度為500 g/m3時(shí)達(dá)到峰值；當(dāng)鋁粉濃度超過500 g/m3時(shí)，最大爆炸壓力隨鋁粉濃度的增大而逐漸變小. 鋁粉濃度對最大爆炸壓力上升速率和爆炸指數(shù)的影響規(guī)律與其對最大爆炸壓力的影響規(guī)律基本一致.

鋁粉粒徑一定時(shí)，熱量在顆粒間的傳遞方式?jīng)Q定其爆炸特性，即最大爆炸壓力、壓力上升速率和爆炸指數(shù)可近似表示為粉塵濃度的函數(shù). 鋁粉與氧氣產(chǎn)生的爆炸反應(yīng)是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程，不考慮鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的中間過程，鋁粉在空氣中燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式為：4Al+3(O2+3.76N2)=2Al2O3+11N2+Q，根據(jù)此式，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，鋁粉在空氣中的化學(xué)計(jì)量比濃度為337.5 g/m3，即理論上鋁粉與氧氣完全反應(yīng)，最大爆炸壓力和壓力上升速率皆達(dá)到峰值. 但由于噴粉效果等原因，鋁粉可能并未完全吹散揚(yáng)起或揚(yáng)起后分布不均勻，導(dǎo)致燃燒不充分，所以鋁粉濃度取最適反應(yīng)濃度500 g/m3，處于富燃料狀態(tài). 當(dāng)鋁粉濃度低于500 g/m3時(shí)，燃燒處于富氧狀態(tài)，熱量在鋁粉顆粒間快速傳遞，充足的氧氣促使反應(yīng)快速進(jìn)行直至爆炸發(fā)生，隨著鋁粉濃度的不斷增加，參與燃燒反應(yīng)的鋁粉隨之增多，最大爆炸壓力、壓力上升速率和爆炸指數(shù)亦不斷增大；當(dāng)鋁粉濃度高于500 g/m3時(shí)，燃燒處于富燃料狀態(tài)，多余的鋁粉并未參與燃燒反應(yīng)，粉塵云過濃時(shí)，缺氧會阻礙燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，且多余的未燃鋁粉吸收燃燒產(chǎn)生的熱量，降低爆炸后溫度，阻礙火焰?zhèn)鞑?，因此反?yīng)較慢，產(chǎn)生的最大爆炸壓力較小，壓力上升也較慢.

鋁粉粉塵云濃度接近或達(dá)到最適爆炸濃度時(shí)，爆炸造成的損失和傷害是最大的，在生產(chǎn)中要控制最適爆炸濃度(copt=500 g/m3)鋁粉粉塵云的產(chǎn)生.

2.1.2 粒徑對鋁粉爆炸的影響

現(xiàn)分析6種不同粒徑分布的鋁粉在最適爆炸濃度下(copt=500 /m3)的最大爆炸壓力、壓力上升速率和爆炸指數(shù)隨體積中位直徑的變化規(guī)律，如圖6所示.

由圖6可見，pmax和(dp/dt)max隨著鋁粉體積中位直徑d50的減小而增大，尤其當(dāng)d50<10 μm時(shí)，pmax迅速增長：d50=18.13 μm時(shí)，pmax=0.32 MPa；d50=9.03 μm時(shí)，pmax=0.43 MPa，增幅為34.38%；d50=1.58 μm時(shí)，pmax=0.56 MPa，增幅為30.23%；(dp/dt)max的增長更為迅速：d50=18.13 μm時(shí)，(dp/dt)max=26.74 MPa/s；d50=9.03 μm時(shí)，(dp/dt)max=106.14 MPa/s，增幅為296.93%；d50=1.58 μm時(shí)，(dp/dt)max=258.25 MPa/s，增幅為143.31%.

當(dāng)鋁粉粒徑小于100 μm時(shí)，爆炸機(jī)理以表面非均相為主[11]. 表面非均相點(diǎn)火機(jī)理認(rèn)為鋁粉點(diǎn)火過程與氧氣和鋁粉顆粒表面的接觸面積有關(guān)，接觸面積越大，鋁粉點(diǎn)火越快. 從表1可以得出鋁粉的體積中位直徑d50越小，比表面積Sp越大，當(dāng)鋁粉的粒徑小于10 μm時(shí)，鋁粉的比表面積大大增加，特別是粒徑為1.58 μm的鋁粉，其比表面積可達(dá)6.05 m2/g. 鋁粉的比表面積越大，鋁粉與空氣中氧氣的總接觸面積越大，氧氣可快速向鋁粉顆粒表面擴(kuò)散，鋁粉顆粒內(nèi)部因缺氧而不充分燃燒的現(xiàn)象有效減弱，燃燒熱的釋放也加快；文獻(xiàn)[12]指出鋁粉氧化的活化能隨著粒徑的增大而增大，所以鋁粉的粒徑越小，鋁粉氧化過程所消耗的能量越小，那么釋放的能量越多；鋁粉的粒徑越大，顆粒質(zhì)量越大，沉降速度越快，影響燃燒反應(yīng)程度，所以當(dāng)鋁粉的粒徑減小到10 μm時(shí)，沉降速度大大降低，懸浮時(shí)間隨之增長，燃燒反應(yīng)進(jìn)行得更加充分，釋放出更多的能量. 綜上可知，多重因素耦合作用下，鋁粉粒徑對pmax和(dp/dt)max有著顯著影響.

研究結(jié)果表明在生產(chǎn)過程中要避免產(chǎn)生微細(xì)鋁粉粉塵，尤其是爆炸危險(xiǎn)性大的粉塵(d<10 μm). 對于此類鋁粉要加大防護(hù)力度.

2.2 鋁粉燃燒時(shí)間的數(shù)據(jù)分析

2.2.1 鋁粉濃度對燃燒時(shí)間的影響

對6種不同粒徑的鋁粉粉塵在不同濃度下的爆炸實(shí)驗(yàn)的燃燒時(shí)間t進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，結(jié)果如圖7所示.

由擬合曲線可知，當(dāng)鋁粉粉塵的粒徑一定時(shí)，鋁粉在爆炸過程中的燃燒時(shí)間隨鋁粉濃度的增加而減小，最后逐漸趨于平緩，呈指數(shù)變化. 鋁粉濃度較小時(shí)，鋁粉較分散，顆粒之間間隙較大，熱量傳遞速度慢，所以燃燒時(shí)間較長；隨著鋁粉濃度的增大，顆粒間間隙逐漸減小，熱量傳遞速度變快，燃燒時(shí)間隨之減小，但由于分子間斥力的存在，顆粒間間隙會保持在一定的距離，故燃燒時(shí)間隨鋁粉濃度的增大而趨于平緩.

2.2.2 鋁粉粒徑對燃燒時(shí)間的影響

統(tǒng)計(jì)6種不同粒徑的鋁粉粉塵在最適爆炸濃度下(copt=500 g/m3)的燃燒時(shí)間t，分析鋁粉在爆炸過程中的燃燒時(shí)間t與鋁粉粒徑(體積中位直徑d50)的關(guān)系，如圖8所示.

從圖8可以看出，當(dāng)鋁粉粉塵濃度一定時(shí)，鋁粉在爆炸過程中的燃燒時(shí)間隨著鋁粉體積中位直徑的減小而縮短. 鋁粉的粒徑越小，比表面積越大，在燃燒過程中與空氣中氧氣的接觸面積越大，促使燃燒反應(yīng)快速進(jìn)行，燃燒時(shí)間隨之縮短. 鋁粉顆粒表面與氧氣接觸越充分，熱量由顆粒表面?zhèn)鬟f到內(nèi)部的速度越快，燃燒時(shí)間越短.

2.3 鋁粉爆炸產(chǎn)物SEM分析

對6種不同的鋁粉，分別取其最大爆炸壓力pmax和最小爆炸壓力pmin下的爆炸產(chǎn)物作SEM分析，現(xiàn)選取樣品No.1，No.3，No.6進(jìn)行對比，結(jié)果如圖9所示，圖10是樣品No.1的原樣及其pmax爆炸產(chǎn)物的能譜分析.

圖9中鋁粉的爆炸產(chǎn)物呈絮狀分布，其中有一些球形顆粒的鋁粉存在，從圖10的能譜分析中可以看出爆炸產(chǎn)物中氧的含量增加，表明鋁粉和其氧化物Al2O3共同存在，鋁粉并未完全反應(yīng). 在最小爆炸壓力下，鋁粉的爆炸產(chǎn)物團(tuán)聚作用明顯，顏色較淺；而在最大爆炸壓力下，鋁粉的爆炸產(chǎn)物更為破碎，可能是在爆炸過程中產(chǎn)生的巨大爆炸壓力破壞了其團(tuán)聚作用，且顏色較深. 鋁粉爆炸產(chǎn)物證明了在燃燒過程中，鋁粉顆粒的球形表面先被破壞才能參與反應(yīng).

3 結(jié) 論

① 鋁粉最大爆炸壓力pm、最大爆炸壓力上升速率(dp/dt)m和爆炸指數(shù)kst均隨粉塵濃度c呈拋物線變化，均在最適爆炸濃度copt為500 g/m3時(shí)達(dá)到峰值.

② 微米鋁粉的最大爆炸壓力pmax和最大爆炸壓力上升速率(dp/dt)max鋁粉粒徑的變化呈指數(shù)衰減變化. 當(dāng)粒徑小于10 μm時(shí)，增加幅度明顯變大，pmax的增幅分別為34.38%和30.23%；(dp/dt)max的增幅分布為296.93%和143.311%. 結(jié)果表明微米鋁粉的粒徑越小，越易發(fā)生爆炸，爆炸威力越大.

③ 當(dāng)微米鋁粉粉塵的粒徑一定時(shí)，鋁粉在爆炸過程中的燃燒時(shí)間t隨鋁粉濃度c的增加而減小，最后逐漸趨于平緩，呈指數(shù)衰減；當(dāng)鋁粉粉塵濃度一定時(shí)，鋁粉在爆炸過程中的燃燒時(shí)間t隨著鋁粉粒徑的減小而減小.

④ 無論在最大爆炸壓力還是最小爆炸壓力狀態(tài)下，鋁粉的爆炸產(chǎn)物呈絮狀分布，鋁粉和其氧化物Al2O3共同存在，表明在爆炸過程中鋁粉并未完全反應(yīng)，有部分鋁粉未參與爆炸.

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(責(zé)任編輯：劉雨)

Explosion Characteristics of Micro-Aluminum Powders in 20 L Spherical Vessels

LIN Bai-quan， MEI Xiao-ning， WANG Ke， LI Qing-zhao

(School of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines，Xuzhou，Jiangsu 221116，China)

Aluminum powder is an important mental industrial raw material，it is significant to prevent aluminum dusts explosion effectively. Explosion experiments were carried out for six micro-aluminum powders with different particle sizes in different concentrations by using 20 L spherical vessel to investigate the effects of aluminum dust concentration and particle size on explosion characteristics，and the explosion products were also analyzed. The results show: the maximum explosion pressure，the rate of pressure rise and explosion index all vary with dust concentration increasing，and their curves are parabola and reach the peak value in optimum concentration which is 500 g/m3. The maximum explosion pressure and the rate of pressure rise both rise with aluminum dust particle size decreasing，and their curves are exponential. They increase rapidly when particle sizes less than 10 μm. The combustion time in explosion of dust cloud decreases as aluminum dust concentration increasing，and gradually trends to flat，besides its curve is exponential. The combustion time of aluminum powders decreases with aluminum dust particle size decreasing.

micro-aluminum powders; maximum explosion pressure; the maximum rate of pressure rise; combustion time

2015-05-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51204169，51574230)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20131115)

林柏泉(1960—)，男，博士，教授，E-mail:lbq21405@126.com.

李慶釗(1979—)，男，博士，副教授，E-mail:qingzhaolee@163.com.

TG 146.2

A

1001-0645(2016)07-0661-07

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.07.001