ABC/MCA粉體對(duì)鋁金屬粉爆炸特性的影響

鄧軍 屈姣 王秋紅 楊玉峰

摘?要：為了研究ABC/MCA粉體對(duì)鋁金屬粉爆炸的抑制作用，采用豎直管道粉塵爆炸裝置，分別測試了Al/ABC，Al/MCA，Al/ABC/MCA混合粉體的爆炸嚴(yán)重程度，探討了ABC+MCA復(fù)配粉體的協(xié)同抑爆機(jī)理，并對(duì)不同粉體的抑爆效果進(jìn)行了對(duì)比分析，研究結(jié)果表明，ABC/MCA粉體的添加，使鋁粉爆炸危險(xiǎn)性大大降低。與ABC粉相比，MCA粉對(duì)鋁粉的抑爆作用更加顯著。隨著MCA粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋁粉最大爆炸壓力降幅增大，且當(dāng)MCA粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)15.8%，Al/MCA混合粉體未發(fā)生爆炸，ABC+MCA復(fù)配粉體對(duì)鋁粉爆炸也具有抑制作用，添加劑總質(zhì)量一定時(shí)，隨著復(fù)配比的減小，鋁粉最大爆炸壓力減小，且降幅增大。復(fù)配粉體吸熱分解出惰性氣體和P2O5，降低反應(yīng)速率，稀釋O2濃度，且P2O5覆蓋在鋁粉表面，隔絕空氣，從而達(dá)到協(xié)同抑爆作用。最后對(duì)比得到不同粉體對(duì)鋁粉爆炸的抑制效果為：ABC

關(guān)鍵詞：豎直管道;復(fù)配粉體;最大爆炸壓力;抑爆效能中圖分類號(hào)：X 932

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2020）01-0018-06

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0103開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Inhibition of ABC/MCA powder on explosion characteristics

of aluminum metal powder

DENG Jun?1，2，QU Jiao?1，2，WANG Qiu-hong?1，2，YANG Yu-feng?1，2

（1.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control of Coal Fire，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）Abstract：To investigate the inhibition effect of ABC/MCA powder for aluminum metal dust explosions，a self-designedvertical pipeline dust explosion test equipment was employed to determine the explosion severity of Al/ABC，Al/MCA，and Al/ABC/MCA mixtures，respectively.The synergistic anti-explosion mechanism of ABC+MCA composite powder was investigated.The anti-explosion effects of different powders were analyzed.The results showed that：The addition of ABC/MCA powder greatly reduced the risk of aluminum powder explosion.The inhibition effect of MCA powder for aluminum powder was more remarkable thanthat of ABC powder.As the mass fraction of MCA powder increased，Pmax and（dP/dt）max of Al/MCA mixture decreased，and when the mass fraction of MCA powder reached to 15.8%，explosion would be inhibited.The ABC+MCA composite powder also had an inhibition effect on the aluminum powder explosion.When the total mass of the additive was constant，Pmax decreased with the decrease of the mixing ratio，and the decreasing range increased.The composite powder absorbed a large amount of heat and then decomposed to generate inert gases and the reaction product P2O5，which reduced the reaction rate and diluted O2 concentration.Meanwhile，P2O5 covered the surface of aluminum powder and protected it from air.Thereby synergistic explosion suppression was achieved.Finally，the ranking of inhibition effect of different suppressants on aluminum powder explosion was as follows：ABC

0?引?言

鋁粉是一種高致熱金屬粉塵，易被氧化，具有著火溫度低、燃燒速度大、燃燒熱量高等特性。近年來，隨著鋁粉加工制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)外粉塵爆炸事故時(shí)有發(fā)生，尤其是重大事故和特別重大事故。2014年8月2日，江蘇昆山發(fā)生一起鋁金屬粉塵爆炸特別重大事故，造成146人死亡，114人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)3.51億元，給國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的損害[1]。所以，粉塵爆炸及抑爆技術(shù)研究很重要。

Eckhoff，Amyotte，Proust，Moussa等國外學(xué)者對(duì)粉塵爆炸特性進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)粉塵爆炸是極其復(fù)雜的，并且受多種因素的影響[2-5]。1985年，Nagy首次發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置樣式對(duì)粉塵分散后的懸浮狀態(tài)有顯著的影響，從而影響粉塵的爆炸特性[6]。Eckhoff在研究中發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火延遲時(shí)間可以反映裝置內(nèi)粉塵的分布狀態(tài)，它可以表征點(diǎn)火時(shí)刻粉塵的湍流度，因此點(diǎn)火延遲時(shí)間是粉塵爆炸特性研究的重要影響因素[7]。中國學(xué)者對(duì)粉塵爆炸的研究也做出了重要貢獻(xiàn)，鄧煦帆最先開始研究粉塵爆炸，并在大量研究基礎(chǔ)上，建立了粉塵爆炸反應(yīng)工程學(xué)[8]。趙衡陽對(duì)氣體和粉塵爆炸原理進(jìn)行了基礎(chǔ)性探究[9]。孫金華等研究了粉塵爆炸的火焰?zhèn)鞑ミ^程及機(jī)理[10]。鐘圣俊對(duì)粉塵爆炸過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[11]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)粉塵抑爆做了一些研究。通過分析粉塵抑爆研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，抑制粉塵爆炸的手段主要是加入不同的添加劑，包括惰性氣體[12]，超細(xì)水霧[13-16]，抑爆粉體[17-18]等。而對(duì)于鋁金屬粉的抑爆技術(shù)研究主要是添加不同的抑爆粉體，主要有NH4H2PO4，NaHCO3，CaCO3，SiO2等粉體[19-25]。工業(yè)應(yīng)用中鋁粉抑爆粉體的選用，除了需要關(guān)注其安全抑爆效果之外，還應(yīng)該考慮其對(duì)環(huán)境的影響等。

主要采用自主設(shè)計(jì)的粉塵云瞬態(tài)火焰?zhèn)鞑?shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了不同抑爆粉體（ABC粉和MCA粉）對(duì)鋁粉爆炸特性的影響，分別分析了單一抑爆粉體和復(fù)配抑爆粉體對(duì)鋁粉的抑爆效果，以期對(duì)鋁粉的防爆抑爆設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1?實(shí)驗(yàn)測試

1.1?實(shí)驗(yàn)樣品

本實(shí)驗(yàn)以河南省遠(yuǎn)洋鋁業(yè)有限公司購買的鋁粉作為實(shí)驗(yàn)樣品，其平均粒徑為12 μm，振實(shí)密度為1.482 g/cm?3.鋁粉的化學(xué)成分見表1.

選用ABC粉和MCA粉為粉體添加劑，其中ABC粉的主要成分是磷酸二氫銨，其化學(xué)式為NH4H2PO4，是一種無色透明的正方晶系晶體，而MCA粉的主要成分是三聚氰胺氰脲酸鹽，其化學(xué)式為C6H9N9O3，是具有油膩感的白色結(jié)晶粉末。

1.2?實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)研究是采用豎直管道粉塵爆炸裝置系統(tǒng)[16]，其示意圖如圖1所示。

該系統(tǒng)由豎直管道、噴粉器、高壓點(diǎn)火裝置、同步控制器以及數(shù)據(jù)采集儀等設(shè)備組成。其中實(shí)驗(yàn)豎直管道的長寬高分別為80，80和600 mm，體積為3.84 L，主要材質(zhì)為不銹鋼和耐高溫玻璃。管壁同側(cè)安裝有2個(gè)CY-DB4304型壓力傳感器，其量程0～2 MPa，允許過載120%，輸出電壓為0～5 VDC，輸入電壓24 VDC，精度0.5 F.S，響應(yīng)時(shí)間為1 ms.用于采集粉塵爆炸產(chǎn)生壓力數(shù)據(jù)，其至管道底部的距離分別為250和400 mm.

1.3?實(shí)驗(yàn)步驟

首先，采用精密電子天平稱取一定質(zhì)量的粉體（鋁粉、ABC粉或MCA粉），若為混合粉體，混合均勻后均勻平鋪在豎直管道底部的噴粉器中，采用法蘭密封豎直管道，并用泄爆膜密封泄爆口，使管道呈密閉空間。用真空泵抽取管道內(nèi)空氣為負(fù)壓，以保證粉塵在壓縮空氣作用下分散在豎直管道內(nèi)形成粉塵云，并在常壓下被引爆，設(shè)置壓縮空氣瓶的氣壓為0.4 MPa，設(shè)置高壓點(diǎn)火器的電壓為30 kV，點(diǎn)火延遲時(shí)間為60 ms.通過同步控制系統(tǒng)，相繼觸發(fā)數(shù)據(jù)采集儀，開啟電磁閥，在點(diǎn)火延遲時(shí)間后高壓點(diǎn)火，引爆管道內(nèi)粉塵爆炸。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)記不同時(shí)刻粉塵爆炸的爆炸壓力數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)前，先進(jìn)行一組空白實(shí)驗(yàn)，在未放置任何粉體情況下，測試高壓點(diǎn)火器產(chǎn)生的壓力，以建立粉塵爆炸判據(jù)，測試結(jié)果為0.15 MPa，所以認(rèn)為爆炸壓力小于0.15 MPa時(shí)，粉塵未發(fā)生爆炸。

2?結(jié)果討論與分析

2.1?純鋁粉在矩形管道內(nèi)的爆炸過程分析

為了研究不同抑爆粉體對(duì)鋁粉的抑爆效果，需要首先進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)。稱取1.44 g純鋁粉，其理論濃度為375 g/m?3，通過上下2個(gè)壓力傳感器分別采集到鋁粉在矩形實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)的爆炸壓力-時(shí)間曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，鋁粉的上部爆炸壓力和下部爆炸壓力均隨著爆炸時(shí)間的延長，先增大后逐漸減小。還可以看出鋁粉在整個(gè)爆炸過程中，管道上部爆炸壓力均大于管道下部壓力。這表明在豎直密閉實(shí)驗(yàn)管道中，點(diǎn)火中心處的爆炸壓力并不是管道中壓力最大處，爆炸壓力在距點(diǎn)火位置處一定距離內(nèi)，距離點(diǎn)火位置越近，其爆炸壓力越小，距離點(diǎn)火位置越遠(yuǎn)，爆炸壓力反而增大，如果管道長度夠長，當(dāng)距離點(diǎn)火位置達(dá)到一定距離時(shí)，其爆炸壓力應(yīng)該會(huì)降低，這主要是因?yàn)槟芰吭趥鞑ミ^程中會(huì)不斷損失。

根據(jù)P-t曲線，可以得到1.44 g純鋁粉爆炸特性參數(shù)。下部最大爆炸壓力和上部最大爆炸壓力分別為0.603 7和0.612 1 MPa，最大爆炸壓力上升速率分別是 6.13和6.17 MPa/s.

2.2ABC粉對(duì)鋁粉爆炸壓力的影響

向1.44 g鋁粉中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（11.1%，15.8%，20%，23.8%）ABC粉，實(shí)驗(yàn)測試得到的Al/ABC混合粉體的最大爆炸壓力數(shù)據(jù)見表2.

從表2可知，添加ABC粉會(huì)降低鋁粉的最大爆炸壓力，且隨著ABC粉添加質(zhì)量的增加，下部和上部的最大爆炸壓力均降低，由此可知，ABC粉對(duì)鋁粉爆炸有一定的抑制作用，但最大爆炸壓力降幅在0.34%～4.12%，這種抑制作用并不顯著。

ABC粉的主要成分是NH4H2PO4，在加熱環(huán)境下易被分解，且當(dāng)溫度高于熔點(diǎn)（190 ℃）時(shí)就會(huì)失去氨與水，從而生成了H3PO4和NH4PO3.繼續(xù)加熱會(huì)發(fā)生復(fù)雜的多方式分解反應(yīng)，反應(yīng)過程中吸收大量熱量。在此過程中，主要發(fā)生如下反應(yīng)

根據(jù)上述反應(yīng)，ABC粉對(duì)鋁粉爆炸的抑制作用。一方面，NH4H2PO4的分解是吸熱反應(yīng)，消耗大量熱量;另一方面，反應(yīng)產(chǎn)物有效隔絕鋁粉與氧氣的接觸，從而降低燃燒反應(yīng)速率。

2.3MCA粉對(duì)鋁粉爆炸壓力的影響

向1.44 g鋁粉中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（11.1%，15.8%，20%，23.8%）MCA粉，實(shí)驗(yàn)測試得到的Al/MCA混合粉體的最大爆炸壓力數(shù)據(jù)見表3.

從表3可以明顯看出，添加MCA粉后，鋁粉的上部和下部的最大爆炸壓力均有明顯降低，且隨著MCA粉質(zhì)量的增加，最大爆炸壓力降幅先大幅增大后趨于穩(wěn)定，抑制效果明顯。當(dāng)1.44 g鋁粉中添加0.27gMCA粉時(shí)，Al/MCA混合粉體的下部和上部最大爆炸壓力分別為0.068 8和0.077 5 MPa，均小于0.15 MPa，根據(jù)1.2節(jié)中的爆炸判據(jù)，可以認(rèn)為此時(shí)未發(fā)生爆炸。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因：在加熱的情況下，MCA粉吸收熱量，分解為三聚氰胺和異氰酸，同時(shí)三聚氰胺的高溫升華，使系統(tǒng)中的熱量減小，致使反應(yīng)速率減緩;三聚氰胺和異氰酸進(jìn)一步分解生成CO2，NH3等惰性氣體，稀釋空氣中的氧氣，從而達(dá)到抑制作用。

2.4復(fù)配粉體對(duì)鋁粉爆炸特性的影響

由2.2節(jié)中單一抑爆粉體對(duì)鋁粉爆炸特性影響的研究結(jié)果可以看出，ABC粉和MCA粉對(duì)鋁粉都有抑爆作用，本節(jié)對(duì)2種抑爆粉體按照不同比例進(jìn)行復(fù)配，研究復(fù)配抑爆粉體對(duì)鋁粉爆炸特性的影響。引入復(fù)配比（）的概念，它等于2種不同抑爆粉體質(zhì)量的比值，如式（1）所示。

=mABCmMCA（1）

將ABC粉和MCA粉按照不同比例進(jìn)行復(fù)配后，再與鋁粉混合均勻，實(shí)驗(yàn)測試得到其上下部的最大爆炸壓力數(shù)據(jù)，見表4.

從表4可以看出，復(fù)配粉體對(duì)鋁粉爆炸具有抑制作用，添加劑總質(zhì)量一定時(shí)，隨著復(fù)配比的減小，上部和下部的最大爆炸壓力均減小，且降幅增大，即ABC/MCA粉體復(fù)配比越小，對(duì)鋁粉爆炸的抑制作用越強(qiáng)。這是因?yàn)閺?fù)配比越小，復(fù)配粉體中MCA粉含量越大，熱分解的惰性氣體產(chǎn)物越多，氧氣濃度越小，鋁粉爆炸難度增大，抑制作用增強(qiáng)。

從表5可知，與純鋁粉的Pmax 和（dP/dt）max相比，不同添加劑都會(huì)使鋁粉爆炸特性參數(shù)減小。不同添加劑對(duì)鋁粉爆炸都有抑制作用。ABC+MCA復(fù)配粉體的抑制效果介于單一ABC粉和MCA粉之間，且ABC

3?結(jié)?論

1）與純鋁粉最大爆炸壓力Pmax相比，MCA粉的添加，使Pmax大大降低，隨著MCA粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，Pmax降幅先增大之后趨于穩(wěn)定。

2）ABC+MCA復(fù)配粉體對(duì)鋁粉爆炸具有抑制作用，添加劑總質(zhì)量一定時(shí)，隨著復(fù)配比的減小，鋁粉Pmax減小，且降幅增大。

3）不同粉體對(duì)鋁粉爆炸都有抑制作用，且抑制效果為：ABC

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