铝粉已广泛应用于各个行业。然而,它的高活度和高燃烧率会造成严重的爆炸风险。影响铝粉爆炸的因素很多,但没有包括水分。本文以昆山爆炸事故为例,利用20升爆炸试验装置,对不同含水率的铝粉的最小可爆浓度进行了测定。试验结果表明,铝粉的最小可爆浓度首先随含水率的增加而急剧增加,随着含水率的进一步增加,其增加趋势变缓。室温下8小时的氧化时间对铝粉最小可爆浓度无显著影响。进一步的研究表明,水分通过改变铝粉的表面氧化膜、着火和燃烧过程,降低了铝粉的爆炸风险。水分含量在0% ~ 8%范围内较低,通过抑制反应动力学和颗粒团聚,提高了铝粉最小可爆浓度;水分含量在8% ~ 20%范围内较高,通过吸热效应和氧稀释效应影响最小可爆浓度。
农业、制药、金属加工等行业的工业粉尘爆炸是安全管理的重要研究课题[
铝粉爆炸是由复杂的化学反应组成的。研究集中在粒子特性的影响上[
湿被广泛用作一种特殊的惰性介质,以抑制非金属颗粒的爆炸[
本工作中使用的微米球形铝粉由河南远洋粉末技术有限公司(中国河南新乡)提供。测量铝粉D10、D50、D90和D100的粒径为11.990
根据GB3169.1-82,采用气体容量法测定活性铝含量。根据GB3169.3-82,采用干燥失重法测定水分含量。根据GB/T6987.4-2001,采用邻二氮杂菲分光光度法测定铁含量。通过钼蓝分光光度法测定硅含量od符合GB6987.6-2001。铜含量根据GB/T6987.2-2001采用草酰二肼分光光度法测定。
使用JSM-6510LV高-低真空扫描电子显微镜(SEM)对铝粉的形态进行成像。SEM图像如图所示
铝粉(3 kg)在50°C的真空中快速干燥2小时 h避免氧化、氧气、湿度等对其性能的影响[ 样品a (1.5 kg)分成10等份,分别与一定量的水混合,使其含水率达到0%、3%、5%、8%、10%、13%、15%、18%、20%、21%,记为a 从样品a制备的具有不同水分含量的铝粉样品的组成。
不同水分含量的代表性铝粉样品照片。
水分含量在2 ~ 6%范围内的样品表现出明显的团聚行为,团聚体粒径变化显著。当含水率增加到15%时,颗粒尺寸变得更加均匀。当水分含量增加到21%时,固-液相分离,没有团聚现象。水-铝粉混合物变得异质,但具有爆炸性。然而,没有进行最小可爆浓度的试验。
样品b (1.5 kg)分成4份等量,加水滴加,用抹刀均质,在50℃烘箱中烘干2小时。其中一个子样品被分成三等份(100 g),加入水,分别达到0%、5%和15%的含水量,记为b 用样品b制备的样品的成分。
样本
重量(克)
含水量(%)
样本
重量(克)
含水量(%)
铝
H 铝
H
一个
100.01
0
0
一个
100.01
14.94
13
一个
100.03
3.14
3.
一个
100.07
17.63
15
一个
100.05
5.37
5
一个
100.04
22.03
18
一个
100.07
8.71
8
一个
100.07
25.01
20
一个
100.03
11.19
10
一个
100.02
26.54
21
样本
质量(g)
含水量(%)
氧化时间(小时)
样本
质量(g)
含水量(%)
氧化时间(小时)
铝
H 铝
H
b
1000.4
0
0
2
b
100.00
0
0
6
b
100.07
5.34
5
2
b
100.00
5.31
5
6
b
100.04
17.63
15
2
b
100.07
17.61
15
6
b
100.01
0
0
4
b
100.09
0
0
8
b
100.05
5.38
5
4
b
100.05
5.31
5
8
b
100.05
17.61
15
4
b
100.02
17.60
15
8
铝粉的爆炸参数与实验设备、实验条件等密切相关[ 20升球形爆炸试验装置。
试验按照EN14034-3:2006和GB/T16425的要求进行了粉尘最小可爆浓度的测定。用烟火点火装置对铝粉进行化学点火,输出几个1kj点火器。含40%锆粉、30%硝酸钡、30%过氧化钡的化学点火器重量为0.48 g。为保证有效点火,减少实验误差,用电子天平对点火剂称重,精度为0.01 g。
粉尘爆炸试验通常是在一定浓度范围内测定最小可爆浓度。如果点火产生的最大压力等于或大于0.15 MPa,则认为该反应发生爆炸。如果发生爆炸,则降低粉尘浓度进行进一步的爆炸试验,直至同一实验条件下连续三次产生的最大压力小于0.15 MPa。可爆炸粉尘的实验最低浓度(
出于统计目的,我们定义
将一定量的铝粉称量后,迅速放入垃圾箱,并密封。用真空泵将爆炸容器抽真空至绝对压力0.06 MPa。同时,通过调节减压阀和针阀,向气室内充入干燥空气,使绝对压力为2.0 MPa。然后启动数据采集。铝粉通过电磁阀喷射,由点火系统点火。爆炸压力由压力传感器记录下来。每次爆炸试验结束后,对爆炸容器和粉尘仓进行彻底清理,更换点火头。
数字 不同含水量铝粉的最大爆炸压力。
不同水分含量铝粉的最小可爆浓度。
数字 铝粉最小可爆浓度随含水率的变化规律。
样本
MEC (g / m 样本
MEC (g / m 样本
MEC (g / m
一个
40
一个
60
一个
65
一个
50
一个
60
一个
60
一个
55
一个
60
一个
65
数字 不同水分含量的铝粉在氧化2h、4h、6h和8h时爆炸压力最大。
不同水分含量的铝粉的最小爆炸浓度氧化时间不同。
样本
MEC (g / m 样本
MEC (g / m 样本
MEC (g / m 样本
MEC (g / m
b
40
b
40
b
40
b
40
b
55
b
55
b
55
b
55
b
65
b
65
b
65
b
65
水分对铝粉爆炸的抑制主要是通过改变铝粉表面的氧化膜,影响其点火燃烧过程[ 叶等人[ 铝粉在室温下的氧化机理。
在我们的实验中,致密而稳定的铝表面可以形成一层薄薄的水膜 粉尘(作为产品或副产品获得)的爆炸性可能取决于所有变量。自然的结果是需要仔细的过程控制,因为控制可能会影响工厂爆炸的风险。我们的研究也强调了粉尘爆炸危险性评估过程中适当的采样阶段的重要性,因为采样阶段对粉尘细粒含量的影响很大,从而影响粉尘的性质[ 微米铝粉由于亲水性强,在水分含量0-8%范围内聚集严重,燃烧不均匀。在非均匀燃烧机理中,燃烧发生在颗粒表面,因此氧向颗粒表面扩散的速率是影响爆炸的关键因素。在10kj的点火能量下,水由液相转变为气相。水蒸气增加了氧扩散阻力和火焰传播,从而降低了粉尘的燃烧速率。因此,水分通过抑制化学反应动力学来抑制铝粉爆炸,且随着水分含量的增加,抑制作用逐渐减弱。此外,铝颗粒表面的水分会显著减小颗粒之间的有效距离,导致颗粒之间有很强的吸引力,产生团聚倾向。铝粉颗粒破碎中的水分会在部分颗粒之间形成液桥,造成颗粒团聚。因此,微米级铝粉颗粒的微观结构也有助于颗粒的团聚。团聚削弱了颗粒的分散,从而增大了铝粉的粒径。随着含水率的增加,团聚现象更加明显,最终成为抑制铝粉燃烧的主要因素。 However, the aluminum powder particle agglomeration stops as the particle size increased to a certain value at a certain moisture content. During this process, moisture inhibits the aluminum powder combustion by the endothermic processes and oxygen dilution. As the moisture content increased to over 8%, the water film formed on the particle surface absorbs heat directly from the particle surfaces, the chemical ignition agent, the flame, and the combustion products, resulting in higher temperature. It also consumes the energy during liquid-gas phase transformation, which dominates the energy consumption. It is worth noting that the endothermic processes and oxygen dilution mainly rely on the liquid-gas phase transition of water. They inhibit the heat transfers of ignitor-aluminum powder and combusted aluminum powder-aluminum powder, and the inhibition effect is gradually weakened with the increase of moisture content. The water vapor generated during the phase transition inevitably decreases the oxygen content in the air, which in turn reduces the oxygen gradient between the environment and the combustion zone. The amount of water vapor is decreased as the moisture content increased. Therefore, the explosion inhibition effect of the endothermic processes and oxygen dilution are negatively correlated with moisture content, which also explains the explosivity of the micron aluminum powder with the moisture content of 21%.
本文研究了含水率对铝粉爆炸的影响。结果表明,水分可以降低铝粉的爆炸风险。铝粉最小可爆浓度由40 g/m提高50%
用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。
两位作者宣称他们没有相互竞争的利益。
作者感谢中国煤炭工业集团重庆研究院有限公司允许发表本文。作者要感谢山东省自然科学基金(ZR2018BEE00)的支持。