含水率对铝粉最小爆炸浓度的影响及其机理

抽象

铝粉广泛应用于各个行业。但其高活性和高燃速会引起严重的爆炸危险。影响铝粉爆炸的因素很多，但未考虑水分的影响。本文以昆山爆炸事故为例，用20升爆炸试验机测定了不同含水率铝粉的最小爆炸浓度。实验结果表明，铝粉的最小爆炸浓度随含水率的增加而显著增加，且随着含水率的进一步增加，最小爆炸浓度的增加趋势变缓。氧化时间对铝粉在室温下8小时内的最低爆炸浓度无显著影响。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，降低了铝粉的爆炸危险。在0%-8%范围内的低水分通过抑制反应动力学和颗粒团聚提高铝粉的最低爆炸浓度，而在8%-20%范围内的高水分通过吸热效应和氧稀释效应影响铝粉的最低爆炸浓度。

1.简介

在农业，制药，金属加工，工业粉尘爆炸是安全管理的一个重要的研究课题[1个–三]。统计分析表明，爆炸事故，大多铝粉末爆炸，19％是由金属氧化引起的[4个]。微米和纳米铝粉末被广泛用于各种工业[5个,6个]。然而，它们的高活性和高燃烧率可能会导致不恰当的保护致命顿生爆炸事故[7个,八]。Li等人。[9个]系统分析了2014年8月2日昆山铝粉爆炸事故。事故造成重大损失75人死亡，185人受伤，直接经济损失35.1亿元。这起事故不仅提高了公众对铝粉爆炸危险性的认识，也促进了特殊情况下铝粉爆炸的研究。

铝粉爆炸是由复杂的化学反应。研究都集中在颗粒性能的影响[10个]以及外部因素[11个]对反应。例如，桑达拉姆等。[德意志北方银行]发现，新鲜制备的铝粉末是非常活跃并且可以经受任何氧化环境中自发氧化反应。随着反应的进行，该氧化产生的颗粒表面上的氧化膜，其钝化的铝粒子。Risha天然气等。[13个]和Trunov等。[14个]进一步证实了空气中铝的钝化是由于形成了一层2-4 nm的非晶氧化物（Al_2个O型_三)在阻止铝和氧接触的颗粒表面。弗里德曼和马切克[15个] studied the ignition of micron aluminum powder and found that melting the oxide layer on aluminum particles at 2350 K was required for the ignition. The aluminum core was then exposed to oxygen via the channels formed in the molten oxide shell due to the surface tension. Baudry et al. [16个]研究对铝粉末的氧化行为氧化物含量的影响，并发现，对于铝粉末的点火所需的能量，其氧化物含量的增加而增加。The E50 ignition energy of aluminum powder was doubled as the oxide content increased from 0.46 wt% to 6.3 wt%. Unfortunately, to the best of our knowledge, the effects of moisture content on the explosive properties of aluminum powder have been rarely reported [15个]。

水分被广泛用作特殊惰性介质抑制非金属粒子的爆炸[17岁,18岁]. 然而，铝粉等金属粉尘的性质却有很大的不同，因此含水量对其爆炸的影响也不同。在铝粉加工厂，湿法抛光和湿法除尘都涉及到防止铝粉遇水爆炸。然而，对爆炸防护的定量描述和机理尚不清楚。令人惊讶的是，大多数粉尘爆炸试验的标准规程和程序都排除了水分含量的影响。同一爆炸参数的试验要求在不同的标准测量系统中有明显不同的含水量。例如，美国材料试验协会[19个,20个]需要的待测试灰尘小于用于爆炸参数测量5％的水分含量，同时，在中国[21岁,22个]小于10％。欧洲标准化委员会具有的水分含量没有特殊要求，除书面记录[23–25]. 了解水分对铝粉爆炸下限的影响，有助于在铝粉抛光过程中采用水分喷雾控制铝粉爆炸风险。实验研究了含水率对铝粉最小爆炸浓度的影响，并提出了相应的机理。为铝粉加工抛光的安全管理提供了重要的科学指导。

2。材料

2.1条。铝粉分析

本工程所用的微米级球形铝粉由河南省新乡市远洋铝粉科技有限公司提供。测得D10、D50、D90、D100铝粉的粒径为11.990 μ米，18.685 μ米，27.268 μm、 和43.551 μ米，分别使用一个水电2000亩激光粒度分析仪。数字1个示出了铝粉末的粒度分布。活性铝，铁，铜，硅，和水在铝粉末的含量分别用对应的标准方法测量（表1个）。

采用GB3169.1-82中的气体容量法测定活性铝含量。水分含量按GB3169.3-82《干燥失重法》测定。按GB/T6987.4-2001《菲咯啉分光光度法测定铁含量》。硅含量按GB6987.6-2001采用钼蓝分光光度法测定。采用草酸二肼分光光度法，按GB/T6987.2-2001测定铜含量。

铝粉末的形态使用JSM-6510LV高 - 低真空的扫描电子显微镜（SEM）成像。在图中示出的SEM图像图2（a）结果表明，该铝粉为均匀分布的球形微粒，表面光滑。高分辨率SEM图像如图所示图2（b）揭示了微小的褶皱，微裂纹，和小颗粒，可能是氧化铝颗粒，在颗粒表面上[26]。

2.2条。铝粉样品的制备

The aluminum power (3 kg) was rapidly dried in vacuum at 50°C for 2 h to avoid the influences of oxidation, oxygen, humidity, etc. on its properties [11个]。将干燥的铝粉末被分成两个相等的部分，在密封袋立刻密封，并标记为样品A和样品B。

2.2.1。一个样治疗

样品一个(1.5 kg) was divided into ten equal portions and, respectively, mixed with certain amounts of water to achieve the moisture contents of 0%, 3%, 5%, 8%, 10%, 13%, 15%, 18%, 20%, and 21% which were denoted as a_1-10。含水率是指水铝粉混合料在总重中所占的水的重量百分比。为了保证铝粉中水分的均匀分布，将铝粉在不同方向反复搅拌，然后放入真空袋中。表2个列出每个样本和图形的组成三示出了代表性的铝粉末样品具有不同水分含量的照片。

在2-6％的范围内的低水分含量的样品表现出明显的结块的行为和所得的聚集体的粒径显著变化。粒径变得更均匀的水分含量增加至15％。在没有团聚的固液相分离增加的水分含量至21分％的结果观察到。水的铝粉末混合物成为异构，但炸药。然而，没有试验的最低爆炸性浓度进行。

2.2.2。b试样的处理

将样品b（1.5 kg）分成四份等重试样，逐滴加水，用抹刀均匀化，并在50℃下在烘箱中干燥2 h。将其中一个子样本分为三等份（100 g），分别加水至含水量分别为0%、5%和15%，并表示为_1个，b_2个，和b_三。The other three dried subsamples were dropwise added with 7.5 mL water, and homogenized and dried at 40°C for 4 h, 6 h, and 8 h, respectively. Similarly, each subsample was divided into three equal portions and mixed with water to achieve the moisture contents of 0%, 5%, and 15%, respectively, which were denoted as b_4个-乙_{德意志北方银行}如表三。

3.设备和实验步骤

3.1条。实验装置

铝粉末的爆炸参数有密切的关系的实验设备，实验条件下，等11个]。另外，在本工作中，铝粉尘爆炸实验用一个标准的20升的不锈钢球形容器中进行（图4个）根据国际标准ISO6184-1。Firstly, the explosion chamber was partially vacuumed to 0.06 MPa and the dispersing air pressure was set to 2 MPa. When the solenoid valve between the dust storage container and the test chamber opened automatically, the air and coal dust were dispersed into the explosion chamber. The chemical igniter was energized upon the 60 ms delay. The aluminum powder was chemically ignited with an ignitor located in the center of the vessel. Data were collected with the pressure sensors on the explosion vessel wall in the range of 0-1.0 MPa at 1000 HZ. The explosion was controlled with a jet ignition relay controller connected to a computer. The gas distribution system consisted of a high-pressure air tank and a pressure relief valve.

3.2。标准实验方案

实验是在遵守EN14034-3进行：2006和GB / T16425的灰尘的最小爆炸性浓度的测定。铝powder was chemically ignited using a pyrotechnic ignition device outputting a couple of 1 kJ igniters. The chemical igniter containing 40% zirconium powder, 30% barium nitrate, and 30% barium peroxide was weighted 0.48 g. To ensure the effective ignitions and reduce experimental errors, the ignition agent was weighted with an electronic balance with the precision of 0.01 g.

的最小浓度爆炸性通常通过在一定的浓度范围内的粉尘爆炸试验测量。The reaction is considered an explosion if the maximum pressure produced by the ignition is equal to or greater than 0.15 MPa. If the explosion occurs, the dust concentration is then lowered for further explosion test until the maximum pressure produced under the same experimental conditions becomes less than 0.15 MPa for three consecutive times. The experimental minimum explosible concentration of dust ( )在连续三次试验中产生小于0.15 MPa压力的最高浓度之间( )和the highest concentration to produce pressures equal to or greater than 0.15 MPa in three consecutive test ( ）例如。，

为了统计目的，我们定义 用于目前工作中的铝粉。

3.3。实验过程

铝粉末的一定量称重，迅速投入垃圾箱，并密封。The explosion vessel was vacuumed to the absolute pressure of 0.06 MPa using a vacuum pump. Meanwhile, the air chamber was filled with dry air to obtain the absolute pressure of 2.0 MPa by adjusting the pressure reducing valve and the needle valve. The data acquisition was then activated. The aluminum powder was injected via the electromagnetic valve and ignited by the ignition system. The explosion pressure was recorded with the pressure sensors. After each explosion test, the explosion vessel and dust bin were thoroughly cleaned up and the ignition tip was replaced.

四。结果

4.1条。含水率对铝粉最小爆炸浓度的影响

数字5个给出了不同含水量铝粉的最大爆炸压力。铝粉最大爆炸压力 和 连续三次试验均超过0.15 MPa。因此，确定干铝粉爆炸下限为40 g/m^三. 桌子4个列表的不同水分含量的铝粉的最小可爆炸浓度。

数字6个示出了具有水分含量铝粉末的最小可爆炸浓度的变化。很显然，最低可爆炸浓度迅速与水分含量的增加第一增加，并且增加的趋势随着水分含量进一步增加要慢。It is linearly increased by 50%, from 40 g/m^三to 60 g/m^三,一个s the moisture content increased from 0% to 8%, and only gradually increased by 8.3%, e.g., from 60 g/m^三to 65 g/m^三作为水分含量进一步增加至20％。值得注意的是，即使水分降低铝粉的爆炸危险，铝粉仍是爆炸性的。此外，其上非金属粉剂，如粉煤效果相比[27]，水分是在抑制铝粉末，这对于铝粉末加工和抛光的防爆指导显著重要的爆炸效果较差。

4.2。氧化时间对铝粉最小可爆浓度的影响

数字7个shows the maximum explosion pressures of aluminum powders with different moisture contents as oxidized for 2 h, 4 h, 6 h, and 8 h. Table5个列出了相应的最小爆炸性浓度。The minimum explosible concentration of the dry aluminum powders oxidized for 2 h, 4 h, 6 h, and 8 h is same with the value of 40 g/m^三。Increasing the moisture content to 5 wt% and 15 wt% increases their minimum explosible concentration to 55 g/m^三和65 g/m^三，分别是。结果表明，水分是铝粉最小爆炸浓度增加的主要原因，氧化时间短对铝粉最小爆炸浓度没有显著影响。

5.讨论

水分主要通过改变铝粉表面的氧化膜，影响铝粉的着火和燃烧过程来抑制铝粉的爆炸[28–三十]。微米铝粉具有较大的比表面积，具有很高的化学活性。表面氧化膜可以抑制其与水和氧的化学反应。微米铝粉爆炸是一个非常复杂的不稳定气固两相反应。水分可以作为其爆炸的抗爆剂。

5.1。在表面铝粉的氧化膜中的水分的影响。

Ye等人。[31]提出在室温下的铝氧化机理，通过该铝_2个O型_三薄膜能保持铝粉末在室温下的化学稳定性。简言之，如暴露于空气中的微米铝粉末颗粒吸附游离氧。颗粒表面和铝上吸附的氧原子被转换至O^2个-和Al³⁺分别通过电子转移，最终形成_2个O型_三强诱导偶极/偶极作用下的粒子表面层。中性颗粒表面吸附形成的初始氧化层在静电作用下产生压力梯度，导致铝的取向转移³⁺和O^2个-。美联_2个O型_三层通过氧化剂（质子H）持续生长⁺)在金属氧化物界面转移。由于空间位阻的作用，静电力逐渐减小，最终达到平衡状态。然后停止氧化层的生长（图八). Zeng等人。[32]发现铝的平均厚度_2个O型_三上铝微米颗粒表面与膜的平均粒径成倍增加。例如，Al的厚度_2个O型_三上10层 μm particles was found to be 17 nm, and that on the particles of 100 μm was as thick as 54.8 nm. The dense and stable Al_2个O型_三由于铝粉的点火需要更多的能量来破坏铝，所以层状结构可以保持铝颗粒的稳定性_2个O型_三层。

在我们的实验中，可在致密和稳定的Al来形成薄的水膜_2个O型_三膜作为暴露于水分的铝粉末，其用作介电液体，以促进Al的水合_2个O型_三。在水合，在该氧化膜在Al-O-Al键断裂形成的Al-OH键与水，制备高度热稳定的AlOOH和Al（OH）_三。铝粉末的点火该氢氧化膜的破坏需要更高的能量。因此，湿气可以抑制铝粉末的爆炸。然而，铝的水合_2个O型_三在低温下是一个非常缓慢的过程。阿洛和阿尔（哦）_三film cannot be formed rapidly in a short period of time, and the inhibition effect of the hydroxide film can be suppressed by the high ignition energy (10 kJ), e.g., “overridden effect” [33]。因此，氧化时间对铝粉最小可爆炸浓度没有显著影响。

5.2。水分对铝粉的点火和燃烧抑制作用

的粉尘（作为产品或作为副产物获得的）的爆炸性可取决于所有的变量。自然结果是个细心的过程控制的需要，为控制可能会影响到爆炸的植物中的风险。我们的研究还突出在粉尘爆炸危险的评估过程中，适当的采样阶段的重要性，因为采样相位可能会影响细粒含量，因此，灰尘性能显著程度[34]。有两种类型的在空气中的灰尘燃烧的：均匀燃烧，即，气相燃烧，和不均匀燃烧[35]。霍华德和埃森海[36]发现，粉尘燃烧强烈由灰尘粒子大小的影响，并从非均匀燃烧逐渐演变为气相燃烧灰尘颗粒尺寸的增加。水分会影响点火，并通过吸热过程，氧稀释，抑制反应动力学铝粉末的燃烧，并且颗粒聚集[27]。影响因素是不同的燃烧机理不同，以不同方式影响燃烧。水没有化学特异性和严格充当热淬火剂。如果爆炸非常早部署，它可以有一定程度的效果在扩散的早期爆炸。然而，在此过程中，有也起促进铝粉末爆炸的发生。当水吸附发生时，氢的产生导致爆炸严重性的增大。与此相反，抑制效果可被提出水时和铝之间的有效接触时间减少至爆炸的持续时间。

由于其强的亲水性，所述微米铝粉表现出服务器在0-8％的范围内，湿气含量聚合，从而进行不均匀燃烧。在非均匀燃烧机构，燃烧发生在颗粒表面上，因此氧气到颗粒表面的扩散速率是影响爆炸的关键因素。Water is transformed from liquid phase to gaseous phase at the ignition energy of 10 kJ. The water vapor increases the oxygen diffusion resistance and flame propagation, and thus reduces the burn rate of dust. Therefore, moisture inhibits the aluminum powder explosion by inhibiting the chemical reaction kinetics and the inhibition effect gradually decreases with the increase of moisture content. In addition, the moisture on aluminum particle surfaces can significantly reduce the effective distance between the particles, resulting in strong attractions between the particles and agglomeration tendency. The moisture in aluminum powder particle crackers can form liquid bridges between some particles, causing particle agglomeration. Therefore, the microstructure of micron aluminum powder particles also contributes to the particle agglomeration. The agglomeration weakens the particle dispersion, and thus increases the particle size of the aluminum powder. The agglomeration becomes more obvious with the increase of moisture content, and eventually becomes the main factor suppressing the combustion of aluminum powder. 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%.

六，结论

在目前的工作中，对铝功率爆炸水分含量的影响。结果表明，水分可以降低铝粉爆炸的危险。The minimum explosible concentration of aluminum powder is increases by 50%, from 40 g/m^三to 60 g/m^三,一个s the moisture content increased from 0% to 8%, and increased by 8.3%, to 65 g/m^三，随着含水率进一步提高到20%。然而，铝粉在40℃下氧化8 h并没有显著改变最小爆炸浓度，主要是由于铝的水化作用_2个O型_三是一个缓慢的过程。的少量的AlOOH，Al的效果（OH）_三formed by the hydration can be overridden by the high ignition energy (10 kJ). Further investigation suggests that moisture inhibits the explosion of aluminum powder by altering its surface oxide film and inhibiting its ignition and combustion. In the moisture content range of 0-8%, the inhibition is attributed to the inhibited reaction kinetics and particle agglomeration and that the moisture content range of 8-20% is due to the endothermic processes and oxygen dilution effect. Increasing the moisture content to 21% caused solid-liquid phase separation, resulting in the heterogeneity of the system. However, the aluminum powder at the phase separation state is still explosive.

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求从相应的作者处获得。

的利益冲突

作者宣称，他们没有竞争的利益。

致谢

作者非常感谢重庆研究院有限公司中国煤炭工业集团为他们的权限发布本文。作者要感谢山东省自然科学基金（ZR2018BEE006）的支持。

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