20 L近球形容器中微米級(jí)鋁粉的爆炸特性*

陳曉坤,張自軍,王秋紅,鄧 軍,李海濤,徐青峰

(1.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

鋁是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在顏料、油漆、煙花、冶金和飛機(jī)、船舶制造業(yè)中被大量應(yīng)用。然而，鋁粉的生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和應(yīng)用過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)較多的粉塵，如果管理或操作出現(xiàn)失誤，鋁粉粉塵濃度達(dá)到爆炸極限范圍時(shí)，碰到火星或一定大小的靜電能量就會(huì)發(fā)生鋁粉燃燒爆炸事故。此外，鋁粉爆炸同其他煤粉、面粉、木粉等可燃粉塵爆炸一樣，初始爆炸產(chǎn)生的沖擊波會(huì)使原先沉積的粉塵揚(yáng)起，被之前產(chǎn)生的火焰引燃，發(fā)生連續(xù)的、更加嚴(yán)重的二次爆炸。因此，充分了解鋁粉爆炸過(guò)程的危害性,加深對(duì)鋁粉爆炸原因和規(guī)律的認(rèn)識(shí)，并采取一定的防范措施，預(yù)防、控制和減輕鋁粉塵帶來(lái)的危害，是十分必要的。

目前，已有了許多有關(guān)鋁粉爆炸的理論和實(shí)驗(yàn)研究。李延鴻[1]通過(guò)研究粉塵爆炸的基本特征，提出粉塵爆炸的本質(zhì)是氣體爆炸。趙江平等[2]認(rèn)為熱爆炸是造成粉塵爆炸的原因，通過(guò)合理假設(shè)將均溫系統(tǒng)應(yīng)用到粉塵爆炸過(guò)程中，推出熱爆炸的判斷依據(jù)，驗(yàn)證了該理論的合理性。Kwon等[3]、Gromov等[4]通過(guò)對(duì)超細(xì)鋁粉在空氣中燃燒生成氮化鋁過(guò)程的分析，并對(duì)不同燃燒條件對(duì)鋁粉燃燒反應(yīng)生成產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和組成成分的影響進(jìn)行分析，深入探究了超細(xì)鋁粉燃燒過(guò)程的發(fā)生機(jī)理。此外，許多研究表明，鋁粉爆炸特性受點(diǎn)火延遲時(shí)間[5-7]、粉塵粒度[8-10]、粉塵濃度[11-14]和湍流度[15-16]等因素的影響。

本文中，針對(duì)以微米級(jí)鋁粉，測(cè)試點(diǎn)火延遲時(shí)間、粉塵粒徑和粉塵濃度對(duì)鋁粉爆炸特性參數(shù)的影響，有助于深入了解和掌握鋁粉塵的爆炸規(guī)律，還能為工業(yè)生產(chǎn)中鋁粉防爆抑爆提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)樣品及裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品為微米級(jí)鋁粉，實(shí)驗(yàn)前將實(shí)驗(yàn)樣品放入恒溫干燥箱中，在溫度為50 ℃、真空條件下連續(xù)干燥6 h。采用COULTER-LS230激光粒度分析儀對(duì)實(shí)驗(yàn)中所用的4種鋁粉樣品顆粒進(jìn)行測(cè)定，樣品顆粒粒度分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 鋁粉粒度微分分布Fig.1 Particle size differential volume of aluminum dust

從圖1中可以看出，4種鋁粉樣品的平均粒徑為17.98、10.98、8.63和8.12 μm。

為了測(cè)定鋁粉的純度，采用元素分析儀測(cè)試得到鋁粉樣品的元素種類(lèi)及含量，分別為：w(Al)=99.76%,w(Cu)=0.001 0%,w(Fe)=0.092 2%,w(Si)=0.043 0%。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

20 L近球形粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由爆炸罐、點(diǎn)火系統(tǒng)、粉塵分散系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和容器清潔系統(tǒng)組成，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。其中，用不銹鋼材質(zhì)做的爆炸罐是全封閉式爆炸反應(yīng)容器。

圖2 20 L近球形粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 20 L nearly spherical dust explosion experimental system

實(shí)驗(yàn)步驟為：先用真空泵將爆炸罐內(nèi)壓力抽至-60 kPa真空度，等到數(shù)字壓力計(jì)示數(shù)不再變化后，開(kāi)啟電磁閥開(kāi)關(guān)使高壓空氣將托粉皿中的鋁粉噴散開(kāi)來(lái)，在爆炸罐內(nèi)形成粉塵云，罐內(nèi)壓力達(dá)到常壓，由于本實(shí)驗(yàn)所用粉塵為鋁粉，如將它放入儲(chǔ)粉罐中，在管道拐角處易形成堆積，造成質(zhì)量損失，所以將鋁粉放入托粉皿中；然后，控制點(diǎn)火電極引燃化學(xué)點(diǎn)火頭，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并處理；最后清理爆炸罐。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為18～22 ℃，相對(duì)濕度為35%～50%，實(shí)驗(yàn)樣品選取平均粒徑為8.12、8.63、10.98和17.98 μm的4種鋁粉，純度均高于99.75%。通過(guò)反復(fù)測(cè)試確定，電磁閥開(kāi)啟時(shí)間為100 ms、吹粉壓力為1 MPa時(shí)，粉塵分散效果較好。選用化學(xué)點(diǎn)火頭，點(diǎn)火能量為3 kJ，點(diǎn)火藥劑質(zhì)量為0.72 g，由鋯粉(Zr)、硝酸鋇(Ba(NO)3)和過(guò)氧化鋇(BaO2)按4∶3∶3的質(zhì)量比例配制而成。為確保測(cè)試結(jié)果的精確性，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)做3次，測(cè)試結(jié)果取3次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。

2.1 點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)鋁粉爆炸的影響

實(shí)驗(yàn)初始點(diǎn)火能量為3 kJ，鋁粉粒徑分別為8.12、8.63、10.98和17.98 μm，質(zhì)量濃度為80 g/m3。點(diǎn)火延遲時(shí)間τ為20、40、60、80和100 ms時(shí)，對(duì)鋁粉最大爆炸壓力pmax及最大爆炸壓力上升速率(dp/dt)max的影響，見(jiàn)表1和圖3。

表1 不同粒徑和不同點(diǎn)火延遲時(shí)間下鋁粉爆炸特性參數(shù)Table 1 Explosion characteristic parameters of aluminum dust under different particle sizes and different ignition delay times

由上述圖表可以看出，在點(diǎn)火延遲時(shí)間τ在20～120 ms范圍內(nèi)，4種不同粒徑鋁粉的pmax和(dp/dt)max存在峰值(最大值)，8.12 μm粒徑鋁粉的pmax和(dp/dt)max為0.292 MPa、221.599 MPa/s，8.63 μm粒徑鋁粉的pmax和(dp/dt)max為0.313 MPa、48.676 MPa/s，10.98 μm粒徑鋁粉的pmax和(dp/dt)max為0.288 MPa、48.402 MPa/s，17.98 μm粒徑鋁粉的pmax和(dp/dt)max為0.316 MPa、50.340 MPa/s。pmax對(duì)應(yīng)下的點(diǎn)火延遲時(shí)間稱(chēng)為鋁粉的最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間，用τj表示，在峰值兩側(cè)pmax和(dp/dt)max表現(xiàn)為左增右減。這種變化趨勢(shì)的主要原因是：在噴粉壓力和電磁閥開(kāi)啟時(shí)間一定的條件下，高壓氣流將鋁粉粉塵在罐體中噴散是一個(gè)先分散后沉降的過(guò)程。當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間較短時(shí)，由于管路中的高壓氣流沒(méi)有將鋁粉粉塵在爆炸罐內(nèi)完全分散開(kāi)來(lái)，鋁粉與氧氣反應(yīng)不充分，所以測(cè)得的pmax和(dp/dt)max偏低；而當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，由于大多數(shù)鋁粉粉塵受重力作用影響沉降在爆炸罐底部，導(dǎo)致鋁粉質(zhì)量損失較多，反應(yīng)物量減少，所以測(cè)得的pmax和(dp/dt)max也偏低。此外，由圖3可以看出，8.12、8.63、10.98和17.98 μm鋁粉對(duì)應(yīng)的最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間τj分別為30、40、60和100 ms。不同粒徑鋁粉所對(duì)應(yīng)的最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間不同，粒徑越大，點(diǎn)火延遲時(shí)間也越長(zhǎng)。這是因?yàn)?，粉塵粒徑越大，比表面積就越小，與氧氣反應(yīng)速率變慢，因此其最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間增大。

圖3 不同粒徑條件下點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)鋁粉爆炸特性的影響Fig.3 Effect of ignition delay time on explosion characteristics of aluminum dust under different particle sizes

2.2 粉塵粒徑對(duì)鋁粉爆炸的影響

圖4 粉塵粒徑對(duì)鋁粉爆炸特性的影響Fig.4 Effect of dust particle size on explosion characteristics of aluminum dust

點(diǎn)火能量為3 kJ，鋁粉粒徑分別為8.12、8.63、10.98和17.98 μm，粉塵質(zhì)量濃度為80 g/m3，點(diǎn)火延遲時(shí)間為20、40、60和80 ms時(shí)，粒徑對(duì)鋁粉爆炸特性參數(shù)變化規(guī)律的影響，見(jiàn)表1和圖4。

從上述圖表可以看出，粒徑大于8.63 μm的鋁粉，在20、40、60和80 ms等4種點(diǎn)火延遲時(shí)間下，鋁粉pmax隨粉塵粒徑的增大而減小。這是由于粒徑越大，顆粒比表面積越小，氧氣就越不容易與粉塵粒子表面接觸而發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量就越少，所以pmax減小。反之，鋁粉粒徑越小，分散度越大，比表面積越大，氧氣與鋁粉越容易發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量越多，所以pmax增大。而從點(diǎn)火延遲時(shí)間為40和60ms的兩條曲線可以看出，粒徑8.12 μm鋁粉的pmax較8.63 μm鋁粉偏低，這是由于粒徑小到一定程度，顆粒發(fā)生團(tuán)聚而導(dǎo)致。還發(fā)現(xiàn)，粒徑8.12 μm鋁粉在4種點(diǎn)火延遲時(shí)間下的pmax分別為0.272、0.271、0.263、0.259 MPa，之間差值較小，說(shuō)明鋁粉粒徑減小到一定程度時(shí)，點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)鋁粉pmax的影響作用減弱。此外，從圖4可以看出，隨著粒徑的增大，不同點(diǎn)火延遲時(shí)間下最大爆炸壓力下降幅度不同，即從20 ms至80 ms，下降幅度減小，粉塵粒徑的增大對(duì)pmax的影響作用減弱。

2.3 粉塵濃度對(duì)鋁粉爆炸的影響

點(diǎn)火能量為3 kJ，鋁粉粒徑分別為8.12、8.63、10.98和17.98 μm時(shí)，點(diǎn)火延遲時(shí)間分別為30、40、60和100 ms，即各自粒徑鋁粉對(duì)應(yīng)最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間。改變粉塵云濃度范圍從80 g/m3到440 g/m3，不同粉塵云濃度下鋁粉的pmax和(dp/dt)max的變化規(guī)律，見(jiàn)表2和圖5。

表2 不同粉塵濃度下鋁粉爆炸特性參數(shù)Table 2 Explosion characteristic parameters of aluminum dust under different dust concentrations

圖5 粉塵濃度對(duì)鋁粉爆炸特性的影響Fig.5 Effect of dust concentration on explosion characteristics of aluminum dust

從上述圖表可以看出，粉塵質(zhì)量濃度在80～440 g/m3范圍內(nèi)，4種粒徑鋁粉的pmax和(dp/dt)max均存在峰值(最大值)，8.12 μm粒徑鋁粉的pmax和(dp/dt)max為0.358 MPa、221.599 MPa/s，8.63 μm粒徑鋁粉的pmax和(dp/dt)max為0.390 MPa、104.524 MPa/s，10.98 μm粒徑鋁粉的pmax和(dp/dt)max為0.355 MPa、104.891 MPa/s，17.98 μm粒徑鋁粉的pmax和(dp/dt)max為0.404 MPa、70.238 MPa/s。pmax對(duì)應(yīng)的粉塵濃度為鋁粉的最猛烈爆炸粉塵濃度，在此濃度兩側(cè)pmax和(dp/dt)max表現(xiàn)為左增右減。分析這種變化趨勢(shì)的原因：當(dāng)粉塵濃度小于最猛烈爆炸粉塵濃度時(shí)，爆炸罐內(nèi)反應(yīng)所需的氧氣較為充足，使得化學(xué)反應(yīng)速度加快，產(chǎn)生高溫高壓，所以pmax和(dp/dt)max與粉塵濃度成正相關(guān)；當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度等于最猛烈爆炸濃度時(shí)，此時(shí)氧氣與鋁粉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的比例近似等于化學(xué)當(dāng)量比，兩者恰好完全反應(yīng)，放出的能量最多，pmax和(dp/dt)max都達(dá)到最大；當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度大于最猛烈爆炸粉塵濃度時(shí)，粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)一步增加，爆炸罐內(nèi)的氧氣含量難以維持和鋁粉繼續(xù)反應(yīng)，且沒(méi)有反應(yīng)的粉塵會(huì)吸收爆炸產(chǎn)生的能量和沖擊波，使得化學(xué)反應(yīng)速率減慢，所以鋁粉粉塵pmax和(dp/dt)max與粉塵濃度成負(fù)相關(guān)。同時(shí)得到，鋁粉粒徑差異導(dǎo)致它所對(duì)應(yīng)的最猛烈爆炸濃度不同，8.12、8.63、10.98、17.98 μm鋁粉所對(duì)應(yīng)的最猛烈爆炸粉塵濃度分別為160、120，160和220 g/m3，粒度越小的粉塵，最猛烈爆炸粉塵濃度也越小。而8.12 μm粒徑鋁粉由于粒徑較小，易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致其最猛烈爆炸粉塵濃度增大。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間在20～120 ms范圍內(nèi)，鋁粉最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的增長(zhǎng)呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。隨著鋁粉粒徑的增大，最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間也增大，不同粒徑鋁粉所對(duì)應(yīng)的最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間不同，8.12、8.63、10.98和17.98 μm鋁粉所對(duì)應(yīng)的最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間分別為30、40、60和100 ms。

(2)點(diǎn)火延遲時(shí)間分別為20、40、60和80 ms時(shí)，在4種點(diǎn)火延遲時(shí)間下，粒徑大于8.12 μm的鋁粉最大爆炸壓力與粉塵粒徑關(guān)系成負(fù)相關(guān)，而8.12 μm鋁粉由于粒徑較小，易發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致最大爆炸壓力偏低。隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間增長(zhǎng)，粉塵粒徑的增大對(duì)最大爆炸壓力的影響作用減弱。

(3)粒徑大于8.12 μm的鋁粉，在80～440 g/m3質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。鋁粉粒徑不同時(shí)，對(duì)應(yīng)的最猛烈爆炸粉塵濃度不同，8.12、8.63、10.98和17.98 μm鋁粉最佳爆炸濃度分別為160、120、160和220 g/m3，鋁粉粒徑越小，最猛烈爆炸粉塵濃度越小，而8.12 μm鋁粉由于粒徑較小，易發(fā)生團(tuán)聚，所以測(cè)得的最猛烈爆炸粉塵濃度偏低。